（机械电子工程专业论文）基于方位传感器的非开挖地下管线探测的应用研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 非开挖铺设地下管线旌工技术是当今管道铺设中的一种重要技术，而传统 的对于基于此方法施工的地下管道的形状位置信息的测量方法有诸多限制，如 地质条件、埋置深度等，无法保证测量的精度。 “非开挖地下管道三维位置探测系统关键技术研究”针对现有管线探测 方法的不足，旨在对关键技术进行研究和应用，研制具有一定探测精度、受环 境影响较小的新型非开挖地下管道探测系统。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“非开挖地下管道三维探测系统关键技术研究”项目的重要内容之一， 本硕士论文的主要内容是基于空间方位角的测量方法的研究、传感器的选择和 应用、空间方位角检测部件的设计及其精度分析与修正、探测系统的精度分析 和系统实验验证及实验数据的处理。 第一章介绍了课题研究的来源、目的、意义以及国内外非开挖探测的背景 及研究现状等；第二章概述了探测系统的设计指标及其工作原理，提出将电子 罗盘应用于该系统中检测空间方位角的方法；第三章阐述了空间方位角检测部 件的设计，详述了电子罗盘的硬件组成、工作原理及其相关理论；第四章介绍 了空间方位角检测部件的精度分析方法及实验过程；第五章讨论了一组系统实 验，包括实验过程、实验数据处理、误差分析与补偿。实验结果表明，本系统 基本达到预定指标。最后，第六章总结全文，介绍了本论文的研究结果和定0 新 点，提出了今后研究的方向。 关键词：非开挖技术管道探测电子罗盘 空间方位角检测部件精度分析与实验 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t u n d e r g r o u n dp i p e l i n ed e t e c t i n gt e c h n o l o g y , w h i c hi sac r u c i a lr e a l mo f t r e n c h l e s st e c h n o l o g y ( t t ) ，i sw i d e l ye m p l o y e di nd e t e c t i o no f p i p e l i n e sd i r e c t i o n a n dp o s i t i o n h o w e v e r , m o s tp i p e - d e t e c t i n gm e t h o d su s e dn o wa r eu n f a v o r a b l ei n p r e c i s i o no nt h ec o n d i t i o no fi n t e r f e r e ，w h i c hr e s t r i c t st h ea p p l i c a t i o no ft h e s e m e t h o d s o p p o s i t et h es h o r t a g eo ft r a d i t i o n a lm e t h o d s ，t r e n c h l e s su n d e r g r o u n dp i p e l i n e d e t e c t i o ns y s t e mp r e s e n t e da i m st op r o v i d ean o v e lp i p e - d e t e c t i n gm e t h o db a s e do n i n n e r - s e n s i n gp r i n c i p l e ，w h i c hm a k et h es y s t e ml e s si n f l u e n c e db yc o n d i t i o n sa n d g u a r a n t e et h eh i g hd e t e c t i n gp r e c i s i o n t h ep r o j e c ti ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r e f u n da n ds h a n g h a ik e ys u b j e c ta sw e l la ss h a n g h a ik e y d i s c i p l i n e ( s e c o n ds t a g e ) a so n eo fi m p o r t a n tc o n t e n t so fk e yt e c h n o l o g i e so ft r e n c h l e s su n d e r g r o u n d p i p e l i n ed e t e c t i o ns y s t e m ，t h em a s t e r sd i s s e r t a t i o ni se n g a g e di nt h er e s e a r c ho n a p p l y i n gt h ec o m p a s si nt h es y s t e m ，d e s i g na n de r r o ra n a l y s i so fs p a c i a ld e t e c t i o n m o d ea n ds y s t e me r r o ra n a l y s i sa sw e l la st h es y s t e me x p e r i m e n t s i nc h a p t e rl 。