陳建勛 張俊豪 吳 溪 楊寧祥 楊新健

（1.廣東省特種設(shè)備檢測研究院珠海檢測院，廣東 珠海 519002；2.珠海市機電工程師學(xué)會，廣東 珠海 519002；3.珠海市安粵科技有限公司，廣東 珠海 519000；4.廣東省特種設(shè)備檢測（珠海）工程技術(shù)研究中心，廣東 珠海 519002）

0 引言

管道軸測圖（亦稱“管道單線圖”）提供了一個有助于全面理解復(fù)雜管道網(wǎng)絡(luò)三維空間結(jié)構(gòu)的視角。軸測圖通常由數(shù)個元素連接組成，包括代表管道的線段，代表管件、法蘭、閥門和設(shè)備的線框符號，以及文本信息[1-2]。軸測圖中的線段按近似比例繪制以顯示管道的長度、方向和空間位置，而線框符號提供有關(guān)網(wǎng)絡(luò)中組件的特定信息，文本信息主要用于標(biāo)記管道元素代號、管道尺寸、閥門類型、壓力和溫度等操作條件信息。軸測圖在管道檢驗和系統(tǒng)潛在缺陷或異常識別方面發(fā)揮著重要作用，顯著提高了管道檢驗效率和準(zhǔn)確性。對于缺少對應(yīng)軸測圖的部分老舊管道，或者部分施工改造后未及時更新軸測圖的管道，檢驗過程中現(xiàn)場繪制軸測圖通常是必備的操作流程。

傳統(tǒng)的管道軸測圖繪制過程通常是由檢驗員用紙筆現(xiàn)場草繪和記錄，再回辦公室進(jìn)行計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design，CAD）繪圖，生成電子文檔。該方式數(shù)字化程度低，須耗費線上和線下兩次繪圖時間，耗時長、效率低下，且繪制錯誤時不便及時修改。軸測圖現(xiàn)場電子化、無紙化測繪可極大地提高檢驗效率，是壓力管道檢驗過程數(shù)字化、智能化發(fā)展不可回避的技術(shù)難題。例如，通過激光跟蹤技術(shù)[3]快速記錄管道三維走向信息并在計算機端自動生成軸測圖，隨后鼠標(biāo)、鍵盤操作專用繪圖軟件添加三通、閥門等常見管道元素。但該方法需頻繁搬運三腳架，且管道檢驗過程中通常需要進(jìn)行大量測厚等無損檢測操作和數(shù)據(jù)記錄，對于較復(fù)雜的管道現(xiàn)場環(huán)境，采用該方法進(jìn)行軸測圖測繪尚不夠便捷。

手持式壓力管道軸測圖測繪儀配合手持式智能終端設(shè)備（例如智能平板電腦）可實現(xiàn)壓力軸測圖快速繪制，使檢驗人員留有足夠時間投入到具體檢驗操作過程中。管道長度是采用儀器法進(jìn)行軸測圖測繪時需要獲取的重要信息。對于位置較低且方便直接接觸的管道，可直接進(jìn)行卷尺測量或激光點對點距離測量，而對于位置較高或不方便直接接觸的管道，直接測距方法則難以實現(xiàn)。激光三角形對邊測距原理基于空間中兩點之間距離的立體幾何求解原理，可實現(xiàn)空間兩點之間距離的非接觸測量[4-5]。本文介紹了該方法的數(shù)學(xué)原理，開發(fā)了基于該方法的手持式壓力管道軸測圖測繪儀，分析了儀器的硬件架構(gòu)和數(shù)據(jù)通信方式，通過管道測量實例對該方法和儀器的應(yīng)用過程進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

1 測量原理

分別測量出儀器位置與待測管道起止端點的俯仰角、方位角、距離數(shù)據(jù)，再根據(jù)空間幾何關(guān)系對管道長度進(jìn)行計算。激光三角形對邊測距原理圖如圖1所示。

圖1 激光三角形對邊測距原理圖

B點和C點分別為待測管道起始端點，A點為測試儀器放置位置，測試過程中A點位置近似不動。根據(jù)A點與B點距離AB、B點相對A點的俯仰角α1、A點與C點距離AC、C點相對A點的俯仰角α2、B點和C點相對A點的水平方位角變化量Δβ，可計算出管道長度BC，具體計算方式如下。

俯仰角的范圍為-90°～90°，其中，-90°為鉛垂向下方向，90°為鉛垂向上方向，0°為水平指向。假設(shè)三軸加速度傳感器的X軸指向激光測距方向，通過三軸加速度傳感器靜止?fàn)顟B(tài)時重力加速度在X、Y、Z三個正交測量數(shù)據(jù)軸上的投影分量可計算出俯仰角：

