本發(fā)明涉及的是一種小徑管道缺陷檢測(cè)定位方法，特別是一種小徑管道缺陷檢測(cè)定位用中慣性傳感器的選型方法。

背景技術(shù)：

城市地下管道是實(shí)現(xiàn)城市居民用水、燃?xì)饧俺鞘形鬯?、廢物排放的主要通道。在部分老城區(qū)，很多管道都已經(jīng)達(dá)到或超過了設(shè)計(jì)壽命，亟需檢測(cè)維修以期延長其安全運(yùn)行周期。與此同時(shí)，隨著城市地鐵建設(shè)和城市規(guī)劃的進(jìn)行，城市地下管道的分布情況為地鐵等建設(shè)規(guī)劃提供極大便利。與長距離運(yùn)輸管道相比，城市地下管道具有內(nèi)徑小、距離短、地表建筑密集等特點(diǎn)，使得傳統(tǒng)的管道外檢測(cè)設(shè)備和大口徑管道內(nèi)檢測(cè)設(shè)備無法完成對(duì)城市地下管道的有效檢測(cè)。然而，近年來因城市燃?xì)庑孤?、油管爆炸等造成的人民?cái)產(chǎn)受損，甚至生命安全受到威脅的事件時(shí)有發(fā)生。因此，根據(jù)被檢測(cè)管道的鋪設(shè)狀況設(shè)計(jì)合理的管道檢測(cè)裝置并完成管道的檢測(cè)和維修任務(wù)成了當(dāng)前的重要任務(wù)。

由mems慣性傳感器構(gòu)成的慣性輔助小徑管道定位系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)管道缺陷定位及管道變型檢測(cè)的核心組成部分。但是，由于小徑管道定位系統(tǒng)采用的mems慣性測(cè)量單元精度普遍較低，慣性輔助管道定位系統(tǒng)的定位誤差和方位角誤差是隨著被檢測(cè)管道距離的增加而逐漸累積發(fā)散嚴(yán)重。通常情況下，管道測(cè)量裝置四周安裝的里程儀及其在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)的非完整性約束能為慣性輔助管道定位系統(tǒng)提供連續(xù)三維速度誤差修正。同時(shí)，沿被檢測(cè)管道每隔一定距離且位置已知的地表標(biāo)記可為慣性輔助管道定位系統(tǒng)提供離散三維位置誤差修正。此外，由管道連接器管道檢測(cè)結(jié)果可為小體積低精度mems構(gòu)成的慣性輔助定位系統(tǒng)在直管道進(jìn)行方位角和俯仰角誤差修正。最終，采用kalman濾波估計(jì)技術(shù)和數(shù)據(jù)離線平滑處理技術(shù)在正反兩個(gè)方向?qū)崿F(xiàn)對(duì)慣性傳感器誤差和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差的估計(jì)和補(bǔ)償。

在采用管道測(cè)量裝置進(jìn)行管道檢測(cè)前，需要根據(jù)被檢測(cè)管道的管內(nèi)徑大小、管內(nèi)傳輸物質(zhì)、管內(nèi)壓力及流速等不同選擇既成本低又能滿足管道檢測(cè)定位精度需求的慣性傳感器。目前，市場(chǎng)上可用的慣性傳感器精度和其體積成正比例關(guān)系，而管道檢測(cè)用慣性傳感器精度必然受到管道內(nèi)徑的限制。與此同時(shí)，由于管道測(cè)量裝置的橫滾運(yùn)動(dòng)也會(huì)對(duì)慣性測(cè)量單元各個(gè)軸的誤差源產(chǎn)生不同的影響。因此，根據(jù)不同的管道檢測(cè)需求，合理制定相關(guān)的檢測(cè)方案并制定和設(shè)計(jì)有效的管道檢測(cè)裝置成為了實(shí)施管道檢測(cè)任務(wù)前的一項(xiàng)重要工作。其中，為管道檢測(cè)裝置選擇合理有效的管道缺陷檢測(cè)定位用慣性傳感器成為了此項(xiàng)工作中的重中之重。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠確定適合小徑管道缺陷檢測(cè)定位用的慣性傳感器的小徑管道缺陷檢測(cè)定位用慣性傳感器選型方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

步驟1，獲取被檢測(cè)管道的分布信息和內(nèi)徑大?。?/p>

步驟2，根據(jù)被檢測(cè)管道的內(nèi)徑和可供選擇的慣性傳感器或慣性測(cè)量單元，粗略確定慣性傳感器體積和精度范圍；

步驟3，獲取被檢測(cè)管道管內(nèi)傳輸物質(zhì)、管內(nèi)壓力和流速，確定所涉及的管道測(cè)量裝置在管道內(nèi)運(yùn)行的軸向速度范圍以及管道測(cè)量裝置在管道內(nèi)橫滾運(yùn)動(dòng)的角速率范圍；

