（机械电子工程专业论文）基于空间方向角的非开挖地下管道测量方法研究.pdf

海大学砸1 学位论文 摘要 地下管线非开挖铺设施工技术是当今地下管道铺设中的一项重要技术。而 传统的物探测量技术对基于此方法施工的地下管道的形状与位置信息的获得有 诸多限制，如地质条件埋置深度限制等。其测量精度受环境影响较大。 “非开挖地下管道测量系统关键技术研究”是针对以上传统物探方法的不 足之处而提出的，旨在通过对关键技术的研究来实现保证一定精度的测量，且 受环境影响较小的非开挖地下管道测量系统。本项目得到了国家自然基金、上 海市重大科技攻关项目及上海市第二期重点学科的资助。 作为“非开挖地下管道测量系统关键技术研究”项目的重要内容之一，本 硕士论文的主要内容是管道内传感头系统的设计，以及基于空间方向角的地下 管道形状位置重建技术。围绕这一主要内容，本文介绍了管道内传感头的各个 部分的系统设计及管道形状位置的重建的关键技术研究。其中，第一章介绍了 国内外在非开挖地下管道探测方面的研究情况。在第二章中介绍了整个系统的 设计方案，并着重论述了作为重要部分的管道内传感头子系统的组成与系统设 计。在第三章中，对基于曲线离散点空间方向角的管道形状的重建技术进行了 研究，并使用典型管道形状对重建方法进行初步验证。第四章中，设计了管道 内定心装置，介绍了其工作原理与控制方法，给出了实验结果。在第五章中， 设计了管道内水平平台的机构及其控制方法研究，进行了试验获得了满意的结 果。在第六章中，设计了整个管道内传感头的控制系统，以及其控制软件，实 现了在上位机控制下的管道内传感。最后在第七章中介绍了本课题所研究的“基 于空间方向角的非开挖地下管道探测方法研究”的结果。实际证明本系统在非 开外地下管道检测方面取得了良好的效果。 关键词：地下管线探测非开挖技术形状重建 管道内定心电机控制传感系统设计 v 海大学硕l 学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y st r e n c h l e s sp a v i n gu n d e r g r o u n dp i p et e c h n o l o g yi sa l li m p o r t a n t t e c h n o l o g yi np a v i n gp i p e t h et r a d i t i o n a lw a y t ok i n do f p i p e l i n ei sv a r i o u sd e t e c t i v e w a y ，h o w e v e rt h e s ew a y su s e dt o d a yi sc o n f i n e db yg e o l o g i c a lc o n d i t i o n ，f a t h o ma n d s oo n ，s oi tc a n n o tg u a r a n t e ep r e c i s i o no fs u r v e y t h er e s e a r c ho f m e a s u r es y s t e mo f t r e n c h l e s su n d e r g r o u n dp i p ek e yt e c h n o l o g y i sa g a i n s tt os h o r t a g eo f t r a d i t i o n a lm e a s u r e ，w h i c hi sa i mt oa s s u r et h ep r e c i s i o no f s u r v e yt h r o u g ht h er e s e a r c ho f k e yt e c h n o l o g ya n dm e a s u r es y s t e mo f t r e n c h l e s s u n d e r g r o u n dp i p et h a ti sl e s si n f l u e n c e db y c o n d i t i o n s t h i ss u b j e c ti si m b u r s e db y n a t i o n a ln a t u r ef u n d ，s h a n g h a ii m p o r t a n tt e c h n o l o g i c a ls u b j e e ta n ds h a h g h a is e c o n d i m p o r t a n ts u b j e c t a so n eo fi m p o r t a n tc o n t e n to f ；刀l cr e s e a r c ho fm e a s l i r es y s t e mo ft r e n c h l e s s u n d e r g r o u n dp i p ek e yt e c h n o l o g y ，t h em a j o rc o n t e n to ft h i s t a s ki st h ed e s i g no f