摘要:研究并實(shí)現(xiàn)基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)陀螺儀的高速數(shù)據(jù)的采集、多傳感器數(shù)據(jù)融合、高實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)讀取等功能的地下管線測(cè)繪系統(tǒng);并運(yùn)用管道測(cè)繪算法對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，最終得到測(cè)量管道的三維軌跡。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)以STM32芯片為核心主控，實(shí)現(xiàn)對(duì)MEMS陀螺儀高速數(shù)據(jù)的完整接收以及里程信息的同步測(cè)量，運(yùn)用MEMS-慣性測(cè)量單元(IMU)/里程計(jì)/不完全約束的組合定位算法對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)航解算，最終實(shí)現(xiàn)310m長度管道的定位誤差在0.15%以內(nèi)。

　　關(guān)鍵詞:管道測(cè)繪;微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)陀螺儀;STM32芯片;里程計(jì)

　　0引言

　　隨著管道運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，城市地下管線運(yùn)輸業(yè)也在不斷發(fā)展。目前由于管道位置信息不精準(zhǔn)，導(dǎo)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(cè)過程中探測(cè)方法的選擇和儀器參數(shù)設(shè)置等諸多因素的影響，同時(shí)現(xiàn)有地下管線資料過于陳舊，早已跟不上當(dāng)今時(shí)代發(fā)展的步伐，管線探測(cè)成果的精度不高或與現(xiàn)狀不符的情況經(jīng)常出現(xiàn)，這些因素都會(huì)造成對(duì)地下管線分布情況的誤判[3]。

　　在建設(shè)施工過程中，經(jīng)常因誤判而導(dǎo)致事故發(fā)生，損失慘重，嚴(yán)重影響了居民的日常生活以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[4，5]。此外由于前所未有的建設(shè)規(guī)模及短促的建設(shè)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(xiàn)象已經(jīng)在城市道路施工建設(shè)中普遍存在[6]。針對(duì)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(shè)計(jì)了基于微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanicalsystem，MEMS)陀螺儀的地下管線測(cè)繪裝置采用主動(dòng)式攜帶傳感器的測(cè)繪裝置在管道內(nèi)行進(jìn)的方法完成管道軌跡的測(cè)繪。

　　1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)對(duì)角速度、線加速度和里程數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)，然后采用管道測(cè)繪算法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)管道軌跡的測(cè)量。總體設(shè)計(jì)分為三部分:系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)和管道測(cè)繪算法組成。其中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證測(cè)繪裝置能在管道中順暢地行進(jìn)，同時(shí)考慮輪組設(shè)計(jì)，讓輪組與管道內(nèi)壁完整接觸同時(shí)避免輪子打滑;系統(tǒng)軟硬件部分包含數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)讀取模塊，將傳感器的原始數(shù)據(jù)完整地存儲(chǔ)與存儲(chǔ)介質(zhì)中;管道測(cè)繪算法，對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)管道的軌跡解算。

　　2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　2.1整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　MEMS陀螺儀測(cè)繪裝置分為測(cè)繪裝置主體、里程計(jì)輪組及支撐輪組三部分，各部分均為獨(dú)立模塊，測(cè)繪裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)集成化、模塊化。

　　3系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

　　在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮到數(shù)據(jù)的高速與高實(shí)時(shí)性，相應(yīng)地在軟件設(shè)計(jì)同樣需要滿足數(shù)據(jù)高速采集，高速存儲(chǔ)以及保證數(shù)據(jù)的高實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)的流程:先對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)讀取模塊，指示與開關(guān)模塊等初始化，當(dāng)MEMS陀螺儀或里程計(jì)開始發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，啟動(dòng)采集模塊，將采集的數(shù)據(jù)存放在FIFO隊(duì)列中，當(dāng)先入先出(firstin，firstout，F(xiàn)IFO)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)量超過一定量時(shí)，將FIFO里的數(shù)據(jù)寫入到SD卡中，接著不斷循環(huán)以上操作，將數(shù)據(jù)不斷寫入SD卡中直到關(guān)閉設(shè)備的電源開關(guān)，結(jié)束測(cè)量。當(dāng)測(cè)量結(jié)束后，可通過USB線與PC連接，實(shí)現(xiàn)將SD卡中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

