惯性导航定位测量全能轮系系统的制作方法

本实用新型涉及导航定位轮系技术领域，特别涉及一种惯性导航定位测量全能轮系系统。

背景技术：

着现代都市的飞速发展，地下管道网络系统日益发达，电力、电信、燃气、给排水、雨污水等各类管道蛛网密布，错综复杂。然而由于历史与技术原因，已建成的地下管线很少能够提供准确的管线位置与埋深，影响到日渐庞大的管网系统的管理与维护。如何精准的探测地下管线如电力管线的位置与埋深，已成为急需解决的问题。传统管线探测方法多采用物探方法，或利用电磁场感应金属管线的位置与埋深(如管线仪探测)，或利用管线与周边介质的物性差异进行探查(如地质雷达探测)。这些方法虽有其优势之处，但往往受制于管线材质、埋设深度、环境干扰、定位精度等因素，使其测量精度大打折扣。而电力管线常采用非开挖定向穿越，其埋深往往超越现有仪器的探测范围，更是使得这些方法英雄无用武之处。惯性陀螺定位仪三维定位技术是近年来出现的一项管线测量新技术。它结合了陀螺仪定向、惯性导航、计算机三维计算等技术，拖曳惯性陀螺定位仪穿行于待测管线，自动追踪记录其在管线内的运动轨迹，生成管道中心轴线的三维坐标与位置图。测量时受管线材质、管线埋深、周围环境和地质影响较小，只要惯性陀螺定位仪能够穿行于待测管线，即可实现高精确度的管线测量。陀螺仪定向原理惯性陀螺定位仪交叉利用了重力场、计算机矢量计算等多学科知识，其核心原理为陀螺仪定向及惯性导航。陀螺是一个绕某一支点作高速旋转的刚体。ω(进动角速度)M(外力矩矢量)Z(外框轴)H(动量矩矢量)X(自转轴)Y(内框轴)F当陀螺高速旋转时，其旋转轴所指方向在不受外力影响的情况下是不会改变的，人们由此制造出了陀螺仪。

陀螺仪在角动量守恒原则下，具有两大特性:(1)定轴性。当陀螺转子高速旋转时，就产生了惯性，这惯性使得陀螺转子的旋转轴保持在空间指向一固定方向，同时反抗任何改变转子轴向的力量。(2)进动性。当陀螺转子高速旋转时，若外力矩作用于外环轴，陀螺仪将绕内环轴转动；若外力矩作用于内环轴，陀螺仪将绕外环轴转动。其转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直。根据陀螺仪的定轴性和进动性，可确定运动物体在惯性参照系中的方向和姿态。

惯性导航原理惯性导航系统包括陀螺仪、加速度计及计算机。开始时，外界给系统提供初始位置及初始速度，此后系统通过不断检测自身的瞬时角速度和瞬时加速度，可以确定自身的位置变化(如向东或向西的运动)、速度变化(速度大小或方向)和姿态变化(绕各个轴的旋转)，通过积分不断更新系统当前位置及速度。陀螺仪在惯性参照系中用于测量系统的角速度。通过以惯性参照系中系统初始方位作为初始条件，对角速度进行积分，就可以得到系统的当前方向。加速度计在惯性参照系中用于测量系统的线加速度，由于加速度计与系统固定并随系统转动，不知道自身的方向，只能测量相对于系统运动方向的加速度。通过系统的当前运动方向及相对于系统运动方向的当前线加速度，就可以确定参照系中系统当前的惯性加速度向量。以起始速度作为初始条件，对惯性加速度进行积分就可得到系统惯性速度，然后以起始位置作初始条件再次积分就可得到惯性位置。

惯性陀螺定位仪惯性陀螺定位仪正是运用了陀螺仪和惯性定位原理而研制的，其结构如图3所示。陀螺仪确定系统瞬时方向，加速度计确定系统瞬时前进方向加速度值，由此可求得定位系统的瞬时加速度向量α，将α分解到惯性坐标系X，Y，Z三轴上可得各自的加速度分量αx，αy，αz。分别积分并与X，Y，Z三方向上的初始速度Vx0，Vy0，Vz0相加即可得到定位系统的当前速度分量Vx，Vy，Vz。再将Vx，Vy，Vz进行积分计算，与初始坐标相加即可得定位系统的当前坐标位置。电子单元不断记录其运动轨迹数据，通过数据链传输至计算主机，根据起终点三维坐标数据计算其运动实时三维坐标。惯性陀螺定位仪结构支架倾斜旋转轴指向不变支架径向摇动旋转轴指向不变加速度计陀螺仪H轴倾斜角(P轴)滚动位置(R轴)陀螺仪P轴陀螺仪R轴加速度计水平角(H轴)传感器中部电子单元电源输入θ数据端口传感器，惯性陀螺定位仪工作示意测量进出口精确三维坐标轻质绞车拖缆，可用于测量4～150cm管径的各类管线，提供高精度、连续的管线三维坐标，平面测量精度可达0.25％L(测量管线的总长度)，高程测量精度可达0.10％L。