s e n s o rh e a ds y s t e mi np i p ea n dr e c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo f p i p es h a p ea n dp o s i t i o n o ft 1 1 es p a c ed i r e c t i o n a la n g l e e n c l o s et h i sm a j o rc o n t e n t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h e s y s t e md e s i g no fa l lp a r t so fs e n s o rh e a di nt h ep i p ea n d t h er e s e a r c hk e yt e c h n o l o g y o fr e c o n s t r u c t e dp i p e ss h a p ea n dp o s i t i o n t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e st h e i n v e s t i g a t i o no ft r e n c h l e s su n d e r g r o u n dp i p em e a s u r ei n s i d ea n do u t s i d ec o u n t r y i n c h a p t e rt w o ，t h e r ep o i n to u tt h ep r o j e c td e s i g no ft h ee n t i r es y s t e ma n dc o n s t i t u t i o n o fs e n s o rh e a ds u b s y s t e ma n ds y s t e md e s i g n i nt h ec h a p t e rt h r e e ，i te m p h a s i z e st h e r e c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo fp i p e ss h a p eo fd i s c r e t ep o i n t ss p a c ed i r e c t i o n a la n g l e a n di tp r i m a r i l yv a l i d a t e st h er e c o n s t r u c t i o nb yt y p i c a lp i p es h o e i nt h ec h a p t e rf o u r , i td e s i g n sc e n t r a le q u i p m e n ti nt h ep i p ea n dp r e s e n t sp r i n c i p l ea n dc o n t r o l ，i ta l s o g i v e sr e s u l t so fe x p e r i m e n t a t i o i l i nt h ec h a p t e rf i v e ，i td e s i g n st h em a c h i n eo fs e n s o r p l a t f o r mi nt h ep i p ea n dm a n i p u l a t i v er e s e a r c ha n dw eg e ts a t i s f a c t o r yo u t c o m ei n t h et e s t i nt h ec h a p t e rs i x t h e r ed e s i g n sm a n i p u l a t i v es y s t e mo fs e n s o rh e a di ne n t i r e p i p ea n di t sc o n t r o ls o f t w a r et h a ti sc a r r i e do u ti ns e n s o ri nt h ep i p ew h i c hi s c o n t r o l l e db yu p p e rc o m p u t e r a tl a s ti nc h a p t e rs e v e n ，t h e r ep r e s e n t st h i sp a p e r w h i c hr e s e a r c h e st h ec h a r a c t e r i s t i co f s t u d yo f t r e n c h l e s su n d e r g r o u n dp i p em e a s u r e w h i c hb a s e do ns p a c ed i r e c t i o n a la l l g l e i nf a c t ，i tp r o v e st