本實用新型涉及電磁探測，尤其涉及一種基于磁場掃描探測和空間交匯算法的地下電纜三位定位裝置。

背景技術(shù)：

文獻《Detection and Location of Underground Cables Using Magnetic Field Measurements》中闡述了一種基于多線圈的電纜周圍磁場分布測量模型和最小二乘擬合方法，該方法具有較高的磁場分辨率，但復(fù)雜磁場或多電纜條件下的擬合結(jié)果會存在較大偏差。國內(nèi)的電纜探測儀通常由發(fā)射器和接收器構(gòu)成，其中發(fā)射器在待探測電纜的接入點上輸入特定頻率的激勵信號，在待探測電纜周圍激勵出磁場，磁力線透過管道和大地傳到地面之上，在地面上用接收器檢測磁場信號并進行選頻放大，根據(jù)磁場而探測出地下電纜的位置。

電纜定位方法：(1)電磁線圈極值法，在磁場中移動線圈或轉(zhuǎn)動線圈，根據(jù)磁場分布與感應(yīng)輸出之間的對應(yīng)關(guān)系來進行電纜定位，一般采用極大值和極小值相結(jié)合的方法實現(xiàn)，應(yīng)用過程中需反復(fù)移動探測線圈，參見文獻：趙長亮，王宇.供電生產(chǎn)管理中地下電纜探測技術(shù)的運用.《中國電力教育》,2012(30):149-150。(2)矢量磁場探測法，通過3軸磁強計獲得電纜周圍任意兩點的磁場矢量，構(gòu)建垂直于矢量方向的平面，求解兩平面的空間交叉線作為電纜定位結(jié)果；為了克服磁強計在各軸上的靈敏度差異，在實際應(yīng)用中需手動調(diào)校傳感器；當(dāng)所取兩點相對于電纜的周向分布角較小時，會產(chǎn)生較大的埋深誤差；此外該方法的定位結(jié)果相對于裝置本身，時效性較差，參見專利CN201310406924.7。(3)標(biāo)記芯片定位，通過在電纜上預(yù)先布置若干具有標(biāo)記功能的芯片，施工后再通過特定的設(shè)備識別芯片信息，同時通過GPS獲取相關(guān)位置信息進行定位，該方法成本較高，不適用于早期埋入的電纜，缺少埋深信息，參見專利CN201220625640.8及CN201420187928.0。

綜上所述，目前現(xiàn)有的地下電纜探測和定位技術(shù)均存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作困難、適應(yīng)性差等問題，因此隨著傳感技術(shù)和自動化技術(shù)的進步，開發(fā)新型地下電纜定位裝置具有重要的研究意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

實用新型目的：本實用新型的目的是提供一種基于磁場掃描探測實現(xiàn)地下電纜三維定位的裝置。

技術(shù)方案：本實用新型所述的一種基于掃描交匯的地下電纜三維定位裝置，包括兩個磁場探測模塊、GPS定位模塊、氣壓測量模塊、雙軸傾角測量模塊、電子羅盤和控制模塊，各模塊安裝于探測平臺上；其中，兩個磁場探測模塊通過電機模塊可旋轉(zhuǎn)地安裝于探測平臺的等高位置；所述電機模塊包括電機驅(qū)動器和步進電機；所述探測平臺包括輪式或者履帶式的移動機構(gòu)。

所述兩個磁場探測模塊設(shè)于探測平臺等高位置，GPS定位模塊和氣壓測量模塊位于兩個磁場探測模塊回轉(zhuǎn)中心連線的垂直平分線位置，且GPS定位模塊和氣壓測量模塊到磁場探測模塊回轉(zhuǎn)中心的距離小于等于2cm。

所述磁場探測模塊回轉(zhuǎn)中心的連線與雙軸傾角測量模塊的橫軸平行，磁場探測模塊回轉(zhuǎn)中心的連線與電子羅盤指北方向垂直。

所述步進電機兩側(cè)設(shè)有起始角限位開關(guān)和終止角限位開關(guān)，該起始角限位開關(guān)和終止角限位開關(guān)分別與電機驅(qū)動器相連。

