慣導原理地下管道測量系統設計及實驗范文

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摘要:地下管線屬于隱蔽工程，城市工程施工過程中，往往因為對管線探測精度的不準而造成事故頻發，而對于小管徑、大埋深、非金屬等非開挖管線探測仍是難題中的難題，也是事故爆發的高頻點。傳統的物探方法如管線儀、探地雷達等技術方法對該類管線探測顯得無能無力，無法精確得到已有非開挖管線的空間位置。本文針對非開挖管線探測現有技術難題，提出以慣導為原理的探測技術，從慣導新技術原理入手，對地下管道三維測量系統進行設計及功能實現，通過實驗及工程實例表明，基于慣導原理的地下管道三維測量系統設計合理，設備探測成果精度高，方法可靠。該系統可適用于超埋深、小管徑、任何材質的非開挖管道探測中，且其探測精度高，為城市疑難管線探測提供了較好的參考依據。

關鍵詞:地下管線;非開挖;慣導;系統設計;實驗

隨著城市化進程的加快，地下管線建設不斷增加，地下空間卻不斷縮小［1］。面對日益增長的管線需求，傳統地面開挖埋設已無法適應現代社會城市化建設［2］。為避免因開挖造成的地面環境破壞，降低管線建設成本，加快工期速度等原因，非開挖定向鉆技術被迅速采用［3，4］。這類施工技術的管線往往超長(大于300m)和超深(一般4～20m)，常常以管徑小、埋深大、非金屬(金屬)為特點，其探測定位的難度大，是管線探測的新難題［5～7］。目前市場上地下管線探測主流儀器有電磁式管線探測儀、導向棒、探地雷達等，但由于受到電磁、金屬、管道材質、埋深等因素的影響，對非開挖管線探測沒有較好的效果，測量精度不能保證，無法得到已有非開挖施工管線的準確空間位置［8，9］。基于慣導原理的地下管道三維測量系統是一種克服現有的管線探測儀對管線材質、深度、測量環境以及測量操作復雜等不足的全新技術［10，11］。該技術對非開挖、非金屬、超長、超埋深等復雜探測管線提供了一種有效的解決方法。

1基于慣導原理的地下管道三維測量系統理論基礎及誤差分析

1.1慣導基本原理慣導基本原理［12，13］是根據牛頓第一運動定律(慣性定律)推導而來。通過陀螺儀和加速度計分別測量儀器空間的3個轉角速度和3個線加速度延定位儀坐標系的分量。經過坐標變換，把加速度信息轉化為沿運行方向坐標系的加速度，并運算出定位儀的位置、速度、運行方向和水平姿態(見圖1)。

1.2慣導陀螺儀誤差分析基于慣導原理的地下管道三維測量系統是由地下慣性測量單元核心部件三軸MEMS陀螺和三軸MEMS加速度計組成。當MEMS陀螺儀處于靜態時理論輸出為零，但是設備本身及周邊環境影響會造成輸出不為零的零偏。令ω0為陀螺儀三軸零偏，表示為：式中:ωxx，ωyy，ωzz為陀螺儀實際測量值;ωx，ωy，ωz為陀螺儀理論輸出值;Sωx，Sωy，Sωz為陀螺儀三軸刻度因子;kωxy，kωxz，kωyx，kωyz，kωzx，kωzy為安裝誤差系數;ωx0，ωy0，ωz0為陀螺儀三軸零偏。通過式(1)～(4)，通過實驗可確定陀螺儀三軸3個常值漂移及3個標度因數，從而對陀螺儀進行標定。

2測量單元功能設計

2.1基于慣導原理的地下管道三維測量系統組成基于慣導原理的地下管道三維測量系統是由地下慣性測量單元的三軸MEMS陀螺、三軸MEMS加速度計、三軸磁強計、里程計、電源管理子系統、數據同步采集子系統、數據存儲及通信子系統和地面測量單元的數據處理及顯示計算機組成，其結構示意圖如圖2所示。