h a tt h es y s t e mg e t s f a v o r a b l ei m p a c ti nt r e n c h l e s su n d e r g r o u n dp i p et e s t k e y w o r d s ：u n d e r g r o u n dp i p em e a s u r e m e n t ，t r e n c h l e s s t e c h n o l o g y ，s h a p er e c o n s t r u c t i o n ，c e n t r a lm a c h i n e r y , m o t o r c o n t r o l ，s e n s o rs y s t e m 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：盖 7 又 本论文使用授权说明 日期：坦：兰一? 7 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 秘l 吼丝幽 海大学硕l 学位论义 i i 引言 第一章绪论 非开挖技术( t r e n c h l e s st e c h n o l o g y ) ，即非开挖铺设地下管线施工技术， 是8 0 年代后期国外发展起来的一项管道施工新技术，意指在不开挖地表的情况下 对各种管线进行铺设、更换和维护，可广泛应用于石油、天然气、给排水、煤气、 热力、自来水、电讯、有线电视等诸多领域的地下管线施工，并在提升环保、交 通、市政施工等领域的技术进步，以及改善城市居民生活质量等方面体现出了很 大的技术优势。目前，仅上海自来水管、煤气管和排水管的累计总量己超过3 万 公里，而且每年还以很高的比例持续增长“3 。据上海某信息管线公司的数据，在 过去的两年多时间里已进行管线铺设近9 0 0 公里，其中有大部分是采用非开挖手 段完成的，未来几年尚有数千公里的信息管线有待铺设。1 。非开挖施工图如图1 - 1 所示： ( - ) 鲁向孔帖进 f b 矗酗嘶以下情量度p v c 、惠骨材设 角蕾、e 臂、比臂 。 图卜l 非开挖施工图 由于城市地下情况非常复杂，不仅有卵砾石和建筑结构等障碍物，而且有未 经标明的现存地下管线，无疑会给非开挖施工带来很大困难和风险。一般非开挖 施工除了用于地下管线铺设外，还广泛用于管线更换和修复工程，为了实施非开 挖施工，首先是要搞清楚已有地下管线和各种障碍物等的地下空间分布，因此采 海人学颇卜学位论文 用地下管线探测手段进行管线探测和检查工作显得尤为重要，它已成为非开挖技 术相当重要的前期性基础工作。具体施工过程中，必须在充分弄清地下土层的变 化和已有管线的分布情况的基础上，才能制订合理的工艺和技术措施并精心设计 钻孔轨迹，进而保证安全顺利钻进；钻进过程中必须实时监控钻孔轨迹进展趋势 和变化状况，加强现场监测和现场质量控制；施工完成后，施工质量要得到监理 ( 监督) 部门验收合格，并根据实测管线精确位置绘制施工图，完成竣工资料的 编写，全部现场施工工作才告完成，其中对管线地下位置和走向形状进行精确检 测和复查具有重要的意义，它是竣工资料数据正确与否的前提和日后管线维护检 修的依据，也为以后地下工程施工提供可靠的数据资料提供保证。 当前非开挖施工的困难问题，突出表现在施工前对既有地下管线探测数据掌 握得不够准确，施工后对已铺设的管道位置与形状走向数据缺少精确检测手段， 尤其在复杂地质条件和深层非开挖施工状况下，现有物探检测仪器与测量手段显 现了极大的局限性，测量数据的精度随地质条件恶劣程度的加剧与开挖深度的增 而显著增大以至失去测量意义。在一条管线掘进完成后，由于现有仪器对该管线 地下状况检测数据置信度偏低，进而又影响到下一个管道安全准确施工的进行， 尤其以不够准确的测量数据归档，为今后管线修复更换和新管线的铺设留下了不 良隐患。由于无法准确检测地下管线三维探测数据，现今施工时只能以加大保险 系数的方式进行掘进，通过尽量远离已有管线来保证施工的安全性，一定程度上 浪费了宝贵的地下空间”1 ；而且当前国家“城市地下管线探测技术规程”规定“1 ， 非开挖管线施工单位在工程完工后，必须提供地下管线钻迹三维检测数据，测绘 院作为工程第三方和国家授权监管单位，负责数据复查和归档管理。 在当前大规模的城市建设和国际化大都市发展进程中，随着地下空间资源 的f 益高度紧张，不仅要弄清和掌握庞大的既有地下管网数据资料，而且新的管 线铺设也将在进一步加大埋深程度的深层地下进行，因此对地下管线的三维探测 技术和设备具有迫切的需要性与紧迫性；同时从科学的发展观出发，当前正大力 促进地下空间的可视化和管网数据资料的规范化，并筹建和强化城市地下资源数 据库建设，这一方面要以先进准确的地下资源探测技术为依据和保证，另一方面 也将有效地促进地下资源探测技术与仪器的研究和发展。综观上述，进行地下管 l 海夫学硕卜学位论史 线三维探测关键技术研究与开发，可为扩大非开挖技术用武之地和提高非开挖技 术水平提供技术保证，为规范健全城市地下管网数据资料和市政监管规划发挥有 效作用。 1 2 国内外地下管道探测研究现状 12 1 管线探测仪 管线探测仪是当今国内采用最多的一种探测已有管线的方法。