基于MEMS陀螺儀的地下管線測(cè)繪系統(tǒng)構(gòu)建分析

摘要：地下管線準(zhǔn)確測(cè)繪對(duì)城市規(guī)劃具有至關(guān)重要的作用，傳統(tǒng)地下管線測(cè)繪方法存在成本高、效率低和安全隱患大的問題。為了解決這些問題，首先，提出一種基于微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）陀螺儀的地下管線測(cè)繪系統(tǒng)構(gòu)建方法，通過分析MEMS陀螺儀的基本原理和性能，確定其適用于地下管線測(cè)繪的特點(diǎn)。其次，設(shè)計(jì)一套完整的地下管線測(cè)繪系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下管線位置和走向的精確測(cè)量。研究結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)地下管線位置和走向的準(zhǔn)確測(cè)量，且具有高精度、高效率、低成本特點(diǎn)，能滿足不同規(guī)模和需求的地下管線測(cè)繪任務(wù)。

關(guān)鍵詞：MEMS陀螺儀地下管線測(cè)繪系統(tǒng)城市基礎(chǔ)建設(shè)

ConstructionAnalysisofUndergroundPipelineSurveyingandMappingSystemBasedonMEMSGyroscope

LIUTongyu

CRCCHarbourandChannelEngineeringBureauGroupCo.，Ltd.，Zhuhai，GuangdongProvince，519070China

Abstract：Accuratesurveyingandmappingofundergroundpipelinesplaysacrucialroleinurbanplanning.Traditionalsurveyingandmappingmethodsofundergroundpipelinessufferfromproblemsofhighcosts，lowefficiency，andsignificantsafetyhazards.Tosolvethesproblems，thisarticleproposesamethodforconstructinganundergroundpipelinesurveyingsystembasedonMicro-Electro-MechanicalSystem（MEMS）gyroscopes.ByanalyzingthebasicprinciplesandperformanceofMEMSgyroscopes，thecharacteristicssuitableforundergroundpipelinesurveyingaredetermined.Then，itdesignsacompleteundergroundpipelinesurveyingsystemframeworktoachieveprecisemeasurementofthepositionanddirectionofundergroundpipelines.Theresearchresultsshowthatthesystemcanachieveaccuratemeasurementofthepositionanddirectionofundergroundpipelines，andhasthecharacteristicsofhighprecision，highefficiency，andlowcost，whichcanmeetthesurveyingandmappingtasksofundergroundpipelinesofdifferentscalesandneeds.

KeyWords：MEMSgyroscope;Undergroundpipelines;Surveyingandmappingsystem;Urbaninfrastructure

地下管線是城市基礎(chǔ)設(shè)施中不可或缺的部分，承擔(dān)著供水、供氣、供電等重要職能，但由于地下管線隱藏在地下，其位置、走向、狀態(tài)很難直接觀測(cè)，給管線管理工作帶來嚴(yán)重困難。傳統(tǒng)地下管線測(cè)繪方法主要依賴人工勘測(cè)和地理勘測(cè)儀器，這些方法存在著各種問題，人工勘測(cè)耗時(shí)耗力，且易受人為因素的影響，測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性無法保證。同時(shí)，地理勘測(cè)儀器設(shè)備昂貴且復(fù)雜，操作繁瑣，不適合在復(fù)雜地形環(huán)境中使用。因此，尋求一種新的地下管線測(cè)繪系統(tǒng)是非常必要的。微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）陀螺儀作為一種新興的慣性導(dǎo)航傳感器，具有體積小、功耗低、精度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于飛行器、汽車、機(jī)器人等領(lǐng)域。近年來，研究人員開始關(guān)注基于MEMS陀螺儀地下管線測(cè)繪系統(tǒng)構(gòu)建，該系統(tǒng)利用MEMS陀螺儀測(cè)量地下管線方向和角度，通過計(jì)算機(jī)處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下管線的三維測(cè)量和地圖繪制?；诖耍疚奶岢龌贛EMS陀螺儀的地下管線測(cè)繪系統(tǒng)的構(gòu)建方法，并將其應(yīng)用于實(shí)際工程中。該方法具有成本低、精度高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，能大大提高地下管線的測(cè)繪效率和準(zhǔn)確性。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)高精度的地下管線測(cè)繪，本文設(shè)計(jì)了一套基于MEMS陀螺儀的地下管線測(cè)繪系統(tǒng)，主要包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)、管道測(cè)繪算法。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為控制模塊、傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊?？刂颇K負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制，包括主控制器、通信設(shè)備和電源管理等組件，主控制器通過與其他模塊的通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器模塊和數(shù)據(jù)處理模塊的控制。傳感器模塊是系統(tǒng)的核心部分，使用MEMS陀螺儀和其他傳感器獲取地下管線的姿態(tài)和位置信息；MEMS陀螺儀通過測(cè)量角速度和角度變化，判斷管道方向和傾斜程度；加速度計(jì)、磁力計(jì)等其他傳感器用于輔助測(cè)量。數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)接收傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和存儲(chǔ)，包括數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元；數(shù)據(jù)處理單元通過對(duì)傳感器數(shù)據(jù)濾波和噪聲消除，提高測(cè)量的穩(wěn)定性。

