陀螺儀軌跡法長(zhǎng)距離管道測(cè)量精度實(shí)測(cè)分析

陀螺儀軌跡法用于非開(kāi)挖管道的精準(zhǔn)坐標(biāo)與位置測(cè)量已被電力與燃?xì)獾刃袠I(yè)逐步了解與接受，近兩年不斷被引入到城市地下管線探測(cè)及電力與燃?xì)夤艿莉?yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中。由于管道埋于地下往往不能眼見(jiàn)為實(shí)，作為一種新的測(cè)量方式，其測(cè)量結(jié)果往往不能讓人心里踏實(shí)。作為國(guó)產(chǎn)管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x的代表廠家，這一次我們應(yīng)邀經(jīng)歷嚴(yán)格的考驗(yàn)，在某大型燃?xì)饧瘓F(tuán)的組織下，與進(jìn)口儀器進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋葘?duì)，反饋很好，獲得高度肯定。這次也刷新了測(cè)量里程紀(jì)錄，達(dá)到1706米的長(zhǎng)距測(cè)量。

此次比對(duì)，我們挑選了三個(gè)地方不同長(zhǎng)度的四條管道，每條管道往返測(cè)量2-4次，管口與管尾管道中心坐標(biāo)由差分GNSS接收機(jī)測(cè)量獲得。測(cè)量所得成果坐標(biāo)與進(jìn)口管道陀螺儀及導(dǎo)向數(shù)據(jù)比對(duì)，結(jié)果由客戶綜合評(píng)估。下面對(duì)我們儀器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行展示與重復(fù)性分析，請(qǐng)耐心閱讀！

管道1——張家港190米PE管（DE200）

該管用大鐵檢測(cè)600米量程儀器DT-GXY-200B進(jìn)行測(cè)量，共測(cè)得4個(gè)來(lái)回，由于沒(méi)有卷?yè)P(yáng)機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)為人工牽引，因此工程操作不是特別理想，會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定影響。

圖1.： 水平大偏差處放大圖&高程大偏差放大圖

4個(gè)來(lái)回共有3個(gè)來(lái)回可解算，解得6條管道中心軌跡，水平大偏差0.34米，高程大偏差0.08米，均在精度標(biāo)稱范圍內(nèi)（水平：±0.25±90*0.2%=±0.43米；高程：±0.20±90*0.1%=±0.29米）。為提高置信度，以6條軌跡擬合作為成果輸出，得到管道長(zhǎng)度為190.13米，深處高程為-0.18米（注：管頭高程6.07米，管尾高程5.74米）。

其中一個(gè)來(lái)回?cái)?shù)據(jù)不可解算，是因?yàn)楦鱾€(gè)輪系未貼緊管壁，在行進(jìn)過(guò)程均不能正常測(cè)量里程，因此數(shù)據(jù)無(wú)效，不能正常解算。

從以下各趟里程測(cè)量示意圖可體現(xiàn)：

圖2：1個(gè)來(lái)回里程曲線圖

1個(gè)來(lái)回從里程曲線可明顯看到各個(gè)輪系未貼緊管壁，在行進(jìn)過(guò)程均不能正常測(cè)量里程，因此數(shù)據(jù)無(wú)效，不能正常解算。

圖3： 第二個(gè)來(lái)回里程曲線圖

第二個(gè)來(lái)回有中途停頓，會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定影響，但是影響較小，說(shuō)明算法有較好的誤差消除能力。

圖4： 第三個(gè)來(lái)回里程曲線圖

由于是PE管,所以內(nèi)部存在明顯的焊縫突起,但整體離散度控制不錯(cuò),說(shuō)明算法對(duì)過(guò)焊縫沖擊控制效果很好.

管道2——吳江421米鋼管(DN200)

該管用大鐵檢測(cè)600米量程儀器DT-GXY-200B進(jìn)行測(cè)量，共測(cè)得3個(gè)來(lái)回，以卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引，整體操作規(guī)范，第二個(gè)來(lái)回輪系密貼性稍差。

圖5：水平大偏差處放大圖&高程大偏差放大圖

3個(gè)來(lái)回均可解算，解得6條管道中心軌跡，水平大偏差0.65米，高程大偏差0.32米，均在精度標(biāo)稱范圍內(nèi)（水平：±0.25±321*0.2%=±0.89米；高程：±0.20±321*0.1%=±0.52米）。為提高置信度，以6條軌跡擬合作為成果輸出，得到管道長(zhǎng)度為421.72米，深處高程為-8.09米（注：管頭高程3.29米，管尾高程3.16米）。

管道3——吳江156米鋼管(DN200)

該管用大鐵檢測(cè)600米量程儀器DT-GXY-200B進(jìn)行測(cè)量，共測(cè)得2個(gè)來(lái)回，以卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引，整體操作規(guī)范。