“”1 。 管线探测仪( 如图卜2 ) 采用电磁原理进行定位，探测金属管线时，发射器 把信号发送到金属管线上时会产生电流，而电流通过金属流动时便产生磁场，并 且由金属管线向四周辐射，通过探测仪检测到辐射的信号，从而确定出管线的位 置；而探测非金属物体，如塑料管、水泥管、陶瓷管时，由于它们不能传导电流， 要对其定位，可以采用一种示踪的方法，就是把发射探头送入非金属管线中，发 射电磁信号，由接收器追踪探头发出的电磁信号，从而通过检测探头的位置来确 定非金属管线的位置。 图1 - 2 管线探测仪 此类探测有两大缺点，一就是在探测含电解质多的土地地质环境得时候有较 大的误差，二是抗干扰能力比较弱。 在土壤潮湿、含电解质多、电阻率较低时，偏差有时竟可超过5 0 以上。这 种偏差与操作人员的技术水平和探管仪本身的性能没有关系，是由这种基于电磁 感应原理的探测方法所导致的。 卜海大学颁i + 学位论史 如图卜3 所示为一个带9 0 度角弯角的管线的平面图和探测图。 一、f 豳署 图1 - 3 管线探测图图1 - 4 探测仪电路框图 从探测结果看，管线的位置和埋深产生曲线畸变，这是因为探测没有绝缘性 防护层的管线，如果周围土壤的电阻率又比较低，可以把土壤看作是无数具有分 布参数的电阻，这些电阻与流过信号电流的管线并联，导致在管线周围有较大的 漏电流。因为漏电流在土壤中可以有无数条通路，安培力可以迫使信号电流及漏 电流通路发生变化，因此稳定在图卜3 所示的虚线位置。 现有探测仪主要从有效接收信号的角度考虑( 其电路框图如图卜4 ) ，电路 中高频部分的频带做得较宽。这样，对高频干扰信号的抑制能力较差。而低频电 路也没有采取阻止低频干扰的有力措施，因而整机的抗干扰能力较差。于是，在现 场作业时，特别是在城市范围内，一遇到较强干扰信号，探测仪便不能正常工作， 从而降低了工作效率和精度。同时也极大地限制了它的使用范围和使用时间。 如何减少管线探测仪的误差以及减小其受外界的干扰这也是国内外研究的 一个方向。在改进现有发射和接受电路中采用的方法有m 。1 ： ( 1 ) 合理压缩接收机高频电路的频带和在低频电路中加上有源带通滤波器。 以提高抗干扰能力： ( 2 ) 从接收机显示电路着手，用灵敏度高且线性良好的精密整流电路取代原 来的普通二极管整流电路，从而较大幅度地降低接收机灵敏限，减4 , n 深误差。 还可以通过改进测量的方法来得到更好测量结果的研究“。比如有极值探测 算法：首先采用常规搜索法确定地下金属管线的走向州，( 参看图卜5 ) 然后把接收 卜海人学顺i 肆j 位论文 机置于m n 的右( 或左) 侧近旁，并使接收机的矩形天线平面相对于竖直方向向右 ( 或左) 倾斜n 4 ，接着向右( 或左) 移天线在移动过程中接收机的信号电压表呈 现出一个极大值若此时天线平面中心点c 的x 坐标值为x m ( 参看图1 6 ) ，则地下金 属管线的埋深d o = 蝥l h 。式中，h 为天线平面中心c 到地面的垂距。 4 2 1 图1 5 极值探测法图卜6 极值探测几何关系 因为误差产生的原因是探测原理造成得，所以修正得结果并不是很理想，在 探测管线深度时还是会造成1 0 的误差“1 。 现在国内外使用的产品主要有”1 ：美国s u b s i t e 地下管线探测仪，美国菲力 浦斯s u b s i t e ，英国雷迪，德国竖威，日本富士等公司。 1 2 2 探地雷达 探地雷达( g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ，简称g p r ，如图卜7 ) ，是一种对地下 埋藏的不可见目标体或界面进行定位的技术“”“。探地雷达与探空雷达类似，均 利用高频电磁波以宽频带脉冲形式，通过一个发射天线定向送入地下，经存在电 性差异的地下目标体反射后返回地面，由另一接收天线所接收。 一一 卜海大学顾i 学位论义 图l - 7 探地雷达 探地雷达的价格非常的昂贵，主要的应用在地质矿产、公路探伤等探测领域， 在对于管线的探测上应用比较的少。它对于地下管线的探测能力受到管线材质、 管线中液体、不同频率的天线、管道大小和噪音的影响“。 高频电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质 的电性特征及几何形态而变化，i f l 标回波能量小，特别是在管线比较细的情况。 在这样的情况下，实际工作中管径小的管线图像与介质图像混杂在一起，需要根 据实地情况和以往工作经验判读。且测量结果只能得到管道上表面即和泥土接触 的那个面的形状，然后再通过这个面的情况来计算出整个管道的截面，所以不可 能非常的精确。 在下图卜8 中可以看到对一个直径3 f 的测量图： 图l 一8 探地雷达探测幽 i 诲大学顾l j 学位论文 目前推出的商用探地雷达主要有1 ：加拿大探头及软件公司( s s i ) 的p u l s e e k k o 系列：美国地球物理探测设备公司( g s s i ) 的s i r 系列：日本应用地质株式会 社( o y o 公司) 的g e o r a d o r 系列：瑞典地质公司( s g a b ) 的r a m a c 钻孔雷达系统： 国产探地雷达有重庆及青岛的l t d 系列等。 