CN107576316A - 往复式管线轨迹测绘方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种往复式管线轨迹测绘方法，包括如下步骤：S1、进行管线轨迹数据的采集，采集的测量数据保存在测绘仪的管线数据采集单元中；S2、数据采集结束后，通过CAN总线通信电缆将管线数据采集单元中保存的测量数据读取到数据处理计算机中，计算机根据在管线端口静止状态下的传感器输出将本次管线测量数据分割成单条轨迹数据；S3、数据处理计算机对每条轨迹数据进行处理；S4、对计算出来的多条管线轨迹数据进行处理，最后将得到的剖面和水平面平均数据恢复成三维坐标数据。本发明测绘方法测绘精度高、操作方便、抗电磁干扰强。
Description
技术领域
本发明涉及测绘技术领域，特别涉及一种往复式管线轨迹测绘方法。
背景技术
城市地下管线的轨迹测绘工作在城市建设中必不可少，管线的轨迹测绘需要使用专门的测绘仪器和方法。已有中国发明专利公开号为CN104235618A，名称为《一种基于MEMS惯性测量单元的管道测绘及缺陷定位装置及其管道测绘及缺陷定位方法》，公开了一种测绘装置及测绘方法，由于MEMS惯性测量单元的测量误差，会随时间积累而影响测量精度，所以该专利采用了磁通门磁力计对管道的航向角进行修正，以消除误差积累，但这一措施会受到管道周围的铁磁性干扰而影响到修正的效果，特别是当管道为铁管时，影响就更大了。
发明内容
本发明提供一种往复式管线轨迹测绘方法，解决现有测绘手段容易受到铁磁性干扰的缺陷,实现抗电磁干扰能力强且精度高的测绘方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种往复式管线轨迹测绘方法，所述方法包括：
S1、将测绘仪两端挂上拖绳，并将所述拖绳放入管线内，在初始入口处保持静止状态30秒，30秒后开始匀速拖拉，当测绘仪拖拉到管线的另外一端时，停止拖拉，并保持静止状态30秒，30秒后开始反向往回匀速拖拉，直至管线初始入口；如此往复2-3次，最终测绘仪停留在管线初始入口，此时保持静止状态15秒，完成管线轨迹数据的采集，采集的测量数据保存在测绘仪的管线数据采集单元中；
S2、数据采集结束后，通过CAN总线通信电缆将管线数据采集单元中保存的测量数据读取到数据处理计算机中，计算机根据在管线端口静止状态下的传感器输出将本次管线测量数据分割成单条轨迹数据，如果是往复3次，则分割成6条管线轨迹数据，以此类推；
S3、数据处理计算机对每条轨迹数据进行处理，通过四元数法和扩展卡尔曼滤波技术将管线轨迹数据的三维数据计算出来；
S4、对计算出来的多条管线轨迹数据进行处理，先根据端点相同原则将管线轨迹数据统一到同一个三维坐标系下，再进行二维投影，分别得到各自的垂面和水平面二维投影数据，然后将这些垂面和水平面数据进行粗大误差剔除并平均，最后将得到的剖面和水平面平均数据恢复成三维坐标数据。
优选的，所述测绘仪包括高能锂电池、电源管理子系统、微机电惯性测量单元、数据同步采集子系统和数据通信及存储子系统；
所述高能锂电池通过电源管理子系统为测绘仪的各组成单元、子系统提供电源；
所述电源管理子系统用于电源充电管理及电量测量；
所述微机电惯性测量单元与所述数据同步采集子系统相连，向数据同步采集子系统发送测量数据；
所述数据同步采集子系统与数据通信及存储子系统相连，用于存储或者向外发送采集到的数据。
优选的，所述测绘仪还包括包括支撑轮架和仪器外壳，所述仪器外壳的两端依次通过抱箍、端盖、密封圈和支撑轮架连接于一体；所述支撑轮架上设有滚轮式里程计，所述滚轮式路程计与所述数据同步采集子系统相连；所述仪器外壳的两端设有外部接口；所述数据通信及存储子系统与外部接口相连，外部接口用于插接通信电缆。
优选的，所述数据同步采集子系统是在同步时钟的控制下采集来自微机电惯性测量单元的数据，并对数据进行低通滤波和抗干扰滤波，然后将所述实时数据和实时时钟一起记录在数据通信及存储子系统中。
