摘要:研究并實現基于微機電系統(MEMS)陀螺儀的高速數據的采集、多傳感器數據融合、高實時數據的存儲以及數據讀取等功能的地下管線測繪系統;并運用管道測繪算法對讀取的數據進行解算，最終得到測量管道的三維軌跡。所設計的系統以STM32芯片為核心主控，實現對MEMS陀螺儀高速數據的完整接收以及里程信息的同步測量，運用MEMS-慣性測量單元(IMU)/里程計/不完全約束的組合定位算法對讀取的數據進行導航解算，最終實現310m長度管道的定位誤差在0.15%以內。

　　關鍵詞:管道測繪;微機電系統(MEMS)陀螺儀;STM32芯片;里程計

　　0引言

　　隨著管道運輸業的快速發展，城市地下管線運輸業也在不斷發展。目前由于管道位置信息不精準，導致多次開挖，破壞管道甚至造成重大的安全事故等問題[1，2]。管線管理存在不合理問題以及管線探測過程中探測方法的選擇和儀器參數設置等諸多因素的影響，同時現有地下管線資料過于陳舊，早已跟不上當今時代發展的步伐，管線探測成果的精度不高或與現狀不符的情況經常出現，這些因素都會造成對地下管線分布情況的誤判[3]。

　　在建設施工過程中，經常因誤判而導致事故發生，損失慘重，嚴重影響了居民的日常生活以及社會經濟的發展[4，5]。此外由于前所未有的建設規模及短促的建設周期，城市地下管線工程的問題也逐漸暴露，頻繁開挖道路檢修管線的現象已經在城市道路施工建設中普遍存在[6]。針對這些城市的地下管線問題，獲取地下管道精確的位置信息具有重大意義[7～9]。本文設計了基于微機電系統(micro-electro-mechanicalsystem，MEMS)陀螺儀的地下管線測繪裝置采用主動式攜帶傳感器的測繪裝置在管道內行進的方法完成管道軌跡的測繪。

　　1系統總體方案設計

　　系統中的MEMS陀螺儀采集三軸角速度和三軸加速度、霍爾傳感器，實現對角速度、線加速度和里程數據的采集與存儲，然后采用管道測繪算法對采集的數據進行處理，從而實現管道軌跡的測量�？傮w設計分為三部分:系統結構設計、系統軟硬件設計和管道測繪算法組成。其中，結構設計保證測繪裝置能在管道中順暢地行進，同時考慮輪組設計，讓輪組與管道內壁完整接觸同時避免輪子打滑;系統軟硬件部分包含數據采集模塊、數據存儲模塊和數據讀取模塊，將傳感器的原始數據完整地存儲與存儲介質中;管道測繪算法，對存儲的數據進行處理，實現管道的軌跡解算。

　　2系統結構設計

　　2.1整體結構設計

　　MEMS陀螺儀測繪裝置分為測繪裝置主體、里程計輪組及支撐輪組三部分，各部分均為獨立模塊，測繪裝置整體結構設計實現集成化、模塊化。

　　3系統軟硬件設計

　　在硬件系統設計時考慮到數據的高速與高實時性，相應地在軟件設計同樣需要滿足數據高速采集，高速存儲以及保證數據的高實時性。系統軟硬件設計的流程:先對數據采集模塊，數據存儲模塊、數據讀取模塊，指示與開關模塊等初始化，當MEMS陀螺儀或里程計開始發送數據時，啟動采集模塊，將采集的數據存放在FIFO隊列中，當先入先出(firstin，firstout，FIFO)隊列中的數據量超過一定量時，將FIFO里的數據寫入到SD卡中，接著不斷循環以上操作，將數據不斷寫入SD卡中直到關閉設備的電源開關，結束測量。當測量結束后，可通過USB線與PC連接，實現將SD卡中的數據導出。

