一種基于fpga的管道測(cè)徑儀多路位移脈沖優(yōu)選裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于管道檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種基于FPGA的管道測(cè)徑儀多路位移脈 沖優(yōu)選裝置與方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著鋪設(shè)的油氣管道服役年限不斷增加，老齡化管道產(chǎn)生的腐蝕、形變、泄漏等造 成的管道事故日益增多，因此對(duì)長(zhǎng)輸管道開(kāi)展泄漏檢測(cè)意義重大。如何精確的對(duì)管道內(nèi)發(fā) 生的變形、缺陷進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)維修是管道測(cè)徑儀的重要任務(wù)。而精確的定位是對(duì)管道缺陷 進(jìn)行及時(shí)維修的重要保證。里程輪是管道測(cè)徑儀里程計(jì)量裝置，保證里程輪在復(fù)雜管道環(huán) 境中正常運(yùn)行并輸出高精度脈沖信號(hào)是關(guān)鍵技術(shù)。目前，現(xiàn)有的管道測(cè)徑儀里程輪定位技 術(shù)仍然缺乏完整的、高效的優(yōu)選方法與校正方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種基于FPGA的管道測(cè)徑儀多路位移脈沖優(yōu) 選裝置與方法。
[0004] -種基于FPGA的管道測(cè)徑儀多路位移脈沖優(yōu)選裝置，包括管道測(cè)徑儀本體、若干 個(gè)里程輪、信號(hào)采集模塊、光禪合隔離單元、FPGA中央處理單元，信號(hào)采集模塊包括若干個(gè) 凸透鏡、若干個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器、若干個(gè)光敏元件。管道測(cè)徑儀本體內(nèi)部有光源，若干個(gè)里程輪 均勻安裝在管道測(cè)徑儀本體內(nèi)部徑向圓周上，每個(gè)里程輪軸上裝有一個(gè)凸透鏡、一個(gè)旋轉(zhuǎn) 編碼器、一個(gè)光敏元件，并且凸透鏡、旋轉(zhuǎn)編碼器、光敏元件與里程輪同軸旋轉(zhuǎn)。若干個(gè)光敏 元件與光禪合隔離單元輸入端相連，光禪合隔離單元的輸出端與FPGA中央處理單元輸入端 相連。
[000引所述信號(hào)采集模塊將光源發(fā)出的光，通過(guò)若干個(gè)凸透鏡轉(zhuǎn)化為若干組平行光，透 過(guò)若干個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器被若干個(gè)光敏元件檢測(cè)到，并轉(zhuǎn)化為周期性變化的多路數(shù)字脈沖信 號(hào)，即為多路位移脈沖信號(hào)。
[0006]所述光禪合隔離單元實(shí)現(xiàn)多路位移脈沖信號(hào)與FPGA中央處理單元之間的電氣隔 離，并將多路位移脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為符合FPGA中央處理單元內(nèi)部I/O口輸入要求的數(shù)字脈沖 信號(hào)。
[0007]所述FPGA中央處理單元包括異常判斷模塊、彎道判斷模塊和多路智能優(yōu)選模塊。 異常判斷模塊通過(guò)多路位移脈沖信號(hào)的脈沖數(shù)判斷若干個(gè)里程輪的工作狀態(tài)一正常狀態(tài)、 可能彎道狀態(tài)、異常狀態(tài)。彎道判斷模塊利用彎道圓屯、角的線性回歸模型計(jì)算彎道圓屯、角 預(yù)測(cè)值，并與設(shè)定的第二闊值比較，判斷若干個(gè)里程輪的工作狀態(tài)是否為彎道狀態(tài)。多路智 能優(yōu)選模塊根據(jù)若干個(gè)里程輪的工作狀態(tài)選擇最優(yōu)位移脈沖信號(hào)并輸出。