其主要结构包括:

测量单元，以陀螺仪惯性定位为核心技术的三维定位装置，用于穿行各类管线，连续测量管线的高精度三维坐标，并记录于内部计算机。

PC处理系统，内建专业处理软件，分析计算测量单元所测量的数据。

网络线，测量单元所测数据，通过网络线传输至PC处理系统。

控制器，实现对测量单元的开启关闭及监控。

支架与轮组，通过不同尺寸的支架与轮组，实际测量中遇到管径的大小尺寸不同，轮系的覆盖面比较欠缺，一些轮系在测量时不是在测量最小值就是在测量最大值，由于现有国内外惯性定位测量轮系均是在轮系两个支臂之间加装张力弹簧来控制轮系支撑力，所以在轮系达到测量范围中间值时，不论是张力弹簧还是轮系支臂角度都是最佳值，反之则严重影响测量精确度。

惯性陀螺定位仪工作流程：惯性陀螺定位测量主要包括前期准备、辅助测量、惯性陀螺定位测量、数据处理等工作。(1)前期准备。现场踏勘，确定测量方案；清理场地，满足工作要求；检查仪器，保证工作顺利进行。(2)地形测量及测区纵横断面测量。测绘测区地形图及管线穿越路径的地面纵、横断面，为管线测量成果提供地形资料。(3)管线起终端点测量。精确测量待测管线起终端点的三维大地坐标，作为惯性陀螺定位测量的起算校核资料，计算校核管线的三维坐标。(4)惯性陀螺定位测量。将测量单元直接置于管线内，采用置中技术使测量位置为管线中心轴线，设定参数，拖曳惯性定位陀螺仪测量主机由管线进口行至出口，由计算主机自动记录计算其运动轨迹。(5)现场处理及质量判断。现场数据处理，评估数据质量及精度，确定是否需复测。(6)数据后处理。将测量单元所记录的测量数据导入专用计算机系统，输入管线进出口三维坐标，由软件自动计算得到管道中心轴线的三维坐标。并生成XY，YZ，XZ视图及三维视图。(7)成果提交。编制报告及图件，提供管线测量成果。在地面模拟试验时，架设管线，模拟地下电力管线的形态，分别采用传统全站仪测量及惯性陀螺定位测量方法，确定管线三维坐标。通过比较2种方法的测量结果，检验惯性陀螺定位测量的精度。惯性陀螺定位测量管线本身测量平面偏差在0.25％L以内，高程偏差在0.10％L以内，偏差较大的位置均出现在曲线弯曲较大的地方。通过对比表明，与传统方法比较，惯性陀螺定位仪测量精度仍能保持在较高水平，检查误差较小，数据准确可靠。

目前国内外现有惯性导航定位仪轮系系统采用三轮自适应轮系机构，虽然在测量时可以自适应管道内径尺寸，但由于自适应轮系存在适应尺寸不确定因素，如遇到管道内异物或管道弯曲面时，轮系会发生较大形变，造成惯性导航定位仪姿态发生变化，即陀螺仪与管道中心轴线发生偏移，造成测量精准度下降严重。

因此，如何提供一种测量精准度高的惯性导航定位测量全能轮系系统是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种高精准度的惯性导航定位测量全能轮系系统。为实现上述目的其具体方案如下：

本实用新型公开了惯性导航定位测量全能轮系系统，包括中心杆微调锁死机构、多管径系列轮系支臂系统、惯性导航定位仪悬浮减震系统、惯性导航定位仪多管径轮系及支臂系列系统和全极性霍尔开关计米传感器系统；

其中，所述惯性导航定位仪悬浮减震系统安装在惯性仪刚性骨架的顶端，为惯性导航定位仪测量运行时提供刚性支撑和柔性连接，并在遇到管道焊接缝与杂物而震动时提供缓冲，确保惯性导航定位仪沿管道中心轴线平稳运行，提高测量精度。

