地下有水管涵内窥定位系统及其工作方法
阅读说明：本技术 地下有水管涵内窥定位系统及其工作方法 (Underground water pipe culvert endoscopic positioning system and working method thereof ) 是由 江兆南 曹淑上 于 2021-08-16 设计创作，主要内容包括：地下有水管涵内窥定位系统,包括机械船、图像采集模块、数据处理模块、空间定位模块、无线模块、客户端APP和路由器；在机械船上安装有图像采集模块、数据处理模块、空间定位模块和无线模块；数据处理模块的网络端口与路由器相连,路由器与客户端APP通过无线进行通信；图像采集模块的采集端与数据处理模块的第一通信端口相连；数据处理模块将空间数据发送到客户端APP上。利用该产品可实时探测出地下有水管涵或地下暗河的走向,能实时高清显示出探测对象的内部构造,为后续的规划、施工等工作提供技术支撑。特别在治理污水管涵的清淤、破损修复等方面有很高的应用价值。(The underground water pipe culvert endoscopic positioning system comprises a mechanical ship, an image acquisition module, a data processing module, a space positioning module, a wireless module, a client APP and a router; an image acquisition module, a data processing module, a space positioning module and a wireless module are arranged on the mechanical ship; a network port of the data processing module is connected with a router, and the router and the client APP communicate wirelessly; the acquisition end of the image acquisition module is connected with the first communication port of the data processing module; and the data processing module sends the spatial data to the client APP. The product can detect the trend of underground water pipe culverts or underground rivers in real time, can display the internal structure of a detected object in real time in a high-definition manner, and provides technical support for subsequent planning, construction and other work. Particularly has high application value in the aspects of dredging, damage repairing and the like of treating sewage pipe culvert.)
技术领域
本发明涉及管道检测领域，具体涉及地下有水管涵内窥定位系统。
背景技术
地下管涵属于隐蔽性工程，科学地探明地下管涵的准确位置，是现代化城市管理中重要的技术问题。在我国，最初的地下管涵探测技术研究主要集中在利用地球物理方法进行地下管涵的探测，使用该方法进行对地下管涵的探索研究始于上世纪八十年代，并在我国的上世纪九十年代掀起了应用的热潮。尽管如此，我们和世界先进水平相比还有较大差距，管道检测工作尚属起步阶段，已检测的管道数量不足管道总量的1/10，而且尚未对任何管道进行再检测。由于各方面原因，管道经营管理者对管道检测的重要性认识不足，没有充分认识到管道事故危害性。我们要加强管道检测重要性的宣传，政府有关部门府尽快制定管道安全检测有关法规，根据优选方案制定全国管道检测计划，力争尽快对全部管道实施内检测，并且定期进行管道再检测，建立管道检测信息数据库，从中找出管道的腐蚀规律，从而对管道现状及未来安全状况作出科塋预测，采取有效措施，避免管道事故的发生。同时，还要加快智能检测器的国产化步伐，尽快赶上国际管道检测先进水平。
管道内检测是管道安全体系的重要组成部分，是保证管道安全的最经济有效的方法。我们应尽快采取有效措施，制定道道检测规范，建立完整的管道安全保证体系，并依此有计划有步骤地对管道实施智能内检测，保证管道安全平稳运行。
