惯性陀螺仪在地下管道探测定位中的应用

黎重辉

（建勘勘测有限公司广东第二分公司 广东东莞 523068）

0 引言

随着现代城市的快速发展，完整的地下管线很少能提供准确的管线位置和深度，这影响了日益庞大的管线网络系统的管理和维护。地下各种像蜘蛛网一样的管道线路错综复杂，包括电力管线、供水供暖系统、燃气管路、城市的排污排水系统等，但是因为各种技术的限制以及历史遗留问题，如何准确地检测诸如电力管道的地下管道的位置和埋藏深度已成为迫在眉睫的问题。

传统的管道探测方法通常使用地球物理方法，或者使用电磁场来感应金属管道的位置和埋深（例如，管道仪器探测），另一方面可以利用不同管道和周边包围物的组成不同，即不同物质间的差异性进行物理探测，如地质雷达。尽管这些方法都有其优势，但它们常常受到管道材料，埋深，周围干扰过多，会影响定位精确度，使这种方法的测量精度降低，影响工程施工。电力管道通常使用非开挖定向穿越，其埋入深度经常超出现有仪器的检测范围，这使这些方法无用。

惯性陀螺仪3D定位技术是近年来出现的一种新的管道测量技术。它把惯性陀螺仪的定位装置拖拽到待测管道中，利用其自身的陀螺仪定位技术，同时整合了惯性导航技术、计算机的三维处理技术，会自动对定位装置的运动轨迹进行跟踪记录，在计算机端直接显示出定位装置的三维坐标，标记处位置图、管道中心线等信息。在实际测量的过程中，管道所用材料种类、管道挖埋得深度、管道周围环境得地质条件等因素几乎对测试没有影响，只需保证惯性陀螺仪得定位装置能够放进被测管道，并发生移动，就可以实现高精度的管道测量。

1 惯性陀螺仪管道测量技术的工作原理

工作原理：

陀螺仪作为一种基于角动量守恒理论被设计出来的，所以他也是一种可以检测角动量得装置，陀螺仪位于轴心可高速旋转的转子围绕着周围几个与旋转轴正交位置的轴旋转，中心的陀螺仪状态不会发生变化。并且人们已经基于此功能开发了陀螺仪。陀螺仪的旋转速度是惊人的。在正常情况下，速度可以达到每分钟十几万转。通常依靠多种方法来表征旋转轴指示的方向，在应用陀螺仪进行作业的过程中，在保证能够明确旋转轴指向哪个位置后，测量数据将被传输到整个检测系统。

在陀螺仪旋转期间，如果施加外力，则转轮的某个点将同时受到应力，并且陀螺仪将立即倾斜。如果陀螺仪力点的势能低于陀螺仪的速度，则由于陀螺仪的倾斜，力点将向倾斜的上角滑动。当斜上角运行时，陀螺仪受力点的势能仍向下运行，这使得当陀螺仪达到斜上角时该力点的剩余势能向下运行。直径的与力点相反的另一端也具有相应的势能。该势能与力点的移动点正好相反，力点向下，势能向上。该点通常称为联合力点。当联动力点的旋转角度达到180°时，它会从斜上角变为斜下角。这时，联动点将向上拉动陀螺仪。在力点和连杆力点的相互作用下，陀螺仪返回到平衡状态。

在实际应用中，惯性陀螺仪和加速度计随着坐标系的不断变化，加速度的性质也发生变化，并成为沿导航坐标方向的加速度。例如，一次将由北和东加速度计测得的加速度值aN和aE进行积分，并将从东，北方向的初始速度VN0和VE0导出的速度分量转换为VN和VE并再次积分。获取定位器的位置变化，然后将其添加到初始纬度和经度坐标以确定管道的实际位置。由于惯性陀螺仪的误差值很小，为15cm，检测深度达到500m以上，因此该检测仪具有较高的应用价值。