t h er e s e a r c hp u r p o s ea n dm e a n i n ga n db a c k g r o u n do ft r e n c h l e s s t e c h n o l o g yi sb r i e f l yi n t r o d u c e da n ds o m ew i d e l y - u s e dp i p e - d e t e c t i n gm e t h o d s ， b o t hm e r i ta n ds h o r t a g e a r ea l s op r e s e n t e d n ed e s i g ni n d e xa n dp r i n c i p l eo ft h e s y s t e mi sb r o u g h tu pi nc h a p t e r2 b e s i d e s ，t h ea p p l i c a t i o no fe l e c t r o n i cc o m p a s si n t h es y s t e r ni sd i s c u s s e di nt h i sc h a p t e r i nc h a p t e r3 ，t h ed e s i g na n de r r o ra l l a l y s i so f s p a t i a ld e t e c t i o nm o u l di sp r e s e n t e d i na d d i t i o n 。c o m p o n e n ta n dp r i n c i p l ea n do t h e r r e l a t e dt h e o r i e sf o rc o m p a s sa r ed i s c u s s e di nd e t a i l i nc h a p t e r4 t h ee r r o ra n a l y s i s a n dt h ee x p e r i m e n tp r o c e s so fs p a t i a ld e t e c t i o np a r ti sd i s c u s s e d i nc h a p t e r5 ，n o t 0 n l yt h ee x p e r i m e n t sa n dt h ed a t a , b u ta l s ot h ep r e c i s i o na n a l y s i sa n de r r o r c o m p e n s a t i o na r ee x p o u n d e dd e e p l y b ym e a n so f e x p e r i m e n t s ，t h es y s t e mi sp r o v e d t om e e tt h er e q u i r e m e n to fa p p l i c a t i o n n l ef i n a lc h a p t e rs u m m a r i z e st h ew h o l e d i s s e r t a t i o nb y l i s t i n gs e v e r a lc h a r a c t e r i s t i cp o i n t sa n ds o m ei m p r o v i n gm e t h o d s k e y w o r d s ：t r e n c h l e s st e c h n o l o g y p i p e l i n e - d e t e c t i n g e l e c t r o n i cc o m p a s s e r r o ra n a l y s i sa n de x p e r i m e n t s d e s i g no fs p a t i a la n g l ed e t e c t i o np a r t l i 上海大学硕士学位论文 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。 