管道机器人定位导航方案

一 概述

城市地下管网包括燃气管网、电力管网、通信管网和自来水管网等，有些由于修建年代较早，城市地面拆迁，管网的地下三维位置已经无法确定，需要管道机器人在管道内行走一遍，通过机器人自带的定位导航系统，确定三维位置，实现城市各种地下管网的位置采集；另外，机器人也可在管道内巡检，通过该系统定位出现问题管道的位置，进行对应的维护和维修。

上海北寻信息科技有限公司通过惯导、轮速、焊缝及其他位置辅助方式，实现管道机器人长时间在管道内的定位导航。

二 总体方案设计

2.1 组合导航系统

组合导航系统以光纤捷联式INS为基本导航方式，里程计（轮速）、焊缝信息和其他位置为辅助导航方式。

光纤捷联式INS是采用光纤陀螺的捷联式INS，其基本原理与其它捷联式INS相同，如图1所示。与其它各种导航方式相比，INS利用安装在载体上的惯性测量装置（加速度计和陀螺仪）敏感载体的运动，经过解算后即可得到载体的姿态和位置信息。它不需要任何外界的参考信息。因此，INS是一种完全自主的导航方式，它保密性强，并且机动灵活，具备多功能参数输出，但是存在误差随时间迅速积累的问题，导航精度随时间而发散，不能单独长时间工作，必须不断加以校准。

里程计（轮速）是一种利用从移动传感器获得的数据来估计物体位置随时间的变化而改变的方法。该方法被用在许多种移动载体系统上面，来估计移动距离，而不是确定这些机器人相对于初始位置移动的距离。这种方法对由速度对时间积分来求得位置的估计时所产生的误差十分敏感。快速、精确的数据采集，设备标定以及处理过程对于高效的使用该方法是十分必要的。因此在系统行进的过程中利用焊缝信息进行修正以及标定。

2.2系统硬件组成

组合导航系统硬件主要由三轴光纤陀螺、三只石英挠性加速度计及其处理电路、机械本体、接口电路、二次电源、接插件等组成。

光纤陀螺指标：

角速率范围 -400 º/s～+400 º/s

室温标度因数重复性      ≤200ppm

定温下标度因数不对称性     ≤200ppm

定温下标度因数非线性   ≤200ppm

全温标度因数相对误差   ≤2000ppm

零偏重复性≤0.3-0.5º/ h

零偏稳定性≤0.5 º/ h

阈值      ≤2º/ h

石英挠性加速度计指标

量程      ≥±40g

标度因数     1.0±0.25mA/g

标度因数温度系数   ≤100ppm /℃

标度因数月稳定性   ≤100ppm

偏值      ≤±7 mg

偏值温度系数    ≤100μg /℃

偏值月稳定性    ≤100μg

二阶非线性系数       ≤20μg /g2

形状和尺寸可按照客户要求尺寸定制。

2.3 系统软件组成

系统软件包括设备嵌入式软件、对准软件、组合导航软件。

设备嵌入式软件：完成设备上电自检功能，给出自检结果，实现系统与外界通信，系统导航初始参数装订，导航解算参数输出，系统内部的通信和时序管理等功能。

对准软件：根据外部传感器提供的信息不同，实现对准功能，提供系统工作的初始状态。

组合导航软件：利用陀螺和加速度计测量的载体角运动和线运动信息，解算载体位置、姿态和速度，里程计（轮速）测量的载体移动距离信息，作为外部参考信息，实现组合导航，估计器件和系统误差的随机部分，实现在线补偿，提高器件和系统的使用精度。

采集的数据，通过对准软件和组合导航软件进行数据解算，获得管道WGS84三维坐标。

实现的定位精度可达1-3米。