惯性陀螺仪管线探测方案63改.docx

惯性陀螺仪管线测量方案目录一、项目概况- 2 -1.1引言- 2 -1.2 传统地下管线定位技术遇到的挑战- 2 -二、惯性陀螺仪在地下管线中的应用- 3 -2.1陀螺仪的工作原理- 3 -2.2精确定位系统- 4 -2.3 三维坐标获取- 4 -三、惯性陀螺仪的组成结构- 5 -3.1 硬件部分- 5 -3.2 软件部分- 5 -四、陀螺仪使用流程- 6 -4.1 测量流程图- 6 -4.2 数据采集- 6 -4.3 数据下载处理- 8 -五、优缺点与局限性- 11 -5.1 惯性陀螺仪优点- 11 -5.2 惯性陀螺仪局限性- 11 -六、应用案例- 12 -6.1案例背景- 12 -6.2 现场状况- 12 -6.3 测量- 12 -6.4 测量成果- 13 -6.5对比结论- 13 -一、 项目概况1.1 项目背景随着城市建设的飞速发展，燃气、排水、电力、通信、排水、蒸汽、化工等行业经常需要穿越铁路、公路、河流等障碍物敷设管道，基于城市市容环境的考虑，在城市建成区利用非开挖技术敷设管线的情况也越来越多，由于敷设的管线埋深、位置信息都不准确的特点，而常规的管线探测仪（RD8000,T5000,探地雷达等）自身的局限性（探测深度浅、易受电磁干扰、探测环境条件较差）无法获得精确的管线位置信息，导致后期交叉施工时易破坏、损坏后修复成本高，极易造成人员伤亡的事故。同时在城市规划管理过程中，因地下管线位置的信息不准确，也造成地下空间资源浪费，为了获取非开挖管线与探测管线位置的准确性，科学的利用地下空间，最大限度避免管线切改，消除潜在的地下事故隐患，可利用惯性陀螺仪来对地下管线进行精确的定位，来解决传统探测手段不能解决的实际问题。1.2 传统地下管线定位技术遇到的挑战（1）实际探测深度受到很大限制，很难在埋深大于10米以上的情况下准确测量地下管线的埋深位置和深度。（2）容易受环境背景的电磁干扰情况。（3）电磁感应法管线仪、探地雷达等不能安全城市地下空间发展的要求。（4）非开挖等施工的特殊性。二、 惯性陀螺仪在地下管线中的应用2.1 陀螺仪的工作原理绕一个支点高速转动的刚体称为陀螺，许多人小时候玩过的陀螺就是一例子，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫陀螺仪（gyroscope）。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间，陀螺仪用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。陀螺仪原理示意图如图2.1所示。2.1 陀螺仪原理示意图2.2 精确定位系统惯性陀螺仪管道定位系统基于惯性导航技术研发而成，依靠高精度的陀螺仪，由电脑快速运算获取地下管线的三维坐标，主要用于管道的位置探测，并可将数据转入GIS、AutoCAD、Solidworks等软件，尤其适合非开挖行业顶管施工的竣工测量。便捷的外业操作配合先进的数据后处理系统，能快速精确的得到被测管道的空间三维坐标信息。设备测量不受外界环境及管道材质等因素干扰，出厂校准精度可达15cm/500m。2.3 三维坐标获取陀螺仪和加速度计分别测量定位仪的相对惯性空间的的 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导航坐标系的加速度，并运算出定位仪的位置、速度、航向和水平姿态。譬如将北向加速度计和东向加速度计测得的运动加速度an、ae进行一次积分，与北、东向初始速度 vn0、ve0得到定位仪的速度分量，即： （1）vn= andt+ vn0 （2）ve= aedt+ ve0将速度 vn 和 ve 进行变换并再次积分得到定位仪的位置变化量， 与初始经纬坐标相加，即得到定位仪的地理位置经纬坐标。