MEMS捷联惯性导航系统辅助的管道检测定位技术研究

摘要

管道以其快捷、经济可靠等优点作为油、气、水及化学物质等资源运输的一种重要工具而被广泛应用。管道运输安全是保障各类资源安全抵达目的地的重要前提，管道运行超过设计寿命，自然灾害，人为破坏等是影响管道运输安全的重要原因。定期采用管道内检测装置（Pipeline Inspection Gauge, PIG）对管道裂纹、凹槽等缺陷进行检测，并对缺陷进行精确定位及维修能确保管道运行安全率达99.99%。惯性导航系统（Inertial Navigation System, INS）辅助的管道检测定位技术因管道缺陷定位精度高且可靠性好，不受管道材质影响，能提供精确的管道3D坐标信息等特点在管道缺陷定位中起着举足轻重的地位。因管道直径及周边环境的限制，小径管道（D<30cm）和复杂海洋环境中的管道检测定位精度还无法达到工程上需求的指标。因此，本课题研究了一种微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）为基础的捷联惯性导航系统（Strapdown INS, SINS）辅助管道检测定位技术，拟达到对小径管道缺陷的精确定位。同时，相关研究技术可用于海底复杂环境中管道检测定位技术的研究和应用中。 课题首先全面介绍了SINS辅助的管道检测定位系统。主要对管道检测定位相关的捷联惯性导航技术，以及对管道内检测中管道检测定位用捷联惯性导航信息辅助技术分别进行了详细介绍。为课题重点内容的深入研究起到良好的开端。 针对低成本MEMS惯性测量单元（Inertial Measurement Unit, IMU）误差参数易受温度等环境因素的影响而变化，提出了基于新型人工鱼群算法（Novel Artificial Fish Swarm Algorithm, NAFSA）的MEMS IMU误差参数现场辨识技术。新型人工鱼群算法在优化人工鱼群算法（Optimal AFSA, OAFSA）的基础上对算法执行的速度和精度都有所提高，增强了人工鱼群算法在IMU误差参数辨识中的适应性。新型人工鱼群算法不仅能实现传统高精度昂贵转台IMU误差参数辨识的精度，还降低了IMU误差参数辨识的成本。这种新方法适用于低成本MEMS SINS辅助的管道检测定位系统进行管道缺陷检测及定位任务前，在测量现场对MEMS IMU的主要误差参数进行现场优化，保证管道测量任务顺利进行。 管道检测装置在管道内是由沿管道轴线的线性运动和横滚运动结合的一种螺旋运动，会影响SINS辅助的管道检测定位系统精度。管道检测装置在不同的运输物质中，受到的管道壁切向阻力不同，管道检测装置在管道内横滚运动的大小和方向也不同。本研究从管道检测装置所搭载IMU中惯性传感器误差角度出发，分别分析了陀螺仪零偏误差和刻度系数误差，加速度计零偏误差和刻度系数误差在管道检测装置横滚运动下的误差传播规律，以及对SINS辅助的管道检测定位系统的定位精度影响。最后，设计了相应的实验方案来验证不同的旋转角速度和不同的旋转方向对SINS辅助管道检测定位系统定位精度影响。此外，研究结果可在SINS辅助的管道检测定位系统检测管道运输不同类物质时，为IMU的设计和选型提供理论和实际依据。 管道连接器（Pipeline Junction, PJ），如环形焊缝、法兰和弯曲管道，是用于连接两段直线管道的。管道检测定位系统的方位角和俯仰角在每段直线管道内是保持不变的。小径管道检测定位用低成本MEMS SINS的方位角误差呈发散特性，在长管道的检测定位中会引起较大的定位误差。本研究通过分析MEMS惯性传感器在管道内的测量数据，分别采用了两种管道连接器检测方法，即复连续小波变换（Complex Continuous Wavelet Transform, CCWT）方法和快速正交搜索（Fast Orthogonal Search, FOS）算法，将被检测管道分为管道连接器部分和直管道段部分。管道连接器检测结果可为长管道检测定位用SINS辅助管道检测定位系统在直管道段部分提供方位角和俯仰角误差修正，从而提高小径MEMS SINS辅助的管道检测定位系统定位精度。 最后，在管道连接器检测的基础上，本研究提出了一种基于MEMS IMU的SINS/AGM/Odometer/PJ管道检测定位系统。在传统惯性辅助管道检测定位系统采用3D连续速度误差修正和3D离散位置误差修正的基础上，本研究为系统在直线管道中增加了连续的方位角和俯仰角误差修正，降低管道检测定位系统因方位角累积误差导致的定位误差。实验验证结果表明MEMS SINS辅助的管道检测定位系统在增加方位角和俯仰角误差修正后，对管道缺陷检测定位精度可提高达50%。

目录

声明

第1章 绪论

1.1课题研究目的和意义

1.2管道内检测装置（PIG）国内外现状

1.3 SINS在管道检测定位技术中发展现状

1.4 MEMS SINS管道检测定位技术难点

1.5论文结构和主要研究内容

第2章 MEMS SINS辅助管道检测定位系统

2.1 MEMS SINS辅助管道检测定位系统设计

2.2 MEMS捷联惯性导航技术

2.3 MEMS SINS管道检测定位辅助测量技术

2.4实验设备介绍

2.5本章小结

第3章 基于NAFSA的MEMS IMU误差参数辨识研究

3.1 MEMS捷联IMU静态误差模型

3.2人工鱼群算法简介

3.3基于NAFSA的MEMS陀螺仪误差参数辨识

3.4基于NAFSA的MEMS加速度计误差参数辨识

3.5 MEMS IMU模方观测的AFSA优化实验验证

3.6本章小结

第4章 PIG横滚运动对管道惯性定位系统影响

4.1 PIG在管道内的横滚运动概况

4.2横滚运动对惯性传感器误差传播影响

4.3横滚运动下惯性传感器误差模型

4.4横滚运动下管道惯性定位系统误差

4.5实验设计及结果分析

4.6本章小结

第5章 基于惯性传感器的管道连接器检测研究

5.1管道连接器检测的必要性分析

5.2 PIG方位角误差对SINS定位误差影响

5.3 CCWT及其在管到连接器检测中的应用

5.4 FOS及其在管道连接器检测中的应用

5.5管道连接器检测结果与分析

5.6本章小结

第6章 基于SINS/AGM/Odometer/PJ的管道检测定位系统

6.1 Kalman filter（KF）估计技术

6.2固定间隔平滑技术

6.3 SINS/AGM/Odometer/PJ系统设计

6.4 SINS/AGM/Odometer/PJ系统实验及结果分析

6.5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附件A: 横滚运动下惯性辅助管道检测定位系统误差模型

A1 陀螺仪零偏误差

A2 陀螺仪刻度系数误差

A3 加速度计零偏误差

A4 加速度计刻度系数误差