本论文使用授权说明 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) 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源、研究背景及意义 1 1 1 课题来源 “非开挖地下管道三维位置探测的关键技术研究”旨在通过研究非开挖地 下管线三维形状的检测、显示和绘制技术，解决以离散传感信息重建长距离空间 曲线的理论和方法，解决介入式传感器检测管道轨迹和再现空间曲线的技术难 题，在实际测试技术上验证介入式传感技术实现非开挖地下管线竣工位置探测和 竣工图绘制方法，研制非开挖地下管线位置探测机器人系统原理样机，为开发具 有自主知识产权的崭新地下信息管道测试手段提供理论方法和技术基础。 本课题得到国家自然科学基金项目( 项目号：5 0 4 7 5 1 8 2 ) 、上海市重大科技 攻关项目( 项目号：0 4 d z l 2 0 1 1 ) 以及上海市第二期重点学科( y 0 1 0 2 ) 的资助。 本硕士论文是该课题的组成部分之一，主要内容是基于空间方位角的测量 方法的研究、传感器的选择和应用、空间方位角检测部件的设计及其精度分析 与验证、探测系统的精度分析和系统实验验证及实验数据的处理。 1 1 2 研究背景与意义 非开挖技术( t r e n c h l e s st e c h n o l o g y ) 1 - 4 1 ，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，它是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和改善城市居民生活质量等方面体现出了 很大的技术优势。在发达国家，非开挖技术已经形成了一个巨大的产业。我国的 非开挖行业也正处于迅猛发展阶段，市场潜力巨大。目前，仅上海自来水管、煤 气管和排水管的累计总量已超过3 万公里，而且每年还以很高的比例持续增长。 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 上海大学硕士学位论文 里，其中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【删。 图l 一1 非开挖技术不意图 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，首要条件是要先搞清已有地下管线和各种障碍物等的地下空间分布，因 此采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，它己成为非开 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。 图1 2 上海市地下空间分层布局图 2 上海大学硕士学位论文 当前非开挖施工的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，施工后对已钻迹的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，测量数据随地质条件恶劣程度的加剧与开挖深度的增加，误差显著增 大以至失去测量意义。根据上海市某非开挖管道施工单位介绍，由于无法准确检 测地下管线三维探测数据，施工时只能以加大保险系数的方式进行掘进，通过尽 量水平或深度偏离已有管线来保证施工的安全性，这在一定程度上浪费了宝贵的 地下空间；而且根据当前国家“城市地下管线探测技术规程”规定【1 0 】，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。 综上所述，进行地下管线三维探测关键技术研究与开发，可为扩大非开挖技 术的应用范围和提高非开挖技术水平提供技术保证，为规范城市地下管网的数据 资料和健全市政监管规划的实施发挥有效作用。 1 2 国内外地下管道探测研究现状 地下管线探测最早可以追溯至1 9 1 5 1 9 2 0 年，由寻找地雷和未引爆炸弹等金 属探测器发展而来【】。非开挖技术兴起后，地下管线探测技术进入了快速发展阶 段，各种前沿研究不断探索新的探测原理和方法，有些方法已经趋于成熟，出现 了专用探测设备，并应用于实际工程中。目前较为成熟的管线探测专用设备和方 法包括管线探测仪、探地雷达、全球定位系统( g p s ) 以及听音法、地震波映像 法、红外传感法等。 1 、管线探测仪 1 2 - 1 4 】( 如图1 3 所示) 是目前国内外采用最多的管线探测设备， 目前已经产品化、系列化。它利用电磁感应原理，通过检测金属管线周围的感生 电磁场来进行管线定位。对于非金属管线，需借助于管内发射探头，采用示踪的 方法来确定管道的位置。由于采用电磁感应原理的探测方法，使得仪器在诸如土 壤潮湿、含电解质较多、电阻率较低等地质条件下的测量误差极大，且易受城市 强电磁信号的干扰。目前虽有误差修正方面的研究，但效果并不理想，在探测管 线深度时还是会造成约1 0 的误差 1 5 - 17 】。