2 惯性陀螺仪的技术特点和应用范围

从以上原理可以看出，惯性陀螺定位器三维精确定位技术作为一种新型的地下管道定位方法，具有自身独特的优势，具体如下：

（1）仪器必须放置在管道内。

（2）定位精度高，连续数据。

（3）测量不受地形，深度和电磁干扰的限制。

（4）适用于任何材质的地下管道。

（5）目的是与GIS完美兼容，会自动根据测量结果生成三维空间的示意图。

（6）陀螺三维精确定位技术可以作为管道定位器，GPR探地雷达，CCTV摄像系统和其他检测方法的有力补充，对精确定位大型地下深埋管道具有重要作用。

使用惯性陀螺定位器三维精确定位技术检测管道时，必须满足以下条件：该方法是管道内检测方法，必须满足设备在管道内移动的条件。对于封闭的输气管道，如煤气管，油管，水管等，必须在完成单管铺设之后且在连接各部分的管铺设之前进行检测；电力，通信等的群管铺设中有空管时或完成时，可以实施。

3 实际应用举例

惯性陀螺仪定位技术用于定位天然气钢管。本文介绍的案例是利用惯性陀螺仪测量某市区水路的一条煤气管道的水平定向钻井情况。本部分钢管的规格为D325.3×7.8，管道的实际检测长度为695.3m。

数据收集与计算：

（1）管道水平定向钻进施工完成后，将管道两端切开，并用全站仪测量管道两端轴线中点的坐标并记录下来。

（2）在管道内部划一条线，以将惯性陀螺仪来回穿过管道。当前，有两种线程化方法。

①管道穿线。

将过孔器放在管道的一端，手动将其连续推入管道中位于管道口处的管道内，最后穿过管道的另一端。将裸露的管端金属头连接到牵引钢丝绳上，然后将管向后拉过管，完成穿线工作。

②鼓风机穿线。

将风筝线绑在膨胀的塑料袋上，并将其放在管道的一端。将鼓风机与管口处的塑料袋对齐，直到将塑料袋吹到管道的另一端。

（3）将管道中的电线连接到牵引钢丝绳上后，更换管道中的牵引钢丝绳，然后将牵引钢丝绳连接到测量主机，并拉动测量主机从管道的一端滑到另一端最后，然后进行牵引拖动钢丝绳并将其在管道中来回传递之后，数据收集完成。

（4）用计算机程序解决测量主机收集的数据，以获得管道的3D坐标。惯性陀螺仪的定位测量轨迹如图1所示。

为了验证惯性陀螺仪测量管道的结果是否精准，可对非开挖的管道进行开挖验证，实验分两个地点进行，开挖深度分别设定为4.5m和2m，开挖结果列于表1。

实际的工程中可以看出，电磁波和地层对惯性陀螺仪不会造成影响，惯性陀螺仪具有较高的精度，测量结果准确可靠，出口处和入口处的数据可通过传统方法以外的方法进行测量，其余得到的数据，设备自行计算，消除了人为错误，可以反复验证，解决了测量准确的问题。

图1 惯性陀螺仪定位轨迹管线位置

表1 验证惯性陀螺仪测量准确度的实际开挖结果

4 结束语

惯性陀螺仪中关键技术使陀螺仪定位导航技术，可以在管道中直接放置测量装置，对中技术用于测量管道的中心轴位置。因此，当前已知的非挖掘测量技术具有最高的测量精度。

惯性陀螺仪的定位系统具有自动测量的特点，不需要工作人员随时跟进测试进行定位，所以这种测试的抗干扰能力很强，能够在较为恶劣的天气、不方便的交通、光线不足的情况下进行工作，可实现24h不间断的测量。由于惯性陀螺定位器在管道中使用直接测量方法，因此要求能够通过管道，因此更适合于测量新建的非运行管道。对于现有的运行管道，必须保留空管道以进行测量。如果一些旧管道被淤泥堵塞而无法通过，则无法测量。

惯性陀螺定位仪的3D测量技术不受管道材料，管道埋深，周围环境和地质条件等因素的影响，尤其在非开挖定向铺设的管道中，靠惯性陀螺仪测试的准确三维坐标，在管道的维护和管理工作中提供准确可靠的数据。