地下管线被视为城市的生命线，但目前中国许多城市、企业地下管网分布不清，档案资料管理不够规范，给城镇、工矿企业的建设与改造以及管线的使用与维护带来很多的困难，引发了许多管线损坏、人员伤亡、停水停电等重大事故。地下管线的探测已成为施工的必不可少的前提条件。中国城市地下管线长度惊人，如，北京、上海的地下管线长度在10万公里左右，较大的二线城市地下管线长度也在5万公里左右，而一般县城的地下管线长度也在1000公里以上。由此形成的城市地下管线探测行业市场容量巨大，由此衍生出的探测队伍较多，探测效果差异也很大。
虽然各种方法在一定限定条件下均能取得满意的效果，但是他们的局限性也非常明显。大概可以总结为以下几点：第一，各方法只能适用于某一部分材质类型的管道，在实际应用中，根据不同的管涵材质需要采用不同的方法。如金属管道采用电磁感应法，对非金属管道采用地质雷达法或地震波法。第二，地磁感应法、电磁波法、地震波法、声波法、高密度电法根据其原理，探测深度受到了很大的限制。第三，各类方法主要利用的是管涵与其周围介质的物性差异，易受外界干扰信号影响，导致探测精度较低。第四，自动化程度不高，数据记录方式较原始，需要有经验的技术人员来进行识别，主观性成分影响较大。第五，在城区构筑物较多，场地很狭窄，不具备高密度电阻率法、地震波法等方法开展的工作条件。总之，在城市地下管涵探测中，现有技术常常难以获得可靠的位置、埋深等数据，为未来的城市管涵管理工作留下了隐患。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，考虑运用的是地下管涵惯性定位技术，该技术不受管涵埋深、材质、周边介质与地表环境影响。通过检修井将测量设备放入管涵内，利用矢量叠加技术实时反馈测量设备移动过程中的位置参数。
具体技术方案如下：
地下有水管涵内窥定位系统，其特征在于：包括机械船、图像采集模块、数据处理模块、空间定位模块、无线模块、客户端APP和路由器；
在所述机械船上安装有所述图像采集模块、数据处理模块、空间定位模块和无线模块；
所述数据处理模块的网络端口与所述路由器相连，所述路由器与客户端 APP通过无线进行通信；
图像采集模块的采集端与所述数据处理模块的第一通信端口相连；
所述数据处理模块将图像数据发送到所述客户端APP上；
所述空间定位模块的通信端口与所述数据处理模块的第二通信端口相连；
所述数据处理模块将空间数据发送到所述客户端APP上。
为更好的实现本发明，可进一步为：所述空间定位模块采用十轴惯性导航定位模块。
进一步地：所述机械船包括船体、动力驱动电机、排水驱动电机和动力电机散热器；
所述动力驱动电机、排水驱动电机和动力电机散热器分别安装在所述船体上。
进一步地：所述十轴惯性导航定位模块包括惯性导航模块、加速度计、陀螺仪、存储模块、控制模块、里程计算模块、传输模块和供电系统。
进一步地：所述数据处理模块安装在MYS-6ULX-IOT主板。
进一步地：所述图像采集模块采用360度旋转的摄像头。
其中，地下有水管涵内窥定位系统工作方法的具体技术如下：
地下有水管涵内窥定位系统工作方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：将机械船放置在管道入口处；
S2：通过客户端APP向处理模块发送启动命令；
S3：机械船向管道内前行，空间定位模块测出管道内每个位置的航线和俯仰角；
S4：空间定位模块将空间数据传输到数据处理模块；
S5：数据处理模块将数据通过路由器传输到客户端APP上；
S6：摄像头实时捕捉管道内部情况，
S7：摄像头将采集到的图像数据通过编解码模块输送到数据处理模块；
S8：所述数据处理模块进行图像处理后，将处理后的图像数据通过路由器传输到客户端APP上。
本发明的有益效果为：本发明针对老旧城区的管涵定位探测设计出的一套地下管涵探测定位系统，本发明通过遥控机械船+惯性定位+视频监控技术组成，可实现对管涵内部的高清影像记录、管涵空间的测量定位。本发明有以下特点：
第一，该系统在探测定位实施过程中，无需检测人员下涵，充分保障人员安全；
第二，该系统通过视频监控来实时反馈管涵内部的情况以达到机械船在管涵内部避障功能，经测试视频监控能够实时显示且控制指令执行流畅；
第三，该系统的惯性定位系统直线型路径100m探测距离时误差为6.7m～ 8.0m；弯曲型路径随着弯曲角度的增大角度误差增大，其中弯曲90度时误差达到7.4°。鉴于目前地下管涵弯曲角度一般小于45度且弯曲90度的弯道处设置检查井，本探测定位系统可为70m范围以内的管涵探测定位提供比较准确的数据。
第四，视频监控可提供管涵内部的淤积物、障碍物、管涵破损等视频图像，为结构缺陷、功能性缺陷评价提供图像图片。
可以看出，惯性定位陀螺仪在地下管线探测中精度较高，利用该产品可实时探测出地下有水管涵或地下暗河的走向，能实时高清显示出探测对象的内部构造，为后续的规划、施工等工作提供技术支撑。特别在治理污水管涵的清淤、破损修复等方面有很高的应用价值。