目前，英国雷迪公司生产的r d 4 0 0 0 管 上海大学硕士学位论文 线探测仪( 如图l - 4 所示) ，在功能、性能和应用范围上都超越了同类产品，其 标称定位精度为深度的5 ，深度测量精度在无干扰的情况下是深度的5 。 图1 - 3 地下管线探测仪图图1 - 4 英国雷迪r d 4 0 0 0 管道探测仪 2 、探地雷达【1 9 瑚1 ( g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ，g p r ，如图1 5 ( a ) 所示) ，是一种 适用于浅层探测的管线探测设备。它通过向地下定向发射高频电磁波、接受反射 波的方式，对地下不可见目标或界面进行定位，从而确定地下管线的位置，具有 仪器便携、无损探测、可重复探测等特点。但由于获得的原始数据只是管道与土 壤的界面( 如图1 5 ( b ) 所示) ，还需经过复杂计算，才能得到管道位置数据，最 终结果难以十分精确。在细小管径管线的探测中，管线图像常与介质图像混杂在 一起，需要根据实地情况和工作经验判读。此外，其探测能力还受到管线材质、 管内液体、不同频率的天线、管道大小和噪音的影响，这些都限制了探地雷达的 进一步推广【2 1 也】。 ( a ) r a m a c 探地雷达( b ) 雷达探测图像 图1 - 5 探地雷达及其探测图像 3 、全球定位系统【2 3 扪( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ，g p s ) 也是一种管线定位设备， 它可以准确确定出管道上标记点的经度、纬度和高度数据，以便施工人员或设 计人员再次来到该地区时，能够对照先前地球卫星定位系统的资料确定管线位 4 上海大学硕士学位论文 置。但由于需要卫星支持，g p s 成本较高，且在一根管线上需要多个标记点， 否则不能保证测量精度。即便如此，运用g p s 系统获得的管道深度数值还不能 完全满足精度要求。 4 、陀螺仪检测能保持固定方向和不受磁性干扰是陀螺仪的最大优点，当前 在管道形状检测中有少量应用 2 6 - - 2 。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，因此极大地限制了它的应用。 5 、测扫声纳技术( s i d es c a ns o n a r ) 是利用声波探测物体的技术。目前主要 用在海样中进行物体探测，而且在管线探测中也有所应用。 6 、地震波映像法 2 9 1 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，而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 “非开挖地下管道三维位置探测的关键技术研究”项目简介 “非开挖地下管道三维位置探测的关键技术研究”是在国家自然基金项目 ( 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 ) 及上海市第二期重点 学科( y 0 1 0 2 ) 等的资助下与相关非开挖企业合作进行的。 考虑到各种管线探测设备方法在应用范围及测量精度方面存在的限制，结 合国内外基于介入式传感的管道检测方面已有的研究成果，本项目采用介入式 传感的测量原理，利用介入式探测头获得数据，运用基于离散信息的空间曲线 重建算法，实现地下管道的精确位置测量和形状再现。 本项目主要包括以下几个子系统； 1 介入式探测头子系统： 介入式探测头子系统即在管道内的探测传感部分，包括光纤光栅f b g 曲率 传感器或方位角传感器、传感器保持架以及里程计装置。该子系统负责管道内 上海大学硕士学位论文 曲率或切线方位角数据的采集、测量及传输。 2 牵引与拖曳子系统： 牵引与拖曳子系统包括牵引机器人模块和收放线机构两个部分。前者负责 在介入式探测头进入管道之前拖曳探测头的钢缆从管道一头牵引至另一头：后 者负责拖曳缆线，驱动探测头运动，并实现缆线的自动收放功能。 3 控制与可视化子系统： 控制与可视化子系统包括与介入式探测头连接在一起的下位控制盒、上位 控制器、管道重建及可视化软件等部分。该子系统对系统整体实施控制，根据 探测头得到的信息，重建整个管道的形状位置，并在计算机上实时显示，产生 可供市政规划局参考的管道位置竣工图。根据曲线重建原理的不同，重建算法 可分为基于离散点曲率的曲线重建和基于切线方位角度的曲线重建，前者采用 f b g 作为传感设备，而后者则采用电子罗盘作为传感器。 1 4 本硕士论文的主要研究内容 本硕士论文“基于方位传感器的非开挖地下管线探测的应用研究”是“非 开挖地下管道三维位置探测的关键技术研究”的重要组成部分之一，着重于空 间方位角测量方法的研究、传感器的选择和应用及空间方位角检测部件的设计 和精度分析。主要内容如下： 1 基于空间方位角的测量方法的研究以及传感器的选择和应用； 2 空间方位角检测部件的设计。选择合适的传感器，并针对该传感器设计 相应的定心保持机构，以保证传感器测量中心与管道中心保持一致、整体机构 在外力驱动下运动流畅且能在一定程度上适应管径变化。 3 精度分析。