基于MEMS陀螺仪的地下管线测绘系统构建分析

摘要：地下管线准确测绘对城市规划具有至关重要的作用，传统地下管线测绘方法存在成本高、效率低和安全隐患大的问题。为了解决这些问题，首先，提出一种基于微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）陀螺仪的地下管线测绘系统构建方法，通过分析MEMS陀螺仪的基本原理和性能，确定其适用于地下管线测绘的特点。其次，设计一套完整的地下管线测绘系统，实现对地下管线位置和走向的精确测量。研究结果显示，该系统能实现对地下管线位置和走向的准确测量，且具有高精度、高效率、低成本特点，能满足不同规模和需求的地下管线测绘任务。

关键词：MEMS陀螺仪地下管线测绘系统城市基础建设

ConstructionAnalysisofUndergroundPipelineSurveyingandMappingSystemBasedonMEMSGyroscope

LIUTongyu

CRCCHarbourandChannelEngineeringBureauGroupCo.，Ltd.，Zhuhai，GuangdongProvince，519070China

Abstract：Accuratesurveyingandmappingofundergroundpipelinesplaysacrucialroleinurbanplanning.Traditionalsurveyingandmappingmethodsofundergroundpipelinessufferfromproblemsofhighcosts，lowefficiency，andsignificantsafetyhazards.Tosolvethesproblems，thisarticleproposesamethodforconstructinganundergroundpipelinesurveyingsystembasedonMicro-Electro-MechanicalSystem（MEMS）gyroscopes.ByanalyzingthebasicprinciplesandperformanceofMEMSgyroscopes，thecharacteristicssuitableforundergroundpipelinesurveyingaredetermined.Then，itdesignsacompleteundergroundpipelinesurveyingsystemframeworktoachieveprecisemeasurementofthepositionanddirectionofundergroundpipelines.Theresearchresultsshowthatthesystemcanachieveaccuratemeasurementofthepositionanddirectionofundergroundpipelines，andhasthecharacteristicsofhighprecision，highefficiency，andlowcost，whichcanmeetthesurveyingandmappingtasksofundergroundpipelinesofdifferentscalesandneeds.

KeyWords：MEMSgyroscope;Undergroundpipelines;Surveyingandmappingsystem;Urbaninfrastructure

地下管线是城市基础设施中不可或缺的部分，承担着供水、供气、供电等重要职能，但由于地下管线隐藏在地下，其位置、走向、状态很难直接观测，给管线管理工作带来严重困难。传统地下管线测绘方法主要依赖人工勘测和地理勘测仪器，这些方法存在着各种问题，人工勘测耗时耗力，且易受人为因素的影响，测量结果的准确性无法保证。同时，地理勘测仪器设备昂贵且复杂，操作繁琐，不适合在复杂地形环境中使用。因此，寻求一种新的地下管线测绘系统是非常必要的。微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）陀螺仪作为一种新兴的惯性导航传感器，具有体积小、功耗低、精度高等优点，被广泛应用于飞行器、汽车、机器人等领域。近年来，研究人员开始关注基于MEMS陀螺仪地下管线测绘系统构建，该系统利用MEMS陀螺仪测量地下管线方向和角度，通过计算机处理实时数据，实现对地下管线的三维测量和地图绘制。基于此，本文提出基于MEMS陀螺仪的地下管线测绘系统的构建方法，并将其应用于实际工程中。该方法具有成本低、精度高、操作简便等优点，能大大提高地下管线的测绘效率和准确性。

1系统总体方案设计

为了实现高精度的地下管线测绘，本文设计了一套基于MEMS陀螺仪的地下管线测绘系统，主要包括系统结构设计、系统软硬件设计、管道测绘算法。系统结构设计分为控制模块、传感器模块、数据处理模块。控制模块负责整个系统的控制，包括主控制器、通信设备和电源管理等组件，主控制器通过与其他模块的通信，实现对传感器模块和数据处理模块的控制。传感器模块是系统的核心部分，使用MEMS陀螺仪和其他传感器获取地下管线的姿态和位置信息；MEMS陀螺仪通过测量角速度和角度变化，判断管道方向和倾斜程度；加速度计、磁力计等其他传感器用于辅助测量。数据处理模块负责接收传感器模块采集的数据，并进行实时处理和存储，包括数据采集单元、数据处理单元、数据存储单元；数据处理单元通过对传感器数据滤波和噪声消除，提高测量的稳定性。

