譚偉巨

廣東中冶地理信息股份有限公司 廣東 東莞 523000

1 引言

伴隨國內(nèi)科技水平和管道探測定位需求的不斷提高，慣導(dǎo)陀螺儀探測定位技術(shù)應(yīng)運而生。慣導(dǎo)陀螺儀探測技術(shù)的應(yīng)用，彌補了傳統(tǒng)管道探測定位法的缺陷和不足之處，提高了探測定位精準度和效率，在管線探測、航天工程、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域均有應(yīng)用[1]。所以，研究地下管道監(jiān)測定位中慣導(dǎo)陀螺儀應(yīng)用，存在著一定的現(xiàn)實意義。

2 傳統(tǒng)地下管線定位技術(shù)遇到的挑戰(zhàn)

1、對實際的測量深度有較大影響，因為很難在實際埋設(shè)深度＞5米以上的情況下，準確測定地下管道的安裝情況和深度，容易受到實際探測條件背景的電磁干擾影響[2]。2、電磁感應(yīng)法管線儀、探地雷達、聲波探測儀等不完全滿足城市地下空間開發(fā)的需要。3、非開挖等施工的特殊性地形障礙（過河、過鐵路、建筑物）。

3 陀螺儀原理介紹

3.1 陀螺儀的概念

陀螺儀的基本原理：被轉(zhuǎn)動物的旋轉(zhuǎn)軸指向的方位在不受外力作用下，是不能變化的。就按照這種原理，用它來保持運動方向，生產(chǎn)起來的物體就叫做陀螺儀（gyroscope)[3]。

由三個羅盤和三個加速度儀組成的方位測量儀控制系統(tǒng)（OMU）是主要檢測設(shè)備，分別檢測定位儀的相對慣性中的三個旋轉(zhuǎn)角速度和三條直線加速度的定位儀坐標系的分量，并進行方位轉(zhuǎn)換，將加速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)航方位坐標控制系統(tǒng)的速率。并檢測出定位儀的地點、高度、運動方向和水平位置。陀螺儀則根據(jù)測定水平角（Heading)，俯視角（Pitch）和側(cè)滾方位（Roll）的變化規(guī)律，從而判斷慣性定位設(shè)備的工作狀態(tài)。

3.2 陀螺儀進行管線定位的原理

陀螺儀和加速度計依次檢測定位儀的相應(yīng)于慣性空間的三次自轉(zhuǎn)角速度和三次線加速率延定位方向儀坐標系上的矢量，并進行位置轉(zhuǎn)換，將加速度信號轉(zhuǎn)換為延導(dǎo)航坐標系的線加速率。從而測算出定位儀的方位、時速、航向，以及水平姿態(tài)[4]。

例如：將北向加速度計和東向加速度計測得的運動加速度aN、aE進行一次積分，與北、東向初始速度VN0、VE0得到定位儀的速度分量，

既：

將速度V北和V東進行變換并再次積分得到定位儀的位置變化量，與初始經(jīng)緯坐標相加，即得到定位儀的地理位置經(jīng)緯坐標。

幾種常用的坐標系：慣性坐標系、地球坐標系、地理坐標系、載體坐標系、陀螺坐標系、動參考坐標系。

4 慣導(dǎo)陀螺儀的組成

1、硬件系統(tǒng)：由測量單元和行進部分組成。其中方向測量儀器（OMU）系統(tǒng)是慣導(dǎo)陀螺儀最主要的構(gòu)件，其為包括除了計程儀（通常用于方向計量器之上）以外的各種感應(yīng)器。2、軟件系統(tǒng)：用來對測量單位所收集的數(shù)據(jù)進行處理計算，并得到點坐標系和管線空間圖形信息圖[5]。這些軟件程序把由方位測量儀所獨立測量的數(shù)值從方位測量儀器中傳送至電腦，然后再把方向測量儀器所經(jīng)路線與已知的出入口點位置系統(tǒng)相互聯(lián)系，最后再從所選的位置系統(tǒng)中建立一條更精確的三維曲線。

5 慣導(dǎo)陀螺儀技術(shù)特點

陀螺儀三維精確定位技術(shù)作為新的地下管線定位方法，具有以下技術(shù)特點：

1、測量過程不受海拔影響，不受深度影響，也不受電磁干擾；2、定位精度高；3、適合于任何材質(zhì)的地下管道；4、自主創(chuàng)建三維空間曲面圖，并與GIS數(shù)據(jù)融合[6]。5、陀螺儀三維精密定位工藝，可成為管線定位儀、GPR探地雷達技術(shù)、CCTV攝像系統(tǒng)技術(shù)等傳統(tǒng)測量方法的強力彌補工具，對于解決問題精密位置大埋深地下管道問題具有很大意義。

