基于MEMS陀螺儀的地下管線測繪系統(tǒng)

劉魁德

佛山市測繪地理信息研究院 廣東 佛山 528000

在現(xiàn)代都市中，地下管道布局是一項重要的工作，它包括通訊、供水、燃氣以及電力等方面，應(yīng)選用信息化計量方法，建立地下管道計量體系。本項目擬采用慣性控制、遙感等方法，構(gòu)建基于信息融合的地下管道測繪與管理模式，構(gòu)建基于信息融合的地下管道測繪模式，為提高我國城市地下管道測繪水平提供技術(shù)支撐[1]。對管道進行紅外線和 CT的掃描測量，并通過單擊傳送的方式進行操作，實現(xiàn)了對管道的實時監(jiān)控，建立了一套適用于城市地下管道測量的電力傳感系統(tǒng)，并對其進行了分析。項目將 MEMS陀螺技術(shù)引入到城市地下管線測量中，利用 MEMS陀螺對三軸加速度和三軸角速度進行測量，并利用測量結(jié)果進行解算，達到地下管線測繪目的。

1 MEMS陀螺儀

不同于傳統(tǒng)機械陀螺儀，MEMS陀螺儀是基于科里奧效應(yīng)的一種慣性角速率傳感器，其內(nèi)部無需軸承，無轉(zhuǎn)動部件，采用全固態(tài)裝置，表現(xiàn)為體積小、智能化、價格低、可靠性高、抗大過載沖擊、低功耗以及工作壽命長等特點[2]。本文所用MEMS陀螺儀測繪裝置主要分為三部分，即：里程計輪組、測繪裝置主體和支撐輪組，所用STM300測量單元為小型慣性測量單元，重量只有50g，陀螺儀測量范圍為±400°/s，零偏不穩(wěn)定性為0.5°/h，分辨率為0.22°/h。為保證輪組連接可靠，拆卸方便，選用螺絲連接的方法，采用輪組替換方法，能適應(yīng)地下管線的測量要求。MEMS陀螺儀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MEMS陀螺儀結(jié)構(gòu)

2 基于MEMS陀螺儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

地下管線測繪系統(tǒng)應(yīng)用MEMS陀螺儀實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，再通過管道測繪處理所采集數(shù)據(jù)，以測量管道軌跡。

2.1 主體結(jié)構(gòu)

采用模塊化的方式，通過簡化組裝過程，保證了設(shè)備的維修方便。采用機械連接部位的密封和防水處理，選用螺絲連接，保證了測量設(shè)備的防水能力。該測量設(shè)備的本體為60mm，長為435mm，其上有平滑的涂層和抗氧化的涂層。測量設(shè)備的一頭是控制面板，上面安裝著數(shù)據(jù)接口、開關(guān)和工作指示燈，而在另外一頭，是可以替換的電池箱，MEMS陀螺安裝有兩個12 V的鋰電池。

2.2 輪組結(jié)構(gòu)

地下管線測繪的輪組包括螺紋軸、支撐桿、滾輪、U型支架、限位螺母和軸承等組合而成，兩個密封的軸承一起支承著滾輪，保證了滾輪的平穩(wěn)運行。通過調(diào)節(jié)限制螺帽，可在較小的幅度內(nèi)調(diào)節(jié)車輪組的直徑，使之適用于各種口徑。另外，該里程表組件還組裝了一個連接本體的里程表數(shù)據(jù)傳送界面，該結(jié)構(gòu)防水性能較高[3]。

3 地下管線測繪系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計

首先初始化數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)讀取模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊以及開關(guān)模塊，在MEMS陀螺儀發(fā)送數(shù)據(jù)過程中，將采集模塊啟動，向FIFO隊列存儲所采集數(shù)據(jù)，在FIFO隊列數(shù)據(jù)超量時，需要發(fā)送數(shù)據(jù)至SD卡內(nèi)，持續(xù)循環(huán)以上操作，持續(xù)向SD卡傳輸數(shù)據(jù)，直至設(shè)備電源關(guān)閉。

