慣性陀螺儀在地下管線測量中的應用研究

馮 平

（三和數碼測繪地理信息技術有限公司，甘肅 天水 741000）

在我國城市化進程中，地下管線作為地下空間的重要組成部分，關系到城市居民的生產和生活，是城市生存和發展的血脈，其重要性不言而喻。當前，在城市中，由于涉及的行政單位和權屬單位較多，數據信息質量參差不齊，數據信息缺失，測量手段落后，數據點稀少，一些地區還沒有形成一個完整的地下管線信息系統。在一些比較先進的城市中，已經基本上構建起地下管線信息系統，并與管線竣工測量或詳查等項目相聯系，基本上已經實現對地下管路數據庫的實時更新，并且整體運行狀況良好。大多數城市因為種種因素，地下管線數據陳舊不完整，精度不高，在此狀況下，即便是建設管線信息系統也無法充分利用，還經常會因為無法精確定位管線的具體方位而引發管線安全問題，對城市建設、管理與發展造成極大影響。

1 慣性陀螺儀的原理

當一個轉動的物體沒有受到任何外力的作用時，它的轉動軸線指向的方向就不會發生變化。因此，人類利用這種原理明確自身所處位置，從而研制出慣性陀螺儀。當陀螺運轉的時候，需要施加外力，才能讓陀螺高速轉動，通常情況下，速度可以達到每分鐘數十萬轉，而且運轉能持續較長時間。通過各種方式，陀螺儀可以讀出各坐標系數，并向控制系統輸出相應的信息。慣導陀螺儀綜合運用重力場與計算機矢量運算等多個領域的技術，其基本原則是以陀螺儀定位與慣導為基礎。在測量與定位時，牽引機利用繩索等工具將慣導定位儀拖動到管線上，根據慣導與多源數據融合的方法，得到管線的坐標。利用GPS 等技術獲取管線的起始、結束位置，通過對起始點的定位，將測量到的定位數據轉化為空間坐標，即可獲得管線的三維空間位置。慣性陀螺定位儀正是運用了陀螺儀和慣性定位原理而研制的，其結構見圖1。陀螺儀和加速度計分別測量了定位儀的相對慣性空間的3 個轉角速度和3 個線加速度，然后通過坐標轉換，將加速度信息轉換成了沿著導航坐標系的加速度信息，并計算出定位儀的位置、速度、航向和水平姿態[1]。

圖1 慣性陀螺儀定位結構

2 系統結構設計

微機電系統（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS） 陀螺儀測繪裝置分為3 個部分，分別是測繪裝置主體、里程計輪組及支撐輪組，每一個部分都是一個單獨的模塊，測繪裝置的總體結構設計實現了集成化、模塊化。MEMS 回轉器中使用的STIM300 是一種體積較小、質量只有50 g 的慣導裝置，其主要技術指標詳情見表1。該輪組用螺栓連接方法對裝置本體進行緊固，以確保該輪組拆裝方便，連接可靠，可以通過對各種型號的輪組換裝來實現對管線繪制最大尺度要求。

表1 STIM300 性能相關參數

3 數據庫設計

3.1 數據采集模塊

數據的采集包含兩個部分：MEMS 陀螺儀數據采集和里程計數據采集。MEMS 陀螺以921 600 b/s的頻率，以422 級的頻率，以500 級的頻率，將500 級的信息以每秒500 幀畫面的方式傳送出去，STM32 終端上有一個電平變換電路，它把422 級的電平變換成TTL 級，并經過STM32 的串行接口來接收信息：信息的獲取是由霍爾感應器來完成的，每次與車輪上的磁性物質發生反應時，都會有一個升高的邊緣，然后由STM32 的一個外部的中斷來捕獲升高的邊緣，將距離的信息進行存儲。本文將會介紹一種采集數據的方法，使用串口空閑中止與直接存儲器訪問（Direct Memory Access, DMA） 方法。在每次收到一個數據框后，就會產生一個空閑幀，這時候STM32 會對這個方法進行判定，然后引發一個空閑的中斷。在高速數據的采集方面，這個方法要比普通的串口中斷效率要高得多，并且還能確保數據的實時性。但是，因為一次采集的數據量很大，所以需要很長時間進行處理，占用CPU，造成將數據寫入SD 卡一團糟。對此，建議使用串口DMA 來接收數據，不占用CPU 資源，這樣就不會對數據的存儲造成影響。因為公里計的數據是以脈沖的方式來進行記錄的，所以當STM32 的GPIO口為上升緣跳變時，STM32 就會引發外部中止，在中止中累計脈沖量，每個脈沖量與1/4 的輪組周長相匹配，從而可以通過這種方式來間接地獲取公里數據[2]。

