專利名稱：金屬管道內(nèi)移動載體全程示蹤定位裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種定位裝置，具體涉及一種金屬管道內(nèi)移動載體的全程示蹤 定位裝置。
背景技術：
隨著我國石油化工與市政建設等部門所鋪設管線的急劇增長，對新鋪設管 道的質(zhì)量檢測、舊管線存在的缺陷檢修、管內(nèi)污垢堵塞清理以及未知地下管線 的分布測繪等方面有巨大需求。管內(nèi)移動載體是一種專門應用于管道工程中探 測、清管與作業(yè)的裝置，它可以攜帶各類檢測儀器與作業(yè)設備在管內(nèi)運行，完 成管道探傷、管道補漏等作業(yè)。由于破損、缺陷、堵塞現(xiàn)象在管道工程中時有 發(fā)生，管內(nèi)移動載體也常因為電力不足或設備失靈而陷入癱瘓狀態(tài)，封閉的金 屬管道環(huán)境屏蔽了管道內(nèi)的所有信息，地面工作人員無法得知管內(nèi)缺陷與移動 載體的準確位置，所以迫切地需要研制一種管內(nèi)移動載體的管外示蹤定位裝 置，來輔助管內(nèi)移動載體完成各類管道工程任務及管外工作人員在緊急情況下 實施救援工作。目前管道工程中的示蹤定位技術主要包括視覺定位技術、射線定位技術、磁場定位技術、超聲波定位技術、INS慣性導航和計程輪定位技術 幾種。但是這些技術都存在或多或少的缺點，視覺定位技術僅能實現(xiàn)對管道缺 陷位置與移動載體作業(yè)位置的管內(nèi)定位，位置信息無法傳輸?shù)焦芡猓瑫r其測量范圍較小，要求移動載體以較低的速度運行，不適合工程應用；INS慣性導航定位技術及計程輪定位技術均非在線定位技術，只能提供離線位置數(shù)據(jù)分析；射線定位技術可實現(xiàn)對管內(nèi)移動載體的管外定位，但是其有較強的放射性 對生物及周圍環(huán)境帶來較大的危害，尤其不適用于海底管道工程，此技術已被 禁止使用；磁場定位技術主要用于檢測管內(nèi)移動載體對管外設定基站的通過與 否，可以確定移動載體的運行管段，但無法實現(xiàn)準確定位；超聲波定位技術要 求管道內(nèi)外的超聲頭必須緊貼管壁，且必須涂敷耦合液，此技術應用的范圍較小，不能應用于地下、海底管道工程；傳統(tǒng)移動載體的有纜工作方式更無法實現(xiàn)在線長距離的管道作業(yè)要求。由此可見，現(xiàn)有的示蹤定位技術僅可以協(xié)助移 動載體完成管內(nèi)作業(yè)位置的搜尋、運行軌跡的跟蹤記載、管道內(nèi)外作業(yè)裝置的同步運行等任務，但是普遍存在應用的局限性，由于金屬管道信號屏蔽以及電磁信號傳播距離受限，無法滿足50-1000km或更長距離油/氣管道對管內(nèi)移動 載體管外全程示蹤定位的需求。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為了解決現(xiàn)有示蹤定位技術存在的由于金屬管道信號屏蔽以及電 磁信號傳播距離受限而無法實現(xiàn)長距離管外全程示蹤定位的缺點，提出了一種 金屬管道內(nèi)移動載體全程示蹤定位裝置。金屬管道內(nèi)移動載體全程示蹤定位裝置，它包括移動載體2，它還包括甚低頻功率電磁脈沖信號發(fā)射器3，它裝設在金屬管道1內(nèi)運行的移動載 體2上，用于發(fā)射甚低頻功率電磁脈沖信號；移動天線陣系統(tǒng)4，它裝設在移動裝載裝置4-l上，用于接收甚低頻功率 電磁脈沖信號發(fā)射器3發(fā)射的甚低頻功率電磁脈沖信號，通過計算來精確定位 移動載體2在金屬管道1內(nèi)的位置；信號識別與GPS通訊模塊5，它裝設在地下或水中的各個檢測基站中，用 于接收甚低頻功率電磁脈沖信號發(fā)射器3發(fā)射的甚低頻功率電磁脈沖信號，并 通過信號識別算法確定移動載體2相對于檢測基站的通過與否并把信號發(fā)送 給通訊衛(wèi)星7。本發(fā)明的有益效果在于金屬管外工作人員實現(xiàn)了對移動載體2進行遠、近 距離管外全程示蹤定位。