分别对电子罗盘、空间方位角检测部件进行精度分析并进行 实验验证；对探测系统误差进行定性分析和定量计算。 4 系统调试与实验。分别在实验室条件下和工况条件下进行实验，研究非 开挖地下管线探测系统可行性。通过对实测数据进行处理分析，获得系统的实 际性能指标，并对实验中发现的问题，有针对性地进行改进。 6 上海大学硕士学位论文 1 5 已有的研究基础 作者所在课题小组对地下管线形状位置的测量已经提出了基于两种测量 原理的测量方梨舯1 】：一种是基于曲率传感的测量方案，另一种是基于空间方 位角传感的测量方案。系统采用了两种方法结合起来进行测量的方法，即在一 次测量过程中同时采集管道中心线上离散点的曲率信息和切线方位角信息，以 求在最后的管道形状重建中获得更好的精度。最终通过实验验证了两种方案的 可行性。但是由于这两种方案在应用过程中还存在诸多不足( 详见2 4 节) ，因 此有必要在已有的研究基础上重新进行设计，以进一步提高系统的测量精度及 可行性。 1 6 小结 非开挖技术是近二十余年来在国际上逐渐兴起的城市地下管线安装、修复 及更换技术，管线探测则是非开挖技术中的重要分支。目前，已有管道位置探 测方法易受电磁干扰、周边环境等因素的影响，探测的准确性受到限制。 利用介入式探测方法来实施对铺设好的地下信息管线探测是上海大学地 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。 本硕士论文主要涉及了基于切线方位角的地下管道形状位置重建方法的 研究、传感器的选择及在系统中的应用研究、空间方位角检测部件的设计及精 度分析实验等内容。 7 上海大学硕士学位论文 第二章非开挖地下管线探测系统方案设计与研究 2 1 引言 针对现有工程中使用的地下非开挖管道位置探测方法存在的局限性，上海 大学地下管线探测研究小组提出了“介入式传感原理”的管线探测新方法，突 破了原有检测方法的限制。 本章首先分析了被测管道的特征和环境并对已有的研究方法进行详细的分 析，介绍了探测系统的设计概况，包括系统的组成及工作原理，提出了系统设 计指标。 2 2 被测地下管道特征和环境分析 对测量对象非开挖地下管道的空间形状结构进行分析将有助于非开挖管线 探测系统的设计，便于更精确地获得测量信息。由于实际地下管道在形状位置 方面存在很大的相似性，以下仅根据一条已知的非开挖管道进行特征分析。 地面 图2 1 非开挖信息管道形状图 图2 1 是根据上海某非开挖管道施工公司提供的位于上海徐家汇路5 7 9 3 f 地下信息管线的测量点深度数据绘制的管道位置图。这条地下信息管线公称直 径1 0 0 r a m ，跨度7 2 2 8 m ，最深处7 8 9 m ，共设1 3 个测量点。其中第一点和最后一 点为管线两入口井的位置。每个测量点的深度值为挖掘过程中测定的钻头深度 信息。表2 1 列出了各个测量点的深度。 上海大学硕士学位论文 表2 1 测量点深度数据 付雷点深席r m 、付詈点 深度r m l 付詈点 深度r m 、 l2 8 567 8 9l l5 0 7 24 7 477 8 81 23 4 l 36 2 587 7 5 1 31 8 6 47 3 97 2 8 5 7 _ 8l o6 4 5 对上述数据进行分析，相邻的三个深度测量点用圆弧连接，以圆弧的曲率 来近似管道在该点处的曲率，从而反映出管道的弯曲情况。表2 2 为根据此法计 算得到的管道近似曲率半径。 表2 2 测量点曲率数据【3 0 】 测量点曲率半径测黄点曲率半径测量点曲率半径 序号( m ) 序号( m )序号( m ) l 一31 0 8 6 7 65 73 7 1 7 8 39 1 17 1 1 4 3 2 48 6 6 6 6 16 83 3 1 4 8 41 0 1 21 4 4 0 2 5 3 56 9 1 6 47 91 0 9 5 8 61 1 一1 32 6 7 3 4 8 4 69 1 2 1 98 一l o1 0 5 3 5 7 由表2 1 可以看出，非开挖方式铺设的地下管道可以分为三个阶段：下降段、 平直段和上升段。由表2 2 可进一步看出，在下降段、平直段及上升段的曲率半 径都较大，管道接近于直线；而在下降段与平直段的交接处、平直段与上升段 的交接处的曲率半径相对较小，说明此段管线在深度上变化较快。此外，根据 调研，实际非开挖管道在下降段和上升段的倾角值最大不超过3 0 。 2 3 探测系统组成及设计概况 2 3 1 系统工作原理 系统组成如图2 - 2 所示。该系统旨在实现一种新型的介入式管道三维位置测 量方法，它利用管道外部的缆线拖曳装置来驱动管内探测头沿管道前进，并感 知与管道三维位置相关的几何参数管道中各测量点的空间方位角度及相邻 两测量点的距离。这些测量信息经预处理后，通过通讯缆线传输给上位控制器。 上位控制器调用管道重建软件，对收到的数据进行计算后，在屏幕上实时显示 管道的三维形状，并在测量结束后输出管道位置的工程图。 