3.2 數據存儲模塊

將串端口與DMA 的接收設置在STM32 上，每次MEMS 回旋輪發出一組數據，該串端口就會接收并經由DMA 運送至規定的BUF，直至收到一組完全的信息時，將該組完全的信息儲存至BUF；該距離表的信息收集使用STM32 的外圍干擾模式，并設定一個STM32 外圍干擾，在GPIO 端口偵測到一個上升邊緣跳躍時，就會啟動該外圍干擾，并累積所啟動的脈沖數目。將兩個傳感器所收集到的信息進行了整合，并將其保存到FIFO 中，然后將FIFO中的信息寫到SD 卡中，數據存儲流程見圖2。

圖2 數據存儲流程

3.3 數據讀取模塊

此模塊的作用是將SD 卡里面的數據通過USB方式讀取。每一次測試完畢，用USB 線將其連接到PC 機，從PC 中讀出SD 卡中的數據。在測量時，該模塊不工作，只有在測量完成之后，通過計算機端USB 供電，實現PC 端對SD 卡的訪問。要想直接存取SD 卡中的數據，必須把Fats 文件系統移到STM32 中，使其能夠對SD 卡中的文件進行新建、復制、刪除，最后才能對SD 卡中的文件進行直接管理。

4 應用實例

4.1 工程概況

某變電站110 kV 電纜線路埋設管線項目頂管為雙回路，長2 270 m，采用非開挖頂管工藝進行施工。電纜線路埋設管線工程需要進行慣性陀螺的竣工檢驗，其地下管孔尺寸為110 mm。

4.2 外業測量

被測管線為全空無阻礙管線，管口露出。實地考察決定采用鋼絲繩在電力管線中牽引三維姿態測量儀進行探測，測量前提前穿好拉線。

1） 測量坐標（井口）。用全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS） 接收機或者全站儀測試待測管線中心線起點和終點坐標并記錄。

2） 穿線。在管線內部穿入一條線，以便將慣性陀螺儀在管線內來回拖拉行進。常見的穿線方法有兩種，一種是穿線器穿線，即用穿線工具在管線的一端放入，然后用手推管，使線路不停地進入管中，最后從管線的另一端穿出來，然后把暴露出來的穿線器的金屬末端連接到一根牽引鋼絲上，然后沿著原來的路線拉回到穿線器處，完成穿線工作；另一種是鼓風機穿繩，是把一根風箏繩系在一只充氣塑料袋上，然后把它放在管線的一頭，使用鼓風機朝管線入口的袋子方向吹氣，直到袋子被吹到管線的另一頭，完成穿繩。由于電源線井入口存在泥沙，鼓風機難以通過，因此采用4 mm 軟質鋼絲繩卷揚一端通過，再將兩根鋼絲繩分別與儀表的萬向接頭連接，然后將穿管工具從儀器一端拉出[3]。