系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)是為了保證地下管線測(cè)繪系統(tǒng)的可靠性，硬件設(shè)計(jì)方面，選用高精度的MEMS陀螺儀，并采用工業(yè)級(jí)的電子元件和連接器，以確保系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下的正常運(yùn)行。軟件設(shè)計(jì)方面，開發(fā)專門的控制程序和數(shù)據(jù)處理算法，控制程序負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)傳輸功能，同時(shí)具備故障檢測(cè)和報(bào)警功能；數(shù)據(jù)處理算法主要包括姿態(tài)解算算法、濾波算法和校準(zhǔn)算法，用于對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而得到管道的準(zhǔn)確位置和姿態(tài)信息。管道測(cè)繪算法是地下管線測(cè)繪系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，采用基于慣性導(dǎo)航的測(cè)量方法，通過MEMS陀螺儀和其他傳感器獲取地下管線的姿態(tài)和位置信息，利用姿態(tài)解算算法對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到管道的精確方向和傾斜程度；通過濾波和校準(zhǔn)算法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

MEMS陀螺儀是一種小型慣性測(cè)量單元，能測(cè)量空間中物體的角速度，該陀螺儀采用50g的小型慣性測(cè)量單元，測(cè)量范圍為±2000°/s，最小分辨率為0.01°/s，零偏穩(wěn)定性為0.1°/h，溫度漂移為0.005°/°C，這些性能參數(shù)保證系統(tǒng)的高精度。地下管線測(cè)繪系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括輪組和系統(tǒng)主體的螺釘聯(lián)接方式固定，輪組由4個(gè)小型車輪組成，能在地下管道中進(jìn)行自由移動(dòng)，系統(tǒng)主體是裝有MEMS陀螺儀的盒子，用于接收和處理陀螺儀的測(cè)量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)工作原理是將地下管線測(cè)繪系統(tǒng)放置在需要測(cè)繪的管線附近，通過操作控制系統(tǒng)控制輪組在地下管道中移動(dòng)，同時(shí)陀螺儀實(shí)時(shí)測(cè)量角速度。陀螺儀測(cè)量數(shù)據(jù)將通過無線通信傳輸?shù)较到y(tǒng)主體，系統(tǒng)主體接收到數(shù)據(jù)后，通過算法處理計(jì)算出管線的位置和走向，并將結(jié)果顯示在控制系統(tǒng)的界面上。為了確保整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，輪組和系統(tǒng)主體之間采用螺釘聯(lián)接方式固定，這種方式能有效避免在地下管道中移動(dòng)時(shí)發(fā)生松動(dòng)，從而保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。此外，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還考慮系統(tǒng)的便攜性和耐用性，使系統(tǒng)方便地進(jìn)行攜帶和使用，并能夠適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境條件。

