摘要：地下管線準確測繪對城市規(guī)劃具有至關重要的作用，傳統(tǒng)地下管線測繪方法存在成本高、效率低和安全隱患大的問題。為了解決這些問題，首先，提出一種基于微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）陀螺儀的地下管線測繪系統(tǒng)構建方法，通過分析MEMS陀螺儀的基本原理和性能，確定其適用于地下管線測繪的特點。其次，設計一套完整的地下管線測繪系統(tǒng)，實現(xiàn)對地下管線位置和走向的精確測量。研究結果顯示，該系統(tǒng)能實現(xiàn)對地下管線位置和走向的準確測量，且具有高精度、高效率、低成本特點，能滿足不同規(guī)模和需求的地下管線測繪任務。

關鍵詞：MEMS陀螺儀地下管線測繪系統(tǒng)城市基礎建設

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

地下管線是城市基礎設施中不可或缺的部分，承擔著供水、供氣、供電等重要職能，但由于地下管線隱藏在地下，其位置、走向、狀態(tài)很難直接觀測，給管線管理工作帶來嚴重困難。傳統(tǒng)地下管線測繪方法主要依賴人工勘測和地理勘測儀器，這些方法存在著各種問題，人工勘測耗時耗力，且易受人為因素的影響，測量結果的準確性無法保證。同時，地理勘測儀器設備昂貴且復雜，操作繁瑣，不適合在復雜地形環(huán)境中使用。因此，尋求一種新的地下管線測繪系統(tǒng)是非常必要的。微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）陀螺儀作為一種新興的慣性導航傳感器，具有體積小、功耗低、精度高等優(yōu)點，被廣泛應用于飛行器、汽車、機器人等領域。近年來，研究人員開始關注基于MEMS陀螺儀地下管線測繪系統(tǒng)構建，該系統(tǒng)利用MEMS陀螺儀測量地下管線方向和角度，通過計算機處理實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對地下管線的三維測量和地圖繪制。基于此，本文提出基于MEMS陀螺儀的地下管線測繪系統(tǒng)的構建方法，并將其應用于實際工程中。該方法具有成本低、精度高、操作簡便等優(yōu)點，能大大提高地下管線的測繪效率和準確性。

1系統(tǒng)總體方案設計

為了實現(xiàn)高精度的地下管線測繪，本文設計了一套基于MEMS陀螺儀的地下管線測繪系統(tǒng)，主要包括系統(tǒng)結構設計、系統(tǒng)軟硬件設計、管道測繪算法。系統(tǒng)結構設計分為控制模塊、傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊?？刂颇K負責整個系統(tǒng)的控制，包括主控制器、通信設備和電源管理等組件，主控制器通過與其他模塊的通信，實現(xiàn)對傳感器模塊和數(shù)據(jù)處理模塊的控制。傳感器模塊是系統(tǒng)的核心部分，使用MEMS陀螺儀和其他傳感器獲取地下管線的姿態(tài)和位置信息；MEMS陀螺儀通過測量角速度和角度變化，判斷管道方向和傾斜程度；加速度計、磁力計等其他傳感器用于輔助測量。數(shù)據(jù)處理模塊負責接收傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)，并進行實時處理和存儲，包括數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)存儲單元；數(shù)據(jù)處理單元通過對傳感器數(shù)據(jù)濾波和噪聲消除，提高測量的穩(wěn)定性。

系統(tǒng)軟硬件設計是為了保證地下管線測繪系統(tǒng)的可靠性，硬件設計方面，選用高精度的MEMS陀螺儀，并采用工業(yè)級的電子元件和連接器，以確保系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下的正常運行。軟件設計方面，開發(fā)專門的控制程序和數(shù)據(jù)處理算法，控制程序負責實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制和數(shù)據(jù)傳輸功能，同時具備故障檢測和報警功能；數(shù)據(jù)處理算法主要包括姿態(tài)解算算法、濾波算法和校準算法，用于對傳感器數(shù)據(jù)進行分析，從而得到管道的準確位置和姿態(tài)信息。管道測繪算法是地下管線測繪系統(tǒng)的關鍵組成部分，采用基于慣性導航的測量方法，通過MEMS陀螺儀和其他傳感器獲取地下管線的姿態(tài)和位置信息，利用姿態(tài)解算算法對傳感器數(shù)據(jù)進行處理，得到管道的精確方向和傾斜程度；通過濾波和校準算法對測量數(shù)據(jù)進行處理，提高測量的準確性。

