基于MEMS陀螺仪的地下管线测绘系统

2024-04-11
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摘要 本文将MEMS陀螺技术引入到城市地下管线测量中,利用MEMS陀螺对三轴加速度和三轴角速度进行测量,并利用测量结果进行解算,达到地下管线测绘目的。


本文将MEMS陀螺技术引入到城市地下管线测量中,利用MEMS陀螺对三轴加速度和三轴角速度进行测量,并利用测量结果进行解算,达到地下管线测绘目的。

在现代都市中,地下管道布局是一项重要的工作,它包括通讯、供水、燃气以及电力等方面,应选用信息化计量方法,建立地下管道计量体系。本项目拟采用惯性控制、遥感等方法,构建基于信息融合的地下管道测绘与管理模式,构建基于信息融合的地下管道测绘模式,为提高城市地下管道测绘水平提供技术支撑。对管道进行红外线和CT的扫描测量,并通过单击传送的方式进行操作,实现了对管道的实时监控,建立了一套适用于城市地下管道测量的电力传感系统,并对其进行了分析。


MEMS陀螺仪


不同于传统机械陀螺仪,MEMS陀螺仪是基于科里奥效应的一种惯性角速率传感器,其内部无需轴承,无转动部件,采用全固态装置,表现为体积小、智能化、价格低、可靠性高、抗大过载冲击、低功耗以及工作寿命长等特点。本文所用MEMS陀螺仪测绘装置主要分为三部分,即:里程计轮组、测绘装置主体和支撑轮组,所用Ericco Inertial System的测量单元为小型惯性测量单元ER-MIMU-07,重量只有不到70g,陀螺仪测量范围为±400°/s,零偏不稳定性为0.3°/h。该IMU中使用了高性能MEMS陀螺ER-MG-067,其零偏不稳定性为0.3°/h,角速度随机游走为0.125为°/√hr。为保证轮组连接可靠,拆卸方便,选用螺丝连接的方法,采用轮组替换方法,能适应地下管线的测量要求。MEMS陀螺仪结构如图1所示。

传感专家

图1 MEMS陀螺仪结构


基于MEMS陀螺仪的系统结构


地下管线测绘系统应用MEMS陀螺仪实现相关数据的采集,再通过管道测绘处理所采集数据,以测量管道轨迹。


1. 主体结构

采用模块化的方式,通过简化组装过程,保证了设备的维修方便。采用机械连接部位的密封和防水处理,选用螺丝连接,保证了测量设备的防水能力。该测量设备的本体为60mm,长为435mm,其上有平滑的涂层和抗氧化的涂层。测量设备的一头是控制面板,上面安装着数据接口、开关和工作指示灯,而在另外一头,是可以替换的电池箱,MEMS陀螺安装有两个12 V的锂电池。


2. 轮组结构

地下管线测绘的轮组包括螺纹轴、支撑杆、滚轮、U型支架、限位螺母和轴承等组合而成,两个密封的轴承一起支承着滚轮,保证了滚轮的平稳运行。通过调节限制螺帽,可在较小的幅度内调节车轮组的直径,使之适用于各种口径。另外,该里程表组件还组装了一个连接本体的里程表数据传送界面,该结构防水性能较高。


地下管线测绘系统的设计实现


首先初始化数据采集模块、数据读取模块、数据存储模块以及开关模块,在MEMS陀螺仪发送数据过程中,将采集模块启动,向FIFO队列存储所采集数据,在FIFO队列数据超量时,需要发送数据至SD卡内,持续循环以上操作,持续向SD卡传输数据,直至设备电源关闭。

首先,数据采集模块。采集数据包含里程计数据、MEMS陀螺仪数据,后者通过422电平形式向外发送,所用波特率为921600bps。在对高速率的数据进行收集的过程中,这种方法的效率很高,可以保证数据的实时获取。但是,由于单次获取的资料比较多,导致CPU被占用,这时将传送到 SD卡内的资料就会被扰乱;因此,使用串行 DMA方式来进行数据的接收,可以很好的防止对内存的影响。

其次是资料储存部分。利用RS422完成DMA和串行通信,串行接口从 MEMS陀螺中获取的信息通过DMA传输到总线,直到收到全部的数据为止,这时串行闲置的终端将被激活,并将全部的数据存入BUF。从RS422上获取英里数数据,持续累计所触发脉冲数。融合两个传感器所采集数据,并在FIFO内部存储,并把FIFO数据传至SD卡内。图2为数据存储流程。

传感专家

图2 数据存储流程


再次,数据读取模块。本模块的核心部分就是通过USB接口对SD卡进行读取。测试结束后,通过USB接口与PC机相连,实现对SD卡的实时存取,并对SD卡的内部信息进行读出。为了降低功率消耗,本设计在测试过程中处于非工作状态,测试结束后由电脑上的USB电源提供电源,通过PC机对实现对SD卡的存取。


结论


基于MEMS陀螺仪的城市地下管线地图绘制设备,利用有源设备搭载的地图设备,通过在管线中行走来实现对管线的轨道绘制。本文还介绍了来自Ericco Inertial System的MEMS IMU。

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