6 慣導(dǎo)陀螺儀在管道探測中的應(yīng)用實例

某附近城市機場的燃氣管道穿越施工雖已經(jīng)建成并已通氣運行，但其管道頂管施工時必須在緊挨燃氣管道的地方進行沉井樁基施工，因為穿越施工的基礎(chǔ)計算準確性較小，而且準確性也較差，無法作為放樣的數(shù)據(jù)。為保證燃氣管道的正常運作和安全，在這以前，以往通常的做法是敷設(shè)臨時管，如果管道被損壞，則在污水頂管施工完成后重新穿越一條燃氣管。這樣的結(jié)果是帶來了重大的經(jīng)濟損失。還好現(xiàn)在我們有了更好的選擇，那就是對原有的燃氣管道進行三維管道軌跡測量。

6.1 技術(shù)難點

該管道的測量涉及許多復(fù)雜的流程。以燃氣管道為例，在開始測量之前，需要辦理停氣通告和手續(xù)，割管前進行氮氣置換，割管、穿繩、重新鑲接等等工序，耗時、耗力，同時代價很高。所以建議在新管道穿越施工完成的時候立即進行測量工作

6.2 硬件選取

主要硬件：慣導(dǎo)陀螺儀、全站儀、計算機

慣導(dǎo)陀螺儀：由保護盒、慣性測量棒、工作計算機、控制臺等幾部分構(gòu)成。

6.3 技術(shù)實施方案

技術(shù)實施方案為：1、實施之前，應(yīng)做好數(shù)據(jù)采集與計算工作，獲取待測區(qū)域的位置圖，并計算待測管道入、出的三維坐標值。如作業(yè)點位于沙井內(nèi)，進沙井時應(yīng)進行抽水或通氣，并按照缺氧的環(huán)境守則進行操作。2、在進行試通操作時，先將慣性定位器放入待測管道入口處，然后啟動慣導(dǎo)陀螺儀，并在入口停止儀器約三十秒鐘后在出口處用機械或人工方式進行拉帶。隨著儀器在管道內(nèi)檢測，傳感器即時記下慣導(dǎo)陀螺儀運動的時間，以及路徑中的位移與軌跡位置的變動情況。拖至出口處亦須靜止三十秒鐘，此時開始進行一次檢測工作，于此重復(fù)檢測兩次以上得出最準確之結(jié)果[7]。

6.4 數(shù)據(jù)處理

1、數(shù)據(jù)處理

探測工作結(jié)束后，需要使用專門數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件對測量信息加以運算處理。先將慣導(dǎo)陀螺儀的測量信息下發(fā)至工作計算機上，接著將測量管道的開始位置和末端位置注入軟件系統(tǒng)中，并選定相應(yīng)的數(shù)據(jù)位置，然后就可以得到管道的定位信息資料。通過處理獲得的資料確定該資料是否有效，若未滿足要求，則須再次展開測量工作，直到獲得最準確的結(jié)果。待獲得較準確的結(jié)果時，保存本次資料的有關(guān)信息，在配合測量獲取之現(xiàn)場地形圖及測繪程序中完成管線數(shù)據(jù)編制、套繪。

2、數(shù)據(jù)輸出

1）數(shù)據(jù)類型：XYZ三維空間坐標。2）標準文件格式：.csv文件、.csr文件。3）最大測量深度：無限制；或0-1000米。4）測量精度：0.25%*管長。5）彎曲半徑：300D。6）管道材質(zhì)：鋼管。

3、探測成果精度如下

平面精度：±0.25%*L=±0.25%×68.076=±0.170m＜0.1h

高程精度：±0.10%*L=±0.10%×68.076=±0.068m＜0.15h

6.5 探測結(jié)果分析

在慣導(dǎo)陀螺儀提供的測量數(shù)據(jù)支持下，污水頂管沉井樁基施工順利結(jié)束，燃氣管道完好無損，證明了RUDUCT陀螺儀的準確性和可靠性。慣性陀螺管內(nèi)直接測量法提供的數(shù)據(jù)具有精度高、數(shù)據(jù)可靠穩(wěn)定，從而確定了慣導(dǎo)陀螺儀在深部管線測量方面的強大技術(shù)優(yōu)勢和應(yīng)用前景。

