陳鴻鵬(威海市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，山東 威海 264200)

0 引言

隨著工業(yè)規(guī)?；途?xì)化的不斷發(fā)展，壓力管道的數(shù)量也在不斷增加，作為一類重要的特種設(shè)備，壓力管道需要定期進(jìn)行檢驗(yàn)。根據(jù)TSG D0001—2009《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程—工業(yè)管道》規(guī)定[1]，一般情況下，壓力管道的檢驗(yàn)人員在檢驗(yàn)過程中需要審查壓力管道設(shè)計(jì)、安裝、使用的相關(guān)資料。實(shí)際檢驗(yàn)過程中，部分壓力管道使用單位的安裝竣工資料由于保存不當(dāng)圖紙丟失以及檢驗(yàn)人員對壓力管道的相關(guān)資料存在懷疑時(shí)，需要對壓力管道進(jìn)行現(xiàn)場測量，重新繪制壓力管道單線圖。對于戶外較為復(fù)雜或者長度較長的壓力管道，激光測距儀、卷尺、羅盤等傳統(tǒng)測量方法工作效率不高，檢驗(yàn)人員的大量精力用在測量和繪制單線圖的工作中來，由于傳統(tǒng)測量操作不便、需要人工記錄和分析數(shù)據(jù)等原因，已經(jīng)不能完全滿足檢驗(yàn)工作高效、精確的要求。本文通過利用STM32單片機(jī)、GNSS差分定位和氣壓定高等，對戶外壓力管道的重要坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行三維坐標(biāo)的測量，自動(dòng)記錄和繪制壓力管道單線圖，可以實(shí)現(xiàn)管道關(guān)鍵測量點(diǎn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、高速記錄，提高壓力管道檢驗(yàn)的速度和效率。后期也可以利用地圖軟件SDK等二次開發(fā)，以直觀形式復(fù)原壓力管道的實(shí)際位置和分布。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

壓力管道測量系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示。本系統(tǒng)主要由STM32F103單片機(jī)控制模塊和GNSS雙模接收模塊、BMP280高度氣壓傳感模塊、TFT顯示屏模塊、SD卡記錄模塊及控制按鈕6個(gè)部分組成，另外有1組RS232通訊接口方便接入PC機(jī)或其他終端。其中STM32F103控制模塊作為程序控制單元，通過接收來自GNSS北斗接收機(jī)、BMP280高度氣壓計(jì)等傳感器的數(shù)據(jù)，計(jì)算出被測測量點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)和相對高度數(shù)據(jù)，通過SD卡模塊記錄各測量點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并通過TFT顯示屏模塊實(shí)時(shí)繪制管道走向的基本圖像縮略圖，便于檢驗(yàn)人員現(xiàn)場參考。后期通過PC軟件讀取SD卡記錄的坐標(biāo)和標(biāo)記信息，可以生成和導(dǎo)出壓力管道的矢量圖。

圖1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32單片機(jī)

系統(tǒng)使用意法半導(dǎo)體STM32F103ZET6芯片，該芯片集成72MHz高性能ARM RISC內(nèi)核，擁有兩個(gè)I2C、三個(gè) SPI、一個(gè) SDIO、五個(gè) USART、一個(gè) USB和一個(gè)CAN，可在-40至+105 ℃的溫度范圍內(nèi)工作，電源電壓為2.0至3.6 V。利用該芯片的各種端口實(shí)現(xiàn)通訊、顯示、輸入輸出和存儲(chǔ)功能。

2.2 GNSS北斗接收機(jī)

由于普通民用級單點(diǎn)定位精度普遍在1～2 m之內(nèi)，為進(jìn)一步提高定位精度，采取使用RTK差分定位技術(shù)的定位模塊。系統(tǒng)使用1顆國產(chǎn)BDP2620北斗、GPS雙模定位模組作為定位接收機(jī)，芯片內(nèi)置螺旋天線，串口波特率4 800～230 400 bps，通訊協(xié)議NMEA-0183，捕獲追蹤靈敏度不低于-165 dBm，數(shù)據(jù)刷新率1 Hz或5 Hz。RTK模式下單點(diǎn)定位精度0.1～0.15 m，采取串口通訊，可以滿足管道單線圖記錄精度要求。