9 上海大学硕士学位论文 1 图形终端及人机界面2 上位控制器3 下位机控制盒4 掩曳控制单元 5 、6 缆线收放机构7 里程计8 空间方位角检测部件9 被测管道 图2 2 非开挖地下管道三维探测系统组成图 2 3 2 系统模块构成 根据上节所述的非开挖地下管线三维探测系统的工作原理，整个系统可以 分为三大子系统，分别是介入式探测头子系统、牵引与拖曳子系统以及控制与 可视化子系统。每个子系统又可以细分为若干模块，每一模块完成一定功能。 图2 3 是系统的模块构成图。 图2 - 3 非开挖地下管线三维探测系统模块构成图 1 0 上海大学硕士学位论文 2 3 3 介入式探测头子系统 介入式探测头子系统( 如图2 4 所示) 是管线探测系统中直接进入管道进行 探测传感的部分，包括了方位角传感器、传感器保持架模块以及里程计模块。 该子系统主要负责管道内相关数据的采集、测量及传输。 采用方位角传感器测量横滚角、俯仰角和摆角。传感器保持架模块用于夹 持方位角传感器，使其始终处于被测管道的中心位置，并使横滚角保持零度， 保证俯仰角和摆角的测量精度。里程计模块负责测量管道弧长，即测量点距离 管道起始端的实际路程，该数值是管道重建中的重要参数之一。 1 、方位角传感器2 、传感器保持架3 、里程计4 、下位控制盒 图2 - 4 管道中的介入式探测头 2 3 4 系统设计指标 鉴于目前尚无成熟的基于相似检测原理的管道三维位置探测仪器，根据在 功能及应用范围等方面均较突出的英国雷迪r d 4 0 0 0 管线探测仪的性能参数，确 定本系统的设计指标如下： 深度的相对精度：最大深度的5 1 0 ； 水平摆度的相对精度：最大摆度的士5 ； 适应管径：由1 0 0 m m ； 最大被测管线长度：1 0 0 m ； 实时重建并显示。 2 4 空间方位角检测部件的方案设计 空间方位角检测部件是介入式探测头子系统的重要部分之一，主要由方位 角传感器和传感器保持架部分组成。它是基于空间方位角传感的测量原理设计 的。 上海大学硕士学位论文 2 4 1 方案的提出 根据以上对于非开挖地下管线的分析，上海大学地下管线探测研究小组结 合已有的技术基础对管线形状位置的测量已经提出了基于两种测量原理的测量 方案：基于曲率传感的测量方案和基于空间方位角传感的测量方梨舢”。 2 4 1 1 基于曲率传感的测量方案设计【蚓 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皓率信息，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。 光纤光栅传感器在管道内测量时需要粘贴在圆柱型柔性基材上，然后把基 材放置在管道中心位置上。如图2 5 a ，柔性基材包括一个柔性圆筒和套装在柔 性圆筒内的一根弹簧，这样可使光纤光栅传感装置随着管线弯曲时使基材横截 面保持圆形。四根光纤光栅以互成9 0 6 方位粘贴在柔性圆筒外壁母线上，柔性 圆筒的外壁上轴向套装着可变径的环形架组。四根光纤光栅可测得两个平面的 曲率信号，两个曲率信号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。 后轴板柔性圆筒 环形架弹簧 前轴板 图2 5 a 基于柔性基材的光纤光栅传感装置示意图 上海大学硕士学位论文 代 ，l 论位置 、 、宴际位 一柘￥一 一 一卜 l 图2 5 b 光纤光栅随基材整体旋转并弯曲的截面图 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如图 2 5 b 中所示的理论位置。但是在实际测量过程中，光纤传感头在管道内很容易 发生旋转和弯曲等以致产生口角的偏差，使其传感器布置变为图中虚线位置。 这会给测量带来很大误差，所以需要在光纤传感器测量之前调整传感头通过旋 转去除口角所带来的误差。 2 4 1 2 基于方位角传感的测量方案设计【3 0 】 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 方位角，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 方位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，采用重力倾角传感器和磁阻传感器分别测得。 如图2 - 6 所示，在管道内的重力倾角传感器和磁阻传感器处于不同空间位 置时可以测量出空间方位角，即摆角、横滚角与俯仰角。当安装方向与管道中 心线切线相一致的情况下，通过磁阻传感器便可以得到在此测量点上管道中心 线切线的空间方位角。 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。 上海大学硕士学位论文 图2 - 6 方位角测量示意图 在系统中方位角传感器是由倾角传感器和测量摆角的传感器组合实现的。 倾角传感器选用的是重力加速度式倾角传感器，测量摆角的传感器选用的是磁 阻式传感器。如图2 7 所示。 图2 7 a 倾角传感器图2 7 b 摆角传感器 倾角传感器【竭的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 o 5 。