　　3.1數(shù)據(jù)采集模塊

　　數(shù)據(jù)的采集包含兩部分:MEMS陀螺儀數(shù)據(jù)和里程計(jì)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)向外發(fā)送，在STM32端設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換電路，將422電平轉(zhuǎn)換為TTL電平，通過STM32的串口接收數(shù)據(jù);里程計(jì)數(shù)據(jù)采集部分通過霍爾傳感器，每當(dāng)感應(yīng)到輪子上的磁鐵時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)上升沿，通過STM32外部中斷捕捉上升沿記錄路程數(shù)據(jù)。

　　本文提出一種采集數(shù)據(jù)方式，采用串口空閑中斷與直接存儲(chǔ)器存取(directmemoryaccess，DMA)方式，串口空閑中斷是每當(dāng)接收到一幀數(shù)據(jù)后會(huì)出現(xiàn)空閑幀，此時(shí)STM32會(huì)判斷空閑幀從而觸發(fā)空閑中斷，對(duì)于高速數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性，但是由于一次采集數(shù)據(jù)量大，需要搬運(yùn)的時(shí)間長，導(dǎo)致占用CPU從而打亂了數(shù)據(jù)寫入SD卡，對(duì)此提出串口DMA接收數(shù)據(jù)，不占用CPU資源，這樣保證不會(huì)干擾數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。由于里程計(jì)的數(shù)據(jù)是以脈沖形式來記錄，檢測(cè)STM32的GPIO口為上升沿跳變時(shí)，STM32觸發(fā)外部中斷，在中斷中累計(jì)脈沖量，每一個(gè)脈沖量對(duì)應(yīng)1/4輪子周長，間接實(shí)現(xiàn)對(duì)里程數(shù)據(jù)的采集。

　　4管道測(cè)繪算法實(shí)現(xiàn)

　　MEMS陀螺儀以其體積小、價(jià)格低的優(yōu)勢(shì)非常適用于地下內(nèi)管線的測(cè)繪，但其傳感器本身精度偏低且捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(SINS)存在計(jì)算誤差的累積問題[10]。針對(duì)該問題，目前常用組合導(dǎo)航方法解決，將其他輔助導(dǎo)航方式與SINS組合在一起。輔助導(dǎo)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(shí)間內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本文采用MEMS-IMU/里程計(jì)/不完全約束的組合定位算法對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)航解算以提高系統(tǒng)精度。

　　5系統(tǒng)測(cè)試與誤差分析

　　5.1系統(tǒng)測(cè)試方法

　　具體使用步驟為:將設(shè)備開關(guān)打開，按照設(shè)備上標(biāo)注箭頭指向?qū)⒃O(shè)備塞入管道中至設(shè)備尾部與管口平齊，靜置1min，然后平穩(wěn)拉動(dòng)測(cè)繪裝置至其前端到達(dá)管道尾部;之后，靜置1min反向拉回，重復(fù)3次前述過程;最后，將設(shè)備取出關(guān)機(jī)，通過數(shù)據(jù)線將設(shè)備接入電腦，用離線分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算處理，繪制地下管線圖。

　　科技論文投稿期刊：江蘇科技信息創(chuàng)刊23年來，秉承“科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、誠信”的辦刊方針，“院士話題”“自主創(chuàng)新”“申報(bào)指南”“知識(shí)產(chǎn)權(quán)”“科技金融街”“公共服務(wù)平臺(tái)”“民企在線”“地方科技”“管理論壇”“研究與交流”等特色專欄一直深受廣大讀者好評(píng)。

　　6結(jié)論

　　基于MEMS陀螺儀的地下管線測(cè)繪裝置采用主動(dòng)式攜帶傳感器的測(cè)繪裝置在管道內(nèi)行進(jìn)的方法完成管道軌跡的測(cè)繪。測(cè)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(yīng)測(cè)繪裝置輪組上的磁鐵采集里程信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集與實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，然后采用捷聯(lián)慣導(dǎo)改進(jìn)算法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)管道軌跡的測(cè)量。測(cè)繪裝置的硬件電路設(shè)計(jì)滿足了高速率、高實(shí)時(shí)性等性能要求;在軟件設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)高速采集，在保證數(shù)據(jù)完整存儲(chǔ)的前提下實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的功能，保證了數(shù)據(jù)的高實(shí)時(shí)性;MEMS-IMU/里程計(jì)組合及綜合校正算法的加入成功抑制了純慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差的發(fā)散，提高了管道系統(tǒng)測(cè)繪的精度。上述辦法的實(shí)施成功克服了測(cè)繪設(shè)備設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)問題，并突出了本系統(tǒng)的創(chuàng)新之處。

　　參考文獻(xiàn):

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　　作者：楊毅1，林斌1，婁高峰2