系统软硬件设计是为了保证地下管线测绘系统的可靠性，硬件设计方面，选用高精度的MEMS陀螺仪，并采用工业级的电子元件和连接器，以确保系统在恶劣环境下的正常运行。软件设计方面，开发专门的控制程序和数据处理算法，控制程序负责实现系统的自动控制和数据传输功能，同时具备故障检测和报警功能；数据处理算法主要包括姿态解算算法、滤波算法和校准算法，用于对传感器数据进行分析，从而得到管道的准确位置和姿态信息。管道测绘算法是地下管线测绘系统的关键组成部分，采用基于惯性导航的测量方法，通过MEMS陀螺仪和其他传感器获取地下管线的姿态和位置信息，利用姿态解算算法对传感器数据进行处理，得到管道的精确方向和倾斜程度；通过滤波和校准算法对测量数据进行处理，提高测量的准确性。

2系统结构设计

2.1整体结构设计

MEMS陀螺仪是一种小型惯性测量单元，能测量空间中物体的角速度，该陀螺仪采用50g的小型惯性测量单元，测量范围为±2000°/s，最小分辨率为0.01°/s，零偏稳定性为0.1°/h，温度漂移为0.005°/°C，这些性能参数保证系统的高精度。地下管线测绘系统的整体结构设计包括轮组和系统主体的螺钉联接方式固定，轮组由4个小型车轮组成，能在地下管道中进行自由移动，系统主体是装有MEMS陀螺仪的盒子，用于接收和处理陀螺仪的测量数据。系统工作原理是将地下管线测绘系统放置在需要测绘的管线附近，通过操作控制系统控制轮组在地下管道中移动，同时陀螺仪实时测量角速度。陀螺仪测量数据将通过无线通信传输到系统主体，系统主体接收到数据后，通过算法处理计算出管线的位置和走向，并将结果显示在控制系统的界面上。为了确保整个系统的稳定性，轮组和系统主体之间采用螺钉联接方式固定，这种方式能有效避免在地下管道中移动时发生松动，从而保证测量的准确性。此外，整体结构设计还考虑系统的便携性和耐用性，使系统方便地进行携带和使用，并能够适应各种恶劣的环境条件。

2.2测绘装置主体结构设计

基于MEMS陀螺仪的地下管线测绘系统测绘装置主体结构设计采用模块化设计，整个装置主体由多个模块组成，包括陀螺仪模块、电源模块、控制模块、显示模块等，这些模块通过螺钉联接在一起，有效确保装置的稳固性。同时，在装置机械联接处，进行防水和密封处理，以防止水分和灰尘进入装置内部影响其正常工作，螺钉联接也能提供良好的密封效果，保证装置的耐用性和可靠性。测绘装置主体尺寸为435mm长度和60mm最大直径，外观表面光滑，方便操作和携带，一端是操作面板，上面设有开关、数据接口、工作状态指示灯，方便用户进行操作和监控装置的工作状态；另一端是电池仓，用于放置电池以供装置正常工作。这种测绘装置主体结构设计的优点是模块化设计，使装置更易维修和更换零部件，防水和密封处理保证装置的可靠性；螺钉联接提供良好的机械连接效果，确保装置的稳固性；装置尺寸和外观设计使操作更加方便，用户轻松携带；操作面板和电池仓设置也增加装置的易用性[1]。

2.3轮组结构设计

轮组主要由中心支撑杆、U型支架、滚轮、轴承、螺纹轴、限位螺母组成。中心支撑杆是轮组的主要支撑部件，其负责连接整个轮组与测绘系统；U型支架则用于固定轴承和滚轮，保证其在运动过程中的稳定性。滚轮选用高强度材料制造，以增加其使用寿命。为了减小滚轮与地面的摩擦力，在滚轮表面采用特殊的设计，如花纹、凹凸不平的表面结构，能有效地提高轮组的运动效率。轴承负责支撑滚轮的转动，本文采用高精度的球轴承，确保轮组在高速运动中的稳定性和平衡性。同时，为了减小轮组的摩擦力，在轴承上添加适量的润滑剂。螺纹轴是连接中心支撑杆和滚轮的关键部件，通过旋转螺纹轴能调整滚轮与地面之间的距离，从而实现对地下管线的测绘深度的调节，限位螺母作为螺纹轴的固定装置，能防止滚轮在运动过程中松动或脱落。整个轮组设计要求轻巧、坚固、耐磨，且能适应各种复杂的地下环境。因此，在材料选择上，采用高强度、轻量化的合金材料，如铝合金、钛合金等，这不仅满足轮组的结构强度要求，还可以减轻整个地下管线测绘系统的重量（如图2所示）。

