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非开挖地下信息管线的三维曲线探测新技术研究

作　者: 沈林勇
导　师: 钱晋武
学　校: 上海大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 植入式传感管道形状测绘非开挖探测空间曲线重建信息管线
分类号: P208
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

非开挖地下信息管线施工中的管线位置测量传统上使用的是电磁传感原理,这种测量方法的测量精度易受电磁干扰或埋深地质干扰影响。本论文从理论上研究获得基于曲线方位角信息的曲线重建方法和基于曲线曲率信息的曲线重建方法;从技术上研究开发了利用方位传感器的管道方位角测量技术和装置、利用位置敏感器件(PSD)的管道方位角测量技术与装置、利用光纤光栅传感器的管道曲线曲率检测技术与装置、以及管内行走机器人装置。在此基础上研究完成了一种介入式非开挖地下信息管线探测样机系统。论文主要通过以下几部分进行了叙述:在第一章中,论文针对现有非开挖地下管线检测手段存在的问题,提出了一种新的介入式传感装置获取空间曲线上离散曲率或斜率(切线方向角)信息和空间形态感知技术的研究目标;并以此技术为基础研究,发展一种新型非开挖地下管线三维探测技术及其测绘系统。该技术的主要特征是在探测原理上具有不受地质条件和管埋深度限制的优势,尤其适用于复杂地质条件下和深层地下空间进行管线检测,为实现该研究目标,本章中论文制定了介入式非开挖地下管线探测装置的研究内容和关键技术。在第二章中,论文通过对被测管道的几何尺寸和形状分析,制定了非开挖管线探测系统采用基于曲线的曲率或切线方向角测量的介入式管道探测新方法进行管道三维方位和形状的测量。为此,系统将由牵引与拖曳、介入式曲线的曲率或方向角探测头、以及控制与可视化等三个子系统构成。其中,牵引与拖曳子系统将完成介入式传感装置在管道中移动;介入式传感装置完成管道形状的曲率或方向角的探测;控制和可视化子系统完成管道的方位和形状探测的数据采集、管道基于曲线的曲率或切线方向角信息的重建和再现。在第三章中,论文介绍了地下管道形状和空间方位的基于曲率信息和切线方向角信息的三维重建拟合算法。首先,介绍了基于曲率信息的空间三维曲线的重建拟合算法,该方法是运用差分法和数值积分等技术实现管线中轴线曲线的形状重建,通过具体螺旋线实例的验证,结果证明了该算法在理论上是可行的。随后,介绍了基于曲线离散点上切线方向角的曲线形状拟合方法和对拟合方法的初步验证。该方法采用起始已知点的坐标位置值、弧长值和探测装置测得的切线方向角值递推之后点的坐标值,然后利用递推获得的离散点上的坐标值重建曲线方法。在第四章中,论文主要介绍了光纤光栅传感装置的设计,设计工作首先分析了光纤光栅测量管道中轴曲线曲率的原理,建立了光纤光栅的调制光波波长和管道中轴曲线曲率的关系表达式,提出了粘贴光纤光栅的柔性基材性能要求和实现将管道中轴曲线曲率向柔性基材传递的方法,根据这些性能要求和方法选择了聚胺脂为柔性基材、设计了具有变径和曲率传递功能的环形保持架,并对这些部件进行了集成,构建了基于光纤光栅的管道中轴曲线曲率的测量装置,对该测量装置进行测量验证实验。在第五章中,论文首先研究基于电子罗盘的切线方向角测量装置,通过设计可变径的定心机构实现电子罗盘在管道中轴曲线上定位,进而实现由电子罗盘测量管道中轴曲线离散点上的切线方向角,通过理论分析的方法,证明了该测量装置能够满足管道中轴曲线离散点上的切线方向角的测量。为解决电子罗盘的偏摆角测量易受磁性物体的影响,论文还研究了基于激光准直原理的管道中轴曲线离散点间的切线方向角测量,在该测量方法中采用了PSD敏感元件完成激光光斑的落点位置探测,建立了该测量方法中激光光斑的落点位置和切线方向角之间的关系公式,进行测量系统的结构设计,构建了切线方向角测量装置的实验样机,搭建试验平台,通过实验验证了该测量方法是可行性。在第六章中,论文对管道测量系统的实验平台进行了设计。完成了实现介入功能的管道牵引机器人,该牵引机器人采用“蜗杆-行星轮系”机构,能适合一定管径变化的一种新型的管道牵引机器人。论文研究了里程计模块,该模块通过编码器记录计程轮在管道中滚过的距离来获知管道的实际弧长参数。通过实验验证了该模块能够满足实际使用需要。论文采用上下位机的分级控制模式构建了测量系统的控制子系统。在第七章中,论文着重探讨了非开挖地下管线探测系统的在实验室和用户野外模拟管道的实验过程,并对实验获得的数据进行了分析,分析结果表明,系统能够实现非开挖地下信息管线的方位和形状的测量,并且系统工作时不易受电磁干扰和管道埋深的干扰。最后对本论文的研究工作进行了总结,论文的研究成果可望为开发新型的高精度的介入式地下信息管线探测实用系统提供理论和技术基础。