2.3 高度氣壓計(jì)

系統(tǒng)使用BMP280大氣壓強(qiáng)傳感器模塊作為高度數(shù)據(jù)來源，該模塊采用I2C接口，相對絕對精度0.02 hPa(典型值)，數(shù)據(jù)刷新率不低于20 Hz。

2.4 TFT顯示屏

系統(tǒng)選取國產(chǎn)5英寸320×240分辨率TFT顯示屏，顯示屏采用8線SPI接口，由STM32單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，最高亮度不低于400 nit，基本滿足戶外顯示亮度要求。

2.5 SD卡記錄模塊

SD卡記錄模塊型號CH376S，兼容5 V和3.3 V電平，采用8線SPI接口，SD卡文件采用FAT32格式。

2.6 數(shù)據(jù)通訊模塊

系統(tǒng)采用串口接口實(shí)現(xiàn)RS232協(xié)議，采用DB25型連接接頭，可以方便接入PC或者其他終端，通訊使用接收、發(fā)送、接地三條線，實(shí)現(xiàn)全雙工通信，默認(rèn)傳送速率9 600 bps。另外有一條USB通訊接口，主要用于上機(jī)位，實(shí)現(xiàn)程序上傳、調(diào)試等功能。

2.7 供電

電源采取4.2 V的鋰電池模塊供電，鋰電池自帶保護(hù)電路，外置AC/DC USB Tpye-C充電接口。內(nèi)部使用DC/DC升降壓電路實(shí)現(xiàn)3.3 V和5 V電壓的輸出。

將GNSS北斗接收機(jī)接入串口通訊接口，高度計(jì)接入I2C接口，SD卡模塊和顯示屏模塊分別接入SPI接口，接好控制按鈕等其他輔助電路。

3 數(shù)據(jù)的處理

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示，主要分為數(shù)據(jù)輸入、處理和輸出三個(gè)部分。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程

3.1 GNSS定位數(shù)據(jù)的處理

GNSS定位芯片首次通電后進(jìn)行冷啟動(dòng)，開始搜索衛(wèi)星信號，同時(shí)利用協(xié)議輸出未定位的信號。衛(wèi)星鎖定一定數(shù)量衛(wèi)星信號后將開始輸出定位信息，通過協(xié)議傳送至單片機(jī)，單片機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為經(jīng)度和維度的二維坐標(biāo)數(shù)值，生成坐標(biāo)數(shù)組。根據(jù)兩點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)值的不同，通過以下公式計(jì)算出兩點(diǎn)間的距離：

根據(jù)地球直徑，計(jì)算出兩測量點(diǎn)的距離，使用以下公式計(jì)算：

其中R1為1經(jīng)度的實(shí)際距離，取111 712.691 506 410 557 299 843 014 128 73 m；R2為1維度的實(shí)際距離，取R2為102 834.742 580 260 897 860 136 774 762 85 m。

然后使用勾股定理計(jì)算出兩點(diǎn)間的實(shí)際距離Ds。

因GNSS定位模塊在RTK高精度模式下的刷新率為1 Hz，考慮到實(shí)際現(xiàn)場測定效率，不采取其他濾波算法，采取取樣3次取平均值的方式縮小系統(tǒng)誤差。

3.2 高度數(shù)據(jù)的處理

衛(wèi)星定位也能提供高度數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)大多為橢球高度，與實(shí)際海拔高度存在一定誤差。故采用氣壓高度計(jì)的方法獲取各測量點(diǎn)的高度。以首次測量點(diǎn)的高度值作為基準(zhǔn)高度，所有測量點(diǎn)的海拔高度利用以下海拔-大氣壓高度公式[2]計(jì)算：

式中：P0取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101.325 kPa。

對氣壓傳感數(shù)據(jù)，在20 Hz采樣過程中，發(fā)現(xiàn)仍有部分?jǐn)?shù)值偏離較大，出現(xiàn)數(shù)據(jù)抖動(dòng)情況，故采取卡爾曼濾波算法以提高數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。在不考慮其他因素影響下，可以建立單模型的一階卡爾曼濾波，主要算法如下：