1 2 3 全球定位系统( g p s ) g p s 可以准确地确定出管道上的标记的经度、纬度和高度数据，以然后根据 此信息来确定管道的形状与位置“。 g p s 的缺点在于需要动用卫星支持，代价比较大。在一根管线上需要多个 g p s 标记点，如果标记不够还不能保证精度，而且通过g p s 测量的管道深度值 暂不能满足精度要求。 也有另一种利用g p s 地下发射机的钻头探测方法“。如图卜9 所示其原理 是在地面上放置3 个地下g p s 发射机，向地下发射定位信息。井下传感头上端 装有接收装置来接收地面三个发射机发出的定位信号，根据信号编码可以知道 是哪一个发射机发射的信号，接收装置还可以算出定位信号从地面发射点到钻 头的传播时间，将这一传播时间乘以信号传播速度( 近似光速) 则可得到地面发 射点到钻头的距离。 124 陀螺仪检测 。l 脚_ l ，茸“ 。7、。 ，- t 0 、。 图卜9 地下g p s 平面示意图 陀螺仪检测方法能保持固定方向和不受磁性干扰是它的最大优点“，当前 在管道形状检测中有少量应用。但是为了穿入小型管道，要求陀螺仪尺寸较小， 而小型陀螺仪精度较低且漂移较大，同时设备较为复杂，需要专门操作人员，因 卜海人学顺i 学位论文 此极大地限制了它的应用。 125 听音法 听音法是一种声波探测技术的应用“。探知机听音法是一种适用于水流急、 发音频率高的管道，采用听音法还可在出露点施加声源，利用管道壁与周围介质 对声波的传播差异，确定管道的位置。但探知机只能在午夜作业，且仅能确定管 道平面投影位罱。 1 2 6 地震波法 地震波映像法是近几年才出现的新方法“。该方法是利用地震波( 弹性波) 在地下介质的传播过程中，遇到地下管线后产生反射、折射、绕射波等现象，从 而使弹性波的相位、振幅、频率等发生变化，从而来确定地下管线的存在。 地震波法可以探测到埋藏较深的管道，但该方法受环境、地下介质的影响 较大( 不能有振源) ，因此对现场操作有严格的要求，且资料分析难度较大。 它要求具体操作人员有较强的理论水平及实践经验。 1 3 已有探测方法存在的问题 如上节提到的正在工程中应用的地下管线探测技术，有着很大的应用范围 限制和缺陷，主要表现为以下几点： ( 1 ) 探测误差随挖掘深度的增加而显著加大 受庞大既有管网的制约，目前城市地下资源比较紧张，新管线的铺设深度不 断加大，从而导致现有物探技术手段的探测误差显著增大。 ( 2 ) 探测信号深受地质状况的影响 物探方法在复杂的地质构造下，如水面、粘土层、盐渍地质、腐泥土层、浸 水层等地质状况，所发射的信号会大大衰减；从而影响地面接收器的接收和追踪。 ( 3 ) 现有地下管网密集交错，造成探测信号高度耦合 掘进管道的上方可能就是已有的各种金属、非金属等多用途管网，探测信号 f ：海人学硕 学位论殳 可被遮挡或屏蔽，同时发射频率还可耦合在附近其它管线上，使定位发生严重误 差。 ( 4 ) 探测信号严重受到城市空间电磁干扰的影响 综上所述，虽然当前在我国的非开挖施工过程中，现代非开挖技术已得到 普遍采用，且施工设备和检测仪器基本全部使用价格昂贵的国外先进产品，但 非丌挖施工技术的运用和发展仍存在很大的技术障碍和困难。尤其在复杂地质 条件和埋深加大状况下，对地下管线的准确定位存在无法解决的突出问题。 针对以上状况，通过对测绘、设计和施工单位的现场调研，并从掌握的文献 资料分析，目前在运用非开挖技术进行施工中，迫切需要一种比较精确的地下管 线三维探测技术和手段，以解决当前在复杂地质条件下和深层地下空间进行管线 检测问题。由于在现有技术上进行改进存在较大困难，有必要研究和探索新的原 理方法和技术手段，来实现非开挖地下管线的三维形状和位置检测。 1 - 4 “非开挖地下管道三维位置测量的关键技术研究”项目简介 “非开挖地下管道三维位置测量的关键技术研究”得到了国家自然基金 项目( 5 0 4 7 5 1 8 2 ) ，上海市重大科技攻关项目( 0 4 d z l 2 0 1 1 ) ，上海市第二期重点 学科( y 0 1 0 2 ) 的资助。另外，还得到了上海某非开挖公司的合作和支持。 考虑到上一节中提到的各种测量方法所具有的限制，以及测量精度问题， 且都采用了非介入式的测量方式。为了突破现有测量方法的限制，本测量系统 拟采用介入式传感头的测量方式。结合在传感头上的方向角与曲率传感器来实 现对地下管道中心线曲线的形状和位置测量，然后根据这些测量信息由计算机 来重建出整个地下管道的形状和位置。 故本项目主要包括以下几个子系统： 1 非开挖地下管道被测管道内传感头子系统： 管道内传感头即介入管道内部的装置，其中包括了管道内定位装置、方向 角传感装置、曲率检测传感装置等检测部件。实现对管道形状位置间接信息的 测量。 9 海大学删l 学位论文 f 2 1 非开挖地下管道测量传感头介入系统： 系统主要负责拖拽传感头在管道内部的运动，在测量时停止运动。测量传 感头在管道内运动的距离信息。以及解决线缆收放等问题。 3 非开挖地下管道形状位置测量可视化子系统： 根据传感头与介入系统得到信息，传送到上位机，根据此信息重建整个管 道的形状位置，并在计算机上实现图形显示。