步驟4，根據(jù)管道測(cè)量裝置在管道內(nèi)的橫滾運(yùn)動(dòng)角速度范圍，對(duì)管道檢測(cè)用慣性測(cè)量單元中各個(gè)軸主要誤差源進(jìn)行分析；

步驟5，根據(jù)步驟4的分析結(jié)果，確定管道測(cè)量裝置橫滾運(yùn)動(dòng)對(duì)慣性測(cè)量單元各個(gè)軸誤差源的影響程度，進(jìn)而對(duì)不同軸慣性傳感器的最終決定做出判斷；

步驟6，根據(jù)管道測(cè)量裝置設(shè)計(jì)預(yù)算、慣性傳感器安裝以及最終的精度指標(biāo)，確定管道檢測(cè)用慣性傳感器各個(gè)軸精度指標(biāo)，完成對(duì)小徑管道缺陷檢測(cè)定位用慣性傳感器定型。

本發(fā)明還可以包括：

1、所述主要誤差源包括陀螺儀零偏、陀螺儀刻度系數(shù)誤差、加速度計(jì)零偏和加速度計(jì)刻度系數(shù)誤差。

2、所述對(duì)管道檢測(cè)用慣性測(cè)量單元中各個(gè)軸主要誤差源進(jìn)行分析具體包括：

(1)陀螺儀零偏誤差：

x軸和z軸陀螺儀零偏因管道測(cè)量裝置在管道內(nèi)的橫滾運(yùn)動(dòng)調(diào)制成正弦或余弦形式，在整數(shù)圈的時(shí)間內(nèi)積分為零，消除了x軸和z軸陀螺儀零偏誤差對(duì)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的影響；y軸陀螺儀零偏誤差不因管道測(cè)量裝置的橫滾運(yùn)動(dòng)得到有效地調(diào)制，在長時(shí)間的管道檢測(cè)定位任務(wù)中，x軸和z軸陀螺儀漂移引起的定位誤差隨著管道測(cè)量裝置在管道內(nèi)的橫滾運(yùn)動(dòng)而降低，y軸陀螺漂移引起的導(dǎo)航誤差作為管道檢測(cè)定位中的誤差源；

(2)陀螺儀刻度系數(shù)誤差：

在oxnynzn系東向，x軸和z軸陀螺儀刻度系數(shù)誤差受到二倍橫滾角速率的正弦調(diào)制作用和受到正弦旋轉(zhuǎn)角速率的平方項(xiàng)調(diào)制作用，降低這兩個(gè)軸向上陀螺儀刻度系數(shù)誤差對(duì)管道慣性定位系統(tǒng)誤差的影響；對(duì)y軸陀螺儀刻度系數(shù)誤差引起的等效陀螺儀零偏誤差與橫滾運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)角速率成正比，隨管道測(cè)量裝置旋轉(zhuǎn)角速率越大，由y軸刻度系數(shù)誤差引起的等效陀螺儀漂移誤差越大；

系北向，x軸和z軸陀螺儀刻度系數(shù)誤差引起的等效陀螺儀漂移誤差受到二倍橫滾角速率的正弦調(diào)制作用和正弦旋轉(zhuǎn)角速率的平方項(xiàng)調(diào)制作用，能抑制由這兩個(gè)方向陀螺儀刻度系數(shù)誤差引起的管道慣性定位系統(tǒng)誤差；y軸陀螺儀刻度系數(shù)誤差呈現(xiàn)與刻度系數(shù)誤差成正比的誤差傳播規(guī)律；

在天向方向，x軸和z軸陀螺儀刻度系數(shù)誤差受到正弦旋轉(zhuǎn)角速率的平方項(xiàng)調(diào)制作用，抑制了由此引起的等效陀螺漂移和導(dǎo)航定位誤差；y軸陀螺儀刻度系數(shù)誤差引起的等效陀螺漂移誤差與管道測(cè)量裝置橫滾旋轉(zhuǎn)的角速度成正比例關(guān)系；

(3)加速度計(jì)零偏誤差：

x軸和z軸加速度計(jì)零偏誤差因?yàn)楣艿罍y(cè)量裝置在管道內(nèi)的橫滾運(yùn)動(dòng)被調(diào)制成正弦形式，在整數(shù)圈旋轉(zhuǎn)的時(shí)間內(nèi)因?yàn)檎倚?yīng)平均為零，即消除了x軸和z軸加速度計(jì)零偏誤差對(duì)管道慣性定位系統(tǒng)的影響；y軸加速度計(jì)零偏誤差不因橫滾運(yùn)動(dòng)得到有效調(diào)制，仍然按照原來的誤差特性進(jìn)行傳播，為管道檢測(cè)定位中的誤差源；

(4)加速度計(jì)刻度系數(shù)誤差：

在oxnynzn系東向方向，x軸和z軸加速度計(jì)刻度系數(shù)誤差受到二倍橫滾角速率的正弦調(diào)制作用和正弦旋轉(zhuǎn)角速率的平方項(xiàng)調(diào)制作用，削弱了這兩個(gè)軸向加速度計(jì)刻度系數(shù)誤差對(duì)管道慣性定位系統(tǒng)定位誤差的影響；y軸加速度計(jì)刻度系數(shù)誤差帶來的等效加速度計(jì)誤差與管道測(cè)量裝置橫滾運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)角速率成正比；