工作原理：本實用新型通過探測平臺支撐可旋轉(zhuǎn)的兩個磁場探測模塊，對地下電纜周邊的空間磁場進行掃描定向，獲得兩個磁場探測模塊相對于地下電纜的定向角，由空間交匯算法計算出地下電纜相對于探測平臺的相對坐標(biāo)；通過GPS定位模塊、氣壓測量模塊、雙軸傾角測量模塊和電子羅盤測量出探測平臺的經(jīng)緯度坐標(biāo)、海拔高度、空間姿態(tài)和方位角，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，解算當(dāng)前探測點地下電纜的經(jīng)緯坐標(biāo)和相對海拔，保存數(shù)據(jù)和三維顯示。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的優(yōu)點為：1、通過氣壓測量模塊進行海拔高度的測量，克服了GPS在海拔高度方向上定位精度低的缺陷；2、在電纜的有效磁場范圍內(nèi)，根據(jù)電纜的大致走向放置探測平臺，即可自動掃描探測出當(dāng)前探測點的電纜經(jīng)緯坐標(biāo)和相對海拔，測量效率高；3、根據(jù)磁場探測模塊對電纜磁場的掃描定向角可知探測平臺相對于地下電纜的相對偏移方向和偏移量，預(yù)測下一探測點的方位，可對磁場范圍進行有效預(yù)測；4、長期時效性，用相對海拔來表征地下電纜的埋深數(shù)據(jù)，克服地貌變化所致的影響。

附圖說明

圖1為本實用新型的定位裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為掃描交匯模型示意圖；

圖3為本實用新型的三維定位流程框圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和附圖對本實用新型的技術(shù)方案作進一步詳細(xì)說明。

如圖1所示，一種基于掃描交匯的地下電纜三維定位裝置，包括兩個磁場探測模塊1、GPS定位模塊2、氣壓測量模塊3、雙軸傾角測量模塊4、電子羅盤5和控制模塊6；其中控制模塊6為計算機，上述各模塊均安裝在探測平臺9之上。

底座902與輪式的移動機構(gòu)901構(gòu)成了探測平臺9的基本框架，其中，底座902采用平板；平板兩側(cè)對稱布設(shè)兩個立柱903，所述立柱903垂直于平板；磁場探測模塊1由探測線圈及其信號處理裝置構(gòu)成，通過電機模塊安裝于立柱903上的等高位置，電機模塊包括第一電機驅(qū)動器701、第一步進電機702，以及第二電機驅(qū)動器801、第二步進電機802，分別控制兩個磁場探測模塊1的旋轉(zhuǎn)。

沿著磁場探測器1回轉(zhuǎn)中心的連線，在兩個立柱903之間架設(shè)平行于平板上表面的橫梁904，在橫梁904的中心點上分別安裝GPS模塊2、氣壓測量模塊3、雙軸傾角測量模塊4和電子羅盤5，為了保證測量精度，GPS模塊2、氣壓測量模塊3至磁場探測模塊1回轉(zhuǎn)中心連線的距離小于等于2cm；其中，雙軸傾角測量模塊4工作面的橫軸平行于橫梁904，雙軸傾角測量模塊4的工作面平行于平板的上表面；電子羅盤5的指北軸垂直于橫梁904，電子羅盤5的工作面平行于平板902的上表面。在第一步進電機702左側(cè)安裝第一起始角限位開關(guān)10，右側(cè)安裝第一終止角限位開關(guān)11；在第二步進電機802右側(cè)安裝第二起始角限位開關(guān)12，左側(cè)安裝第二終止角限位開關(guān)13。

磁場探測模塊1、GPS模塊2、氣壓測量模塊3、雙軸傾角測量模塊4、電子羅盤5、和電機驅(qū)動器分別通過串行通信電纜與計算機相連；第一步進電機702連接于第一電機驅(qū)動器701的輸出端口，第一起始角限位開關(guān)10和第一終止角限位開關(guān)11連接于第一電機驅(qū)動器701的開關(guān)量輸入端口；第二步進電機802連接于第二電機驅(qū)動器801的輸出端口，第二起始角限位開關(guān)12和第二終止角限位開關(guān)13連接于第二電機驅(qū)動器801的開關(guān)量輸入端口；