3） 調節支架。根據管線口徑調節前后支架，分別將儀器前端（里程輪端） 與后端（操作面板端） 支架螺母向外調節到支架臂松弛狀態，并將儀器后端放入管線，前端輪也放入管線，向內調節支架螺母至彈簧開始收縮并受力，3 個輪子貼緊管壁（注：彈簧不要調節過緊）。拔出工具，倒過來，輕輕按住前3 個輪子，使它進入管線，后3 個輪子也進入管線，如法炮制，調整螺帽，使后3 個輪子緊貼管線。前后牽引裝置，在牽引的力量下，托輥能夠很好地旋轉。確保管線的內壁對車輪有適當的壓力，不能太寬松。

4） 配制檢測工具。支架調整好之后，將設備尾部取出，打開電源開關（這時電源指示燈亮起），然后開機靜置，在將儀器打開并進入測量狀態后，將整個儀器放在管線中，使其處于自然擴張的狀態，并且保持靜止（輪不動），30 s 后啟動（或手搖） 卷揚機，將儀器從一端（設為A 端） 穿行到另一端（設為B 端），在牽引的過程中，要盡可能地確保平穩，牽引速度不能過慢（建議在1 m/s 以上）。

5） 起點往終點行進。當設備接近B 端時要減速，并且要從管線入口處進行觀察，以避免設備從管線中被拉出。當儀表達到管線B 端時（6 個輪都不出管線，支架中心軸的端面與管線的端面平齊），使儀表靜止30 s，再向A 端拉動儀表。

6） 終點回起點。當設備接近A 端時要減速，并在入口處進行觀察，以避免設備從管線中被拉出。在A 端停留30 s 后，將測試結果輸入U 盤，并關閉測試設備。

7） 核對信息。將測試結果復制到計算機上，并對測試結果進行完整性檢驗，如步驟3～步驟6所示，可重復多次測試，增加測試結果可信度。

8） 解算與生成報告。開啟管線三維信息測量軟件，將外業測量數據輸入系統中，并將起點和終點的大地坐標進行一鍵式的處理，最后得出測試報告。通過計算得到管線的絕對高度和平面坐標，從而得到管線中線軌跡。

4.3 數據處理與成圖

1） 利用儀器配套的管線三維姿態測量儀計算機軟件生成管線路徑圖，三維顯示模式可以將管線的外形最直觀地表現出來，而平面顯示模式則有主視圖、頂視圖和側視圖3 個視角，并且可以在3D視圖之間隨意轉換。正如所產生的工程10 井到9井-1 的剖面，俯視圖見圖3、圖4。

圖3 10 號井至9 號井-1 段剖面

圖4 10 號井至9 號井-1 段剖面俯視

2） 使用管線3-D 位置測量儀器計算機軟件，生成管線路線信息表格（所產生信息長間隔可以選取，通常是1 m）。

陀螺儀的測量精度之所以遠遠超過管線探測器（示蹤探測器），是因為管線探測器（示蹤探測器）發射的電磁波具有較強的抗干擾能力和較大的變形能力。與之相比，陀螺是利用慣量進行定位的，不受外部環境的干擾；在檢測時，不要求檢測者在道路上使用跟蹤裝置，也就不會受到任何地形、電磁波、磁場的干擾。能單獨測量任意厚度，測量精度極低，還能測量各種材料管材，如鋼管、PVC 管、混凝土管等。所有的結果都是通過軟件自動生成的，不需要任何人工操作，可以反復確認。利用慣性陀螺儀定位技術，可以對地下管線的走向、埋設深度和材料等進行精確的判斷，保證了地下管線安全穩定[4]。

5 結束語

作為電力預埋管道的完工驗收成果，管線完工測量數據作為其中一項，將此次測量的數據成圖與工程施工時導向儀測量成果圖進行重疊，所示的管線位置與二者走向基本一致，然而有一些地方管段會出現一些差異。之后，以現場管線出露點實地測量結果為依據，發現利用慣性陀螺儀定位技術測量的精度更加精確。對該項目的實例結果進行了剖析，并對其進行了技術應用的探索。結果顯示，在對地面管道進行了竣工測量的過程中，使用了管道的位置進行了精確的測量，并且其繪制結果能夠充分滿足對工程測量和地面管道竣工測量的準確率的需要。