系北向，x軸和z軸加速度計(jì)刻度系數(shù)誤差引起的等效加速度計(jì)零偏誤差受到二倍橫滾角速率的正弦調(diào)制作用和正弦旋轉(zhuǎn)角速率的平方項(xiàng)調(diào)制作用，能抑制由這兩個(gè)方向加速度計(jì)刻度系數(shù)誤差引起的管道慣性定位系統(tǒng)定位誤差；在管道測(cè)量裝置橫滾運(yùn)動(dòng)下，y軸加速度計(jì)刻度系數(shù)引起的管道測(cè)量裝置定位誤差呈現(xiàn)與刻度系數(shù)誤差成正比的誤差傳播規(guī)律；

在天向方向，x軸和z軸加速度計(jì)刻度系數(shù)誤差受到正弦旋轉(zhuǎn)角速率的平方項(xiàng)調(diào)制作用，抑制了由此引起的等效加速度計(jì)零偏誤差和管道慣性定位系統(tǒng)定位誤差；y軸加速度計(jì)刻度系數(shù)誤差帶來的等效加速度計(jì)零偏誤差與管道測(cè)量裝置橫滾旋轉(zhuǎn)角速度成正比。

本發(fā)明提出了一種小徑管道缺陷檢測(cè)定位用慣性傳感器選型方法。本發(fā)明所涉及的小徑管道缺陷檢測(cè)定位用慣性傳感器是基于目前常用的圓柱型管道缺陷定位裝置的。此裝置主要由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元a、數(shù)據(jù)處理單元b、mems捷聯(lián)慣性測(cè)量單元c和電源模塊d四大部分封閉而成。此外，為了實(shí)現(xiàn)管道缺陷定位裝置在管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，裝置還包括跟蹤模塊1、里程儀2、管道缺陷檢測(cè)傳感器3、塑料密封圈4及支撐輪5。mems慣性測(cè)量單元c中的陀螺儀和加速度計(jì)測(cè)量管道測(cè)量裝置在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)角速度和線性加速度，里程儀2測(cè)量管道測(cè)量裝置在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)的軸向速度，跟蹤模塊用于記錄通過地表磁標(biāo)記的時(shí)間和位置，并與地表跟蹤設(shè)備連接實(shí)時(shí)監(jiān)控管道測(cè)量裝置的大致位置。管道缺陷檢測(cè)傳感器3根據(jù)檢測(cè)管道缺陷類型(腐蝕、裂紋、凹陷等)和運(yùn)輸物質(zhì)類型(氣體、液體等)采用超聲波傳感器或漏磁檢測(cè)傳感器。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元a和數(shù)據(jù)處理單元b實(shí)現(xiàn)檢測(cè)傳感器數(shù)據(jù)和管道定位傳感器數(shù)據(jù)的簡單處理和有效存儲(chǔ)。電源模塊d保障整個(gè)系統(tǒng)的電力供應(yīng)，塑料密封圈4及支撐輪(5)保證整個(gè)管道測(cè)量裝置在其兩端的壓差下在管道內(nèi)正常運(yùn)行。

mems慣性測(cè)量單元作為實(shí)現(xiàn)管道缺陷檢測(cè)定位的核心組成部分。在慣性傳感器選型上主要分為兩個(gè)步驟：

第一步：根據(jù)被檢測(cè)管道的內(nèi)徑大小來粗略選擇管道檢測(cè)用慣性傳感器。

首先，通過查閱被檢測(cè)管道的檔案，了解被檢測(cè)管道的管道內(nèi)徑、管道長度、管道分支以及連接器等情況。然后，根據(jù)被檢測(cè)管道的內(nèi)徑大小來確定合適的慣性傳感器或者慣性測(cè)量單元，在已知被檢測(cè)管道的最小內(nèi)徑后來粗略選擇慣性傳感器或者慣性測(cè)量單元。一般而言，所選擇的依據(jù)就是所選擇的慣性測(cè)量單元或由所選擇的慣性傳感器構(gòu)成的慣性測(cè)量單元的最大尺寸(長、寬或高)imumax(l,w,h)不超過被檢測(cè)管道的內(nèi)徑半徑rpipeline_inner，即imumax(l,w,h)＜rpipeline_inner。考慮的主要依據(jù)就是一方面由慣性測(cè)量單元或慣性傳感器構(gòu)成的慣性測(cè)量單元是密封在圓柱型管道檢測(cè)裝置腔體內(nèi)部的，另一方面管道測(cè)量裝置在管道內(nèi)部運(yùn)行時(shí)還會(huì)遇到類似凹陷管道、彎曲管道等易堵塞管道測(cè)量裝置的部位。因此，在設(shè)計(jì)管道測(cè)量裝置時(shí)一般都會(huì)留有一定的余量，降低管道測(cè)量裝置堵在被檢測(cè)管道內(nèi)部的風(fēng)險(xiǎn)。