式中：α為俯仰角；ax為重力加速度在X軸上的投影分量；ay為重力加速度在Y軸上的投影分量；az為重力加速度在Z軸上的投影分量。

方位角范圍為0～360°，其中，0°為三軸陀螺儀模塊上電瞬間的水平方位角值，俯看水平面沿順時針方向水平方位角逐漸變大，0°和360°表示同一方位。通過對陀螺儀輸出的角速度進(jìn)行數(shù)值積分可動態(tài)計算出相對于上電瞬間的方位角β，以1/3 Simpsion數(shù)值積分方法為例，方位角計算的數(shù)值積分遞推公式為：

式中：i為方位角數(shù)據(jù)序號；β（i）為求解的方位角數(shù)組中第i個數(shù)據(jù)；β（i-2）為求解的方位角數(shù)組中的第i-2個數(shù)據(jù)；h為陀螺儀輸出角速度的時間步長；ω（i）為第i個角速度；ω（i-1）為第i-1個角速度；ω（i-2）為第i-2個角速度。

B點和C點相對于A點的水平方位角差值為：

式（3）中，若計算所得Δβ大于π，則通過如下方式修正水平方位角差值：

B點相對于A點在豎直方向的高度差為：

式（5）中，計算結(jié)果的正負(fù)表示B點相對于A點的高低，正值表示B點在A點上方，負(fù)值表示B點在A點下方。

B點與A點在水平面的投影距離為：

C點相對于A點在豎直方向的高度差為：

C點與A點在水平面的投影距離為：

在△AB1C1中，根據(jù)余弦定理計算出B1點與C1點的水平距離：

B點與C點的高度差為：

根據(jù)平面幾何勾股定理可知：

將式（3）～（10）代入式（11）可計算出B點與C點的距離，即采用三角形對邊測距所得壓力管道長度。

2 測繪儀研發(fā)

2.1 硬件設(shè)計

通過手持式壓力管道軸測圖測繪儀進(jìn)行壓力管道距離測量，儀器采用嵌入式開發(fā)，硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 測繪儀硬件架構(gòu)

傳感元件采用工業(yè)級微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）三軸加速度傳感器、工業(yè)級MEMS三軸陀螺儀角速度傳感器和工業(yè)級激光測距模塊；人機交互元件包括串口顯示屏、按鍵組、LED燈、蜂鳴器；運算處理元件為32位高性能單片機；采用藍(lán)牙通信模塊實現(xiàn)測繪儀與外部數(shù)據(jù)交互；采用DC3.7 V聚合物鋰離子電池對系統(tǒng)進(jìn)行供電，電池容量為3 200 mAh；通過充電、放電、變壓電路實現(xiàn)電池充電，并為各功能模塊或電子元件提供工作電壓。

主要核心元件性能參數(shù)如下：

1）三軸加速度傳感器加速度測量范圍為±2g，加速度測量精度為±0.001 m/s2，三軸加速度數(shù)字信號同步輸出速率為200 Hz，通過晶體管—晶體管邏輯電平（Transistor-Transistor Logic，TTL）串口協(xié)議方式與單片機通信；

2）三軸陀螺儀角速度傳感器測量范圍為±400（°）/s，角速度初始零偏誤差為0.1（°）/s，角速度同步傳輸速率為512 Hz，通過TTL串口協(xié)議方式與單片機通信；

3）激光測距模塊測距范圍為0.05～80 m，重復(fù)精度為±1 mm，絕對精度為±1.5 mm，通過RS485方式與單片機通信，傳輸速率為20 Hz，通信協(xié)議為Modbus RTU協(xié)議，激光測距模塊采用綠激光進(jìn)行測距，相對紅激光，綠激光更適合在亮度較大的室外管道環(huán)境下使用；

4）串口顯示屏采用2.4寸智能液晶屏，顯示分辨率為320×240，運行內(nèi)存為3 584字節(jié)，串口指令緩存區(qū)為1K字節(jié)，主控頻率為64 MHz，屏幕通過字符串指令與單片機通信；

5）單片機為意法半導(dǎo)體公司的STM32F103系列ARM微控制器，基于Cortex-M3內(nèi)核，F(xiàn)lash存儲空間為32K字節(jié)，工作頻率為72 MHz，可實現(xiàn)高速、低功耗數(shù)據(jù)處理工作；

6）藍(lán)牙模塊為透傳大功率板載模塊，直接貼片焊接于電路板，采用通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）數(shù)據(jù)傳輸接口，有效通信距離不低于30 m。