2.2測(cè)繪裝置主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于MEMS陀螺儀的地下管線測(cè)繪系統(tǒng)測(cè)繪裝置主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)裝置主體由多個(gè)模塊組成，包括陀螺儀模塊、電源模塊、控制模塊、顯示模塊等，這些模塊通過螺釘聯(lián)接在一起，有效確保裝置的穩(wěn)固性。同時(shí)，在裝置機(jī)械聯(lián)接處，進(jìn)行防水和密封處理，以防止水分和灰塵進(jìn)入裝置內(nèi)部影響其正常工作，螺釘聯(lián)接也能提供良好的密封效果，保證裝置的耐用性和可靠性。測(cè)繪裝置主體尺寸為435mm長(zhǎng)度和60mm最大直徑，外觀表面光滑，方便操作和攜帶，一端是操作面板，上面設(shè)有開關(guān)、數(shù)據(jù)接口、工作狀態(tài)指示燈，方便用戶進(jìn)行操作和監(jiān)控裝置的工作狀態(tài)；另一端是電池倉(cāng)，用于放置電池以供裝置正常工作。這種測(cè)繪裝置主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是模塊化設(shè)計(jì)，使裝置更易維修和更換零部件，防水和密封處理保證裝置的可靠性；螺釘聯(lián)接提供良好的機(jī)械連接效果，確保裝置的穩(wěn)固性；裝置尺寸和外觀設(shè)計(jì)使操作更加方便，用戶輕松攜帶；操作面板和電池倉(cāng)設(shè)置也增加裝置的易用性[1]。

2.3輪組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輪組主要由中心支撐桿、U型支架、滾輪、軸承、螺紋軸、限位螺母組成。中心支撐桿是輪組的主要支撐部件，其負(fù)責(zé)連接整個(gè)輪組與測(cè)繪系統(tǒng)；U型支架則用于固定軸承和滾輪，保證其在運(yùn)動(dòng)過程中的穩(wěn)定性。滾輪選用高強(qiáng)度材料制造，以增加其使用壽命。為了減小滾輪與地面的摩擦力，在滾輪表面采用特殊的設(shè)計(jì)，如花紋、凹凸不平的表面結(jié)構(gòu)，能有效地提高輪組的運(yùn)動(dòng)效率。軸承負(fù)責(zé)支撐滾輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，本文采用高精度的球軸承，確保輪組在高速運(yùn)動(dòng)中的穩(wěn)定性和平衡性。同時(shí)，為了減小輪組的摩擦力，在軸承上添加適量的潤(rùn)滑劑。螺紋軸是連接中心支撐桿和滾輪的關(guān)鍵部件，通過旋轉(zhuǎn)螺紋軸能調(diào)整滾輪與地面之間的距離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地下管線的測(cè)繪深度的調(diào)節(jié)，限位螺母作為螺紋軸的固定裝置，能防止?jié)L輪在運(yùn)動(dòng)過程中松動(dòng)或脫落。整個(gè)輪組設(shè)計(jì)要求輕巧、堅(jiān)固、耐磨，且能適應(yīng)各種復(fù)雜的地下環(huán)境。因此，在材料選擇上，采用高強(qiáng)度、輕量化的合金材料，如鋁合金、鈦合金等，這不僅滿足輪組的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，還可以減輕整個(gè)地下管線測(cè)繪系統(tǒng)的重量（如圖2所示）。

3系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1數(shù)據(jù)采集模塊

在地下管線測(cè)繪系統(tǒng)中，MEMS陀螺儀被安裝在管道測(cè)量設(shè)備上，用于測(cè)量設(shè)備的方向和角度。該傳感器會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的數(shù)據(jù)流，涉及管道設(shè)備的姿態(tài)信息，為了提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)采用串口空閑中斷和DMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。串口空閑中斷是一種在串口接收到完整一幀數(shù)據(jù)后觸發(fā)的中斷，通過監(jiān)測(cè)串口的狀態(tài)位，當(dāng)檢測(cè)到接收的完整數(shù)據(jù)幀后，STM32芯片會(huì)判斷出現(xiàn)空閑幀，并觸發(fā)空閑中斷。在空閑中斷處理函數(shù)中，采集并處理接收到的數(shù)據(jù)。但對(duì)于高頻率的數(shù)據(jù)采集，使用中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集效率較低，為了提高數(shù)據(jù)采集的速度，本系統(tǒng)采用DMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。DMA是一種直接從外設(shè)到存儲(chǔ)器或從存儲(chǔ)器到外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)，通過配置DMA通道和相關(guān)寄存器，實(shí)現(xiàn)在不占用CPU的情況下完成數(shù)據(jù)的傳輸。在本系統(tǒng)中，串口空閑中斷和DMA方式結(jié)合使用，通過配置串口的空閑中斷使能位，當(dāng)接收到完整一幀數(shù)據(jù)后觸發(fā)空閑中斷。在空閑中斷處理函數(shù)中，通過DMA方式將接收到的數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)到指定的存儲(chǔ)器中，大幅度提高數(shù)據(jù)采集的效率，并減輕CPU的負(fù)擔(dān)[2]。