第二步，根據(jù)被檢測(cè)管道管內(nèi)傳輸物質(zhì)、管內(nèi)壓力及流速等最終確定所選擇的管道檢測(cè)用慣性傳感器。

管內(nèi)傳輸物質(zhì)、管內(nèi)壓力及流速主要影響管道測(cè)量裝置隨著傳輸物質(zhì)流動(dòng)的線性速度以及沿著管道測(cè)量裝置軸向旋轉(zhuǎn)的橫滾運(yùn)動(dòng)。橫滾運(yùn)動(dòng)對(duì)慣性測(cè)量單元各個(gè)軸誤差源的影響是不同的，主要體現(xiàn)如下：

管道測(cè)量裝置橫滾運(yùn)動(dòng)ω時(shí)，其軸向橫滾角可表示為r＝ωt。橫滾運(yùn)動(dòng)是載體坐標(biāo)系oxbybzb相對(duì)于導(dǎo)航坐標(biāo)系oxnynzn在姿態(tài)角(俯仰角p，橫搖角r和方位角a)上的變化。那么，管道檢測(cè)定位系統(tǒng)姿態(tài)變換矩陣表示為：

(1)陀螺儀零偏誤差：

陀螺零偏誤差是影響捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)最重要的誤差源。若三軸陀螺儀零偏誤差由表示，則管道測(cè)量裝置橫滾運(yùn)動(dòng)下陀螺漂移在oxnynzn系可寫為：

從上式可知，x軸和z軸陀螺儀零偏會(huì)因管道測(cè)量裝置在管道內(nèi)的橫滾運(yùn)動(dòng)調(diào)制成正弦(余弦)形式，在整數(shù)圈的時(shí)間內(nèi)可積分為零，即消除了x軸和z軸陀螺儀零偏誤差對(duì)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的影響。而y軸陀螺儀零偏誤差并未因管道測(cè)量裝置的橫滾運(yùn)動(dòng)得到有效地調(diào)制。因此，在長時(shí)間的管道檢測(cè)定位任務(wù)中，x軸和z軸陀螺儀漂移引起的定位誤差會(huì)隨著管道測(cè)量裝置在管道內(nèi)的橫滾運(yùn)動(dòng)而得到有效降低，y軸陀螺漂移引起的導(dǎo)航誤差則成了管道檢測(cè)定位任務(wù)中的最主要誤差源。

(2)陀螺儀刻度系數(shù)誤差：

陀螺儀刻度系數(shù)誤差也是影響管道檢測(cè)定位系統(tǒng)精度的一個(gè)重要因素，由陀螺刻度系數(shù)誤差引起的等效陀螺儀漂移δω^bk在oxbybzb系表示成：

其中，δkgx、δkgy和δkgz分別表示x、y和z軸的陀螺儀刻度系數(shù)誤差。在管道測(cè)量裝置橫滾運(yùn)動(dòng)下，陀螺儀刻度系數(shù)誤差引起的等效陀螺儀漂移誤差在oxnynzn系表示為：

在oxnynzn系東向，x軸和z軸陀螺儀刻度系數(shù)誤差不僅受到二倍橫滾角速率的正弦調(diào)制作用，還受到正弦旋轉(zhuǎn)角速率的平方項(xiàng)調(diào)制作用，能降低這兩個(gè)軸向上陀螺儀刻度系數(shù)誤差對(duì)管道慣性定位系統(tǒng)誤差的影響。但對(duì)y軸陀螺儀刻度系數(shù)誤差，由此引起的等效陀螺儀零偏誤差與橫滾運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)角速率成正比。故隨管道測(cè)量裝置旋轉(zhuǎn)角速率越大，由y軸刻度系數(shù)誤差引起的等效陀螺儀漂移誤差會(huì)越大。類似的，oxnynzn系北向，x軸和z軸陀螺儀刻度系數(shù)誤差引起的等效陀螺儀漂移誤差不僅受到二倍橫滾角速率的正弦調(diào)制作用，還受到正弦旋轉(zhuǎn)角速率的平方項(xiàng)調(diào)制作用，能抑制由這兩個(gè)方向陀螺儀刻度系數(shù)誤差引起的管道慣性定位系統(tǒng)誤差，而y軸陀螺儀刻度系數(shù)誤差仍會(huì)呈現(xiàn)與刻度系數(shù)誤差成正比的誤差傳播規(guī)律。最后，在天向方向，x軸和z軸陀螺儀刻度系數(shù)誤差主要受到正弦旋轉(zhuǎn)角速率的平方項(xiàng)調(diào)制作用，抑制了由此引起的等效陀螺漂移和導(dǎo)航定位誤差。由y軸陀螺儀刻度系數(shù)誤差引起的等效陀螺漂移誤差與管道測(cè)量裝置橫滾旋轉(zhuǎn)的角速度成正比例關(guān)系。

