基于MEMS陀螺仪的地下管线测绘系统*

　　摘要:研究并实现基于微机电系统(MEMS)陀螺仪的高速数据的采集、多传感器数据融合、高实时数据的存储以及数据读取等功能的地下管线测绘系统;并运用管道测绘算法对读取的数据进行解算，最终得到测量管道的三维轨迹。所设计的系统以STM32芯片为核心主控，实现对MEMS陀螺仪高速数据的完整接收以及里程信息的同步测量，运用MEMS-惯性测量单元(IMU)/里程计/不完全约束的组合定位算法对读取的数据进行导航解算，最终实现310m长度管道的定位误差在0.15%以内。

　　关键词:管道测绘;微机电系统(MEMS)陀螺仪;STM32芯片;里程计

　　0引言

　　随着管道运输业的快速发展，城市地下管线运输业也在不断发展。目前由于管道位置信息不精准，导致多次开挖，破坏管道甚至造成重大的安全事故等问题[1，2]。管线管理存在不合理问题以及管线探测过程中探测方法的选择和仪器参数设置等诸多因素的影响，同时现有地下管线资料过于陈旧，早已跟不上当今时代发展的步伐，管线探测成果的精度不高或与现状不符的情况经常出现，这些因素都会造成对地下管线分布情况的误判[3]。

　　在建设施工过程中，经常因误判而导致事故发生，损失惨重，严重影响了居民的日常生活以及社会经济的发展[4，5]。此外由于前所未有的建设规模及短促的建设周期，城市地下管线工程的问题也逐渐暴露，频繁开挖道路检修管线的现象已经在城市道路施工建设中普遍存在[6]。针对这些城市的地下管线问题，获取地下管道精确的位置信息具有重大意义[7～9]。本文设计了基于微机电系统(micro-electro-mechanicalsystem，MEMS)陀螺仪的地下管线测绘装置采用主动式携带传感器的测绘装置在管道内行进的方法完成管道轨迹的测绘。

　　1系统总体方案设计

　　系统中的MEMS陀螺仪采集三轴角速度和三轴加速度、霍尔传感器，实现对角速度、线加速度和里程数据的采集与存储，然后采用管道测绘算法对采集的数据进行处理，从而实现管道轨迹的测量。总体设计分为三部分:系统结构设计、系统软硬件设计和管道测绘算法组成。其中，结构设计保证测绘装置能在管道中顺畅地行进，同时考虑轮组设计，让轮组与管道内壁完整接触同时避免轮子打滑;系统软硬件部分包含数据采集模块、数据存储模块和数据读取模块，将传感器的原始数据完整地存储与存储介质中;管道测绘算法，对存储的数据进行处理，实现管道的轨迹解算。

　　2系统结构设计

　　2.1整体结构设计

　　MEMS陀螺仪测绘装置分为测绘装置主体、里程计轮组及支撑轮组三部分，各部分均为独立模块，测绘装置整体结构设计实现集成化、模块化。

　　3系统软硬件设计

　　在硬件系统设计时考虑到数据的高速与高实时性，相应地在软件设计同样需要满足数据高速采集，高速存储以及保证数据的高实时性。系统软硬件设计的流程:先对数据采集模块，数据存储模块、数据读取模块，指示与开关模块等初始化，当MEMS陀螺仪或里程计开始发送数据时，启动采集模块，将采集的数据存放在FIFO队列中，当先入先出(firstin，firstout，FIFO)队列中的数据量超过一定量时，将FIFO里的数据写入到SD卡中，接着不断循环以上操作，将数据不断写入SD卡中直到关闭设备的电源开关，结束测量。当测量结束后，可通过USB线与PC连接，实现将SD卡中的数据导出。

　　3.1数据采集模块

　　数据的采集包含两部分:MEMS陀螺仪数据和里程计数据采集。其中MEMS陀螺仪以921600bps的波特率采用422电平形式每秒500帧数据向外发送，在STM32端设计电平转换电路，将422电平转换为TTL电平，通过STM32的串口接收数据;里程计数据采集部分通过霍尔传感器，每当感应到轮子上的磁铁时会产生一个上升沿，通过STM32外部中断捕捉上升沿记录路程数据。

