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。