(3)加速度計(jì)零偏誤差：

加速度計(jì)零偏誤差也是影響管道慣性定位系統(tǒng)測(cè)量精度的重要誤差源之一，當(dāng)三軸加速度計(jì)的零偏誤差在載體坐標(biāo)系為時(shí)，則管道測(cè)量裝置橫滾運(yùn)動(dòng)下加速度計(jì)零偏誤差在oxnynzn系可表示為：

從上式可知，x軸和z軸加速度計(jì)零偏誤差會(huì)因?yàn)楣艿罍y(cè)量裝置在管道內(nèi)的橫滾運(yùn)動(dòng)被調(diào)制成正弦形式。這些誤差源在整數(shù)圈旋轉(zhuǎn)的時(shí)間內(nèi)會(huì)因?yàn)檎倚?yīng)平均為零，即消除了x軸和z軸加速度計(jì)零偏誤差對(duì)管道慣性定位系統(tǒng)的影響。但是，y軸加速度計(jì)零偏誤差并未因pig的橫滾運(yùn)動(dòng)得到有效調(diào)制，仍然按照原來的誤差特性進(jìn)行傳播。因此，在長時(shí)間的管道檢測(cè)定位任務(wù)中，x軸和z軸加速度計(jì)零偏引起的定位誤差會(huì)隨著管道測(cè)量裝置在管道內(nèi)的橫滾運(yùn)動(dòng)而降低，y軸加速度計(jì)零偏誤差引起的管道檢測(cè)定位誤差還會(huì)按照原來的誤差特性進(jìn)行傳播，成為了管道檢測(cè)定位任務(wù)中主要的誤差源。

(4)加速度計(jì)刻度系數(shù)誤差：

加速度計(jì)刻度系數(shù)誤差也是一個(gè)引起管道慣性定位誤差的誤差源。由加速度計(jì)刻度系數(shù)誤差引起的等效加速度計(jì)零偏δω^bk在oxbybzb系表示為：

其中，δkax、δkay和δkaz分別表示x、y和z軸加速度計(jì)刻度系數(shù)誤差。pig橫滾運(yùn)動(dòng)下，加速度計(jì)刻度系數(shù)誤差引起的等效加速度計(jì)零偏誤差在oxnynzn系表示為：

在oxnynzn系東向方向，x軸和z軸加速度計(jì)刻度系數(shù)誤差不僅受到二倍橫滾角速率的正弦調(diào)制作用，還受到正弦旋轉(zhuǎn)角速率的平方項(xiàng)調(diào)制作用。這在一定程度上削弱了這兩個(gè)軸向加速度計(jì)刻度系數(shù)誤差對(duì)管道慣性定位系統(tǒng)定位誤差的影響。但是，由y軸加速度計(jì)刻度系數(shù)誤差帶來的等效加速度計(jì)誤差與管道測(cè)量裝置橫滾運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)角速率成正比。同理，oxnynzn系北向，由x軸和z軸加速度計(jì)刻度系數(shù)誤差引起的等效加速度計(jì)零偏誤差不僅受到二倍橫滾角速率的正弦調(diào)制作用，還受到正弦旋轉(zhuǎn)角速率的平方項(xiàng)調(diào)制作用。這能有效抑制由這兩個(gè)方向加速度計(jì)刻度系數(shù)誤差引起的管道慣性定位系統(tǒng)定位誤差。但是在管道測(cè)量裝置橫滾運(yùn)動(dòng)下，由y軸加速度計(jì)刻度系數(shù)引起的管道測(cè)量裝置定位誤差仍呈現(xiàn)與刻度系數(shù)誤差成正比的誤差傳播規(guī)律。最后，在天向方向，x軸和z軸加速度計(jì)刻度系數(shù)誤差主要受到正弦旋轉(zhuǎn)角速率的平方項(xiàng)調(diào)制作用，抑制了由此引起的等效加速度計(jì)零偏誤差和管道慣性定位系統(tǒng)定位誤差。而y軸加速度計(jì)刻度系數(shù)誤差帶來的等效加速度計(jì)零偏誤差與管道測(cè)量裝置橫滾旋轉(zhuǎn)角速度成正比。

總之，在選用管道檢測(cè)用陀螺儀和加速度計(jì)時(shí)，與管道測(cè)量裝置軸向重合或平行的慣性傳感器性能指標(biāo)(零偏和刻度系數(shù)誤差)要優(yōu)于與其垂直的另外兩個(gè)方向的慣性傳感器性能指標(biāo)。y軸慣性傳感器零偏誤差和刻度系數(shù)誤差都要盡量的小，以此來降低整個(gè)管道測(cè)量裝置在進(jìn)行管道檢測(cè)時(shí)管道慣性定位系統(tǒng)的定位誤差，以最優(yōu)的成本投入達(dá)到最好的效果。

