一種小型管道地理信息系統(tǒng)測量裝置及其測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于管道地理信息系統(tǒng)測量領(lǐng)域，尤其涉及一種小型管道地理信息系統(tǒng)測 量裝置及其測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 管道是實(shí)現(xiàn)油氣及其他資源遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)淖钣行Ш涂旖莸氖侄?。隨著大量早期鋪 設(shè)的管道已達(dá)到或超過服役期，由管道泄漏帶來的環(huán)境污染，安全威脅及經(jīng)濟(jì)損失是不可 估量的。管道地理信息系統(tǒng)測量裝置是在管道內(nèi)實(shí)現(xiàn)管道缺陷檢測及缺陷定位的最有效工 具，成為了目前各類管道周期性檢測的首選。除此之外，泥石流，山體滑坡等自然因素也會(huì) 對已經(jīng)鋪設(shè)的管道進(jìn)行位移及變形作用。采用管道地理信息系統(tǒng)測量裝置實(shí)現(xiàn)對整個(gè)管 道地理位置的有效測量，分析管道的位移和變形對于管道潛在的危險(xiǎn)預(yù)測能提供很好的幫 助，預(yù)防各類管道泄漏、爆炸等危險(xiǎn)。
[0003] 與此同時(shí)，隨著天然氣等資源已通過管道運(yùn)輸?shù)礁骷腋鲬?，?shí)現(xiàn)能源的清潔利用。 而一旦有燃?xì)獾男孤?huì)對人民生命安全帶來很大威脅和財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。因此，實(shí)現(xiàn) 這類管道的有效測量，早期完成危險(xiǎn)預(yù)測將具有重大意義。而此類管線鋪設(shè)密集復(fù)雜，管道 內(nèi)徑小等特點(diǎn)也為管道的有效測量帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單的，一種小型管道地理信息系統(tǒng)測量裝置。本 發(fā)明的目的還包括提供一種測量精度高的，一種小型管道地理信息系統(tǒng)測量方法。
[0005] -種小型管道地理信息系統(tǒng)測量裝置，包括殼體，還包括簡易捷聯(lián)慣性測量單元、 里程儀、前置攝像頭、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、跟蹤模塊、側(cè)掃聲吶和電源模塊，
[0006] 簡易捷聯(lián)慣性測量單元包括兩個(gè)水平正交的加速度計(jì)和一個(gè)方位陀螺儀，兩個(gè)水 平正交的加速度計(jì)輸出值用于計(jì)算縱搖角和橫搖角，方位陀螺儀用于測量方位角；
[0007] 里程儀用于輸出三維速度值；
[0008] 前置攝像頭檢測不同閥門連接管內(nèi)頭像，用于辨識(shí)管道內(nèi)方向變化；
[0009] 側(cè)掃聲吶用于管道內(nèi)徑的測量、管道內(nèi)缺陷的尺寸大小和管道的變形；
[0010] 數(shù)據(jù)處理單元對兩個(gè)水平正交的加速度計(jì)、方位陀螺儀、里程儀、前置攝像頭、側(cè) 掃聲吶的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，保存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元；
[0011] 跟蹤模塊用于與管道外控制單元進(jìn)行通信，檢測并記錄通過地表地標(biāo)的時(shí)間；
[0012] 電源模塊用于給簡易捷聯(lián)慣性測量單元、里程儀、前置攝像頭、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)單元、跟蹤模塊和側(cè)掃聲吶供電。
[0013] 本發(fā)明一種小型管道地理信息系統(tǒng)測量裝置，還可以包括：
[0014] 1、電源模塊、簡易捷聯(lián)慣性測量單元、數(shù)據(jù)處理單元、和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元由頭到尾依 次安裝在殼體內(nèi)，里程儀為兩個(gè)，且分別安裝在殼體兩側(cè)，側(cè)掃聲吶為兩個(gè)且分別安裝在殼 體兩側(cè)，前置攝像頭安裝在殼體頭部，跟蹤模塊安裝在殼體尾部。一種小型管道地理信息系 統(tǒng)測量方法，包括以下幾個(gè)步驟，
[0015] 步驟一：測量裝置上電，完成初始化及靜態(tài)條件下的導(dǎo)航初始對準(zhǔn)過程；