[0008] -種基于FPGA的管道測(cè)徑儀多路位移脈沖優(yōu)選方法，采用上述基于FPGA的管道測(cè) 徑儀多路位移脈沖優(yōu)選裝置，包括如下步驟：
[0009]步驟1、光源發(fā)出的光通過(guò)若干個(gè)凸透鏡轉(zhuǎn)化為若干組平行光，透過(guò)若干個(gè)旋轉(zhuǎn)編 碼器被若干個(gè)光敏元件檢測(cè)到，并轉(zhuǎn)化為周期性變化的多路位移脈沖信號(hào)；
[0010] 步驟2、根據(jù)多路位移脈沖信號(hào)的脈沖數(shù)判斷若干個(gè)里程輪的工作狀態(tài)-正常狀 態(tài)、可能彎道狀態(tài)、異常狀態(tài)，如果若干個(gè)里程輪為正常狀態(tài)和異常狀態(tài)，則執(zhí)行步驟4，如 果若干個(gè)里程輪為可能彎道狀態(tài)，則執(zhí)行步驟3;
[0011] 步驟2.1、設(shè)定采樣時(shí)間間隔S、采樣時(shí)間t、采樣次數(shù)m;
[001引步驟2.2、在采樣時(shí)間納分別統(tǒng)計(jì)11路位移脈沖信號(hào)的脈沖數(shù)(：1瓜，...，(：。，設(shè)定 第一闊值Τι;
[0013] 步驟2.3、計(jì)算η路位移脈沖信號(hào)的脈沖數(shù)的均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差0;
[0014]步驟2.4、重復(fù)步驟2.2、步驟2.3m次；
[0015] 步驟2.5、若m次標(biāo)準(zhǔn)差σ均大于第一闊值Ti，則若干個(gè)里程輪的工作狀態(tài)為可能彎 道狀態(tài)或異常狀態(tài)，利用脈沖數(shù)差值比例判別式進(jìn)行進(jìn)一步判斷，否則若干個(gè)里程輪的工 作狀態(tài)為正常狀態(tài)，執(zhí)行步驟4,所述脈沖數(shù)差值比例判別式為當(dāng)n=奇數(shù)時(shí)，脈沖數(shù)差值比 例判別式天
，當(dāng)n=偶數(shù)時(shí)，脈沖數(shù)差值比例判別式為
i=l， 2,...，m，化為若干個(gè)里程輪工作狀態(tài)表示值；
[0016]步驟2.6、若m次l-A<Qi<l+A，A為1附近的小數(shù)，貝蠟干個(gè)里程輪的工作狀態(tài) 為可能彎道狀態(tài)，執(zhí)行步驟3，否則若干個(gè)里程輪的工作狀態(tài)為異常狀態(tài)，執(zhí)行步驟4。
[0017]步驟3、利用彎道圓屯、角的線性回歸模型計(jì)算彎道圓屯、角預(yù)測(cè)值，并與設(shè)定的第二 闊值比較，判斷若干個(gè)里程輪是否為彎道狀態(tài)；
[0018]步驟3.1、利用采樣時(shí)間t內(nèi)η路位移脈沖信號(hào)的脈沖數(shù)Ci，C2, ...，Cn構(gòu)建彎道圓屯、 角的線性回歸模型：
其中γ/為彎道圓屯、 角預(yù)測(cè)值，曰1，曰2，曰3,. . .，ai,...為線性回歸系數(shù)；
[0019]步驟3.2、對(duì)彎道圓屯、角的線性回歸模型建立Lasso-Ridge求解模型，
[0020]
其中Y為已知彎道圓屯、角，λι和λ2分別為 Lasso懲罰參數(shù)和Ridge懲罰參數(shù)，Ρ為線性回歸系數(shù)的個(gè)數(shù)，II·II表示范數(shù)運(yùn)算；
[0021]步驟3.3、利用歷史數(shù)據(jù)對(duì)彎道圓屯、角的線性回歸模型進(jìn)行Lasso-Ridge求解模型 訓(xùn)練，找到線性回歸系數(shù)的最優(yōu)解，從而得到彎道圓屯、角的線性回歸模型；