全文目录

摘要  6-9
Abstract  9-16
第一章绪论  16-28
  1.1 研究背景  16-19
    1.1.1 研究目的及意义  16-18
    1.1.2 课题来源  18-19
  1.2 国内外地下管线探测研究现状  19-25
    1.2.1 外置式管线探测设备和方法  19-21
    1.2.2 介入式传感的管道检测方法  21-24
    1.2.3 现有探测方法存在的主要问题  24-25
  1.3 论文的研究目标和任务  25-27
    1.3.1 研究目标  25
    1.3.2 研究任务  25-27
  1.4 本章小结  27-28
第二章非开挖地下信息管线探测系统的总体设计  28-40
  2.1 引言  28
  2.2 被测地下管线特征和环境分析  28-31
    2.2.1 管道形状特征分析  29-30
    2.2.2 弯道中物体的通过性分析  30-31
  2.3 系统概念设计  31-32
    2.3.1 系统工作原理  31
    2.3.2 系统功能和技术参数  31-32
  2.4 系统构成模块  32-39
    2.4.1 牵引与拖拽子系统  32-34
    2.4.2 介入式探测头子系统  34-38
    2.4.3 控制与可视化子系统  38-39
  2.5 本章小结  39-40
第三章基于曲线离散点形状信息的管道曲线空间形位重建方法  40-57
  3.1 引言  40
  3.2 基于离散点曲率信息曲线形位重建方法  40-48
    3.2.1 基于曲率信息的平面曲线拟合方法  40-43
    3.2.2 空间曲线拟合方法  43-46
    3.2.3 基于曲率信息重建算法的模拟曲线验证  46-48
  3.3 基于方向角测量的地下管线探测方法和技术  48-55
    3.3.1 基于离散点切线方向角的平面曲线重建算法研究  48-50
    3.3.2 基于离散点切线方向角的空间曲线重建算法  50-52
    3.3.3 曲线形状重建的模拟曲线算例验证  52-55
  3.4 本章小结  55-57
第四章基于FBG 的曲线曲率测量方法和装置研究  57-66
  4.1 引言  57
  4.2 光纤光栅传感器检测曲率的原理  57-61
    4.2.1 光纤光栅传感器检测应变原理  57-58
    4.2.2 平面曲率传感方法  58-59
    4.2.3 空间曲率传感方法  59-61
  4.3 曲率传感头机构设计  61-65
    4.3.1 柔弹性基材设计  61
    4.3.2 粘贴有光纤光栅的聚胺脂基材测曲率的可行性实验  61-63
    4.3.3 具有自动变径功能的定心保持架设计  63-64
    4.3.4 光纤光栅曲率传感头的集成  64-65
  4.4 本章小结  65-66
第五章管线中轴曲线方向角测量方法和装置研究  66-82
  5.1 引言  66
  5.2 基于电子罗盘的地下非开挖管线的方位角测量方法研究  66-71
    5.2.1 电子罗盘测量空间方向角原理  66-67
    5.2.2 管道中轴曲线空间方向角传感装置研究  67-69
    5.2.3 定心保持夹持器的定心误差分析  69-71
  5.3 基于PSD 的地下管线方位角测量方法研究  71-80
    5.3.1 基于激光准直原理的曲线两离散点切线间夹角测量方法  71-74
    5.3.2 基于PSD 的测量传感头设计  74-75
    5.3.3 模拟管道内的试验  75-80
  5.4 本章小结  80-82
第六章非开挖地下管线测量系统实验平台设计  82-101
  6.1 引言  82
  6.2 介入式空间方位传感装置的牵引装置设计  82-86
    6.2.1 管内牵引机器人  82-86
    6.2.2 介入式传感装置的牵引  86
  6.3 里程计的研究  86-93
    6.3.1 里程计工作原理  86
    6.3.2 里程计的结构设计  86-88
    6.3.3 计程精度分析  88-93
  6.4 信息检测与传输及介入控制系统  93-100
    6.4.1 信息检测控制系统组成  93-95
    6.4.2 介入控制系统的组成  95-96
    6.4.3 图形重建及总控系统  96-98
    6.4.4 控制系统软件组成和总框图  98-100
  6.5 本章小结  100-101
第七章非开挖地下管线探测系统实验  101-112
  7.1 引言  101
  7.2 实验室试验情况  101-109
    7.2.1 实验室实验环境  101
    7.2.2 非开挖地下管线三维探测机器人系统样机工作步骤  101-102
    7.2.3 实验和分析  102-107
    7.2.4 探测误差分析  107-108
    7.2.5 数据校正  108-109
  7.3 用户场地室外试验  109-111
    7.3.1 用户野外场地的实验环境  109-110
    7.3.2 非开挖地下管线三维探测机器人系统样机工作步骤  110-111
    7.3.3 实验和分析  111
  7.4 本章小结  111-112
第八章研究总结与展望  112-115
  8.1 研究总结  112-113
  8.2 展望  113-115
参考文献  115-121
博士期间已发表的主要科研学术论文  121-122
博士期间已获授权的主要发明专利  122-123
致谢  123-124

非开挖地下信息管线的三维曲线探测新技术研究

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