，其直接输出串口信号，方便系统集成。磁阻传感烈3 8 1 的工作原理 是两个相互垂直轴同时感应地球磁场的磁分量，从而得到摆角。该传感器采用 霍尼韦尔公司的磁阻传感元件，分辨率为1 。，精度为2 。，采用串口直接输出， 易于集成。 2 4 1 3 基于两种方案的测量系统的组成 采用曲率与空间方位角两种测量方案同时进行的测量系统，系统组成如图 1 4 上海大学硕士学位论文 2 8 所示。介入式探测头子系统组成：在两定心装置之间放置着传感器平台及旋 转电机，传感器平台与中心轴固结，中心轴连接着光纤曲率传感头并与之固结。 原理：通过安装在传感器平台上的倾角传感器可以得到光纤曲率传感头的角度 位置，然后通过控制调整电机来转动中心轴，以此来控制光纤曲率传感头的角 度位置。系统将同时记录调整误差作为后续重建参数。定心装置利用了形状记 忆合金在不同温度下具有不同的材料的性质设计而成【3 0 】。 l 显示器2 上位机3 光纤光栅解调仪4 管道内传感头5 拖动装置 6 传感器及其安装平台和下位机7 介入计程装置8 光纤光栅传感器9 定心装置 图2 - 8 基于两种测量方案的测量系统组成1 3 0 】 2 4 1 4 基于两种方案的测量系统的不足 上述测量系统存在以下不足： 1 应用的检测传感器过多，导致整个检测机构过于复杂。 2 应用的检测传感器精度不够，使测量结果失真，需要选用更为精确的传 感器。 3 由于基于形状记忆合金的管道定心装置的变径能力有限，所以传感头所 能测量的管道的内径受到限制，有必要研究更好的并适于新的检测传感器的定 心装置。 上海大学硕士学位论文 2 4 2 传感器的选择 通过调研及阅读相关资料【3 7 】，选用了美国进口的“e z c o m p a s s 3 电子 罗盘”来实现高精度测量，e z c o m p a s s 3 是一种基于磁阻传感器原理并带有 倾斜补偿功能的高精度检测仪器，由三轴磁阻传感器、两轴倾角传感器和m c u 构成，其组成框图如图2 - 9 所示，技术参数如表2 3 所示，工作原理详见第三 章。e z - c o m p a s s 3 具有测量精度高、抗冲击性和抗振性、对杂散磁场效应的 补偿等优点，可适应于恶劣的地下管道环境。目前已在水平孔和垂直孔测量、 水下勘探、飞行器导航、科学研究、教育培训、建筑物定位、设备维护、导航 系统、仿真系统、g p s 备份、汽车指南针、虚拟现实等领域有广泛的应用。 卜蒜器l 霎 ； a d 转m 换 _ j c i 倾角传感器i ：i 川t c h ： 器 u 图2 - 9e 二c o 强s s 3 电子罗盘组成框图 表2 - 3e z c o m p a s s 3 的技术参数 摆角c0 。3 6 0 。，连续磁场范围士2 g a u s s 范 磁场分辨率 1m g a u s s 围 横滚角r 士8 0 。，连续 俯仰角p 电源 5 v d c 1 2v d c 分 摆角c温度范围3 0 一8 5 辨横滚角ro 0 8 。 重量 4 5 9 室 俯仰角p尺寸1 2 5 ”d + 8 5 ”l 摆角c o 5 0 精3 0 0 3 8 4 0 0 波特率 度 横滚角r通讯 0 1 。( 8 b i t , n ，1s t o p ) 俯仰角p 重 摆角c o 0 5 。封装i p 6 5 封装 复横滚角r 输出格式串行r s 2 3 2 r s 4 8 5 o ，y 0 ) 9 0 0 ( z = o ，y o ，】r o ) 但是，当电子罗盘倾斜时，由于俯仰角p 和横滚角r 不再为零，三轴磁阻 传感器所测得的地磁场的分量与水平状态下的地磁场三轴分量会有很大不同， 如果仍然采用关系式( 1 ) 和( 2 ) 来计算运动物体的摆角会给测量结果带来较大的 误差，该误差的大小取决于其中三轴磁阻传感器所处的位置和倾斜角的大小。 因此在这种情况下，为减少倾斜导致的误差的影响，必须首先测得倾角的大小， 上海大学硕士学位论文 通过方向余弦矩阵旋转变换( 4 l 】，将此时三轴磁阻传感器的输出值转换为水平状 态下地磁场分量x ，y r 和z r 。标准的转换计算式如下： 式中a 为俯仰角，b 为横滚角。然后将) ( r 和y f 代入关系式( 1 ) 或( 2 ) 便得到倾斜 补偿后摆角值： c = a r c t g ( y r x ，) ( 4 ) 综上所述，首先由磁阻传感器测得以电子罗盘自身坐标系的磁场分量值， 由倾角传感器测得电子罗盘相对绝对水平面的倾角值，然后利用测得的倾角值 将磁场分量值转化成为电子罗盘所在位置地理坐标系的磁场分量值，最后用被 转化过的磁场分量值计算摆角。 3 2 7 环境磁场干扰补偿原理 环境磁场的来源主要包括永磁体、电机、直流或交流电流、以及诸如钢铁 等铁磁性的金属物质4 2 1 。环境磁场的存在会导致地球磁场发生畸变，磁场的畸 变分为“硬铁”畸变和“软铁”畸变。硬铁畸变主要来源于周围永久磁铁或含 磁性的金属物质等稳定、静态的磁场干扰，相当于在地磁场基础上附加了一个 磁场分量，具有恒定的数值，这个数值不依赖于主平台的方向。