附图说明
图1为本发明的系统框图；
图2为本发明的工作流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示：
地下有水管涵内窥定位系统，包括机械船、图像采集模块、数据处理模块、空间定位模块、无线模块、客户端APP和路由器；
该空间定位模块采用十轴惯性导航定位模块，所述数据处理模块安装在 MYS-6ULX-IOT主板，所述图像采集模块采用360度旋转的摄像头。
所述机械船包括船体、摄像头、路由器、动力驱动电机、排水驱动电机、动力电机散热器和惯导定位模块；
该摄像头、路由器、动力驱动电机、排水驱动电机、动力电机散热器和惯导定位模块安装在船体上；
该惯导定位模块包括加速度计、陀螺仪、传感器、存储模块、控制模块、里程计算模块、传输模块和供电系统。
所述数据处理模块的网络端口与所述路由器相连，所述路由器与客户端 APP通过无线进行通信；
摄像头的采集端与所述数据处理模块的第一通信端口相连；
所述数据处理模块将图像数据发送到所述客户端APP上；
惯导定位模块的通信端口与所述数据处理模块的第二通信端口相连；
所述数据处理模块将空间数据发送到所述客户端APP上。
本发明采用的惯性导航的管道内定位原理为，惯性导航系统(INS，InerTIalNavigaTIon System)也称作惯性参考系统，是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量(如无线电导航那样)的自主式导航系统。其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。惯性导航的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。
利用惯性陀螺仪进行管线定位，就是把装有航向和姿态传感器的测量模块放入管道并使其沿着管道运动，测出管道各个位置的航向和俯仰角。将航向、姿态信息和里程信息结合，从而推算出管道的三维坐标。
测量模块内的陀螺仪和加速度计分别测量定位仪内相对惯性空间的三个旋转角速度和三个线加速度沿定位仪坐标系的分量，经过坐标变换，把加速度信息转化为沿导航坐标系的加速度，并计算出定位仪的位置、速度、方位和水平姿态。其中常用的几种坐标系主要为：惯性坐标系、地球坐标系、地理坐标系、陀螺坐标系和运动参考坐标系。
其中，在本发明中惯性陀螺仪定位系统包括加速度计、陀螺仪、传感器、存储与控制模块、里程计算与传输模块、供电系统等几部分组成。
管道定位系统的主要目标是完成对惯性参数的采集和存储。陀螺仪可以测量互相垂直的三个轴的角速度，加速度计可以测量大地平面的X轴、Y轴加速度和垂直大地方向的加速度。这样，测量位移所需要的6个参数都可以得到。
陀螺仪是惯性系统的主要元件。陀螺仪通常是指安装在万向支架中高速旋转的转子，转子同时可绕垂直于自转轴的一根轴或两根轴进动，前者称单自由度陀螺仪，后者称二自由度陀螺仪。陀螺仪具有定轴性和进动性，利用这些特性制成了敏感角速度的速率陀螺和敏感角偏差的位置陀螺。由于光学、MEMS 等技术被引入于陀螺仪的研制，现在习惯上把能够完成陀螺功能的装置统称为陀螺。陀螺仪种类多种多样，按陀螺转子主轴所具有的进动自由度数目可分为二自由度陀螺仪和单自由度陀螺仪；按支承系统可分为滚珠轴承支承陀螺，液浮、气浮与磁浮陀螺，挠性陀螺(动力调谐式挠性陀螺仪)，静电陀螺；按物理原理分为利用高速旋转体物理特性工作的转子式陀螺，和利用其他物理原理工作的半球谐振陀螺、微机械陀螺、环形激光陀螺和光纤陀螺等。
单自由度陀螺仪敏感角速度，二自由度陀螺仪敏感角位移。为了将角速度和角位移转换成惯性系统中可用的信号，陀螺仪需安装信号传感器。为了能控制陀螺仪按一定的规律进动，需安装力矩器。
加速度计是惯性导航系统的核心元件之一，依靠它对比力的测量，完成惯性导航系统确定载体的位置、速度以及产生跟踪信号的任务。载体加速度的测量必须十分准确地进行，而且是在由陀螺稳定的参考坐标系中进行。在不需要进行高度控制的惯导系统中，只要两个加速度计就可以完成以上任务，否则是应该有三个加速度计。
加速度计的分类，按照输入与输出的关系可分为普通型、积分性和二次积分型；按物理原理可分为摆式和非摆式，摆式加速度计包括摆式积分加速度计、液浮摆式加速度计和挠性摆式加速度计，非摆式加速度计包括振梁加速度计和静电加速度计；按测量的自由度可分为单轴、双轴、三轴；按测量精度可分为高精度(优于10-4m/s2)、中精度(10-2m/s2–10-3m/s2)和低精度(低于0.1m/s2)。