本發(fā)明還具備這樣一些特點(diǎn)：

1.本發(fā)明中小徑管道缺陷檢測(cè)定位用慣性傳感器除了確定管道測(cè)量裝置在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)的軌跡和管道方向，還能根據(jù)檢測(cè)信號(hào)分析出被檢測(cè)管道中的管道連接器。管道連接器檢測(cè)結(jié)果一方面可以為管道檢測(cè)定位系統(tǒng)在直管道段提供方位角和俯仰角誤差修正，另一方面可以對(duì)管道連接器等易腐蝕、易破裂部位的檢測(cè)維修提供便利。

2.本發(fā)明中小徑管道缺陷檢測(cè)定位用慣性傳感器選型方法適用于各類油、氣、水、化學(xué)物質(zhì)等運(yùn)輸用各種管徑管道，所采用的管道測(cè)量裝置外型為圓柱型或類魚雷型。

附圖說明

圖1.小徑管道缺陷定位裝置示意圖。

圖2.管道檢測(cè)用慣性傳感器安裝分布示意圖。

圖3.小徑管道缺陷檢測(cè)定位用慣性傳感器選型流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)地描述，需要說明的是該方法中涉及的陀螺儀、加速度計(jì)和捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為典型慣性器件和導(dǎo)航定位系統(tǒng)，管道測(cè)量裝置為典型和管道檢測(cè)系統(tǒng)，故本發(fā)明不再對(duì)其原理進(jìn)行詳細(xì)描述：

圖1是小徑管道缺陷定位裝置示意圖?；趹T性傳感器的小徑管道缺陷定位裝置主要由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元a、數(shù)據(jù)處理單元b、mems捷聯(lián)慣性測(cè)量單元c和電源模塊d四大部分封閉而成。此外，為了實(shí)現(xiàn)管道缺陷定位裝置在管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，裝置還包括跟蹤模塊1、里程儀2、管道缺陷檢測(cè)傳感器3、塑料密封圈4及支撐輪5。管道缺陷定位裝置以mems捷聯(lián)慣性測(cè)量單元為核心，采用慣性導(dǎo)航算法計(jì)算管道測(cè)量裝置在管道內(nèi)運(yùn)行的軌跡和管道鋪設(shè)的方向。但由mems慣性導(dǎo)航系統(tǒng)計(jì)算的管道中心點(diǎn)軌跡及管道方向存在較大誤差，需要進(jìn)行誤差補(bǔ)償。管道測(cè)量裝置尾部安裝的里程儀用于測(cè)量其軸向的速度，而且管道測(cè)量裝置在管道內(nèi)橫向和縱向的非完整性約束為這兩個(gè)方向提供了速度修正。同時(shí)，管道測(cè)量裝置尾部跟蹤模塊能記錄被檢測(cè)管道沿線坐標(biāo)位置已知的地表磁標(biāo)記，為其提供離散的位置修正。此外，由于管道測(cè)量裝置在任意直管道內(nèi)的方位角和俯仰角是不變的，其前提條件就是要實(shí)現(xiàn)管道連接器(彎曲管道、環(huán)形焊縫和法蘭等)的正確檢測(cè)。

圖2是管道檢測(cè)用慣性傳感器安裝分布示意圖。管道檢測(cè)用慣性測(cè)量單元是由三軸正交的陀螺儀和三軸正交的加速度計(jì)安裝而成的。其中，x軸陀螺儀和加速度計(jì)分別測(cè)量管道測(cè)量裝置的俯仰角角速度和沿橫向的線性加速度；y軸陀螺儀和加速度計(jì)分別測(cè)量管道測(cè)量裝置的橫滾角角速度和沿軸向的線性加速度；z軸陀螺儀和加速度計(jì)分別測(cè)量管道測(cè)量裝置的方位角角速度和沿縱向的線性加速度。這樣，就實(shí)現(xiàn)了管道測(cè)量裝置在管道內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的六自由度測(cè)量。慣性傳感器在管道內(nèi)的測(cè)量數(shù)據(jù)一方面用于管道測(cè)量裝置在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡和管道方向的測(cè)量，另一方面用于分析和實(shí)現(xiàn)管道連接器的有效檢測(cè)。

圖3給出了整個(gè)小徑管道缺陷檢測(cè)定位用慣性傳感器選型流程圖。在圖1的小徑管道缺陷定位裝置示意圖和圖2的管道檢測(cè)用慣性傳感器安裝分布示意圖基礎(chǔ)上，根據(jù)被檢測(cè)管道的管內(nèi)徑大小、管內(nèi)傳輸物質(zhì)、管內(nèi)壓力及流速等不同選擇既成本低又能滿足管道檢測(cè)定位精度需求的慣性傳感器。整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行流程如下：

步驟1，查詢被檢測(cè)管道檔案，了解被檢測(cè)管道的分布信息和內(nèi)徑大小，進(jìn)入步驟2；

步驟2，根據(jù)被檢測(cè)管道的內(nèi)徑和目前市場(chǎng)上可供選擇的慣性傳感器或慣性測(cè)量單元粗略確定慣性傳感器體積和精度范圍，進(jìn)入步驟3；