软铁畸变主要 来源于周围不稳定、交变磁场干扰及地磁场和主平台的软磁材料的交互影响， 软金属扭曲了地磁场的磁力线，扭曲的程度取决于主平台的方位，还取决于主 平台的磁特性 4 2 4 6 】。 如果电子罗盘被安装在这样的环境磁场附近，则环境磁场的干扰导致地磁 场发生畸变，使地磁场的x 、y 分量发生不同程度的偏移，甚至改变罗盘的方 向，如图3 - 6 所示4 2 1 ，严重影响了测量精度。因此在使用电子罗盘测量时，必 须远离这些磁场源放置，更不能把罗盘封装在一个铁磁性的金属盒子里或机构 中。 = 妒 蚺等基 限僻b 上海大学硕士学位论文 骼 餐 理 镬 幂 k 厂。、 o。) 髂 簪 迎 镬 垂 ， 、 、中口，帅j 砒 竺l 髂 馋 迎 挺 萎 门、 4 ) 轴磁传感器 x 轴磁传感器 x 轴磁传感器 口无磁场畸变时双轴的输出 b 硬铁畸变对双轴输出的影响c 软铁畸变对双轴输出的影响 图3 6 环境磁场干扰对罗盘输出的影响 然而事实上，在我们工作的环境中这些磁场源都是不可避免的，即便是远离 放置也会受到或大或小的干扰，有些磁场的影响可以通过标定的手段补偿掉，补 偿后可大大地降低周围磁场对罗盘测量精度的影响。但是，随着时间变化的磁场 很难被补偿掉，比如由于磁性金属的运动而产生的磁场，或者不能预料到的附近 强电流的变化等等。 为研究环境磁场对测量结果产生的干扰，首先考察一个无环境干扰磁场并绝 对水平的理想情况。如图3 2 所示电子罗盘坐标系，在保持电子罗盘坐标系的z c 轴与地理坐标系的z 轴方向相同的情况下，将电子罗盘在水平面内旋转一周( 实际 是旋转三轴磁阻传感器) ，此时输出磁场强度读数，我们用x 和y 方向的磁场强度 读数作图，形成一个近似以原点( o ，0 ) 为圆心的圆。以x 输出为横轴，y 输出为 纵轴，如图3 6 a 所永4 2 1 。 当罗盘安装在定心保持机构中或含金属材料的平台上，此时再将罗盘在水 平面内连续旋转一周，由于周围环境导致地球磁场发生“硬铁”畸变，改变了 罗盘的输出，用此时输出的x 和y 方向的磁场强度读数绘制的曲线如图3 6 b 所示，导致了罗盘方向误差，显然它不再是一个圆，而近似于椭圆，并且圆心 也偏移原点( o ，0 ) ，这种偏移和椭圆效应是环境对地磁场的确定性影响的结果， 可以把它看作是一种加在地磁场上的附加磁场，通过计算算出这个附加磁场， 然后再把它从电子罗盘的输出中减掉，便消除了环境磁场对罗盘的干扰。这种 方法称为硬铁标定( 或硬铁补偿) 【州6 】。 “软铁”畸变往往由于未磁化的铁材料太靠近罗盘或磁性太大，地磁场的 磁力线被这些软金属扭曲，进而严重影响地磁场x 和y 的磁场强度分量。图 3 6 c 显示了受到软铁影响后输出的x 和y 磁场强度读数绘制的图形。消除软 上海大学硕士学位论文 铁畸变干扰可采用“软铁标定”方法。 在e z - c o m p a s s 3 中提供了“硬铁标定”和“软铁标定”两种方法。每 一种标定方法都与主平台系统的物理运动相关，来对围绕罗盘的磁空间进行采 样。这些物理标定程序可以简单到让平台指向三个已知的位置，也可以复杂到 让平台移动一个完整的圆周、移动一个圆周加上俯仰和横滚姿态的姿态变化、 或者给主平台指定n 个方位，包括倾斜状态的变化【3 7 1 。 “硬铁标定”方法是将罗盘装置及保持装置连接好，使其面向北并固定在 尽可能水平的平面上，把串口与计算机通讯端口连接好，启用“超级终端”界 面，然后给罗盘上电，输入硬铁标定的命令“c a l i b ”后，将罗盘系统从北 开始让其在1 - 2 分钟内匀速旋转一周，旋转过程中将连续输出x 和y 方向磁场 的最大和最小值，当x 和y 读数不变时，停止旋转并键入“e n t e r ( 回车) ” 键，便可得到两个“定标因数”( z 础，l ：。) 和两个“零偏移值”( x 啦。，乙m ) ， 定标因数和零偏移值的计算方法如下1 4 2 】： j 五。= 1 或( y r 眦一。) ( z 一一工i 曲i ) 取较大的数值一 【。= 1 或( z 。一石。) ，( k 。一i 。) 取较大的数值 7 美0 剖2 = 墨，仰【】幺= ( y 眦一) 一k 】e 础 一 定标因数( j o * ，e 。) 可以将椭圆改为圆，零偏移值( j 。，】0 。) 可以将中心拉 回至f j ( o ，o ) 原点，从而消除了硬铁磁场的干扰达到补偿的目的。补偿结果如图 3 7 所示。然后用这四个系数计算出环境磁场干扰补偿后的x 和y 磁场强度分 量值，如下： 悟尝y x x + k + x o 捕e t i 瓦= k y + k 用得到的以和k 作为横轴和纵轴作图，形成的图形与无环境干扰的理想情况比 较( 如图3 6 a 与图3 7 c 所示) ，显然达到了很好的补偿效果。 上海大学硕士学位论文 j ，、 才”j f ，一 厂 长 、 i 贷一t 彬甜”x ! 1 丽i f 厂 、 4 a 硬铁畸变影响结果b 定标因数校正后椭圆变为圆c 零漂移因数将中心拉回原点 图3 - 7 硬铁畸变补偿