2個(gè)來(lái)回均可解算，解得4條管道中心軌跡，水平大偏差0.32米，高程大偏差小于0.067米，均在精度標(biāo)稱范圍內(nèi)（水平：±0.25±56*0.2%=±0.36米；高程：±0.20±56*0.1%=±0.26米）。以4條軌跡擬合作為成果輸出，得到管道長(zhǎng)度為156.44米，深處高程為-4.89米（注：管頭高程1.84米，管尾高程1.54米）。

管道4——清遠(yuǎn)1706米高壓鋼管

該管用大鐵檢測(cè)*程的兩款儀器DT-GXY-200A共測(cè)量2個(gè)來(lái)回，以卷?yè)P(yáng)機(jī)進(jìn)行牽引測(cè)量，耗時(shí)從3770秒——4242秒不等，操作過(guò)程規(guī)范，由于落差大，牽引速度較慢，對(duì)解算精度有一定影響，2個(gè)來(lái)回的數(shù)據(jù)均可解算。

圖8：水平大偏差放大圖&高程大偏差放大圖

測(cè)量2個(gè)來(lái)回解算得出4條管道中心軌跡，4條軌跡水平大偏差為3.41米；高程大偏差為0.26米，均在精度標(biāo)稱范圍內(nèi)（水平：±0.15±1606*0.15%=±2.559米；高程：±0.10±1606*0.08%=±1.38米），為提高置信度，以4條軌跡擬合作為成果輸出，得出管道長(zhǎng)度為1706.58米，深處高程為-69.86米（注：管頭高程1.90米，管尾高程1.69米。）。

總結(jié)

以上四條管道，長(zhǎng)度從156米——1706米，管徑從200mm到406mm，有PE管和鋼管，覆蓋了燃?xì)忸I(lǐng)域短距離、中等距離及超長(zhǎng)距離等常見(jiàn)的待測(cè)管道。測(cè)量過(guò)程規(guī)范流暢，且每條管都保證了2次以上的測(cè)量次數(shù)，全部11個(gè)測(cè)量來(lái)回除1個(gè)來(lái)回的數(shù)據(jù)無(wú)效外其它所有測(cè)量來(lái)回?cái)?shù)據(jù)均有效，數(shù)據(jù)質(zhì)量高，非常有利于儀器性能分析。結(jié)果表明，儀器的實(shí)測(cè)結(jié)果達(dá)到了標(biāo)稱精度，數(shù)據(jù)具有很好的完整性與溯源性，可作為內(nèi)外部評(píng)估儀器性能的重要依據(jù)。

誤差源分析

慣導(dǎo)三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x（俗稱管線陀螺儀）內(nèi)置慣性測(cè)量單元（IMU）、里程計(jì)和數(shù)據(jù)記錄儀，在被測(cè)管道中穿行而過(guò)，測(cè)量和記錄載體的三軸角速度、加速度及前進(jìn)/后退距離。在給定起、終點(diǎn)三維坐標(biāo)的情況下，對(duì)IMU、里程計(jì)和坐標(biāo)點(diǎn)等多源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，解算管線儀的運(yùn)動(dòng)軌跡；從而推算管道的三維位置坐標(biāo)和姿態(tài)。管線儀的主要誤差源有：

1）慣性測(cè)量單元（核心器件,簡(jiǎn)稱IMU）的精度等級(jí)及穩(wěn)定性；

慣性傳感器精度（如IMU的陀螺零偏及零偏穩(wěn)定性）從根本上決定了管線儀的終測(cè)量精度。慣性導(dǎo)航定位隨著測(cè)量時(shí)間和距離的增加而發(fā)散，因此測(cè)量時(shí)間越長(zhǎng)，誤差越大。

2）精密機(jī)械結(jié)構(gòu)工藝；

產(chǎn)品在行走過(guò)程中的直線性、流暢性、平穩(wěn)性會(huì)對(duì)測(cè)量精度有一定影響。

3）數(shù)據(jù)采集過(guò)程誤差：包括操作規(guī)范性，測(cè)量過(guò)程流暢度，行走支架調(diào)節(jié)是否合適等；

管口靜止穩(wěn)定性，管口靜止時(shí)長(zhǎng)，輪系行走密貼，焊縫沖擊，輪子空轉(zhuǎn)，管道內(nèi)螺旋式行走等，里程實(shí)際測(cè)量誤差及重復(fù)性等工程因素都會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生一定影響。

4）解算算法；

解算算法對(duì)工程操作過(guò)程中出現(xiàn)的一些不可控因素的容錯(cuò)消除也是提高整體測(cè)量精度的重要措施之一。特別在電力管道測(cè)量中，由于管道變形，1個(gè)輪子甚至2個(gè)輪子不能密貼管壁得情況較為常見(jiàn)；有些管道焊縫凸起比較高，會(huì)對(duì)測(cè)量過(guò)程中的儀器產(chǎn)生較大的沖擊；更有甚者，有些管道通過(guò)性差，暫時(shí)停頓甚至倒退再前進(jìn)的情況也偶有發(fā)生；大鐵檢測(cè)管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x對(duì)這些狀況進(jìn)行充分考慮，以1進(jìn)行容錯(cuò)，以保證測(cè)量過(guò)程中數(shù)據(jù)有效性。