[0016] 步驟二：測量裝置在管線中遍歷一遍，各傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，完成對管道缺陷的 檢測，數(shù)據(jù)處理單元完成對各傳感器輸出數(shù)據(jù)的處理，保存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元；
[0017] 步驟三：根據(jù)兩個(gè)水平正交的加速度計(jì)、方位陀螺儀和里程儀輸出的敏感數(shù)據(jù)完 成導(dǎo)航解算，計(jì)算出姿態(tài)、速度和位置信息；
[0018] 步驟四：采用kalman濾波實(shí)現(xiàn)對航向和位置進(jìn)行修正，通過前置攝像頭對管內(nèi)頭 像的捕獲數(shù)據(jù)，判斷管道在拐彎處的頭像特性和變化，確定拐彎角大小和彎曲半徑，進(jìn)而實(shí) 現(xiàn)對航向的修正，通過跟蹤模塊檢測并記錄通過地表地標(biāo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對位置的修正；
[0019] 步驟五：根據(jù)側(cè)掃聲吶采集的信息計(jì)算出管道缺陷信息，實(shí)現(xiàn)管道變形辨識(shí)，確定 缺陷位置信息。
[0020] 本發(fā)明一種小型管道地理信息系統(tǒng)測量方法，還可以包括：
[0021 ] 1、通過導(dǎo)航解算計(jì)算出的姿態(tài)、速度和位置信息為，
[0022] 測量裝置的縱搖角為：
[0024] 正交安裝的兩個(gè)加速度計(jì)的輸出值分別為&和fy，與陀螺儀輸出的旋轉(zhuǎn)角速度為 wz，3&是由里程儀速度V&求導(dǎo)推導(dǎo)出的前向加速度，g是重力加速度；
[0025] 測量裝置橫搖角為：
[0030] 其中，Wle是地球自轉(zhuǎn)角速率，於是煒度，Ve是東向速度，Rn是子午曲率半徑，h是高 度值；
[0031] 根據(jù)姿態(tài)角和里程儀輸出的速度可以得到測量裝置在三個(gè)方向的速度為：

[0037] 有益效果：
[0038] 本發(fā)明是針對小型管道地理信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確的測量，對實(shí)現(xiàn)精確測量的捷聯(lián)慣 導(dǎo)系統(tǒng)從體積和成本角度進(jìn)行了有效改進(jìn)。
[0039] 本發(fā)明通過對管道測量裝置在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)的姿態(tài)修正和位置修正，提高整個(gè)測 量裝置的精度。不僅結(jié)合了傳統(tǒng)的Kalman濾波算法進(jìn)行前向?yàn)V波，同時(shí)考慮到數(shù)據(jù)處理的 非實(shí)時(shí)性要求，采用了先進(jìn)的平滑技術(shù)來提高整個(gè)系統(tǒng)的測量精度。
[0040] 本發(fā)明不僅能實(shí)現(xiàn)小型管道地理信息系統(tǒng)的精確測量，還能在原有大管徑管道地 理信息系統(tǒng)測量裝置的基礎(chǔ)上，降低測量裝置核心部分的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，大大降低了整個(gè)測 量裝置的成本。
[0041] 本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)能廣泛應(yīng)用于各類油、氣、水、化學(xué)物質(zhì)等運(yùn)輸?shù)男⌒凸艿赖乩硇畔?系統(tǒng)的建立，將大大提高此類管道的運(yùn)行安全，為管道的完整性管理提供有利保障。
【附圖說明】
[0042] 圖1小型管道地理信息系統(tǒng)測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0043] 圖2簡易捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)示意圖。
[0044] 圖3小型管道地理信息系統(tǒng)測量裝置實(shí)現(xiàn)流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0045] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0046] 一種小型管道地理信息系統(tǒng)測量裝置。它包括簡易捷聯(lián)慣性測量單元，里程儀，前 置攝像頭，數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，跟蹤模塊，側(cè)掃聲吶和電源模塊等。簡易捷聯(lián)慣性 測量單元由兩個(gè)水平正交的加速度計(jì)和一個(gè)方位陀螺儀組成。