惯导原理地下管道测量系统设计及实验范文

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摘要:地下管线属于隐蔽工程，城市工程施工过程中，往往因为对管线探测精度的不准而造成事故频发，而对于小管径、大埋深、非金属等非开挖管线探测仍是难题中的难题，也是事故爆发的高频点。传统的物探方法如管线仪、探地雷达等技术方法对该类管线探测显得无能无力，无法精确得到已有非开挖管线的空间位置。本文针对非开挖管线探测现有技术难题，提出以惯导为原理的探测技术，从惯导新技术原理入手，对地下管道三维测量系统进行设计及功能实现，通过实验及工程实例表明，基于惯导原理的地下管道三维测量系统设计合理，设备探测成果精度高，方法可靠。该系统可适用于超埋深、小管径、任何材质的非开挖管道探测中，且其探测精度高，为城市疑难管线探测提供了较好的参考依据。

关键词:地下管线;非开挖;惯导;系统设计;实验

随着城市化进程的加快，地下管线建设不断增加，地下空间却不断缩小［1］。面对日益增长的管线需求，传统地面开挖埋设已无法适应现代社会城市化建设［2］。为避免因开挖造成的地面环境破坏，降低管线建设成本，加快工期速度等原因，非开挖定向钻技术被迅速采用［3，4］。这类施工技术的管线往往超长(大于300m)和超深(一般4～20m)，常常以管径小、埋深大、非金属(金属)为特点，其探测定位的难度大，是管线探测的新难题［5～7］。目前市场上地下管线探测主流仪器有电磁式管线探测仪、导向棒、探地雷达等，但由于受到电磁、金属、管道材质、埋深等因素的影响，对非开挖管线探测没有较好的效果，测量精度不能保证，无法得到已有非开挖施工管线的准确空间位置［8，9］。基于惯导原理的地下管道三维测量系统是一种克服现有的管线探测仪对管线材质、深度、测量环境以及测量操作复杂等不足的全新技术［10，11］。该技术对非开挖、非金属、超长、超埋深等复杂探测管线提供了一种有效的解决方法。

1基于惯导原理的地下管道三维测量系统理论基础及误差分析

1.1惯导基本原理惯导基本原理［12，13］是根据牛顿第一运动定律(惯性定律)推导而来。通过陀螺仪和加速度计分别测量仪器空间的3个转角速度和3个线加速度延定位仪坐标系的分量。经过坐标变换，把加速度信息转化为沿运行方向坐标系的加速度，并运算出定位仪的位置、速度、运行方向和水平姿态(见图1)。

1.2惯导陀螺仪误差分析基于惯导原理的地下管道三维测量系统是由地下惯性测量单元核心部件三轴MEMS陀螺和三轴MEMS加速度计组成。当MEMS陀螺仪处于静态时理论输出为零，但是设备本身及周边环境影响会造成输出不为零的零偏。令ω0为陀螺仪三轴零偏，表示为：式中:ωxx，ωyy，ωzz为陀螺仪实际测量值;ωx，ωy，ωz为陀螺仪理论输出值;Sωx，Sωy，Sωz为陀螺仪三轴刻度因子;kωxy，kωxz，kωyx，kωyz，kωzx，kωzy为安装误差系数;ωx0，ωy0，ωz0为陀螺仪三轴零偏。通过式(1)～(4)，通过实验可确定陀螺仪三轴3个常值漂移及3个标度因数，从而对陀螺仪进行标定。

2测量单元功能设计

2.1基于惯导原理的地下管道三维测量系统组成基于惯导原理的地下管道三维测量系统是由地下惯性测量单元的三轴MEMS陀螺、三轴MEMS加速度计、三轴磁强计、里程计、电源管理子系统、数据同步采集子系统、数据存储及通信子系统和地面测量单元的数据处理及显示计算机组成，其结构示意图如图2所示。

2.2测量单元硬件功能设计基于惯导原理的地下管道三维测量系统测量单元电路结构如图3、图4所示，其工作过程为:电源管理芯片在上电后，开启电源转换模块，测量单元开始工作。数据同步采集子系统内与MPU产生时间同步信号，对其内部A/D转换芯片和FPGA13进行时间同步，并对三轴MEMS陀螺、三轴MEMS加速度计、三轴磁强计、里程计进行同步数据采集，同时MPU对采集的数据进行低通滤波和抗干扰滤波，并将处理后的数据通过数据存储及通信子系统中的数据记录仪记录在存储器内。测绘完毕后数据通过CAN总线收发器和CAN总线驱动器发送到地面数据处理及显示计算机。

2.3测量单元软件功能设计该软件采用结构化、模块化、通用化进行设计，其功能主要包含六大模块:姿态位置解算模块、数据回放模块、信息显示模块、数据存储模块、系统自检模块、数据驱动模块。各模块可按需求功能进行细分从而实现单一子功能并能在主程序界面上进行显示。具体的程序结构如图5所示。数据处理软件流程图6所示。

3实验分析及工程实例

3.1实验分析实验过程按照以下步骤进行:(1)实验采用内径为150mm的管线，管线总长约为120m。为考察系统的测绘能力，管线人为扭曲成“S”形。两端分别架设在高台上;(2)在管线架空之前，每隔1m在管线外壁用油漆画一标记线，在完成管线架空后，利用差分GPS设备和全站仪，在每个标志线位置测定管线地理坐标(X，Y，Z)作为标定基准，并根据测试数据绘制管线曲线(水平面、纵剖面、三维曲线);(3)利用地下管道三维测量系统测量管线位置曲线，根据全站仪锁定的管线起点和终点坐标数据，对测绘系统轨迹数据进行变换，得到管线每隔1m的坐标数据;(4)以步骤(3)得到的测量坐标数据与步骤(2)得到的标定基准数据进行比对，确定系统测量误差。实验场地如图7所示。图8是实验测试的系统软件轨迹显示结果。将基于惯导原理的地下管道三维测量系统测量结果数据与全站仪的测量数据进行对比，如图9、10所示。对比结果为:地下管道三维测量系统测量数据相对全站仪测量数据高程中误差为7.83cm，平面中误差为8.62cm，球面中误差为11.64cm。实验结果表明，地下管道三维测量系统测量数据与全站仪测量数据吻合度高，基于惯导原理的地下管道三维测量系统设计合理，其探测精度及可靠性高。

3.2工程实例佛山某工程高铁待施工区域与高压电缆路径区域有交叉，需了解原有电缆具体空间位置，由于原始管线数据资料可信度不高，且传统物探方法探测效果较差，无法保证探测的准确性，故采用地下管道三维测量系统进行复测。其测量结果如图11～13所示。高铁基桩位置与被测管线路径相对位置示意图如图14所示。图14表明高铁预设桩位与电缆位置重合。成果验证:为验证管道三维测量系统测量成果的可靠性，在测量结果约为L122处进行沉井开挖，验证结果为平面基本无误差，深度略深10cm(测量深度为6.94m，实际深度约7.00m)，如图15所示，结果表明该系统测量数据准确、可靠。

4结论

针对传统物探方法诸如管线仪、探地雷达、声波探测仪等受其技术的局限性无法精确得到已有非开挖管线的空间位置的不足，本文提出以惯导为原理的探测新方法，并通过对地下管道三维测量系统进行设计及功能实现，通过实验结果表明:地下管道三维测量系统测量数据与全站仪测量数据吻合度高;工程实例成果表明:该系统对超埋深、小管径非开挖大埋深管道探测精度高，可靠性强。该系统的研发对解决城市非疑难管线探测提供了较好的参考依据。

作者：王鹏飞 肖波 单位：广州市城市规划勘测设计研究院