优选的，所述微机电惯性测量单元包括三轴加速度计、三轴陀螺，用于加速度和角速率的测量。
优选的，所述数据同步采集子系统包括一个微处理器、六片16位A/D转换器和一片FPGA，用于采集由微机电惯性测量单元提供的加速度和角速率数据和由滚轮式里程计提供的里程数据，利用FPGA设计同步信号，使得数据是同时采集，减少测量误差。
优选的，所述数据通信及存储子系统包括一个CAN总线通信控制器、一个SD卡读写控制器、一个SD卡，用于将数据同步采集子系统采集的数据存储在SD卡，并接收数据处理计算机的控制指令以及采集数据的传输，SD卡对数据存储进行分区设置，每次测绘数据保存在一个存储区内，根据SD卡容量可以同时存储多组管线测绘数据。
优选的，所述滚轮式里程计包含两路里程传感器。
本发明的积极效果如下：
1、结构简单。数据存储于仪器内部，且可同时保存多组管线测绘数据；自主供电、无拖曳电缆，可靠性高。2、测绘精度高。通过多次往返测量误差消除技术，解决了微机电惯性测量单元(MIMU)随时间积累误差较大的难题，提高了轨迹测绘精度，MIMU是微机电惯性测量单元的英文缩写，用于加速度和角速率的测量。
3、操作、维护方便。微机电惯性测量单元具有体积小、质量轻的优点，使测绘仪小巧、轻便、便携性好。另外采用了可拆卸式电池设计，使仪器的维护更加简单。
4、抗电磁干扰。测绘仪不含罗盘或磁力仪等元件，无需接收外部电磁信号，抗电磁干扰能力强。
附图说明
图1是本发明测绘仪结构图；
图2是本发明电路方框图；
图3是本发明使用状态图；
图4是本发明工作过程方框图；
图5是本发明软件算法框图；
图6是本发明数据分割界面图；
图7是本发明轨迹误差校正界面图。
图中：
1-支撑轮架；2-仪器外壳；3-抱箍；4-端盖；5-密封圈；6-高能锂电池；7-电源管理子系统；701-电源变换模块；702-电源管理芯片；8-微机电惯性测量单元(MIMU)；9-数据同步采集子系统；901-6路16位A/D转换芯片；902-FPGA；903-MPU；904-同步时钟；905-数据存储卡；10-数据通信及存储子系统；1001-CAN总线收发器；1002-CAN总线驱动器；11-滚轮式里程计；12-外部接口；13-三轴加速度计；14-三轴陀螺；20-测绘仪；21-管线；22-拖绳；30-计算机
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种往复式管线轨迹测绘方法，所述方法包括：
S1、将测绘仪两端挂上拖绳，并将所述拖绳放入管线内，在初始入口处保持静止状态30秒，30秒后开始匀速拖拉，当测绘仪拖拉到管线的另外一端时，停止拖拉，并保持静止状态30秒，30秒后开始反向往回匀速拖拉，直至管线初始入口；如此往复2-3次，最终测绘仪停留在管线初始入口，此时保持静止状态15秒，完成管线轨迹数据的采集，采集的测量数据保存在测绘仪的管线数据采集单元中；
S2、数据采集结束后，通过CAN总线通信电缆将管线数据采集单元中保存的测量数据读取到数据处理计算机中，计算机根据在管线端口静止状态下的传感器输出将本次管线测量数据分割成单条轨迹数据，如果是往复3次，则分割成6条管线轨迹数据，以此类推；
S3、数据处理计算机对每条轨迹数据进行处理，通过四元数法和扩展卡尔曼滤波技术将管线轨迹数据的三维数据计算出来；
S4、对计算出来的多条管线轨迹数据进行处理，先根据端点相同原则将管线轨迹数据统一到同一个三维坐标系下，再进行二维投影，分别得到各自的垂面和水平面二维投影数据，然后将这些垂面和水平面数据进行粗大误差剔除并平均，最后将得到的剖面和水平面平均数据恢复成三维坐标数据。