步驟3，實(shí)地調(diào)查被檢測(cè)管道的運(yùn)行狀況，知曉被檢測(cè)管道管內(nèi)傳輸物質(zhì)、管內(nèi)壓力和流速等運(yùn)行指標(biāo)，確定所設(shè)計(jì)的管道測(cè)量裝置在管道內(nèi)運(yùn)行的軸向速度范圍以及管道測(cè)量裝置在管道內(nèi)橫滾運(yùn)動(dòng)的角速率范圍，進(jìn)入步驟4；

步驟4，根據(jù)管道測(cè)量裝置在管道內(nèi)的橫滾運(yùn)動(dòng)角速度范圍，對(duì)管道檢測(cè)用慣性測(cè)量單元中各個(gè)軸主要誤差源(陀螺儀零偏和刻度系數(shù)誤差，加速度計(jì)零偏和刻度系數(shù)誤差)進(jìn)行分析：

管道測(cè)量裝置橫滾運(yùn)動(dòng)ω時(shí)，其軸向橫滾角可表示為r＝ωt，管道檢測(cè)定位系統(tǒng)姿態(tài)變換矩陣表示為：

(1)陀螺儀零偏誤差：

陀螺零偏誤差是影響捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)最重要的誤差源。若三軸陀螺儀零偏誤差由(和)表示，則管道測(cè)量裝置橫滾運(yùn)動(dòng)下陀螺漂移在oxnynzn系可寫為：

從上式可知，x軸和z軸陀螺儀零偏會(huì)因管道測(cè)量裝置在管道內(nèi)的橫滾運(yùn)動(dòng)調(diào)制成正弦(余弦)形式，在整數(shù)圈的時(shí)間內(nèi)可積分為零，即消除了x軸和z軸陀螺儀零偏誤差對(duì)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的影響。而y軸陀螺儀零偏誤差并未因管道測(cè)量裝置的橫滾運(yùn)動(dòng)得到有效地調(diào)制。因此，在長時(shí)間的管道檢測(cè)定位任務(wù)中，x軸和z軸陀螺儀漂移引起的定位誤差會(huì)隨著管道測(cè)量裝置在管道內(nèi)的橫滾運(yùn)動(dòng)而得到有效降低，y軸陀螺漂移引起的導(dǎo)航誤差則成了管道檢測(cè)定位任務(wù)中的最主要誤差源。

(2)陀螺儀刻度系數(shù)誤差：

陀螺儀刻度系數(shù)誤差也是影響管道檢測(cè)定位系統(tǒng)精度的一個(gè)重要因素，由陀螺刻度系數(shù)誤差引起的等效陀螺儀漂移δω^bk在oxbybzb系表示成：

其中，δkgx、δkgy和δkgz分別表示x、y和z軸的陀螺儀刻度系數(shù)誤差。在管道測(cè)量裝置橫滾運(yùn)動(dòng)下，陀螺儀刻度系數(shù)誤差引起的等效陀螺儀漂移誤差在oxnynzn系表示為：

在oxnynzn系東向，x軸和z軸陀螺儀刻度系數(shù)誤差不僅受到二倍橫滾角速率的正弦調(diào)制作用，還受到正弦旋轉(zhuǎn)角速率的平方項(xiàng)調(diào)制作用，能降低這兩個(gè)軸向上陀螺儀刻度系數(shù)誤差對(duì)管道慣性定位系統(tǒng)誤差的影響。但對(duì)y軸陀螺儀刻度系數(shù)誤差，由此引起的等效陀螺儀零偏誤差與橫滾運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)角速率成正比。故隨管道測(cè)量裝置旋轉(zhuǎn)角速率越大，由y軸刻度系數(shù)誤差引起的等效陀螺儀漂移誤差會(huì)越大。類似的，oxnynzn系北向，x軸和z軸陀螺儀刻度系數(shù)誤差引起的等效陀螺儀漂移誤差不僅受到二倍橫滾角速率的正弦調(diào)制作用，還受到正弦旋轉(zhuǎn)角速率的平方項(xiàng)調(diào)制作用，能抑制由這兩個(gè)方向陀螺儀刻度系數(shù)誤差引起的管道慣性定位系統(tǒng)誤差，而y軸陀螺儀刻度系數(shù)誤差仍會(huì)呈現(xiàn)與刻度系數(shù)誤差成正比的誤差傳播規(guī)律。最后，在天向方向，x軸和z軸陀螺儀刻度系數(shù)誤差主要受到正弦旋轉(zhuǎn)角速率的平方項(xiàng)調(diào)制作用，抑制了由此引起的等效陀螺漂移和導(dǎo)航定位誤差。由y軸陀螺儀刻度系數(shù)誤差引起的等效陀螺漂移誤差與管道測(cè)量裝置橫滾旋轉(zhuǎn)的角速度成正比例關(guān)系。