上一個(gè)最優(yōu)值對應(yīng)的協(xié)方差：

式中：P(k|k-1)為根據(jù)上一測量值預(yù)測的協(xié)方差；P(k-1|k-1)為上一次計(jì)算的最優(yōu)值；Q為過程誤差。

卡爾曼增益：

式中：R為測量誤差。

計(jì)算出本次結(jié)果對應(yīng)的協(xié)方差：

計(jì)算出本次數(shù)值的最優(yōu)解：

式中：X(k|k-1)為根據(jù)上一測量值預(yù)測的結(jié)果；X(k-1|k-1)為上一次計(jì)算的最優(yōu)解；Z(k)為實(shí)際測量值。

根據(jù)以上濾波算法進(jìn)行編程上機(jī)測試，在封閉容器內(nèi)通入壓縮空氣逐步加壓，模擬不同氣壓值下的狀態(tài)并讀取傳感器的數(shù)值，如圖3所示。測試發(fā)現(xiàn)傳感器讀數(shù)在實(shí)際值附近呈現(xiàn)隨機(jī)抖動(dòng)分布。經(jīng)過卡爾曼算法濾波后，計(jì)算數(shù)據(jù)有很好的跟隨性和平滑性，能夠有效過濾掉數(shù)據(jù)中偏離較大的值，提高了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和有效性。在實(shí)際操作中需要根據(jù)數(shù)據(jù)的特性確定起始的Q值和R值，其中Q值過大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快，但收斂速度變慢，R值過大，收斂速度變快，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。所以要針對數(shù)據(jù)采樣頻率和數(shù)據(jù)離散特性，通過實(shí)驗(yàn)獲取最為符合的設(shè)定值，以獲得最符合的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和數(shù)據(jù)收斂。一階卡爾曼濾波是對離散型數(shù)據(jù)的實(shí)際值進(jìn)行收斂式的計(jì)算預(yù)測，收斂速度和數(shù)據(jù)量及離散特性緊密相關(guān)，計(jì)算時(shí)要盡可能使用原始采集數(shù)據(jù)，以避免數(shù)據(jù)在經(jīng)過處理后增大系統(tǒng)誤差從而偏離實(shí)際數(shù)值。

圖3 氣壓傳感器的卡爾曼濾波

3.3 數(shù)據(jù)記錄

系統(tǒng)使用串口命令對SD卡記錄模塊進(jìn)行操作，SD卡使用FAT32文件格式，在目錄下利用命令建立pipeline+建立時(shí)間.txt文件，將坐標(biāo)點(diǎn)的相關(guān)信息以數(shù)組的形式寫入文件，數(shù)據(jù)格式為編號+坐標(biāo)+大氣壓強(qiáng)+時(shí)間+測量點(diǎn)類型，具體如下：

記錄完成后，可以方便拷貝留存。

4 程序的設(shè)計(jì)

4.1 現(xiàn)場測量的流程

壓力管道現(xiàn)場測定坐標(biāo)流程如圖4所示，主要包含了資料確認(rèn)、現(xiàn)場關(guān)鍵點(diǎn)測量和數(shù)據(jù)記錄等步驟。

圖4 管道單線圖繪制流程

4.2 測量點(diǎn)類型的確認(rèn)

如圖5所示，如果不對關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行類型的標(biāo)記，相鄰測量點(diǎn)的連線繪制將有多種不同結(jié)果，無法根據(jù)測量點(diǎn)準(zhǔn)確繪制管道走向。為避免此類問題，在經(jīng)過點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記時(shí)，設(shè)定測量點(diǎn)類型為單點(diǎn)、連接點(diǎn)、三通、焊口。實(shí)際檢驗(yàn)過程中由檢驗(yàn)人員確定測量點(diǎn)的類型，此時(shí)管道的走向具有唯一性。為減少輸入復(fù)雜性，該數(shù)據(jù)的編號由系統(tǒng)自動(dòng)賦值。

4.3 坐標(biāo)系的變換及繪制

壓力管道單線圖能夠一目了然地了解整個(gè)管線系統(tǒng)的空間走向和位置，繪制時(shí)可以采用傾斜投影的方法，以X軸表示南北方向，Y軸表示東西方向，Z軸表示高度方向。單線圖上標(biāo)記管道走向、焊口編號和管道材質(zhì)代號等基本信息。