如图1图2所示，本实施例所述测绘仪是基于MIMU/里程的组合式地下管线21轨迹测绘仪20，包括支撑轮架1和仪器外壳2，仪器外壳2的两端通过抱箍3、端盖4、密封圈5和支撑轮架1连接于一体，仪器外壳2内设有高能锂电池6、电源管理子系统7、微机电惯性测量单元(MIMU)8、数据同步采集子系统9和数据通信及存储子系统10，支撑轮架1上设有滚轮式里程计11，仪器外壳2的两端设有外部接口12；微机电惯性测量单元8和滚轮式里程计11与数据同步采集子系统9相连，向数据同步采集子系统9发送测量数据；数据同步采集子系统9再与数据通信及存储子系统10相连，用于存储或者向外发送采集到的数据；数据通信及存储子系统10与外部接口(水密航插)12相连，外部接口12用于插接通信电缆；高能锂电池6通过电源管理子系统7给以上各部分提供电源，电源管理子系统7用于电源充电管理及电量测量。
所述数据同步采集子系统9是在同步时钟903的控制下采集来自微机电惯性测量单元(MIMU)8的数据，并对它们进行低通滤波和抗干扰滤波，然后将所述实时数据和实时时钟一起记录在数据通信及存储子系统中。
所述微机电惯性测量单元(MIMU)8包括三轴加速度计13和三轴陀螺14，其用于加速度和角速率的测量。
所述数据同步采集子系统9包括一个微处理器、六片16位A/D转换器和一片FPGA，其用于采集由微机电惯性测量单元(MIMU)8提供的加速度和角速率数据和由滚轮式里程计11提供的里程数据，利用FPGA设计同步信号，保证这些数据是同时采集，以减少测量误差。
所述数据通信及存储子系统10包括一个CAN总线通信控制器、一个SD卡读写控制器、一个SD卡，其作用是将数据同步采集子系统9采集的数据存储在SD卡，并负责接收数据处理计算机的控制指令以及采集数据的传输，SD卡对数据存储进行分区设置，每次测绘数据保存在一个存储区内，根据SD卡容量可以同时存储多组管线21测绘数据。
所述滚轮式里程计11包含两路里程传感器，其目的是提高里程数据测量的可靠性，避免因为滚轮打滑出现里程数据无效的情况。
使用时，如图3所示，将本测绘仪20放入管道内，测绘仪20两端设有拖绳，测绘仪20通过通讯电缆与外置的数据处理计算机连接。数据处理计算机的作用是提取测绘仪20的三轴加速度计、三轴陀螺和两路里程计数据，根据四元数法和扩展卡卡尔曼滤波等算法对数据进行处理，得到管线21的轨迹三维数据，并根据用户需要提供相应格式的管线数据。
下面根据附图4详细叙述本发明的工作过程：
电源管理芯片702检测到外部接口(水密航插)12为关闭状态时，开启电源变换模块701，测绘仪20开始工作。同步时钟904产生时间同步信号，对数据同步采集子系统9内部的6路16位A/D转换芯片901和FPGA902进行时间同步，并对微机电惯性测量单元8、滚轮式里程计11进行同步数据采集。采样频率为100Hz，同步精度为100us。同时MPU 903对采集的数据进行低通滤波、抗干扰滤波，并将处理后的数据通过数据通信及存储子系统10记录到数据存储卡905中。测绘结束后，数据处理计算机通过外部接口(水密航插)12与本测绘仪20连接，并通过CAN总线收发器1001和CAN总线驱动器1002读取保存在数据存储卡905中的管线21测量数据。另外还可以通过电源管理芯片14采集高能锂电池6的电量，从而获得高能锂电池6的使用情况。
数据处理计算机读取本测绘仪20测量数据后，根据在管线21端口静止状态下的传感器输出将本次管线测量数据分割成单条轨迹数据，针对每条管线数据进行数据融合处理。数据融合算法流程如图5所示，在步骤1中，向数据处理计算机输入陀螺、加速度计的原始数据，该原始数据是载体的角速度和加速度的函数。在步骤2中，通过数据预处理进行零偏、非正交误差、温度误差补偿，得到本测绘仪20在测绘过程中的角速度和加速度的测量值。接着在步骤3中判断初始对准是否完成。若没有完成，在进行动态姿态解算前，首先需要在静态下利用角速度和加速度测量值在步骤4中进行初始对准，得到载体的初始姿态。在初始对准完成后，或者在步骤3中判断初始对准已经完成，则可以开始在步骤5中进行动态测量。利用微机电惯性测量单元8的姿态测量值、滚轮式里程计11的测量值，在步骤6中采用扩展卡尔曼滤波算法进行数据融合，得到地下管线轨迹信息。最后对计算出来的多条管线轨迹数据进行处理，先根据端点相同原则将它们统一到同一个三维坐标系下，再进行二维投影，分别得到各自的垂面和水平面二维投影数据，然后将这些垂面和水平面数据进行粗大误差剔除并平均，最后将得到的剖面和水平面平均数据恢复成三维坐标数据。绘制在具有三维坐标显示的轨迹自主测绘仪软件界面上。软件界面包括数据分割界面(见图6)和轨迹误差校正界面(见图7)。位置坐标是以米为单位。这样就完成了对地下管线轨迹的测绘。