产生可供市政规划局参考的管道 位置图纸。 1 5 本硕士论文的主要研究内容 作为整个项目“非开挖地下管道三维位置测量的关键技术研究”的一部分， 本硕士论文主要展开管道内传感头子系统、基于方向角的地下管道形状位置重 建方法的研究。其主要内容包括以下几个部分： 1 基于切线方向角检测方法研究。主要研究如何利用传感器获得非开挖 地下管道中心上各个离散的空间方向角信息的方法。 2 基于切线方向角的地下管道形状位置重建方法研究。由于重建管道形 状位置的需要，需要研究一种新的基于空间方向角的曲线重建方法。 3 】管道内传感头定心装置的设计与试验。测量管道中心线上离散点信息 时的需要，需要有一装置能起到定心保持的作用。这部分主要研究内容为设计 并研制此定心装置。 【4 管道内传感头水平调整装置的设计与试验。曲率传感头在测量信息时， 需要一个能在管道内旋转调节曲率传感头位置的装置。此部分主要研究内容为 设计并研究此装置，着重研究调整装置的调整精度。 5 传感头控制系统的设计与试验。传感头子系统作为整个测量系统的介 入部分需要在上位机的控制之下实现诸多功能如测量过程的完成、与上位机通 讯等。本部分主要研究内容为研制整个传感头的控制电路，包括定心保持的控 制、调节装置的控制等。 0 海人学硕l 学位论文 1 6 小结 已有非开挖管线探测技术包括管线探测仪、探地雷达、陀螺仪检测、听音 法、地震波法等手段。由于存在电磁干扰、环境干扰等情况，探测的准确性受 到限审0 。 利用介入式探测方法来实施对刚铺设好的地下信息管线的探测是上海大 学地下管线探测研究小组提出的新方法。研究中的系统包括介入计程子系统、 管道内传感头子系统、上位机系统等若干组成部分。研究工作受到国家自然基 金项目( 5 0 4 7 5 1 8 2 ) ，上海市重大科技攻关项目( 0 4 d z l 2 0 1 1 ) ，上海市第二期重 点学科( y 0 1 0 2 ) 的资助。 本硕士论文主要研究了基于切线方向角的地下管道形状位置重建方法、管 道内传感头定心装置的设计与试验、管道内传感头水平调整装置的设计与试验、 传感头控制系统的设计与试验等内容。 卜海大学硕卜学位论史 2 1 引言 第二章检测系统方案的设计与研究 由第一章所示，现有工程中使用的地下管线探测方法都有着很大的局限性。 为此，对于通过水平定向钻施工的非开挖铺设地下信息管道的测量，我们有必 要研究一种新的检测原理方法，来突破原有的检测方法的限制。 本研究的测量系统拟采用传感头介入式的测量方法，在管道铺设完成之后 进行测量。通过传感头获得的管道内离散点上的曲率与方向角信息，再由此信 息重建整个管道的形状和空间位置。 2 2 非开挖地下管道形状特征的分析 由于系统通过传感头获得的地下管道内离散点上的曲率与方向角信息，为 了能更准确的测量这些信息，有必要对测量对象非开挖地下管道的空间形状结 构进行分析。采用水平定向钻施工的各种非开挖地下管道其在空间上的形状位 置具有很大的相似性。我们可以根据一条非开挖管道的形状来进行分析。 地面 图2 - 1 非开挖信息管道形状图 图2 1 是由上海某非开挖管道施工公司所提供的徐家汇路5 7 9 3 f 地下信息 管道的数据而画出的位置图。这是一条典型的以非开挖方式施工的地下信息管 线，管道全长7 2 2 8 m 最深处78 9 m ，共有1 3 个测量点。其中第一点和最后一 海人学硕f ：学位论文 点为管线两入口井的位置。测量点数据是由在挖掘过程中随钻传感器得到的每 根顶管的倾角与由地面电磁接收装置得到的钻头深度信息。由此信息所得到一 个管道的粗略的形状图。表2 1 列出了各个测量点的深度。 表2 - 1 测量点深度数据 位置点 深度( m ) 位置点 深度( m ) 位置点 深度( m ) 12 8 567 ，8 9 1 1 5 0 7 2 4 7 4 77 8 81 2 3 4 1 36 ，2 587 7 51 31 8 6 47 397 2 8 5 7 81 0 6 4 5 我们对此数据进行分析，在相邻的三个深度测量点用圆弧连接这三点来近 似的分析管道弯曲形状的曲率情况，其情况见表2 2 表2 - 2 测量点曲率数据 位置点数曲率半径位置点数曲率半径位置点数曲率半径 ( m )( m )( m ) 1 31 0 8 6 7 62 48 6 6 6 6 l3 56 9 1 6 4 4 6 9 1 2 1 9 5 7 3 7 1 7 8 36 83 3 1 4 8 4 7 91 0 9 5 8 68 1 01 0 5 3 5 79 一l l7 1 1 4 3 l o 一1 21 4 4 0 2 51 1 1 32 6 7 3 4 8 如表2 - 2 所示的数据及图2 1 我们可以看出，由非开挖施工方式施工的地 下管道具有定的形状特征。整个管道可以分为三个阶段，即下降段、水平段 和上升段。由曲率数据可以看出，在下降段、水平段及上升段的曲率半径都较 大，即接近于直线，在下降段与水平段的交接处、水平段与上升段的交接处的 曲率半径较小，说明此段管线在深度上变化较快。 2 3 测量系统方案设计 根据以上对于非开挖地下管线的分析，结合已有的技术基础对于此管线形 状位置的测量提出了基于两种测量原理的测量方案。