随着城市建设的迅速发展,相比于传统的开挖—填埋式施工方式,非开挖技术因其施工周期短、环境影响小、综合成本低等独特优势,正逐渐成为市政工程施工中的主要方式。为保证项目施工安全,必须先要获得施工区域地下现有的管线分布与位置情况,随后才能制定正确的工艺技术与施工方案,精确规划钻孔轨迹确保项目顺利进行。而在目前的城市地下管线项目施工过程中,现有的地下管网轨迹测量方案在实施时,由于测量仪器中惯性导航元件本身固有的噪声问题,导致地下管线轨迹的测量精度严重受到影响。为解决这一问题,本文在研究过程中,开展了以下工作:(1)优选加速度计和陀螺仪组成的惯性导航系统的硬件结构;在解算算法中引入互补滤波和扩展卡尔曼滤波将误差显著降低,有效提高了管线轨迹测量精度。构建完善了整个测量系统。其主要构成由以负责方位角及距离信息采集的传感器为核心的下位机部分和完成串口通信及数据解算的上位机部分。其中下位机部分,在完成对系统的机械结构设计和传感器遴选的基础上,以STM32F103单片机作为系统的指令控制中心,完成了数据采样、数据存储、数据上传等各流程操作,实现了加速度计和光纤陀螺仪的信号控制和数据采集功能。辅助部分有电源管理及模数转换电路等。上位机部分,以LabVIEW平台完成了整个界面及串口读写的编写开发,并通过matlab脚本的方式实现了轨迹坐标解算和误差修正算法的代码编写调试工作。(2)为检验本地下管线轨迹测量仪的精确度和实用性,分别对其进行了静态与动态模拟实验,验证了算法的有效性。之后在模拟管道中进行了大量现场试验。测量系统在工作时,通过牵引绳拖拽测量仪在被测管线中匀速前进,带动尾部的旋转编码器旋转完成距离及速度信息的采集。同时,数据采集单元以一定频率采集加速度计和陀螺仪实时测得的俯仰角、横滚角以及载体坐标系Z轴上的角速度数据,随后记录在Flash芯片中。(3)在轨迹求取时引入滤波算法降低误差。首先将记录的各时刻角度变化数据代入姿态角解算方程进行运算,得到仪器在导航坐标系中的姿态变化信息。然后针对这些数据不规律、噪声大、不线性的特点,采用扩展卡尔曼滤波算法得出测量仪器位置信息的最优估计,降低噪声影响。最后为进一步弥补加速度计动态特性差而陀螺仪长时误差大的缺点,采用互补滤波算法将两者数据结合以进一步减小误差,用加速度计得到的角度姿态数据对陀螺仪解算的姿态角度数据进行修正,滤除传感器噪声带来的影响。为量化分析本测量系统的精度水平,针对同一测试管道,分别使用本轨迹测量仪与全站仪进行测量,并将测得的坐标数据进行对比,得到了测量系统在各方向上的最大绝对误差。对非开挖竣工管线轨迹测量系统进行研究有着重要的理论与实践意义,这是快速准确地确定竣工管线三维坐标及规划新建管线的有效方法,也是对管道施工质量进行量化评级的可靠手段。在进一步开发完善后,本文研发的地下管线轨迹探测系统将拥有更高的测量精度和工程价值,具备广阔的应用场景与市场前景。