十轴惯性导航传感器，模块集成高精度的陀螺仪、加速度计、地磁场传感器、GPS模块，采用高性能的微处理器和先进的动力学解算与卡尔曼动态滤波算法，能够快速求解出模块当前的实时运动姿态。采用先进的数字滤波技术，能有效降低测量噪声，提高测量精度。模块内部集成了姿态解算器，配合动态卡尔曼滤波算法，能够在动态环境下准确输出模块的当前姿态，姿态测量精度静态0.05度，动态0.1度，稳定性极高，性能甚至优于某些专业的倾角仪！模块内部自带电压稳定电路，工作电压3.3v～5v，引脚电平兼容3.3V/5V的嵌入式系统，连接方便。支持串口TTL/232，方便用户选择最佳的连接方式。串口速率400bps～921600bps可调。GPS信息、姿态传感器信息同步输出。最高 200Hz数据输出速率。输入内容可以任意选择，输出速率0.1～200HZ可调节。内置了美国GPS和钟过北斗卫星导航，采用了高精度导航系统，让导航精度更高更稳定。由于管涵中大多无GPS信号，可采用惯性导航传感器进行定位。并且提供多种常见的硬件接口，可以支持232、协议输出以及支持连接MCU进行二次开发；拥有高精度的GPS定位系统，通过内接或外接GPS天线获取经度、纬度、海拔高度、地速内部传感器可输出加速度、角速度、角度、供客户端自行解算、辅助GPS数据。产品集成了气压测量模块，通过核算气压测量数据，经过精密解算出高度数据，通过串口输出。通过输入起始点坐标，在数据采集软件上显示探测艇的移动距离和移动方位。
利用惯性陀螺仪进行管线定位，就是把装有航向和姿态传感器的测量模块放入管道并使其沿着管道运动，测出管道各个位置的航向和俯仰角。将航向、姿态信息和里程信息结合，从而推算出管道的三维坐标。
测量模块内的陀螺仪和加速度计分别测量定位仪内相对惯性空间的三个旋转角速度和三个线加速度沿定位仪坐标系的分量，经过坐标变换，把加速度信息转化为沿导航坐标系的加速度，并计算出定位仪的位置、速度、方位和水平姿态。其中常用的几种坐标系主要为：惯性坐标系、地球坐标系、地理坐标系、陀螺坐标系和运动参考坐标系。
十轴惯性导航定位模块主要由加速度计、陀螺仪、传感器、存储与控制模块、里程计算与传输模块、供电系统等几部分组成。管道定位系统的主要目标是完成对惯性参数的采集和存储。陀螺仪可以测量互相垂直的三个轴的角速度，加速度计可以测量大地平面的X轴、Y轴加速度和垂直大地方向的加速度。这样，测量位移所需要的6个参数都可以得到。
整个算法先确定惯性坐标系，然后确定载体的初始点在惯性系的坐标N0(x0， y0，z0)，由于设备在不断地运动，所以设备坐标系会不断地变化。因而，在t 时刻后通过计算求出N1(x1，y1，z1)作为新的初始点坐标，用同样的方法再求出N2(x2，y2，z2)作为下一个初始点。通过反复计算就可以求得一系列的点N0、 N1、N2、......Nn。测量完成后，再通过计算机将这些点描绘出来就可以得到载体的运动轨迹了。
图像采集模块采用摄像头，该摄像头为可旋转高清摄像技术，可实时传输回管涵内部情况，为控制小潜艇提供技术支撑。利用控制模块实时保存管涵内部图像。
由于管涵中大多无GPS信号，可采用电子陀螺仪利用矢量叠加技术进行定位。通过输入起始点坐标，在数据采集软件上显示探测潜艇的移动距离和移动方位。
本发明工作原理：
通过检修井将机械船放入管涵内，利用矢量叠加技术实时反馈测量设备移动过程中的位置参数。
本发明包括十轴惯性导航空间定位模块、MYS-6ULX-IOT核心处理器、摄像头图像捕捉与处理模块、无线网络模块、客户端APP等主要模块。
利用十轴惯性导航传感器进行管线定位，就是把装有航向和姿态传感器的测量模块放入管道并使其沿着管道运动，测出管道各个位置的航向和俯仰角。将航向、姿态信息和里程信息结合，从而推算出管道的三维坐标。
测量模块内的陀螺仪和加速度计分别测量定位仪内相对惯性空间的三个旋转角速度和三个线加速度沿定位仪坐标系的分量，经过坐标变换，把加速度信息转化为沿导航坐标系的加速度，并计算出定位仪的位置、速度、方位和水平姿态。
将十轴惯性导航传感器和机械船结合起来，再采用360°旋转高清usb摄像技术，可实时传输回管涵内部情况，为控制小潜艇提供技术支撑。
利用控制模块实时保存管涵内部图像。通过网线连接，将摄像头和电路模块获取的方位数据实时传回手机或者电脑APP软件。通过该设备可有效确定管涵的空间形态和内部情况。
地下有水管涵内窥定位系统工作方法，包括如下步骤：
S1：将机械船放置在管道入口处；
S2：通过客户端APP向处理模块发送启动命令；
S3：机械船向管道内前行，空间定位模块测出管道内每个位置的航线和俯仰角；
S4：空间定位模块将空间数据传输到数据处理模块；
S5：数据处理模块将数据通过路由器传输到客户端APP上；
S6：摄像头实时捕捉管道内部情况，
S7：摄像头将采集到的图像数据通过编解码模块输送到数据处理模块；
S8：所述数据处理模块进行图像处理后，将处理后的图像数据通过路由器传输到客户端APP上。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
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