首先，數(shù)據(jù)采集模塊。采集數(shù)據(jù)包含里程計數(shù)據(jù)、MEMS陀螺儀數(shù)據(jù)，后者通過422電平形式向外發(fā)送，所用波特率為921600bps，將電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)于STM32端，轉(zhuǎn)換422電平為TTL電平，借助STM32串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。采用串行閑置中斷與內(nèi)存訪問（英文縮寫為 DMA）來完成對數(shù)據(jù)的收集，這里的串行閑置中斷是指在收到的數(shù)據(jù)之后出現(xiàn)了一個閑置的幀，這時候STM32將會對是否有閑置的幀進行判定；在對高速率的數(shù)據(jù)進行收集的過程中，這種方法的效率很高，可以保證數(shù)據(jù)的實時獲取。但是，由于單次獲取的資料比較多，導(dǎo)致 CPU被占用，這時將傳送到 SD卡內(nèi)的資料就會被擾亂；因此，使用串行 DMA方式來進行數(shù)據(jù)的接收，可以很好的防止對內(nèi)存的影響。由于里程數(shù)是以脈沖方式被記錄的，所以當STM32發(fā)現(xiàn) GPIO端口是上升緣跳躍時，STM32就會引發(fā)一個外部的中斷，并且在該中斷過程中，會不斷地累積脈沖數(shù)量；每個脈沖脈沖都與車輪的1/4圓的圓周有關(guān)，從而獲得了相應(yīng)的英里數(shù)。

其次是資料儲存部分。利用STM32完成 DMA和串行通信，串行接口從 MEMS陀螺中獲取的信息通過 DMA傳輸?shù)娇偩€，直到收到全部的數(shù)據(jù)為止，這時串行閑置的終端將被激活，并將全部的數(shù)據(jù)存入 BUF。從STM32上獲取英里數(shù)數(shù)據(jù)，持續(xù)累計所觸發(fā)脈沖數(shù)。融合兩個傳感器所采集數(shù)據(jù)，并在FIFO內(nèi)部存儲，并把FIFO數(shù)據(jù)傳至SD卡內(nèi)。圖2為數(shù)據(jù)存儲流程。

圖2 數(shù)據(jù)存儲流程

再次，數(shù)據(jù)讀取模塊。本模塊的核心部分就是通過 USB接口對 SD卡進行讀取。測試結(jié)束后，通過 USB接口與PC機相連，實現(xiàn)對 SD卡的實時存取，并對 SD卡的內(nèi)部信息進行讀出。為了降低功率消耗，本設(shè)計在測試過程中處于非工作狀態(tài)，測試結(jié)束后由電腦上的 USB電源提供電源，通過PC機對實現(xiàn)對SD卡的存取。

3.2 地下管道測繪算法的實現(xiàn)

在地下管線測繪工程中，MEMS陀螺儀因其價格低、體積小等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用。然而，MEMS陀螺存在測量精度不高、捷聯(lián)慣性導(dǎo)航（SINS）存在運算誤差等問題。針對此問題，一般采用將 SINS與其它輔助導(dǎo)航相結(jié)合的方法進行求解。本項目擬采用非完備限制/里程計/MEMS-IMU聯(lián)合定位方法，通過非完備條件下/里程計/MEMS-IMU聯(lián)合定位方法求解，提高測量精度。

3.2.1 捷聯(lián)慣導(dǎo)誤差方程

為了研究 SINS的精度，即每一種不同的誤差源對 SINS的姿態(tài)偏差角度和導(dǎo)航位置的影響，建立相應(yīng)的誤差公式。由 SINS導(dǎo)出，建立了姿態(tài)角誤差公式：