以上基于上述实施方式对本发明进行了说明，但本发明不限定于上述实施方式的内容，在不脱离本发明范围的情况下可做适当的变更。
Claims (8)
1.往复式管线轨迹测绘方法，其特征在于：所述方法包括：
S1、将测绘仪两端挂上拖绳，并将所述拖绳放入管线内，在初始入口处保持静止状态30秒，30秒后开始匀速拖拉，当测绘仪拖拉到管线的另外一端时，停止拖拉，并保持静止状态30秒，30秒后开始反向往回匀速拖拉，直至管线初始入口；如此往复2-3次，最终测绘仪停留在管线初始入口，此时保持静止状态15秒，完成管线轨迹数据的采集，采集的测量数据保存在测绘仪的管线数据采集单元中；
S2、数据采集结束后，通过CAN总线通信电缆将管线数据采集单元中保存的测量数据读取到数据处理计算机中，计算机根据在管线端口静止状态下的传感器输出将本次管线测量数据分割成单条轨迹数据，如果是往复3次，则分割成6条管线轨迹数据，以此类推；
S3、数据处理计算机对每条轨迹数据进行处理，通过四元数法和扩展卡尔曼滤波技术将管线轨迹数据的三维数据计算出来；
S4、对计算出来的多条管线轨迹数据进行处理，先根据端点相同原则将管线轨迹数据统一到同一个三维坐标系下，再进行二维投影，分别得到各自的垂面和水平面二维投影数据，然后将这些垂面和水平面数据进行粗大误差剔除并平均，最后将得到的剖面和水平面平均数据恢复成三维坐标数据。
2.根据权利要求1所述的往复式管线轨迹测绘方法，其特征在于：所述测绘仪包括高能锂电池、电源管理子系统、微机电惯性测量单元、数据同步采集子系统和数据通信及存储子系统；
所述高能锂电池通过电源管理子系统为测绘仪的各组成单元、子系统提供电源；
所述电源管理子系统用于电源充电管理及电量测量；
所述微机电惯性测量单元与所述数据同步采集子系统相连，向数据同步采集子系统发送测量数据；
所述数据同步采集子系统与数据通信及存储子系统相连，用于存储或者向外发送采集到的数据。
3.根据权利要求2所述的往复式管线轨迹测绘方法，其特征在于：所述测绘仪还包括包括支撑轮架和仪器外壳，所述仪器外壳的两端依次通过抱箍、端盖、密封圈和支撑轮架连接于一体；所述支撑轮架上设有滚轮式里程计，所述滚轮式路程计与所述数据同步采集子系统相连；所述仪器外壳的两端设有外部接口；所述数据通信及存储子系统与外部接口相连，外部接口用于插接通信电缆。
4.根据权利要求3所述的往复式管线轨迹测绘方法，其特征在于：所述数据同步采集子系统是在同步时钟的控制下采集来自微机电惯性测量单元的数据，并对数据进行低通滤波和抗干扰滤波，然后将所述实时数据和实时时钟一起记录在数据通信及存储子系统中。
5.根据权利要求3所述的往复式管线轨迹测绘方法，其特征在于：所述微机电惯性测量单元包括三轴加速度计、三轴陀螺，用于加速度和角速率的测量。
6.根据权利要求3所述的往复式管线轨迹测绘方法，其特征在于：所述数据同步采集子系统包括一个微处理器、六片16位A/D转换器和一片FPGA，用于采集由微机电惯性测量单元提供的加速度和角速率数据和由滚轮式里程计提供的里程数据，利用FPGA设计同步信号，使得数据是同时采集，减少测量误差。
7.根据权利要求3所述的往复式管线轨迹测绘方法，其特征在于：所述数据通信及存储子系统包括一个CAN总线通信控制器、一个SD卡读写控制器、一个SD卡，用于将数据同步采集子系统采集的数据存储在SD卡，并接收数据处理计算机的控制指令以及采集数据的传输，SD卡对数据存储进行分区设置，每次测绘数据保存在一个存储区内，根据SD卡容量可以同时存储多组管线测绘数据。
8.根据权利要求3所述的往复式管线轨迹测绘方法，其特征在于：所述滚轮式里程计包含两路里程传感器。
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