一种基于MEMS惯性测量单元的管道测绘及缺陷定位装置及其管道测绘及缺陷定位方法

摘要

本发明属于管道测绘技术领域，具体涉及一种基于MEMS惯性测量单元的管道测绘及缺陷定位装置及其管道测绘及缺陷定位方法。基于MEMS惯性测量单元的管道测绘及缺陷定位装置,包括测量单元，修正单元，缺陷探测单元，供电单元，数据处理及存储单元。与之前的发明、论文等相比，MEMS惯性测量单元成本较低，除自主性外，管径适用范围更加广，最小可至60mm。MEMS惯性测量单元与里程计、磁通门磁力计、超声检测装置相组合，解决了没有铺设定点磁标的管道测绘问题，同时检测标记出缺陷位置信息，为管道缺陷的维修、加固提供了便利。里程轮同时连接发电装置，避免了外部供电所引发的问题。

主权项

一种基于MEMS惯性测量单元的管道测绘及缺陷定位方法，其特征在于：(1)采集陀螺仪的角速度、加速度计的加速度；GPS的经纬度、高度信息；磁力计测量的当前载体坐标系下的三轴地磁分量以及里程计测得的脉冲转化的速度值；(2)进行信号处理，初始对准：(2.1)水平对准时载体静止，重力加速度在载体坐标系OX_bY_bZ_b各个轴向分量为在水平坐标系OX_hY_hZ_h各轴分量为f^h＝[0 0 g]^T，已知载体坐标系到水平坐标系的变换矩阵$C_b^h=\left[\begin{array}{ccc}cos\gamma & 0& sin\gamma \\ sin\gamma sin\theta & cos\theta & -sin\theta cos\gamma \\ -sin\gamma cos\theta & sin\theta & \cos \theta cos\gamma \end{array}\right]$其中γ—横摇角，θ—纵摇角，则根据坐标变换方程$\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ g\end{array}\right]=C_b^h\left[\begin{array}{c}{f}_X^b\\ f_Y^b\\ f_Z^b\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \gamma & 0& \sin \gamma \\ \sin \gamma \sin \theta & \cos \theta & -\sin \theta \cos \gamma \\ -\sin \gamma \cos \theta & \sin \theta & \cos \theta \cos \gamma \end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{f}_X^b\\ f_Y^b\\ f_Z^b\end{array}\right];$$\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ g\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{cos\gamma f}}_X^b+{\mathrm{sin\gamma f}}_Z^b\\ {\mathrm{sin\gamma sin\theta f}}_X^b+{\mathrm{cos\theta f}}_Y^b-{\mathrm{sin\theta cos\gamma f}}_Z^b\\ -{\mathrm{sin\gamma cos\theta f}}_X^b+{\mathrm{sin\theta f}}_Y^b+{\mathrm{cos\theta cos\gamma f}}_Z^b\end{array}\right]$$\gamma =arctan(-\frac{f_X^b}{f_Z^b});$$\theta =arctan(f_Y^b/\sqrt{{\left(f_X^b\right)}^2+{\left(f_Z^b\right)}^2});$$\theta =arcsin(f_Y^b/g);$获得载体的横摇角γ和纵摇角θ,在静止状态下判断加速度计的采样系统输出；(2.2)方位对准时磁阻传感器沿载体坐标系安装，载体静止时，地磁场强度在载体坐标系OX_bY_bZ_b各轴向分量为在水平坐标系OX_hY_hZ_h各轴分量为根据坐标变换方程得到地磁场强度在水平坐标系内的值：$\left[\begin{array}{c}{H}_X^h\\ H_Y^h\\ H_Z^h\end{array}\right]=C_b^h\left[\begin{array}{c}{H}_X^b\\ H_Y^b\\ H_Z^b\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \gamma & 0& \sin \gamma \\ \sin \gamma \sin \theta & \cos \theta & -\sin \theta \cos \gamma \\ -\sin \gamma \cos \theta & \sin \theta & \cos \theta \cos \gamma \end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{H}_X^b\\ H_Y^b\\ H_Z^b\end{array}\right]$当地地磁场强度的水平分量为：$H_X^h=H_X^{b}cos\gamma +H_Z^{b}sin\gamma$$H_Y^h=H_X^b\sin \theta \sin \gamma +H_Y^{b}cos\theta -H_Z^{b}sin\theta cos\gamma$求得由地磁场强度的水平磁力H_H总是指向磁北这一原理，便可得到磁航向ψ，即磁北到Y_h的角度，用地磁强度在水平坐标系下的值表示为：$\psi \left(rad\right)=arctan(H_X^m/H_Y^m)=arctan(-H_X^h/H_Y^h)$确定出载体磁航向，通过当地的磁偏角确定载体的真实航向角(2.3)利用GPS得到的经纬度、高度信息给出载体当前的位置信息；(3)对准后把测绘装置放入管道，重新执行步骤(1)，采集陀螺仪、加速度计和地磁数据，利用里程计得到载体当前的线速度；对应缺陷探测单元，超声检测装置用以检测管道实时的缺陷信息；(4)导航计算：纯惯导解算利用的是四阶龙格库塔更新方法，解算出来的航向和姿态会随着时间的推移而发散；(5)卡尔曼滤波：卡尔曼滤波的观测量选取为里程计的速度和地磁量，观测量作为真实值用来修正当前解算出来的带有误差的状态量，状态量包括：速度、位置、四元数、陀螺仪零偏，修正后四元数通过姿态更新矩阵得到修正后的载体航向和姿态角：(5.1)选取地理坐标系下的位置速度姿态四元数和陀螺零偏为状态量即建立状态方程：非线性系统的状态方程为：$\stackrel{·}{\stackrel{‾}{X}}=\left[\begin{array}{c}\stackrel{·}{{\stackrel{‾}{P}}_{et}^t}\\ \stackrel{·}{{\stackrel{‾}{V}}_{et}^t}\\ \stackrel{·}{\stackrel{‾}{q}}\\ \stackrel{·}{{\stackrel{‾}{b}}_{\omega }^b}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\bar{V}}_{et}^t\\ C_b^t{\bar{f}}^b+{\left[\begin{array}{ccc}0& 0& -g\end{array}\right]}^T+C_b^t{\bar{W}}_a^b\\ \frac{1}{2}\Omega \left(\bar{q}\right)[{\bar{\omega }}_{ib}^b-{\bar{b}}_{\omega }^b+{\bar{W}}_{\omega }^b]\\ {\bar{W}}_b^b\end{array}\right]$其中为载体系下加速度计比力测量值，为载体下加速度计的量测噪声，为载体系下陀螺角速度测量值，为载体系下陀螺的量测噪声，为载体系下陀螺零偏，为载体系下的陀螺零偏噪声；(5.2)通过里程计测得的速度通过地磁传感器量测出当地磁场强度在载体系下的值得到观测量令观测噪声为其中表示里程计速度观测误差，表示地磁传感器地磁测量误差，得到系统的量测方程为：$\bar{Z}-\bar{y}+\bar{v}$$\bar{y}=h\left(\bar{X}\right)=\left[\begin{array}{c}{\bar{V}}_{et}^t\\ C_t^b{\bar{B}}^t\end{array}\right]$(6)将卡尔曼滤波修正后得到的载体姿态角、航向角、速度、位置、时间信息以及通过超声检测装置检测到的管道缺陷信息存储到SD卡；(7)测绘仪走完全程后，从管道中拿出，关闭系统，读取其SD卡，根据所存储的航向角、姿态角和缺陷的位置、时间信息，用航迹推算原理进行管道三维信息记录并标明缺陷位置所在，绘制出一张有管道位置走向并标记出缺陷大概位置的三维图。