所述惯性仪刚性骨架的两端通过转接法兰安装有轴承直轨，所述轴承直轨上设置有直线轴承，所述轴承直轨的靠近端部的位置设置有中心杆微调锁死机构；所述轴承直轨上套装有微调弹簧，且所述微调弹簧与所述直线轴承外侧相连；

所述中心杆微调锁死机构通过所述微调弹簧与所述直线轴承连接；通过中心杆微调锁死机构可实现轮系对不同管径自适应能力，且轮系对管壁压力可调，不存在前进后退时轮系支臂死角，是对现有测量轮系致命缺陷的重大改进。

惯性导航定位仪多管径轮系及支臂系统包括设置在所述转接法兰外侧底端，且与所述转接法兰螺接的加长杆一，以及与所述直线轴承底端螺接的加长杆二，所述加长杆一与所述加长杆二上均固定有轮支臂，两个所述轮支臂与行走轮的中心轴转动连接；

所述轮支臂上设置有全极性霍尔开关计米传感器系统。可以有效防止国内外现有计米器传感器金属管道残削吸附堆积卡死失效之弊端。

优选的，所述惯性导航定位仪悬浮减震系统包括三根惯性仪折叠骨架与两个转接法兰，配合惯性仪固定帽组成刚性连接系统，所述三根惯性仪折叠骨架水平架设在所述惯性仪刚性骨架的顶端，所述惯性仪刚性骨架两端分别安装有隔震胶圈垫组成缓冲系统。

优选的，所述惯性导航定位仪悬浮减震系统及惯性导航定位仪多管径轮系及支臂系统，用于支撑惯性导航仪进行动作；

其中，所述惯性导航仪悬浮减震系统的刚性连接为：三根惯性仪折叠骨架与两端转接法兰盘由螺母锁死，柔性连接为惯性仪固定帽与隔震胶圈垫紧密配合，所述惯性仪固定帽套接在所述惯性仪刚性骨架两端，并与所述隔震胶圈垫紧密配合。起到双重减震效果，用于惯性导航仪装置在管道中沿中心轴线进行平稳运动。

优选的，所述惯性仪刚性骨架两端还连接有滑移导向杆，所述滑移导向杆具有平行设置于所述轴承直轨的上下两侧，所述直线轴承滑动连接在所述滑移导向杆上。

优选的，所述中心杆微调锁死机构包括：锥形筒夹、螺母压帽、微调螺杆内锥套，所述螺母压帽套接在所述微调螺杆内锥套外，所述锥形筒夹夹设在微调螺杆内锥套上，用于与所述微调螺杆内锥套在所述轴承直轨上的定位。

所述中心抱死装置用于调整测量不同管径时轮系所需要的反向支撑力和摩擦力，由微调弹簧压紧，并留有一定形变空间，确保惯性导航仪在通过特殊路段时，轮系系统有一定的适应能力，始终保持陀螺仪的柔性连接；

所述滑移导向杆和转接法兰组成轮系形变运动间隙，确保轮系支撑臂形变在可控制范围内。

优选的，所述行走轮为可换轮缘橡胶双轴承宽体全适应铝轮。

本实用新型相较现有技术具有以下有益效果：此次改进的轮系系统从根本上上解决了轮系支撑臂支撑力和支撑臂角度问题，可适应不同管径的管线测量需要。所述惯性导航定位仪轮系及支臂系统实现轮系与支撑臂在可控范围内发生形变保持陀螺仪运行姿态，由中心杆微调锁死机构提供弹簧压力转换成轮系对管壁附着力与轮系前进时胎面对管壁的摩擦力，确保陀螺仪轮系不会打滑丢转，确保惯性导航陀螺仪测量精准性。行走轮设计为可换轮缘橡胶双轴承宽体全适应铝轮，可有效增大轮系胎面接触面积，减小胎面对管壁的压强，极大的降低了轮系胎面的磨损，且硫化橡胶胎面与轮毂使用榫卯结构安装，从根本上解决了胎面与轮毂的打滑问题，并且胎面为可拆卸更换结构。双轴承结构加强了稳定性，解决了原有单轴承造成轮系摆动、轮系失稳带来的测量误差。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的惯性导航仪定位轮系设计的示意图；

图2为本实用新型的惯性导航仪定位轮系中心轴微调锁死机构示意图；

图3为本实用新型的惯性导航仪轮系及支臂系统的示意图；

图4为本实用新型的惯性导航仪行走轮为可更换轮缘橡胶双轴承宽体全适应铝轮的示意图；

图5为本实用新型的惯性导航仪行走轮为可更换轮缘橡胶双轴承宽体全适应铝轮的侧面剖视图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