一种是基于曲率传感的测 量方案，另一种是基于空间方向角传感的测量方案。 晦人学颁l 学位论文 2 31 基于曲率传感的测量方案设计 基于曲率传感的测量方案的原理是：根据在管道内的曲率传感头感知到管 道中心线上离散点的曲率信息，然后根据这些信息重建出整个管道的形状位置。 曲率信息通过基于光纤光栅传感器构成的曲率传感头测量获得。 2 3 1 1 弯曲变形下光纤光栅检测曲率的基本原理 利用光纤光栅芯区的有效折射率和栅距周期对外界参量( 温度、应变和压 力) 的敏感特性，通过检测光纤光栅的反射谱或透射谱的变化，就可以获得相 应的温度、应变或压力信息，通过检测光栅波长的变动量即可实现对外界参量 的测量 2 0 【2 l 】。 根据模式耦合理论，光纤光栅反射中心波长五。可由下式确定： 2 - b = 2 n z - a ( 2 - 1 ) 其中，n 咿是光纤芯区的有效折射率，人为光栅的栅距周期。 由式( 2 1 ) 可知，波长取决于光栅周期人和反向耦合模的有效折射率”盯， 任何引起这两个量改变的物理过程都将引起九的变化。在外界信号如温度、应 力场的作用下，光纤将产生轴向应变( a 弹性形变) 和折射率变化( 弹光效应) ： 五日= 如( 1 一只) s + a 口( o r + 口。) r ( 2 - 2 ) 其中，t = 一形【鼻：一v ( 鼻。+ 只：) 】2 为光纤的有效弹光系数，只。和只：为弹光 系数，v 为光纤纤芯材料的泊松比，为光纤光栅所受的轴向应变，r 为温度的 变化量，口和a 。分别为光纤的热膨胀系数和热光系数。 光纤光栅中心波长受外界信号调制产生偏移，解调出波长变化兄。便可得 到被测量。 在不考虑温度变化时，( 2 2 ) 式可写成： 4 ：海人学碗士学位论文 aae：(1一e)(2-3) 九 由此可以得到光纤的轴向应变与波长变化的关系。 2 3 1 2 光纤光栅检测曲率在管道曲率测量中的应用 光纤光栅传感器在管道内的测量时需要粘贴在圆柱型基材上，然后把基材 放置在管道中心位置上，其状态如图2 2 a 所示，截面图如2 2 b 所示。其中r 表示被测管道中心线的曲率半径，r 表示圆柱基材的半径。在传感头的作用下使 光纤粘贴基材的曲率与管道中心线的一样。光纤光栅传感器安装在粘贴基材的 两个成9 0 0 的平面上，由这两个传感器得到两个平面曲率信号可以组合成一个 空间曲率。再由此空间曲率信息来重建整个管道的形状。 、 尹论位置 侉 宴际位 t 一澎一 ，一一7 1d ，十、 一g心 ； 图2 2 a 光纤传感头工作示意图图2 2 b 光纤测量位置偏差 由其几何关系可以知道光栅的应变为n r 【2 2 填中r 为管道中心线曲率半径， r 为光栅与中心层的距离。当基材半径r 一定时，以此关系就可以得到应变相对 应的管道中心线曲率半径。而光纤光栅传感器的应变是直接由光栅的波长变化 得到的。由此便可得到光栅波长变化与被测点处管道中心线曲率半径的关系 如图2 2 b 所示，由于光纤传感头需要测量空间曲率信息所以在管道内传感 器的布置应为图中所示理论位置，但是在实际测量过程中，光纤传感头在管道 内很容易发生旋转转产生a 角的偏差，使其传感器布置变为图中实际位置。这 会给测量带来很大误差，所以需要能够在光纤传感器测量之前调整传感头通过 f | 海大学颧 - 学位论文 旋转去除口角所带来的误差。 2 3 2 基于方向角传感的测量方案设计 与曲率传感相类似，此方法是通过测量管道内离散点上管道中心线的切线 方向角，然后利用离散点上的这些信息来重建整个管道的形状位置。其中切线 方向角指的在管道截面中心线曲线在离散点上的切线方向，即相对于水平面的 倾角和水平面内投影的摆角。此两个角度可以分别通过重力倾角传感器和磁阻 方向传感器得到。 2 3 2 ，1 方向角传感在管道曲率测量中的应用 如图2 3 所示，在管道内的重力倾角传感器和磁阻方向传感器处于不同空 间位置时可以测量出三个方向角，即方向角、翻滚角与俯仰角。当安装方向与 管道中心线切线相一致的情况下，通过此组传感器便可以得到在此测量点上管 道中心线切线的空间方向角。 仰角 图2 - 3 方向角测量不意图 在测量过程中，由于测量方法的限制，近似的用管道中心线上两相邻点之 间的割线替代切线。在非开挖地下管道中心线这样的大曲率半径的情况下，这 种近似带来的误差是很小的。如前节所述管道中心线的曲率半径都在5 0 m 以 上，而传感头所测量的两相邻点之间的割线的长度只有几十厘米，所以这样的 近似方法在本系统中适用。 海大学顺：l 学位论文 23 2 2 方位传感器简介 在系统中方向角传感器是由倾角传感器与方位角传感组合实现的。倾角传 感器选用的是重力加速度式倾角传感器，方位角传感器选用的是磁阻式方位角 传感器。 倾角传感器选用的是上海直川信息技术公司的z c t d 一3 0 倾角传感器( 图 2 - 3 a ) 2 3 1 其原理是测量重力加速度在传感器平面上两个方向的分量，然后处 理器对两分量进行计算便可得到绝对倾角。此产品为o e m 产品，传感器上集 成了传感元件与信号处理芯片，具有体积小重量轻的特点。分辨率o 1 。，误差 - 4 2 2 n m 。其反转扭矩完全符合在定心保持 时的实用情况。 