表1 天然氣管道穿越工程坐標表

7 慣導(dǎo)陀螺儀的前景分析

1、管道三維姿態(tài)測量

目前，現(xiàn)有的管網(wǎng)及井室檢測技術(shù)，包括有地面檢測和地下檢測兩個方向，但都存在誤差大，人員操作要求高，實用性不強等確定。管道三維位置測量儀技術(shù)，可獲得未施工穿越管線施工管道的精確定位數(shù)據(jù)，科學(xué)合理的開發(fā)利用地下空間，減少潛在的事故隱患，進而攻克上述其他檢測方法無法破解的實際難題。需要注意的是，在實際應(yīng)用中，由于管道三維姿態(tài)測量儀是基于精確測量自身運動軌跡而求得所測管道中心坐標序列的原理，其測量準確度不止受限于內(nèi)置的核心慣性傳感器測量單元，也與儀器運行過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性息息相關(guān)。因此，保持測量管道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，也是三維姿態(tài)測量儀測的準確數(shù)據(jù)的先決條件之一。以上便是傳感器基于慣性測量單元，即IMU慣性傳感器技術(shù)的測量儀器——管道三維姿態(tài)測量儀的原理與應(yīng)用了。

2、開發(fā)管線探測慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

對于海底管道或途經(jīng)土壤含水量較大地區(qū)的管道，由于海洋環(huán)境、淺層建筑地貌、水底地形等都非常復(fù)雜，且海洋板塊極不平衡，容易引起地形變，從而無法形成實時的地理信息系統(tǒng)。檢測設(shè)備如果不記錄其周圍位置和敷設(shè)路徑，就無法對管線檢測設(shè)備產(chǎn)生缺陷的準確定位。為解決此類問題，可以開發(fā)管線探測慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

通過優(yōu)選加速度計和陀螺儀所構(gòu)成的慣性控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成；同時在解算算法中通過引入互補信號濾波和擴展自適應(yīng)卡爾曼濾波使偏差范圍明顯減小，從而有效提升了管線軌跡測量準確度。整體結(jié)構(gòu)上完備了整套測試體系。其主體構(gòu)成主要由以負責(zé)方位角和距離信息收集的感應(yīng)器為核心的下位機組成部分，和以實現(xiàn)串口方式通訊和數(shù)據(jù)處理解算功能的上位機組成部分。其中下位機方面，在實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的基本機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和信息遴選的技術(shù)理論基礎(chǔ)上，以STM32F103型單片微式電子計算機為控制系統(tǒng)的指令控制系統(tǒng)核心，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)傳遞等全過程操作，同時實現(xiàn)了加速度儀和光纖陀螺儀的信號控制和數(shù)據(jù)收集等功能。配套單元有電力管理和模數(shù)轉(zhuǎn)換控制器等。在上位機方面，以LabVIEW平臺實現(xiàn)了對一個界面和串口讀寫控制系統(tǒng)的編程開發(fā)工作，并采用matlab腳本的方法實現(xiàn)了軌跡坐標解算和誤差修正算法的代碼編制調(diào)試工作。故此慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有不依賴外界信息，探測精度高，隱蔽性好等特點。

3、開發(fā)慣導(dǎo)測繪自動化機器人

目前陀螺儀在管道探測中還存在幾個問題，對作業(yè)管道要求相對比較高，對于某些管道，還需做到小型化，以使用不同管線規(guī)格的需求。

可通過自動化技術(shù)開發(fā)，研制慣導(dǎo)測量自動化機器人，測量自動機器人通過搭載的精密慣性檢測模塊，可以精確測量管線的三維方向，同時利用收線裝置可以將其在管線中進行拖拽測量，在管線中沒有GPS定位系統(tǒng)的狀況下可以精確測量出地下管道的路徑，從而形成了三維圖。同時通過慣性測量模塊自帶主動判斷處理功能，以加強系統(tǒng)穩(wěn)定運行設(shè)備。并設(shè)計了按照管道尺寸，隨意改變各種規(guī)格的滑輪組件，以適應(yīng)地頂水管、工業(yè)管網(wǎng)以及管道較長、管路內(nèi)障礙物較少、管路坡度大的地下管線。

8 結(jié)論

慣導(dǎo)陀螺儀的定位系統(tǒng)都具備了自動檢測的特性，不需人員可以隨時隨地對測量對象進行設(shè)定，而且，這些測量的抗干擾能力都特別好，并且能夠在相對較差的天氣、不方便的交通、照明情況不好的情況下完成工作，可以進行24小時內(nèi)不間斷的測量。但由于慣導(dǎo)陀螺儀在管道中采用的直接測量方法，所以它直接通過管道，從而更適合于檢測新建的非運行管道。對現(xiàn)有的運行線路，應(yīng)當留有空管以進行檢測。如有的線路因淤泥堵塞而不能通過，也無法檢測。

慣導(dǎo)陀螺儀的3D檢測技術(shù)在不受線路質(zhì)量，線路地埋深度，施工條件和地質(zhì)環(huán)境等各種因素的影響，特別是非開挖或定向鋪設(shè)的線路中，利用慣導(dǎo)陀螺儀所檢測的準確三維位置結(jié)果，為整個線路的維護與控制過程提供了準確可信的數(shù)據(jù)。