兩個(gè)水平正交的加速度計(jì)用 于測量管道地理信息系統(tǒng)測量裝置在管道內(nèi)位置的縱搖角和橫搖角，方位陀螺儀測量裝置 在管道內(nèi)的方位角速率變化。里程儀用于測量裝置在管道內(nèi)運(yùn)行的速度，并結(jié)合簡易捷聯(lián) 慣性測量單元實(shí)現(xiàn)對管道的三維位置和方向的精確測量。同時(shí)，前置攝像頭用于管道內(nèi)拐 彎角方向的辨識(shí)，用于修正管道方向變化。跟蹤模塊用于實(shí)現(xiàn)對管道內(nèi)管道地理信息系統(tǒng) 測量裝置的跟蹤和固定間隔與地表地標(biāo)的通信，實(shí)現(xiàn)地理位置修正。側(cè)掃聲吶用于測量管 道的內(nèi)徑，管道內(nèi)缺陷的尺寸大小和管道的變形。數(shù)據(jù)處理單元實(shí)現(xiàn)對各部分測量傳感器 的數(shù)據(jù)簡易處理，并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中。電源模塊實(shí)現(xiàn)對整個(gè)小型管道地理信息系統(tǒng) 測量裝置在管道內(nèi)運(yùn)行時(shí)的能量供應(yīng)。
[0047] 本發(fā)明是在原有大管徑管道地理信息系統(tǒng)測量裝置的有效改進(jìn)，不僅能實(shí)現(xiàn)小型 管道地理信息系統(tǒng)精確測量的需求，還能有效降低測量裝置的成本。能廣泛應(yīng)用于各類小 內(nèi)徑管道地理信息系統(tǒng)的有效測量，實(shí)現(xiàn)管道完整性的有效管理。
[0048] 本發(fā)明的小型管道地理信息系統(tǒng)測量裝置主要實(shí)現(xiàn)對小型管道的裂紋及變形等 缺陷進(jìn)行有效測量，同時(shí)對這些缺陷實(shí)現(xiàn)精確的定位，并建立基于整個(gè)管道地理位置和方 向的地理信息系統(tǒng)。主要采用安裝在管道測量裝置中心的簡易捷聯(lián)慣性測量單元和測量裝 置尾部四周的里程儀來實(shí)現(xiàn)整個(gè)管道地理位置和方向的精確測量。同時(shí)采用測量裝置前置 攝像頭實(shí)現(xiàn)對管道方向變化的捕獲修正檢測系統(tǒng)的方位變化。而且，采用裝置尾部無線跟 蹤模塊實(shí)現(xiàn)與管道外控制單元有效通信，并檢測和記錄通過地表地標(biāo)的時(shí)間，用于位置有 效修正。管道的內(nèi)徑測量，及管道內(nèi)缺陷的尺寸大小和管道的變形采用側(cè)掃聲吶確定。將 保存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)進(jìn)行離線處理，結(jié)合先進(jìn)的濾波和平滑處理技術(shù)最終實(shí)現(xiàn)對 小型管道地理信息系統(tǒng)測量裝置的各項(xiàng)功能指標(biāo)。
[0049] 簡易捷聯(lián)慣性測量單元與里程儀是這樣實(shí)現(xiàn)對管道測量裝置的三維姿態(tài)，速度和 位置的有效測量的。首先，水平正交安裝的兩個(gè)加速度計(jì)輸出值用于計(jì)算測量裝置的縱搖 角和橫搖角，與水平面垂直安裝的陀螺儀敏感測量裝置的方位角變化，計(jì)算測量裝置的方 位角。同時(shí)，尾部四周安裝的里程儀推導(dǎo)的速度結(jié)合姿態(tài)角（縱搖角，橫搖角和方位角）計(jì) 算出測量裝置的三維速度值。最后，通過三維速度推導(dǎo)出三維位置變化值，得到測量裝置的 三維位置。
[0050] 管道測量裝置前置攝像頭是這樣判斷管道內(nèi)的拐彎角的。通常情況下，管道是通 過閥門連接器進(jìn)行拐彎的，有直角，T型和三通三種類型的閥門連接器。而當(dāng)管道測量裝置 快接近管道拐彎時(shí)，通過前置攝像頭檢測不同的閥門連接器管內(nèi)頭像，進(jìn)而判斷前面拐彎 是直角，T型，還是三通。進(jìn)而當(dāng)管道測量裝置拐彎時(shí)進(jìn)行拐彎角的有效修正。
[0051] 無線跟蹤模塊是這樣實(shí)現(xiàn)對管道測量裝置有效跟蹤和記錄通過地表地標(biāo)時(shí)間來 進(jìn)行位置修正的。無線跟蹤模塊能實(shí)時(shí)發(fā)射和接收透過各類障礙物的超低頻電磁波，地表 接收模塊通過接收信號(hào)能大致判斷管道測量裝置的運(yùn)動(dòng)狀況。與此同時(shí)，當(dāng)管道測量裝置 通過有固定地理位置（GPS預(yù)先提供）的地表地標(biāo)時(shí)，跟蹤模塊能有效接收地標(biāo)發(fā)射的信 號(hào)，進(jìn)而記錄管道測量裝置通過時(shí)間，進(jìn)而運(yùn)用地表地標(biāo)位置實(shí)現(xiàn)管道測量裝置的位置修