Z軸方向采用以首個(gè)測定點(diǎn)高度作為Z=0的基準(zhǔn)高度，其他測定點(diǎn)根據(jù)動(dòng)態(tài)縮放比例線性縮放。

X軸方向，程序使用冒泡法遍歷測定點(diǎn)的經(jīng)度坐標(biāo)，選取經(jīng)度最小值的測定點(diǎn)作為X=0基準(zhǔn)，其他測定點(diǎn)的X、Y軸坐標(biāo)參照下列公式計(jì)算：

式中：Y(k-1)為上一個(gè)測量點(diǎn)的坐標(biāo)；Y(k)為目前測量點(diǎn)的坐標(biāo)。

以第一個(gè)測定點(diǎn)向經(jīng)度增大方向(東)尋找最近的相連測定點(diǎn)，重復(fù)上面計(jì)算，直到計(jì)算結(jié)束，所有管道的坐標(biāo)完成轉(zhuǎn)換。

PC端軟件采用C++語言開發(fā)，相關(guān)算法與顯示屏顯示算法基本一致，增加BMP格式的圖像導(dǎo)出功能。

4.4 確定縮放比例

程序設(shè)置Xs[xmin,xmax]和Ys[ymin,ymax]共2個(gè)數(shù)組，記錄所測數(shù)據(jù)的極值，利用以下公式計(jì)算出各方向上顯示屏合理的縮放比例：

式中：Xp為顯示屏在X方向上的分辨率；Xk為預(yù)留空白邊界大小。

同樣計(jì)算出Sy，兩者以最大者作為最終縮放比例，保證在管道測定中，管道單線圖能夠隨著測量的進(jìn)行合理縮放。

5 系統(tǒng)測試及分析

將各硬件設(shè)備按照設(shè)計(jì)進(jìn)行連接，程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)，開機(jī)測試正常通電后，到某管道使用地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地測量。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)自通電至GNSS定位精度達(dá)到要求，共計(jì)使用28 s?，F(xiàn)場測量計(jì)算數(shù)據(jù)如圖所示，包含常見管道的上下以及水平方向的常見走向，測試中共定位壓力管道管段6段，管道測定長度與實(shí)際測定長度統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 系統(tǒng)實(shí)際測試數(shù)據(jù)

由此可以看出，相關(guān)測定點(diǎn)的標(biāo)記在水平方向上精度較高，誤差均不高于0.2 m；垂直方向精度誤差均小于0.2 m，符合壓力管道檢驗(yàn)單線圖繪制的要求，各個(gè)測量點(diǎn)標(biāo)記基本準(zhǔn)確，圖像繪制符合實(shí)際走向。

導(dǎo)出pipeline20220204081215.txt文件至PC端，導(dǎo)入到單線圖生成軟件，實(shí)際繪制圖像如圖5所示。

圖5 電腦端繪制管道單線圖

生成的管道單線圖草圖可以導(dǎo)出為圖像文件，方便用于檢驗(yàn)報(bào)告中。

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的壓力管道單線圖輔助測量繪制系統(tǒng)，通過使用較為常見的STM32單片機(jī)和北斗定位模塊、高度計(jì)等模塊，實(shí)現(xiàn)了對壓力管道各測量點(diǎn)坐標(biāo)較為精確的記錄，通過坐標(biāo)變換，可以實(shí)時(shí)顯示壓力管道的縮略圖。經(jīng)過實(shí)際測試，各傳感器工作正常，測量點(diǎn)獲取快速準(zhǔn)確，圖形繪制符合管道的基本走向，數(shù)據(jù)記錄完整有效，是提高壓力管道檢驗(yàn)工作效率的有效方式。后期可以采取更高分辨率和尺寸的顯示屏提高顯示觀感，增加手動(dòng)縮放功能以滿足對細(xì)節(jié)查看的需求，也可以利用加速度計(jì)、GNSS數(shù)據(jù)和高度計(jì)的融合計(jì)算，進(jìn)一步提高坐標(biāo)數(shù)據(jù)的精確度。