2.2測量單元硬件功能設計基于慣導原理的地下管道三維測量系統測量單元電路結構如圖3、圖4所示，其工作過程為:電源管理芯片在上電后，開啟電源轉換模塊，測量單元開始工作。數據同步采集子系統內與MPU產生時間同步信號，對其內部A/D轉換芯片和FPGA13進行時間同步，并對三軸MEMS陀螺、三軸MEMS加速度計、三軸磁強計、里程計進行同步數據采集，同時MPU對采集的數據進行低通濾波和抗干擾濾波，并將處理后的數據通過數據存儲及通信子系統中的數據記錄儀記錄在存儲器內。測繪完畢后數據通過CAN總線收發器和CAN總線驅動器發送到地面數據處理及顯示計算機。

2.3測量單元軟件功能設計該軟件采用結構化、模塊化、通用化進行設計，其功能主要包含六大模塊:姿態位置解算模塊、數據回放模塊、信息顯示模塊、數據存儲模塊、系統自檢模塊、數據驅動模塊。各模塊可按需求功能進行細分從而實現單一子功能并能在主程序界面上進行顯示。具體的程序結構如圖5所示。數據處理軟件流程圖6所示。

3實驗分析及工程實例

3.1實驗分析實驗過程按照以下步驟進行:(1)實驗采用內徑為150mm的管線，管線總長約為120m。為考察系統的測繪能力，管線人為扭曲成“S”形。兩端分別架設在高臺上;(2)在管線架空之前，每隔1m在管線外壁用油漆畫一標記線，在完成管線架空后，利用差分GPS設備和全站儀，在每個標志線位置測定管線地理坐標(X，Y，Z)作為標定基準，并根據測試數據繪制管線曲線(水平面、縱剖面、三維曲線);(3)利用地下管道三維測量系統測量管線位置曲線，根據全站儀鎖定的管線起點和終點坐標數據，對測繪系統軌跡數據進行變換，得到管線每隔1m的坐標數據;(4)以步驟(3)得到的測量坐標數據與步驟(2)得到的標定基準數據進行比對，確定系統測量誤差。實驗場地如圖7所示。圖8是實驗測試的系統軟件軌跡顯示結果。將基于慣導原理的地下管道三維測量系統測量結果數據與全站儀的測量數據進行對比，如圖9、10所示。對比結果為:地下管道三維測量系統測量數據相對全站儀測量數據高程中誤差為7.83cm，平面中誤差為8.62cm，球面中誤差為11.64cm。實驗結果表明，地下管道三維測量系統測量數據與全站儀測量數據吻合度高，基于慣導原理的地下管道三維測量系統設計合理，其探測精度及可靠性高。

3.2工程實例佛山某工程高鐵待施工區域與高壓電纜路徑區域有交叉，需了解原有電纜具體空間位置，由于原始管線數據資料可信度不高，且傳統物探方法探測效果較差，無法保證探測的準確性，故采用地下管道三維測量系統進行復測。其測量結果如圖11～13所示。高鐵基樁位置與被測管線路徑相對位置示意圖如圖14所示。圖14表明高鐵預設樁位與電纜位置重合。成果驗證:為驗證管道三維測量系統測量成果的可靠性，在測量結果約為L122處進行沉井開挖，驗證結果為平面基本無誤差，深度略深10cm(測量深度為6.94m，實際深度約7.00m)，如圖15所示，結果表明該系統測量數據準確、可靠。

4結論

針對傳統物探方法諸如管線儀、探地雷達、聲波探測儀等受其技術的局限性無法精確得到已有非開挖管線的空間位置的不足，本文提出以慣導為原理的探測新方法，并通過對地下管道三維測量系統進行設計及功能實現，通過實驗結果表明:地下管道三維測量系統測量數據與全站儀測量數據吻合度高;工程實例成果表明:該系統對超埋深、小管徑非開挖大埋深管道探測精度高，可靠性強。該系統的研發對解決城市非疑難管線探測提供了較好的參考依據。

作者：王鵬飛 肖波 單位：廣州市城市規劃勘測設計研究院