開發(fā)出手持式壓力管道軸測圖測繪儀，如圖3所示，儀器總長160 mm，寬65 mm，厚35 mm，重約200 g。儀器外殼采用鋁合金數(shù)控加工后陽極氧化工藝制備，質(zhì)輕便攜，可實現(xiàn)壓力管道檢驗檢測現(xiàn)場管道長度快速測量。

圖3 手持式壓力管道軸測圖測繪儀

測繪儀配合智能平板電腦可與軸測圖測繪應(yīng)用程序（Application，App）實現(xiàn)測繪信息交互。測繪儀的直接測距精度為±1.5 mm，通過手持操作時三角形對邊測距精度為±0.02 m，可滿足壓力管道檢驗過程長度測量要求。

2.2 數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計

管道軸測圖測繪過程中可通過測繪儀屏幕讀取所測距離數(shù)據(jù)并手動錄入App，也可利用數(shù)據(jù)協(xié)議方式將長度數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙自動發(fā)送到App，App將管道長度數(shù)據(jù)通過標(biāo)注方式自動記錄于軸測圖中。

軸測圖測繪儀與智能平板數(shù)據(jù)通信協(xié)議格式及收發(fā)實例如表1所示。平板電腦收到測繪儀發(fā)送的數(shù)據(jù)幀后將即時反饋同等字節(jié)長度的數(shù)據(jù)幀，用于測繪儀確認(rèn)數(shù)據(jù)發(fā)送是否成功，如果測繪儀未收到確認(rèn)反饋，則在0.5 s內(nèi)繼續(xù)多次發(fā)送，超時未收到反饋則在屏幕上提示“通信失敗”。含指令頭和校驗位在內(nèi)，數(shù)據(jù)幀共包含12個字節(jié)，軸測圖測繪儀通信地址為0X 01，平板電腦通信地址為0X 02，長度數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ艽a為0X FE，校驗方式為CRC校驗（指令頭參與校驗計算）。采用4字節(jié)大端在前雙精度浮點型數(shù)據(jù)格式存儲管道長度數(shù)據(jù)，例如表1中數(shù)據(jù)內(nèi)容“0X 41 0C A3 D7”表示管道長度為8.79 m。

表1 數(shù)據(jù)通信協(xié)議格式

3 實際應(yīng)用

使用測繪儀對管道長度進(jìn)行對邊測量的操作步驟如下：

1）長按“激光”按鍵進(jìn)入測距模式；

2）將激光光點指向管道測距起始點，短按“激光”按鍵，測得管道起始點與測繪儀的距離、測繪儀指向管道起始點的方位角、測繪儀指向管道起始點方向的俯仰角，數(shù)據(jù)顯示于儀器顯示屏；

3）操作者位置不變，盡量保持手持式測繪儀位置不改變，轉(zhuǎn)動測繪儀，將激光光點指向管道測距終止點，短按“激光”按鍵，測得管道終止點與測繪儀的距離、測繪儀指向管道終止點的方位角、測繪儀指向管道終止點方向的俯仰角，數(shù)據(jù)顯示于儀器顯示屏；

4）上述步驟結(jié)束后測繪儀將自動計算并顯示出待測管道長度、方位角變化量、俯仰角變化量，同時通過藍(lán)牙對外發(fā)送含長度信息的數(shù)據(jù)幀。

用儀器對某室外管道進(jìn)行長度測量，操作界面顯示結(jié)果如圖4所示。在激光測距模式下顯示屏將以10 Hz頻率動態(tài)刷新顯示當(dāng)前激光光點與儀器的距離，例如圖4中顯示的0.75 m。上述步驟2）對應(yīng)的管道測距起始點與測繪儀的距離為2.54 m，方位角為244.3°，俯仰角為22.6°；上述步驟3）對應(yīng)的管道測距終止點與測繪儀的距離為2.03 m，方位角為304.5°，俯仰角為44.9°。最終計算得到待測管道長度為2.10 m，待測管道起止點之間的方位角差值為60.2°，俯仰角差值為22.3°。

圖4 管道長度測量操作界面

4 結(jié)束語

針對卷尺測量、激光測距儀點對點測量、全站儀測量等傳統(tǒng)測距方法在管道長度測量時存在的測試效率低、儀器笨重、操作不方便等問題，將激光對邊測距方法融入手持式壓力管道軸測圖測繪儀，可實現(xiàn)軸測圖測繪過程中管道長度的非接觸、快速、準(zhǔn)確測量。

基于激光對邊測距原理開發(fā)的手持式壓力管道軸測圖測繪儀攜帶方便、操作便捷，尤其適用于架空管道或因距離較遠(yuǎn)而無法直接測量的管道檢驗檢測現(xiàn)場。