陀螺儀軌跡法長(cháng)距離管道測量精度實(shí)測分析

陀螺儀軌跡法用于非開(kāi)挖管道的精準坐標與位置測量已被電力與燃氣等行業(yè)逐步了解與接受，近兩年不斷被引入到城市地下管線(xiàn)探測及電力與燃氣管道驗收標準中。由于管道埋于地下往往不能眼見(jiàn)為實(shí)，作為一種新的測量方式，其測量結果往往不能讓人心里踏實(shí)。作為國產(chǎn)管道三維姿態(tài)測量?jì)x的代表廠(chǎng)家，這一次我們應邀經(jīng)歷嚴格的考驗，在某大型燃氣集團的組織下，與進(jìn)口儀器進(jìn)行了嚴謹的比對，反饋很好，獲得高度肯定。這次也刷新了測量里程紀錄，達到1706米的長(cháng)距測量。

此次比對，我們挑選了三個(gè)地方不同長(cháng)度的四條管道，每條管道往返測量2-4次，管口與管尾管道中心坐標由差分GNSS接收機測量獲得。測量所得成果坐標與進(jìn)口管道陀螺儀及導向數據比對，結果由客戶(hù)綜合評估。下面對我們儀器測量數據進(jìn)行展示與重復性分析，請耐心閱讀！

管道1——張家港190米PE管（DE200）

該管用大鐵檢測600米量程儀器DT-GXY-200B進(jìn)行測量，共測得4個(gè)來(lái)回，由于沒(méi)有卷?yè)P機，現場(chǎng)為人工牽引，因此工程操作不是特別理想，會(huì )對測量結果產(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，均在精度標稱(chēng)范圍內（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(cháng)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)回數據不可解算，是因為各個(gè)輪系未貼緊管壁，在行進(jìn)過(guò)程均不能正常測量里程，因此數據無(wú)效，不能正常解算。

從以下各趟里程測量示意圖可體現：

圖2：1個(gè)來(lái)回里程曲線(xiàn)圖

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

圖3： 第二個(gè)來(lái)回里程曲線(xiàn)圖

第二個(gè)來(lái)回有中途停頓，會(huì )對結果產(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(xiàn)圖

由于是PE管,所以?xún)炔看嬖诿黠@的焊縫突起,但整體離散度控制不錯,說(shuō)明算法對過(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600米量程儀器DT-GXY-200B進(jìn)行測量，共測得3個(gè)來(lái)回，以卷?yè)P機牽引，整體操作規范，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，均在精度標稱(chēng)范圍內（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(cháng)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600米量程儀器DT-GXY-200B進(jìn)行測量，共測得2個(gè)來(lái)回，以卷?yè)P機牽引，整體操作規范。

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，均在精度標稱(chēng)范圍內（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(cháng)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1706米高壓鋼管

該管用大鐵檢測*程的兩款儀器DT-GXY-200A共測量2個(gè)來(lái)回，以卷?yè)P機進(jìn)行牽引測量，耗時(shí)從3770秒——4242秒不等，操作過(guò)程規范，由于落差大，牽引速度較慢，對解算精度有一定影響，2個(gè)來(lái)回的數據均可解算。

圖8：水平大偏差放大圖&高程大偏差放大圖

測量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，均在精度標稱(chēng)范圍內（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(cháng)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

以上四條管道，長(cháng)度從156米——1706米，管徑從200mm到406mm，有PE管和鋼管，覆蓋了燃氣領(lǐng)域短距離、中等距離及超長(cháng)距離等常見(jiàn)的待測管道。測量過(guò)程規范流暢，且每條管都保證了2次以上的測量次數，全部11個(gè)測量來(lái)回除1個(gè)來(lái)回的數據無(wú)效外其它所有測量來(lái)回數據均有效，數據質(zhì)量高，非常有利于儀器性能分析。結果表明，儀器的實(shí)測結果達到了標稱(chēng)精度，數據具有很好的完整性與溯源性，可作為內外部評估儀器性能的重要依據。

誤差源分析

慣導三維姿態(tài)測量?jì)x（俗稱(chēng)管線(xiàn)陀螺儀）內置慣性測量單元（IMU）、里程計和數據記錄儀，在被測管道中穿行而過(guò)，測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)三維坐標的情況下，對IMU、里程計和坐標點(diǎn)等多源數據進(jìn)行融合，解算管線(xiàn)儀的運動(dòng)軌跡；從而推算管道的三維位置坐標和姿態(tài)。管線(xiàn)儀的主要誤差源有：

1）慣性測量單元（核心器件,簡(jiǎn)稱(chēng)IMU）的精度等級及穩定性；

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

2）精密機械結構工藝；

產(chǎn)品在行走過(guò)程中的直線(xiàn)性、流暢性、平穩性會(huì )對測量精度有一定影響。

3）數據采集過(guò)程誤差：包括操作規范性，測量過(guò)程流暢度，行走支架調節是否合適等；

管口靜止穩定性，管口靜止時(shí)長(cháng)，輪系行走密貼，焊縫沖擊，輪子空轉，管道內螺旋式行走等，里程實(shí)際測量誤差及重復性等工程因素都會(huì )對測量精度產(chǎn)生一定影響。

4）解算算法；

解算算法對工程操作過(guò)程中出現的一些不可控因素的容錯消除也是提高整體測量精度的重要措施之一。特別在電力管道測量中，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 )對測量過(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；大鐵檢測管道三維姿態(tài)測量?jì)x對這些狀況進(jìn)行充分考慮，以1進(jìn)行容錯，以保證測量過(guò)程中數據有效性。