速度誤差方程為：

位置誤差方程為：

3.2.2 管道軌跡解算

將慣導(dǎo)坐標的位置、姿態(tài)和速度的偏差作為系統(tǒng)的狀態(tài)量，將慣性定軌的速度與慣性系統(tǒng)的速度轉(zhuǎn)換成載體坐標的速度差作為系統(tǒng)的參數(shù)，建立動力學(xué)方程，并利用卡爾曼濾波器進行處理；通過對捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的姿態(tài)偏差的估計，對其進行了修正。然后，利用正、負兩個方向的濾波器，將其運算的結(jié)果作為修正信息，實現(xiàn)在副導(dǎo)航信息不足的情況下對端點的修正，利用給定的起止點進行定位校正。利用慣導(dǎo)和非完備約束的聯(lián)合建模方法，在該方法中加入了傳感器的輔助信息，實現(xiàn)起點和終點的校正，重修正過程的終點是正向和逆向的平滑濾波。圖3是數(shù)據(jù)處理流程的示意圖。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程

利用非完備運動約束，利用里程計作為輔助手段，有效壓制MEMS-IMU的偏差，提高井下管線聯(lián)合定位的精度。因此，采用非完備約束/MEMS-IMU/英里計聯(lián)合定位技術(shù)可以實現(xiàn)對地下管線的精確定位。

4 實例應(yīng)用

以某地下管線探測為例，采用 MEMS陀螺和管道測量儀進行勘探，并對一些軌跡進行了挖掘驗證。按照 MEMS陀螺的測試資料進行結(jié)構(gòu)的設(shè)計和建造。MEMS陀螺的測繪工作包括前期準備、輔助測繪、定位測繪和數(shù)據(jù)處理，圖4為工作技術(shù)流程。

圖4 工作技術(shù)流程

圖5 埋深實測比較圖

從起點至90m范圍，采用 MEMS陀螺和管道探測器進行探測，管道探測器采用追蹤探針方式，其發(fā)射頻率為32.8 KHz，探針直徑為64 mm，采用管道探測器跟蹤探測器的電磁信息，通過管道探測器接收端的追蹤探針，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的直接讀出。在區(qū)段內(nèi)采用兩種方法進行了反復(fù)勘察，并對3個點位進行了挖掘檢驗。用平均誤差計算的重復(fù)檢測極限值是：

MEMS陀螺儀之所以比管道探測器（示蹤探針）的測繪更精確，是因為其輸出的探針（示蹤探針）所產(chǎn)生的電磁場極易受到外部環(huán)境的干擾，且易發(fā)生畸變。在檢測時，無需在道路上安裝跟蹤裝置，也就是不會受到環(huán)境的干擾。不受電磁干擾，不受磁場干擾，可自主工作，測量任意深度，精度低，適用于各種材料的管路；通過該程序可以實現(xiàn)對管道的方向、深度、材質(zhì)等的精確測量，從而保證了整個空間的安全穩(wěn)定運行。

5 結(jié)語

基于 MEMS陀螺儀的城市地下管線地圖繪制設(shè)備，利用有源設(shè)備搭載的地圖設(shè)備，通過在管線中行走來實現(xiàn)對管線的軌道繪制。繪制設(shè)備搭載MEMS陀螺儀獲取三軸加速度、三軸加速度，霍爾傳感器感應(yīng)測圖機構(gòu)車輪組上的磁體獲取行程信息，并通過 SINS修正算法對所獲取的信息進行處理，最終完成管線的軌跡檢測。為了實現(xiàn)高速度和高實時性，對地圖繪制設(shè)備進行了硬件設(shè)計。在程序上，采用了快速的數(shù)據(jù)獲取方式，使其能夠在保存完好的情況下，達到了較高的實時性。采用MEMS-IMU/里程計結(jié)合的方法和合成修正方法，有效地消除了單純慣性導(dǎo)航的偏差，從而改善了管線測量的精度。以上方法的實現(xiàn)，有效地解決了測量儀器在研制過程中遇到的難題，體現(xiàn)了該方法的創(chuàng)新性。