3.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

在地下管線測(cè)繪系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)時(shí)，要配置STM32的串口和DMA接收功能，串口是用來接收MEMS陀螺儀發(fā)送的數(shù)據(jù)的通信接口，而DMA則是用來高效地將接收到的數(shù)據(jù)搬運(yùn)到指定的緩沖區(qū)中。在STM32上配置串口和DMA接收的步驟如下：（1）初始化串口的引腳和參數(shù)設(shè)置，選擇適當(dāng)?shù)囊_作為串口的接收引腳，并設(shè)置串口的波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位等參數(shù)；（2）配置DMA的通道和緩沖區(qū)，選擇合適的DMA通道，并分配緩沖區(qū)用于存儲(chǔ)接收到的數(shù)據(jù)；（3）配置DMA的傳輸參數(shù)，設(shè)置DMA的傳輸模式、數(shù)據(jù)寬度和傳輸長(zhǎng)度等參數(shù)；（4）配置串口的接收中斷。使能串口接收中斷，并在中斷處理函數(shù)中調(diào)用DMA傳輸函數(shù)，將接收到的數(shù)據(jù)搬運(yùn)到指定的緩沖區(qū)中。

一旦配置完成，每當(dāng)MEMS陀螺儀發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，串口將接收到這些數(shù)據(jù)，并通過DMA搬運(yùn)到指定的緩沖區(qū)中，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能。接下來，討論里程計(jì)數(shù)據(jù)的采集，里程計(jì)是一種用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)距離的設(shè)備，通常使用脈沖信號(hào)來計(jì)算行進(jìn)距離[3]。在這里，采用STM32的外部中斷方式來進(jìn)行里程計(jì)數(shù)據(jù)的采集，外部中斷是一種硬件觸發(fā)方式，當(dāng)GPIO口檢測(cè)到上升沿跳變時(shí)，會(huì)觸發(fā)外部中斷。為了配置STM32的外部中斷功能，要進(jìn)行以下步驟。（1）初始化外部中斷的引腳和參數(shù)設(shè)置。選擇適當(dāng)?shù)囊_作為外部中斷的觸發(fā)引腳，并設(shè)置觸發(fā)邊沿、中斷優(yōu)先級(jí)等參數(shù)。（2）配置外部中斷的中斷處理函數(shù)。在中斷處理函數(shù)中，累計(jì)觸發(fā)的脈沖數(shù)，使用全局變量來保存脈沖數(shù)的累積值。通過以上配置，當(dāng)GPIO口檢測(cè)到上升沿跳變時(shí)，外部中斷將被觸發(fā)，并在中斷處理函數(shù)中累計(jì)觸發(fā)的脈沖數(shù)，這就可以實(shí)現(xiàn)里程計(jì)數(shù)據(jù)的采集功能[4-5]。

3結(jié)語

綜上所述，本研究基于MEMS陀螺儀的地下管線測(cè)繪系統(tǒng)構(gòu)建方法具有良好的性能和應(yīng)用前景。然而，仍需要進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和算法，以提高測(cè)繪的精度和可靠性，并解決實(shí)際應(yīng)用中的挑戰(zhàn)。相信在未來的發(fā)展中，基于MEMS陀螺儀的地下管線測(cè)繪系統(tǒng)將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。

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