　　本文提出一种采集数据方式，采用串口空闲中断与直接存储器存取(directmemoryaccess，DMA)方式，串口空闲中断是每当接收到一帧数据后会出现空闲帧，此时STM32会判断空闲帧从而触发空闲中断，对于高速数据的采集，此中断方式比一般串口中断更加高效，而且可保证数据实时性，但是由于一次采集数据量大，需要搬运的时间长，导致占用CPU从而打乱了数据写入SD卡，对此提出串口DMA接收数据，不占用CPU资源，这样保证不会干扰数据的存储。由于里程计的数据是以脉冲形式来记录，检测STM32的GPIO口为上升沿跳变时，STM32触发外部中断，在中断中累计脉冲量，每一个脉冲量对应1/4轮子周长，间接实现对里程数据的采集。

　　4管道测绘算法实现

　　MEMS陀螺仪以其体积小、价格低的优势非常适用于地下内管线的测绘，但其传感器本身精度偏低且捷联惯导系统(SINS)存在计算误差的累积问题[10]。针对该问题，目前常用组合导航方法解决，将其他辅助导航方式与SINS组合在一起。辅助导航由于不具有误差振荡及累积方式，可以校正SINS的误差，维持长时间内导航系统的稳定性，本文采用MEMS-IMU/里程计/不完全约束的组合定位算法对读取的数据进行导航解算以提高系统精度。

　　5系统测试与误差分析

　　5.1系统测试方法

　　具体使用步骤为:将设备开关打开，按照设备上标注箭头指向将设备塞入管道中至设备尾部与管口平齐，静置1min，然后平稳拉动测绘装置至其前端到达管道尾部;之后，静置1min反向拉回，重复3次前述过程;最后，将设备取出关机，通过数据线将设备接入电脑，用离线分析软件对数据进行解算处理，绘制地下管线图。

　　科技论文投稿期刊：江苏科技信息创刊23年来，秉承“科学、严谨、诚信”的办刊方针，“院士话题”“自主创新”“申报指南”“知识产权”“科技金融街”“公共服务平台”“民企在线”“地方科技”“管理论坛”“研究与交流”等特色专栏一直深受广大读者好评。

　　6结论

　　基于MEMS陀螺仪的地下管线测绘装置采用主动式携带传感器的测绘装置在管道内行进的方法完成管道轨迹的测绘。测绘装置携带MEMS陀螺仪采集高速的三轴角速度和三轴加速度、霍尔传感器感应测绘装置轮组上的磁铁采集里程信号，实现数据的高速采集与实时存储，然后采用捷联惯导改进算法对采集的数据进行处理，从而实现管道轨迹的测量。测绘装置的硬件电路设计满足了高速率、高实时性等性能要求;在软件设计中，实现了数据高速采集，在保证数据完整存储的前提下实现了实时存储的功能，保证了数据的高实时性;MEMS-IMU/里程计组合及综合校正算法的加入成功抑制了纯惯导系统误差的发散，提高了管道系统测绘的精度。上述办法的实施成功克服了测绘设备设计中的难点问题，并突出了本系统的创新之处。

　　参考文献:

　　[1]王良军，李强，梁菁嬿.长输管道内检测数据比对国内外现状及发展趋势[J].油气储运，2015，34(3):233-236.

　　[2]罗会久，孙斌，陈彬.管道内检测定位准确性的研究[J].科技信息，2013(6):455-456.

　　[3]许红，李著信，苏毅，等.管道内检测机器人定位技术研究现状与展望[J].机床与液压，2013，41(9):172-175.

　　[4]BRORSM.InertialILTresultsguiderepairandrisk-basedmitigationdecisions[J].Pipeline&GasJournal，2010，237(8):24-30.

　　作者：杨毅1，林斌1，娄高峰2