[0022] 步驟3.4、將η路位移脈沖信號(hào)的脈沖數(shù)Cl,C2, ...，Cn代入彎道圓屯、角的線性回歸 模型中，得到彎道圓屯、角預(yù)測(cè)值r，設(shè)定第二闊值T2,當(dāng)r>Τ2時(shí)，若干個(gè)里程輪的工作狀態(tài) 為彎道狀態(tài)，否則若干個(gè)里程輪的工作狀態(tài)為異常狀態(tài)。
[0023] 步驟4、根據(jù)若干個(gè)里程輪的工作狀態(tài)，選擇最優(yōu)位移脈沖信號(hào)并輸出。
[0024] 步驟4.1、設(shè)定常數(shù)Ζ，統(tǒng)計(jì)η路位移脈沖信號(hào)的脈沖數(shù)(t，巧，...，巧，k表示η 路位移脈沖信號(hào)的采樣次數(shù)k=l，2,...，m，達(dá)到m次后重新計(jì)數(shù)，Cf表示第i路位移脈沖信 號(hào)的第k次采樣的脈沖數(shù)；
[0025] 步驟4 . 2、計(jì)算η路位移脈沖信號(hào)的歷史狀態(tài)系數(shù)

令欠=C,U/，設(shè)定第Ξ闊值Τ3;
[0026] 步驟4.3、判斷若干個(gè)里程輪的工作狀態(tài)，如果若干個(gè)里程輪的工作狀態(tài)為正常狀 態(tài)，取max化i}對(duì)應(yīng)的第i路位移脈沖信號(hào)作為最優(yōu)位移脈沖信號(hào)并輸出；如果若干個(gè)里程 輪的工作狀態(tài)為彎道狀態(tài)，取maxjcf}且Κι>Τ3對(duì)應(yīng)的第i路位移脈沖信號(hào)作為最優(yōu)位移脈 沖信號(hào)并輸出；如果若干個(gè)里程輪的工作狀態(tài)為異常狀態(tài)，取max 對(duì)應(yīng)的第i路位移脈 沖信號(hào)作為最優(yōu)位移脈沖信號(hào)，并在時(shí)間
時(shí)輸出，C*為當(dāng)前正在輸出的位移脈沖 信號(hào)的脈沖數(shù)。
[0027] 有益效果：
[0028] 本發(fā)明利用FPGA并行處理機(jī)制，提高了位移脈沖信號(hào)的處理速度。異常判斷模塊 和彎道判斷模塊有效區(qū)分了若干個(gè)里程輪的工作狀態(tài)，提高了位移脈沖信號(hào)的切換效率。 多路智能優(yōu)選模塊具有智能優(yōu)選功能，保證了位移脈沖信號(hào)輸出的一致性，解決了位移的 累計(jì)誤差問(wèn)題，提高了位移測(cè)量的精確性。
【附圖說(shuō)明】
[0029] 圖1為本發(fā)明一種實(shí)施例的一種基于FPGA的管道測(cè)徑儀多路位移脈沖優(yōu)選裝置的 結(jié)構(gòu)框圖；
[0030] 圖2為本發(fā)明一種實(shí)施例的光禪隔離單元電路原理圖；
[0031] 圖3為本發(fā)明一種實(shí)施例的一種基于FPGA的管道測(cè)徑儀多路位移脈沖優(yōu)選方法流 程圖；
[0032] 圖4為本發(fā)明一種實(shí)施例的異常判斷模塊流程圖；
[0033] 圖5為本發(fā)明一種實(shí)施例的彎道判斷模塊流程圖；
[0034] 圖6為本發(fā)明一種實(shí)施例的多路智能優(yōu)選模塊流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明【具體實(shí)施方式】做詳細(xì)說(shuō)明。