如圖2所示為本實用新型的掃描交匯模型示意圖，其中，X、Y軸為水平面的兩個軸；A、B為磁場探測模塊布置點，二者之間的距離固定為L，GPS定位模塊和氣壓測量模塊均布置于AB連線的中點O；雙軸傾角測量模塊通過其方向相互垂直的兩個測量軸測得模塊自身相對于水平面的夾角，本實用新型中將該兩個相互垂直的方向定義為橫軸和縱軸，橫軸和縱軸決定了雙軸傾角測量模塊的工作面。雙軸傾角測量模塊的橫軸與A、B連線平行，故雙軸傾角模塊橫軸的測量結(jié)果即是AB連線與水平面上X軸的夾角。由于圖1所述實施例中，雙軸傾角測量模塊的工作面與平板平行，故雙軸傾角模塊橫軸的測量結(jié)果即是AB與水平面的夾角。

A點的磁場探測模塊可在A點繞平行于OC的軸做平面旋轉(zhuǎn)掃描，B點的磁場探測模塊可在B點繞平行于OC的軸做平面旋轉(zhuǎn)掃描，掃描角度范圍為探測平臺法線左右90度，即在ABOD平面內(nèi)，A點的磁場探測模塊掃描范圍為從AO順時針到AO的反向延長線，B點的磁場探測模塊掃描范圍為從BO逆時針到BO反向延長線。磁場探測模塊的掃描由步進電機驅(qū)動，步距角0.9度；

根據(jù)地下電纜的大致走向，調(diào)整探測平臺的方位，應(yīng)避免AB線與地下電纜共面；

對應(yīng)于地下電纜的E點，其中A點探測線圈的定向角為α，B點探測線圈的定向角為β，根據(jù)空間幾何關(guān)系可求解出E點在探測平臺所決定的空間坐標(biāo)系OBCD下的三維坐標(biāo)，E點在BOD平面內(nèi)，距離BOC平面的距離為E點距離COD平面的距離為

根據(jù)雙軸傾角測量模塊，測量OBCD系的OB軸與水平面之間的交角rx、OC軸與水平面之間的夾角ry，進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，求解E點在水平坐標(biāo)系XOY下的投影坐標(biāo)和Z向埋深；根據(jù)電子羅盤所測OY軸與地理北向N之間的夾角，進行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，求解E點在GPS經(jīng)緯坐標(biāo)下的二維偏移量；根據(jù)GPS定位模塊所測探測平臺中心點的經(jīng)緯坐標(biāo)和上述偏移量，給出地下電纜上E點的經(jīng)緯坐標(biāo)；根據(jù)高度氣壓計的測量結(jié)果和OXYZ坐標(biāo)系下的Z向埋深，給出地下電纜上E點的海拔高度數(shù)據(jù)。

工作流程：如圖3所示，計算機控制第一電機驅(qū)動器701和第二電機驅(qū)動器801按照一定步距角進行磁場掃描，步距角的累積計數(shù)與探測線圈101、探測線圈102的定向角之間存在線性對應(yīng)關(guān)系；正向掃描由起始角限位開關(guān)開始，向終止角限位開關(guān)方向旋轉(zhuǎn)，到達終止角限位開關(guān)后逆向掃描，磁場探測模塊停止于起始角限位開關(guān)；掃描過程中同步記錄兩個磁場探測模塊所測得的磁場強度數(shù)據(jù)，由計算機根據(jù)磁場強度分別判定正向掃描和逆向掃描過程中極小值所對應(yīng)的磁場探測模塊的方位角，取平均值后記錄；方位角探測完成后，分別采集GPS定位模塊2、氣壓測量模塊3、雙軸傾角測量模塊4和電子羅盤5的數(shù)據(jù)，得到探測平臺的經(jīng)緯坐標(biāo)、海拔高度、空間姿態(tài)和方位角，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法，計算出地下電纜在該探測點的二維經(jīng)緯坐標(biāo)和相對海拔。