2系統(tǒng)結構設計

2.1整體結構設計

MEMS陀螺儀是一種小型慣性測量單元，能測量空間中物體的角速度，該陀螺儀采用50g的小型慣性測量單元，測量范圍為±2000°/s，最小分辨率為0.01°/s，零偏穩(wěn)定性為0.1°/h，溫度漂移為0.005°/°C，這些性能參數(shù)保證系統(tǒng)的高精度。地下管線測繪系統(tǒng)的整體結構設計包括輪組和系統(tǒng)主體的螺釘聯(lián)接方式固定，輪組由4個小型車輪組成，能在地下管道中進行自由移動，系統(tǒng)主體是裝有MEMS陀螺儀的盒子，用于接收和處理陀螺儀的測量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)工作原理是將地下管線測繪系統(tǒng)放置在需要測繪的管線附近，通過操作控制系統(tǒng)控制輪組在地下管道中移動，同時陀螺儀實時測量角速度。陀螺儀測量數(shù)據(jù)將通過無線通信傳輸?shù)较到y(tǒng)主體，系統(tǒng)主體接收到數(shù)據(jù)后，通過算法處理計算出管線的位置和走向，并將結果顯示在控制系統(tǒng)的界面上。為了確保整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，輪組和系統(tǒng)主體之間采用螺釘聯(lián)接方式固定，這種方式能有效避免在地下管道中移動時發(fā)生松動，從而保證測量的準確性。此外，整體結構設計還考慮系統(tǒng)的便攜性和耐用性，使系統(tǒng)方便地進行攜帶和使用，并能夠適應各種惡劣的環(huán)境條件。

2.2測繪裝置主體結構設計

基于MEMS陀螺儀的地下管線測繪系統(tǒng)測繪裝置主體結構設計采用模塊化設計，整個裝置主體由多個模塊組成，包括陀螺儀模塊、電源模塊、控制模塊、顯示模塊等，這些模塊通過螺釘聯(lián)接在一起，有效確保裝置的穩(wěn)固性。同時，在裝置機械聯(lián)接處，進行防水和密封處理，以防止水分和灰塵進入裝置內(nèi)部影響其正常工作，螺釘聯(lián)接也能提供良好的密封效果，保證裝置的耐用性和可靠性。測繪裝置主體尺寸為435mm長度和60mm最大直徑，外觀表面光滑，方便操作和攜帶，一端是操作面板，上面設有開關、數(shù)據(jù)接口、工作狀態(tài)指示燈，方便用戶進行操作和監(jiān)控裝置的工作狀態(tài)；另一端是電池倉，用于放置電池以供裝置正常工作。這種測繪裝置主體結構設計的優(yōu)點是模塊化設計，使裝置更易維修和更換零部件，防水和密封處理保證裝置的可靠性；螺釘聯(lián)接提供良好的機械連接效果，確保裝置的穩(wěn)固性；裝置尺寸和外觀設計使操作更加方便，用戶輕松攜帶；操作面板和電池倉設置也增加裝置的易用性[1]。

2.3輪組結構設計

輪組主要由中心支撐桿、U型支架、滾輪、軸承、螺紋軸、限位螺母組成。中心支撐桿是輪組的主要支撐部件，其負責連接整個輪組與測繪系統(tǒng)；U型支架則用于固定軸承和滾輪，保證其在運動過程中的穩(wěn)定性。滾輪選用高強度材料制造，以增加其使用壽命。為了減小滾輪與地面的摩擦力，在滾輪表面采用特殊的設計，如花紋、凹凸不平的表面結構，能有效地提高輪組的運動效率。軸承負責支撐滾輪的轉(zhuǎn)動，本文采用高精度的球軸承，確保輪組在高速運動中的穩(wěn)定性和平衡性。同時，為了減小輪組的摩擦力，在軸承上添加適量的潤滑劑。螺紋軸是連接中心支撐桿和滾輪的關鍵部件，通過旋轉(zhuǎn)螺紋軸能調(diào)整滾輪與地面之間的距離，從而實現(xiàn)對地下管線的測繪深度的調(diào)節(jié)，限位螺母作為螺紋軸的固定裝置，能防止?jié)L輪在運動過程中松動或脫落。整個輪組設計要求輕巧、堅固、耐磨，且能適應各種復雜的地下環(huán)境。因此，在材料選擇上，采用高強度、輕量化的合金材料，如鋁合金、鈦合金等，這不僅滿足輪組的結構強度要求，還可以減輕整個地下管線測繪系統(tǒng)的重量（如圖2所示）。