参见相关附图，本实用新型公开了一种惯性导航定位测量全能轮系系统，包括中心杆微调锁死机构5、多管径系列轮系支臂系统、惯性导航定位仪悬浮减震系统、惯性导航定位仪多管径轮系及支臂系列系统和全极性霍尔开关计米传感器系统11；其中，惯性导航定位仪悬浮减震系统安装在惯性仪刚性骨架1的顶端，为惯性导航定位仪测量运行时提供刚性支撑和柔性连接；惯性仪刚性骨架1的两端通过转接法兰2安装有轴承直轨3，轴承直轨3上设置有直线轴承4，轴承直轨3的靠近端部的位置设置有中心杆微调锁死机构5；轴承直轨3上套装有微调弹簧6，且微调弹簧6与直线轴承4外侧相连；中心杆微调锁死机构5通过微调弹簧6与直线轴承4连接；惯性导航定位仪多管径轮系及支臂系统包括设置在转接法兰2外侧底端，且与转接法兰2螺接的加长杆一7，以及与直线轴承4底端螺接的加长杆二8，加长杆一7与加长杆二8上均固定有轮支臂9，两个轮支臂9与行走轮10的中心轴转动连接；轮支臂9上设置有全极性霍尔开关计米传感器系统11。

为了进一步优化上述技术方案，惯性导航定位仪悬浮减震系统包括三根惯性仪折叠骨架12与两个转接法兰2，配合惯性仪固定帽14组成刚性连接系统，三根惯性仪折叠骨架12水平架设在惯性仪刚性骨架1的顶端，惯性仪刚性骨架1两端分别安装有隔震胶圈垫13组成缓冲系统。

为了进一步优化上述技术方案，惯性导航定位仪悬浮减震系统及惯性导航定位仪多管径轮系及支臂系统，用于支撑惯性导航仪进行动作；

其中，惯性导航仪悬浮减震系统的刚性连接为：三根惯性仪折叠骨架12与两端转接法兰2盘由螺母锁死，柔性连接为惯性仪固定帽14与隔震胶圈垫13紧密配合，惯性仪固定帽14套接在惯性仪刚性骨架1两端，并与隔震胶圈垫13紧密配合。

为了进一步优化上述技术方案，惯性仪刚性骨架1两端还连接有滑移导向杆16，滑移导向杆16平行设置于轴承直轨3的上下两侧，直线轴承4滑动连接在滑移导向杆16上。

为了进一步优化上述技术方案，中心杆微调锁死机构5包括：锥形筒夹、螺母压帽、微调螺杆内锥套，螺母压帽套接在微调螺杆内锥套外，锥形筒夹夹设在微调螺杆内锥套上，用于与微调螺杆内锥套在轴承直轨3上的定位。

为了进一步优化上述技术方案，行走轮10为可换轮缘橡胶双轴承宽体全适应铝轮。

本实施例中，惯性导航仪定位测量全能轮系系统不具有驱动系统，由牵引钢丝缆拖拽牵引头15提供动力驱动惯性导航仪轮系向前或者向后运动。

本实施例中，测量时将中心轴微调机构锁死机构处于解锁状态，将行走轮下压至管道内径尺寸，旋紧中心轴微调机构的螺母压帽，调节微调弹簧的弹力，此时所述陀螺仪轮系与管道内壁底面与顶面之间形成上压下推120°分布的合力，这是由于行走轮上以120°夹角均布有三个霍尔螺钉17，霍尔螺钉17均连接至全极性霍尔开关计米传感器系统，确保惯性陀螺仪沿管道中心轴线运动。

本实用新型改变了原有惯性导航陀螺仪张力弹簧的作用力位置，由原有弹簧安装在轮系支臂两端，改为安装在轴承直轨上，两侧均安装有滑移导向杆16，微调弹簧卡位由中心杆微调锁死机构控制，实现了测量不同管径管道时，弹簧张力可调。

本实用新型改变了原有惯性导航定位仪轮系及支臂系列的局限性和盲目性，主体仍采用航空铝材质，转接法兰盘可转接各型号轮系加长杆，配合符合我国现行管道规格系列的轮系支臂系列即可测量较大范围的管道；行走轮设计为可换轮缘橡胶双轴承宽体全适应铝轮，有效克服了国内外原有轮系轮缘压强过大磨损而造成的测量精度下降的缺陷。

以上对本实用新型所提供的惯性导航定位测量全能轮系系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。