图4 1 0 扭矩试验示意图 当处于常温状态时，也就是形状记忆合金处于马氏体状态时，定心装置在 外力作用下可在管道内顺畅运动，阻力较小。在此状态下也进行了如上试验， 得到扭矩：5 n m t 。可见定心装置与管道之间的摩擦力是很小的。 4 6 小结 本章首先详细阐述了基于形状记忆合金的管道内定心装置的工作原理及其 结构组成。其工作原理是利用形状记忆合金的两相性，在不同温度下具有不同 的材料性质来实现管道内的定心保持和在管道内的运动。 | ：海人学颁卜学位论文 在设讨过程中对形状记忆合金的受力与其变形关系这。关键问题进行了理 论分析，验证了其定心保持力的有效性。并通过对简化的试验模型进行试验验 证了理论计算结果的正确性。 本硕士论文拟采用电流直接加热的方法来加热形状记忆合金丝。并用恒定 电流通过合金丝的方式来测量合金丝的电阻，根据不同的电阻情况来判断合金 丝的温度并加以控制。 i 二海大学硕十学位论文 第五章管道内水平平台的机构及其控制研究 5 1 引言 由于光纤光栅曲率传感头对于曲率的检测需要建立测量基准面，光纤光栅 传感头测量之前需用调整装置将光纤光栅传感头调整到测量基准面上。本章将 介绍该调整装置的设计。 5 2 水平平台的机构设计 根据上述所提出的需要，旋转平台的机构如图5 1 所示：转角传感器安装 平台与转轴固定连接，转轴的两端通过轴承固定在两端的定心装置的中心。这 样的装配结构可以保证中心轴的两端都处在管道中心线上，安装在中心轴上的 倾角与摆角传感器与中心轴线相平行可保证测量精度。在转动轴之下，与转动 轴平行的轴上布置了驱动电机，电机自带减速器，通过一对齿轮把转动传递到 中心转动轴上。因为考虑到中心转动轴在调节平台位置时可能来回正转反转， 所以传动齿轮的间隙可能影响传动精度，所以这里采用了由两对齿轮片组成的 消隙齿轮。 l 端盖2 空心桶体3 转动中心轴4 传感器安装平台5 滚动轴承6 消隙齿轮 7 电机传动齿轮8 电机9 端盖1 0 定心装置 图5 1 旋转平台结构 海大学硕i 。学位论史 传感器放置在传感器安装平台上，因为传感器的测量信号为倾角与摆角， 所以传感器安装平面只需要与转动中心轴线相平行即可。图5 2 所示为机构在 管道内的情况，前端为定心机构。 5 3 电机控制系统设计 图5 - 2 水平平台实物图 电机控制电路框图如图5 3 所示，主要由运动控制模块、功率模块和感知 模块。其中运动控制模块主要由l m 6 2 9 芯片组成，功率模块主要由l 2 9 8 n 芯 片组成，感知模块由增量式旋转编码器与安装在传感平台上的倾角传感器组成。 图5 3 控制系统框图 运动芯片l m 6 2 9 通过8 位数据线和6 根控制线与单片机控制器的i o 口相 连。单片机通过数据线向l m 6 2 9 发送位置或速度命令、设定p i d 调节参数，或 者从l m 6 2 9 中读取速度、加速度等数值。l m 6 2 9 输出的脉宽调制幅度信号和 l 。海人学坝i 学位论文 方向信号直接驱动l 2 9 8 n ，经过功率放大后驱动直流电动机。增量式光电编码 器提供l m 6 2 9 闭环控制所需的电机运动反馈信号( a 、b 、i n ) ，l m 6 2 9 内部梯 形图发生器计算出位置所需控制的运动轨迹。单片机通过安装在中心轴上的倾 角传感器得到中心转轴的绝对位置，根据不同的位置与电机旋转情况实时的调 解l m 6 2 9 的p i d 控制参数及速度和目标位置量。 由增量式光电编码器检测电动机的运动，其输出信号经过l m 6 2 9 四倍频后 进行解码，形成反馈值。指令值与反馈值的差值作为l m 6 2 9 中的数字p i d 校正 环节的输入。通过数字调节器pi d 计算，l m 6 2 9 输出脉宽调制信号p w m m 和 方向信号p w m s 经过功率芯片l 2 9 8 n ，驱动电动机运动到指定的位置或速度。 p i d 控制是连续系统控制理论中技术最成熟，应用最广泛的一种控制方法 3 6 1 ，本系统通过p i d 运动控制器l m 6 2 9 来进行对电机运动位置的控制，并提 出了对于本系统的优化算法与p i d 参数智能整定方法。 5 3 1l m 6 2 9 运动控制芯片简介 l m 6 2 9 是n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 生产的一款专用运动控制器，在一个芯片 内集成了数字式运动控制器的全部功能，使得设计一个快速、准确的运动控制 系统的任务变得简单而快速【3 7 】。它的组成由图5 - 4 它有如下特性： 率卢 鲁招 引嚣熟i p w m 方l ；i 由 反舒 图5 - 4 l m 6 2 9 结构 它通过i o 口与主处理器通讯，输入运动参数和控制参数，输出状态和信 息。通讯可以分为数据通讯与命令通讯，由p s 脚的高低电平来控制，其w r 与r d 脚表示数据是读取还是写入。数据、命令的写入或者状态读出都有不同 海大学倾卜学位论文 的操作时序，图5 5 a 为状态读取的操作时序，图5 5 一b 为命令写入的操作时序。 骶x 双、虾弋瓜 一一”卜 瓣l 塑涎瓜 l 翌蒋 l m _ 1 。# ”2 h 斗丽酬 图5 - 5 一a图5 5 - b l m 6 2 9