2.4 ABM-90技术参数1.最大测量距离300m。2.探棒长度504mm。3.探棒外径42mm。4.最高测量速度2m/s。5.电池是锂电池与续航时间4h。6.数据格式：AutoCAD,CSV,Excel，xml。三、 惯性陀螺仪的组成结构陀螺仪由硬件部分与软件部分组成。3.1 硬件部分陀螺仪的硬件部分由测量单元、行进单元、外部控制单元、PC机和牵引钢绳两部分组成。测量单元由带有滑轮的探棒构成，工作时穿入被测管道内部，经牵引绳旺夫拖动并在管道内穿越二个来回，测量单元将自动记录被测各点的三维空间坐标。各部主体结构如图3.1.1所示。3.1.1 陀螺仪主体结构示意图3.2 软件部分软件部分位于PC机内，包括通讯、计算、显示和数据管理等模块，其中通讯模块主要是用于通过PC机相关命令进行测量单元的数据下载和清空；计算模块主要负责对测量单元的数据下载和清空；显示模块包括了数据显示和图形显示，数据管理模块包括数据的打开、存储和对实测数据与标准数据的对比功能。对测量单元采集的数据进行处理并生成管线分布三维曲线图。四、 陀螺仪使用流程 4.1 测量流程图前期准备特征点地形测量管道区域地面纵横面测量两端口控制点测量REDUCT测量现场处理及数据处理数据后处理4.2 数据采集（1）根据现场情况，预先测量被测管线的内径，选择合适于测量管道的测量主机及轮组并将轮组编号输入系统。如ABM-90管径区间及滑轮组（0308）最大管径可测200mm如图4.1.1所示。需要大于200尺寸的需要选择其他型号的支架。图4.1.1 管径选择安装示意图（2）对原始数据进行清理内存及初始化。如图4.1.2所示图 4.1.2（3）管道内部测量通过测量仪器对管道的两端测取坐标，对陀螺仪两端固定牵引绳，将陀螺仪面部箭头指示方向放入管道内部，开机后从管线远端拉动牵引绳，测量主机从管道中拉出。重复测量一个来回掉头在测量一次使数据更精确，测量完成后关机。4.3 数据下载处理（1）填写基本信息（2）数据下载（3）测量数据图形（4）数据处理五、优缺点与局限性5.1 惯性陀螺仪优点（1）无探测深度限制、适用于所有管埋方式、可测量所有材质的管道、不受地形地物的影响、只要是空管管道在哪里，就可以测到哪里。（2）仪器的精度值可达到500m只有15cm的误差。（3）操作简单，容易上手，易懂，管道测量资料在测量后可直接获取。（4）定位方式与数据采集与电磁波或磁场无关，无受干扰之虑。（5）不需要作业人员于道路上使用追踪定位，降低了人员安全隐患，也降低了交通事故的发生。（6）多种数据格式输出，支持EXCEL、TXT、CAD等各种数据格式，便于客户进行各种处理。（7）所有数据，除入口点与出口点为了利用GPS等获取资料外，其余资料由惯性陀螺仪自行运算，消除了人为误差因素，并可进行重复验证。（8）每一台仪器都有专属电脑，每台电脑均有专属密码保护，唯有透过资料线才能传输数据，资料保密性高。5.2 惯性陀螺仪局限性（1）运行管道无法使用。（2）精度越高成本越高。（3）穿越管线比较频繁。（4）数据量大软件操作复杂六、应用案例6.1 案例背景我司为某用户提供仪器测量服务，在管道存放基地内搭设一条管道做模拟现场，进行现场测量。6.2 现场状况管道：采用160cm口径电力电缆管。状态：搭设场地距离地面最高处3.5m左右，水平左右偏 离1m左右，人工固定于支撑架上。资料：事先全站仪测量得到管道首尾坐标，管道内穿过拉力线。6.3 测量现场测量利用仪器从起点测量到终点，完成两次测量数据，花费测量时间约30分钟。 获取数据后，进行软件后处理。6.4 测量成果注: (1) 系统输出有TXT、EXCEL、WORD、CAD文件等多种格式成果，此处 仅粘贴EXCEL表、CAD图件示意。6.5 对比结论结论：水平方向最大偏差A6：19cm;垂直方向最大偏差A5：14.8cm。满足垂直20cm，水平25cm的容忍限差要求。