3系统软硬件设计

3.1数据采集模块

在地下管线测绘系统中，MEMS陀螺仪被安装在管道测量设备上，用于测量设备的方向和角度。该传感器会产生连续的数据流，涉及管道设备的姿态信息，为了提高数据采集的准确性，本系统采用串口空闲中断和DMA方式进行数据采集。串口空闲中断是一种在串口接收到完整一帧数据后触发的中断，通过监测串口的状态位，当检测到接收的完整数据帧后，STM32芯片会判断出现空闲帧，并触发空闲中断。在空闲中断处理函数中，采集并处理接收到的数据。但对于高频率的数据采集，使用中断方式进行数据采集效率较低，为了提高数据采集的速度，本系统采用DMA方式进行数据传输。DMA是一种直接从外设到存储器或从存储器到外设进行数据传输的技术，通过配置DMA通道和相关寄存器，实现在不占用CPU的情况下完成数据的传输。在本系统中，串口空闲中断和DMA方式结合使用，通过配置串口的空闲中断使能位，当接收到完整一帧数据后触发空闲中断。在空闲中断处理函数中，通过DMA方式将接收到的数据直接存储到指定的存储器中，大幅度提高数据采集的效率，并减轻CPU的负担[2]。

3.2数据存储模块

在地下管线测绘系统软硬件设计时，要配置STM32的串口和DMA接收功能，串口是用来接收MEMS陀螺仪发送的数据的通信接口，而DMA则是用来高效地将接收到的数据搬运到指定的缓冲区中。在STM32上配置串口和DMA接收的步骤如下：（1）初始化串口的引脚和参数设置，选择适当的引脚作为串口的接收引脚，并设置串口的波特率、数据位数、停止位等参数；（2）配置DMA的通道和缓冲区，选择合适的DMA通道，并分配缓冲区用于存储接收到的数据；（3）配置DMA的传输参数，设置DMA的传输模式、数据宽度和传输长度等参数；（4）配置串口的接收中断。使能串口接收中断，并在中断处理函数中调用DMA传输函数，将接收到的数据搬运到指定的缓冲区中。

一旦配置完成，每当MEMS陀螺仪发送一帧数据，串口将接收到这些数据，并通过DMA搬运到指定的缓冲区中，从而实现数据的存储功能。接下来，讨论里程计数据的采集，里程计是一种用于测量运动距离的设备，通常使用脉冲信号来计算行进距离[3]。在这里，采用STM32的外部中断方式来进行里程计数据的采集，外部中断是一种硬件触发方式，当GPIO口检测到上升沿跳变时，会触发外部中断。为了配置STM32的外部中断功能，要进行以下步骤。（1）初始化外部中断的引脚和参数设置。选择适当的引脚作为外部中断的触发引脚，并设置触发边沿、中断优先级等参数。（2）配置外部中断的中断处理函数。在中断处理函数中，累计触发的脉冲数，使用全局变量来保存脉冲数的累积值。通过以上配置，当GPIO口检测到上升沿跳变时，外部中断将被触发，并在中断处理函数中累计触发的脉冲数，这就可以实现里程计数据的采集功能[4-5]。

3结语

综上所述，本研究基于MEMS陀螺仪的地下管线测绘系统构建方法具有良好的性能和应用前景。然而，仍需要进一步优化系统的设计和算法，以提高测绘的精度和可靠性，并解决实际应用中的挑战。相信在未来的发展中，基于MEMS陀螺仪的地下管线测绘系统将会得到更广泛的应用。

参考文献

[1]周忠赣，高芳.基于REDUCT惯性定位的地下管线测绘系统设计[J].经纬天地，2022（5）：69-71，79.

[2]姚英，唐春娜，闻达.浅谈鄞州区基础地理信息系统数据库更新的方法[J].测绘与空间地理信息，2022，45（10）：80-83，86.

[3]滕松，王祥，叶晔，等.基于GIS对管线普查更新数据升级优化的探讨[J].城市勘测，2023（1）：55-58.

[4]赵显鹏.基于MIMU/里程计的地下管线定位技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2022.

[5]杨毅，林斌，娄高峰.基于MEMS陀螺仪的地下管线测绘系统[J].传感器与微系统，2020，39（12）：88-91，95.