3系統(tǒng)軟硬件設計

3.1數(shù)據(jù)采集模塊

在地下管線測繪系統(tǒng)中，MEMS陀螺儀被安裝在管道測量設備上，用于測量設備的方向和角度。該傳感器會產(chǎn)生連續(xù)的數(shù)據(jù)流，涉及管道設備的姿態(tài)信息，為了提高數(shù)據(jù)采集的準確性，本系統(tǒng)采用串口空閑中斷和DMA方式進行數(shù)據(jù)采集。串口空閑中斷是一種在串口接收到完整一幀數(shù)據(jù)后觸發(fā)的中斷，通過監(jiān)測串口的狀態(tài)位，當檢測到接收的完整數(shù)據(jù)幀后，STM32芯片會判斷出現(xiàn)空閑幀，并觸發(fā)空閑中斷。在空閑中斷處理函數(shù)中，采集并處理接收到的數(shù)據(jù)。但對于高頻率的數(shù)據(jù)采集，使用中斷方式進行數(shù)據(jù)采集效率較低，為了提高數(shù)據(jù)采集的速度，本系統(tǒng)采用DMA方式進行數(shù)據(jù)傳輸。DMA是一種直接從外設到存儲器或從存儲器到外設進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g，通過配置DMA通道和相關寄存器，實現(xiàn)在不占用CPU的情況下完成數(shù)據(jù)的傳輸。在本系統(tǒng)中，串口空閑中斷和DMA方式結合使用，通過配置串口的空閑中斷使能位，當接收到完整一幀數(shù)據(jù)后觸發(fā)空閑中斷。在空閑中斷處理函數(shù)中，通過DMA方式將接收到的數(shù)據(jù)直接存儲到指定的存儲器中，大幅度提高數(shù)據(jù)采集的效率，并減輕CPU的負擔[2]。

3.2數(shù)據(jù)存儲模塊

在地下管線測繪系統(tǒng)軟硬件設計時，要配置STM32的串口和DMA接收功能，串口是用來接收MEMS陀螺儀發(fā)送的數(shù)據(jù)的通信接口，而DMA則是用來高效地將接收到的數(shù)據(jù)搬運到指定的緩沖區(qū)中。在STM32上配置串口和DMA接收的步驟如下：（1）初始化串口的引腳和參數(shù)設置，選擇適當?shù)囊_作為串口的接收引腳，并設置串口的波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位等參數(shù)；（2）配置DMA的通道和緩沖區(qū)，選擇合適的DMA通道，并分配緩沖區(qū)用于存儲接收到的數(shù)據(jù)；（3）配置DMA的傳輸參數(shù)，設置DMA的傳輸模式、數(shù)據(jù)寬度和傳輸長度等參數(shù)；（4）配置串口的接收中斷。使能串口接收中斷，并在中斷處理函數(shù)中調(diào)用DMA傳輸函數(shù)，將接收到的數(shù)據(jù)搬運到指定的緩沖區(qū)中。

一旦配置完成，每當MEMS陀螺儀發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，串口將接收到這些數(shù)據(jù)，并通過DMA搬運到指定的緩沖區(qū)中，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲功能。接下來，討論里程計數(shù)據(jù)的采集，里程計是一種用于測量運動距離的設備，通常使用脈沖信號來計算行進距離[3]。在這里，采用STM32的外部中斷方式來進行里程計數(shù)據(jù)的采集，外部中斷是一種硬件觸發(fā)方式，當GPIO口檢測到上升沿跳變時，會觸發(fā)外部中斷。為了配置STM32的外部中斷功能，要進行以下步驟。（1）初始化外部中斷的引腳和參數(shù)設置。選擇適當?shù)囊_作為外部中斷的觸發(fā)引腳，并設置觸發(fā)邊沿、中斷優(yōu)先級等參數(shù)。（2）配置外部中斷的中斷處理函數(shù)。在中斷處理函數(shù)中，累計觸發(fā)的脈沖數(shù)，使用全局變量來保存脈沖數(shù)的累積值。通過以上配置，當GPIO口檢測到上升沿跳變時，外部中斷將被觸發(fā)，并在中斷處理函數(shù)中累計觸發(fā)的脈沖數(shù)，這就可以實現(xiàn)里程計數(shù)據(jù)的采集功能[4-5]。

3結語

綜上所述，本研究基于MEMS陀螺儀的地下管線測繪系統(tǒng)構建方法具有良好的性能和應用前景。然而，仍需要進一步優(yōu)化系統(tǒng)的設計和算法，以提高測繪的精度和可靠性，并解決實際應用中的挑戰(zhàn)。相信在未來的發(fā)展中，基于MEMS陀螺儀的地下管線測繪系統(tǒng)將會得到更廣泛的應用。

參考文獻

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