(3)加速度計(jì)零偏誤差：

加速度計(jì)零偏誤差也是影響管道慣性定位系統(tǒng)測(cè)量精度的重要誤差源之一，當(dāng)三軸加速度計(jì)的零偏誤差在載體坐標(biāo)系為時(shí)，則管道測(cè)量裝置橫滾運(yùn)動(dòng)下加速度計(jì)零偏誤差在oxnynzn系可表示為：

從上式可知，x軸和z軸加速度計(jì)零偏誤差會(huì)因?yàn)楣艿罍y(cè)量裝置在管道內(nèi)的橫滾運(yùn)動(dòng)被調(diào)制成正弦形式。這些誤差源在整數(shù)圈旋轉(zhuǎn)的時(shí)間內(nèi)會(huì)因?yàn)檎倚?yīng)平均為零，即消除了x軸和z軸加速度計(jì)零偏誤差對(duì)管道慣性定位系統(tǒng)的影響。但是，y軸加速度計(jì)零偏誤差并未因pig的橫滾運(yùn)動(dòng)得到有效調(diào)制，仍然按照原來的誤差特性進(jìn)行傳播。因此，在長時(shí)間的管道檢測(cè)定位任務(wù)中，x軸和z軸加速度計(jì)零偏引起的定位誤差會(huì)隨著管道測(cè)量裝置在管道內(nèi)的橫滾運(yùn)動(dòng)而降低，y軸加速度計(jì)零偏誤差引起的管道檢測(cè)定位誤差還會(huì)按照原來的誤差特性進(jìn)行傳播，成為了管道檢測(cè)定位任務(wù)中主要的誤差源之一。

(4)加速度計(jì)刻度系數(shù)誤差：

加速度計(jì)刻度系數(shù)誤差也是一個(gè)引起管道慣性定位誤差的誤差源。由加速度計(jì)刻度系數(shù)誤差引起的等效加速度計(jì)零偏δω^bk在oxbybzb系表示為：

其中，δkax、δkay和δkaz分別表示x、y和z軸加速度計(jì)刻度系數(shù)誤差。pig橫滾運(yùn)動(dòng)下，加速度計(jì)刻度系數(shù)誤差引起的等效加速度計(jì)零偏誤差在oxnynzn系表示為：

在oxnynzn系東向方向，x軸和z軸加速度計(jì)刻度系數(shù)誤差不僅受到二倍橫滾角速率的正弦調(diào)制作用，還受到正弦旋轉(zhuǎn)角速率的平方項(xiàng)調(diào)制作用。這在一定程度上削弱了這兩個(gè)軸向加速度計(jì)刻度系數(shù)誤差對(duì)管道慣性定位系統(tǒng)定位誤差的影響。但是，由y軸加速度計(jì)刻度系數(shù)誤差帶來的等效加速度計(jì)誤差與管道測(cè)量裝置橫滾運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)角速率成正比。同理，oxnynzn系北向，由x軸和z軸加速度計(jì)刻度系數(shù)誤差引起的等效加速度計(jì)零偏誤差不僅受到二倍橫滾角速率的正弦調(diào)制作用，還受到正弦旋轉(zhuǎn)角速率的平方項(xiàng)調(diào)制作用。這能有效抑制由這兩個(gè)方向加速度計(jì)刻度系數(shù)誤差引起的管道慣性定位系統(tǒng)定位誤差。但是在管道測(cè)量裝置橫滾運(yùn)動(dòng)下，由y軸加速度計(jì)刻度系數(shù)引起的管道測(cè)量裝置定位誤差仍呈現(xiàn)與刻度系數(shù)誤差成正比的誤差傳播規(guī)律。最后，在天向方向，x軸和z軸加速度計(jì)刻度系數(shù)誤差主要受到正弦旋轉(zhuǎn)角速率的平方項(xiàng)調(diào)制作用，抑制了由此引起的等效加速度計(jì)零偏誤差和管道慣性定位系統(tǒng)定位誤差。而y軸加速度計(jì)刻度系數(shù)誤差帶來的等效加速度計(jì)零偏誤差與管道測(cè)量裝置橫滾旋轉(zhuǎn)角速度成正比。進(jìn)入步驟5；

步驟5，根據(jù)管道測(cè)量單元橫滾運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果，確定管道測(cè)量裝置橫滾運(yùn)動(dòng)對(duì)慣性測(cè)量單元各個(gè)軸誤差源的影響程度，進(jìn)而對(duì)不同軸慣性傳感器的最終決定做好理論基礎(chǔ)，進(jìn)入步驟6；

步驟6，在步驟5的基礎(chǔ)上，充分考慮管道測(cè)量裝置設(shè)計(jì)預(yù)算、慣性傳感器安裝以及最終的精度指標(biāo)等條件，實(shí)現(xiàn)管道檢測(cè)用慣性傳感器各個(gè)軸精度指標(biāo)的最終確定，完成對(duì)小徑管道缺陷檢測(cè)定位用慣性傳感器定型。