[0036] -種基于FPGA的管道測(cè)徑儀多路位移脈沖優(yōu)選裝置，如圖1所示，在本實(shí)施例中， 包括管道測(cè)徑儀本體、3個(gè)里程輪、信號(hào)采集模塊、光禪合隔離單元、FPGA中央處理單元。信 號(hào)采集模塊包括3個(gè)凸透鏡、3個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器、3個(gè)光敏元件。旋轉(zhuǎn)編碼器采用E6A2-CW3E，光 禪合隔離單元采用HCPk05化，F(xiàn)PGA中央處理單元采用EP4CE15F17C8。管道測(cè)徑儀本體內(nèi)部 有光源，3個(gè)里程輪均勻安裝在管道測(cè)徑儀本體內(nèi)部徑向圓周上，每個(gè)里程輪軸上裝有一個(gè) 凸透鏡、一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器、一個(gè)光敏元件，并且凸透鏡、旋轉(zhuǎn)編碼器、光敏元件與里程輪同軸 旋轉(zhuǎn)。3個(gè)光敏元件與光禪合隔離單元輸入端相連，光禪合隔離單元的輸出端與FPGA中央處 理單元輸入端相連
[0037] 所述信號(hào)采集模塊將光源發(fā)出的光，通過(guò)3個(gè)凸透鏡轉(zhuǎn)化為3組平行光，透過(guò)3個(gè)旋 轉(zhuǎn)編碼器被3個(gè)光敏元件檢測(cè)到，并轉(zhuǎn)化為周期性變化的多路數(shù)字脈沖信號(hào)，即為多路位移 脈沖信號(hào)。
[0038] 所述光禪合隔離單元實(shí)現(xiàn)多路位移脈沖信號(hào)與FPGA中央處理單元之間的電氣隔 離，并將光敏元件輸出的5V多路位移脈沖信號(hào)隔離轉(zhuǎn)化為3.3V的多路位移脈沖信號(hào)，W符 合FPGA中央處理單元內(nèi)部I/O口輸入要求，如圖2所示，其中R為主端電阻，If為主端電流，Vin 為主端輸入電壓，IC為從端電流，化為從端電阻，Vout為從端輸出電壓，Vcc為輔助電壓。
[0039] 所述FPGA中央處理單元包括異常判斷模塊、彎道判斷模塊和多路智能優(yōu)選模塊。 異常判斷模塊通過(guò)多路位移脈沖信號(hào)的脈沖數(shù)判斷3個(gè)里程輪的工作狀態(tài)一正常狀態(tài)、可 能彎道狀態(tài)、異常狀態(tài)。彎道判斷模塊利用彎道圓屯、角的線性回歸模型計(jì)算彎道圓屯、角預(yù) 測(cè)值，并與設(shè)定的第二闊值比較，判斷3個(gè)里程輪的工作狀態(tài)是否為彎道狀態(tài)。多路智能優(yōu) 選模塊根據(jù)3個(gè)里程輪的工作狀態(tài)選擇最優(yōu)位移脈沖信號(hào)并輸出。
[0040] -種基于FPGA的管道測(cè)徑儀多路位移脈沖優(yōu)選方法，采用上述基于FPGA的管道測(cè) 徑儀多路位移脈沖優(yōu)選裝置，包括如下步驟，如圖3所示：
[0041] 步驟1、光源發(fā)出的光通過(guò)3個(gè)凸透鏡轉(zhuǎn)化為3組平行光，透過(guò)3個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器被3個(gè) 光敏元件檢測(cè)到，并轉(zhuǎn)化為周期性變化的多路位移脈沖信號(hào)；
[0042] 步驟2、根據(jù)多路位移脈沖信號(hào)的脈沖數(shù)判斷3個(gè)里程輪的工作狀態(tài)-正常狀態(tài)、可 能彎道狀態(tài)、異常狀態(tài)，若3個(gè)里程輪為正常狀態(tài)和異常狀態(tài)，則執(zhí)行步驟4，若3個(gè)里程輪為 可能彎道狀態(tài)，則執(zhí)行步驟3，如圖4所示；
[004引步驟2.1、設(shè)定采樣時(shí)間間隔S= 3s、采樣時(shí)間t=ls、m為采樣次數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)m取3;
[0044]步驟2.2、在采樣時(shí)間t內(nèi)分別統(tǒng)計(jì)3路位移脈沖信號(hào)的脈沖數(shù)Cl,C2，C3,設(shè)定第一 闊值