　　3.1數據采集模塊

　　數據的采集包含兩部分:MEMS陀螺儀數據和里程計數據采集。其中MEMS陀螺儀以921600bps的波特率采用422電平形式每秒500幀數據向外發送，在STM32端設計電平轉換電路，將422電平轉換為TTL電平，通過STM32的串口接收數據;里程計數據采集部分通過霍爾傳感器，每當感應到輪子上的磁鐵時會產生一個上升沿，通過STM32外部中斷捕捉上升沿記錄路程數據。

　　本文提出一種采集數據方式，采用串口空閑中斷與直接存儲器存取(directmemoryaccess，DMA)方式，串口空閑中斷是每當接收到一幀數據后會出現空閑幀，此時STM32會判斷空閑幀從而觸發空閑中斷，對于高速數據的采集，此中斷方式比一般串口中斷更加高效，而且可保證數據實時性，但是由于一次采集數據量大，需要搬運的時間長，導致占用CPU從而打亂了數據寫入SD卡，對此提出串口DMA接收數據，不占用CPU資源，這樣保證不會干擾數據的存儲。由于里程計的數據是以脈沖形式來記錄，檢測STM32的GPIO口為上升沿跳變時，STM32觸發外部中斷，在中斷中累計脈沖量，每一個脈沖量對應1/4輪子周長，間接實現對里程數據的采集。

　　4管道測繪算法實現

　　MEMS陀螺儀以其體積小、價格低的優勢非常適用于地下內管線的測繪，但其傳感器本身精度偏低且捷聯慣導系統(SINS)存在計算誤差的累積問題[10]。針對該問題，目前常用組合導航方法解決，將其他輔助導航方式與SINS組合在一起。輔助導航由于不具有誤差振蕩及累積方式，可以校正SINS的誤差，維持長時間內導航系統的穩定性，本文采用MEMS-IMU/里程計/不完全約束的組合定位算法對讀取的數據進行導航解算以提高系統精度。

　　5系統測試與誤差分析

　　5.1系統測試方法

　　具體使用步驟為:將設備開關打開，按照設備上標注箭頭指向將設備塞入管道中至設備尾部與管口平齊，靜置1min，然后平穩拉動測繪裝置至其前端到達管道尾部;之后，靜置1min反向拉回，重復3次前述過程;最后，將設備取出關機，通過數據線將設備接入電腦，用離線分析軟件對數據進行解算處理，繪制地下管線圖。

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　　6結論

　　基于MEMS陀螺儀的地下管線測繪裝置采用主動式攜帶傳感器的測繪裝置在管道內行進的方法完成管道軌跡的測繪。測繪裝置攜帶MEMS陀螺儀采集高速的三軸角速度和三軸加速度、霍爾傳感器感應測繪裝置輪組上的磁鐵采集里程信號，實現數據的高速采集與實時存儲，然后采用捷聯慣導改進算法對采集的數據進行處理，從而實現管道軌跡的測量。測繪裝置的硬件電路設計滿足了高速率、高實時性等性能要求;在軟件設計中，實現了數據高速采集，在保證數據完整存儲的前提下實現了實時存儲的功能，保證了數據的高實時性;MEMS-IMU/里程計組合及綜合校正算法的加入成功抑制了純慣導系統誤差的發散，提高了管道系統測繪的精度。上述辦法的實施成功克服了測繪設備設計中的難點問題，并突出了本系統的創新之處。

　　參考文獻:

　　[1]王良軍，李強，梁菁嬿.長輸管道內檢測數據比對國內外現狀及發展趨勢[J].油氣儲運，2015，34(3):233-236.

　　[2]羅會久，孫斌，陳彬.管道內檢測定位準確性的研究[J].科技信息，2013(6):455-456.

　　[3]許紅，李著信，蘇毅，等.管道內檢測機器人定位技術研究現狀與展望[J].機床與液壓，2013，41(9):172-175.

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

　　作者：楊毅1，林斌1，婁高峰2