圖1為本發(fā)明的結構示意圖；圖2為具體實施方式
三的結構示意圖；圖3 為具體實施方式
四的結構示意圖；圖4為具體實施方式
六的結構示意圖；圖5 為移動載體通過基站時檢測到的信號波形示意圖。
具體實施方式
具體實施方式
一結合圖1說明本實施方式，本實施方式包括移動載體 2，甚低頻功率電磁脈沖信號發(fā)射器3，它裝設在金屬管道1內(nèi)運行的移動載體2上，用于發(fā)射甚低頻功率電磁脈沖信號；移動天線陣系統(tǒng)4，它裝設在移動裝載裝置4-l上，用于接收甚低頻功率 電磁脈沖信號發(fā)射器3發(fā)射的甚低頻功率電磁脈沖信號，通過計算來精確定位移動載體2在金屬管道1內(nèi)的位置；信號識別與GPS通訊模塊5，它裝設在地下或水中的各個檢測基站中，用 于接收甚低頻功率電磁脈沖信號發(fā)射器3發(fā)射的甚低頻功率電磁脈沖信號，并 通過信號識別算法確定移動載體2相對于檢測基站的通過與否并把信號發(fā)送 給通訊衛(wèi)星7。
具體實施方式
二本實施方式與具體實施方式
一不同點在于移動天線陣 系統(tǒng)4采用基于CAN總線結構的集散五天線陣系統(tǒng)。其它組成與具體實施方 式一相同。
具體實施方式
三結合圖2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方 式二不同點在于移動天線陣系統(tǒng)4包括以下幾個部分移動裝載裝置4-l，用于裝載移動天線陣系統(tǒng)4;計算機4-2，用于接收CAN總線接口卡4-3傳輸?shù)臄?shù)字量電壓信號，并通 過示蹤定位軟件計算管內(nèi)移動載體2的二維平面位置；CAN總線接口卡4-3，用于接收五天線陣4-4傳輸?shù)臄?shù)字量電壓信號，并 把信號傳輸?shù)接嬎銠C4-2;五天線陣4-4，用于接收金屬管道l內(nèi)的甚低頻功率電磁脈沖信號發(fā)射器 3發(fā)射的甚低頻功率電磁脈沖信號，并把電磁信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量電壓信號傳輸 給CAN總線接口卡4-3;UPS電源4-5,用于為移動天線陣系統(tǒng)4提供電能；開關電源4-6，用于為五天線陣4-4提供電能。其它組成具體實施方式
二相同。CAN總線接口卡4-3的型號為USB-CANII 。
具體實施方式
四結合圖3說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
三不同點在于五天線陣4-4包括五個單獨的結構相同、功能相同的天線單元 4-9，天線單元4-9包括以下幾個部分第一接收天線4-9-1，用于接收金屬管道l內(nèi)的甚低頻功率電磁脈沖信號 發(fā)射器3發(fā)射的甚低頻功率電磁脈沖信號，并將磁信號轉(zhuǎn)換成電壓信號傳輸給 第一運算放大器4-9-3;電壓轉(zhuǎn)換模塊4-9-2，用于把開關電源4-6提供的高值直流電壓轉(zhuǎn)換成低值直流電壓為天線單元4-9提供電能；第一運算放大器4-9-3，用于接收第一接收天線4-9-1輸出的電壓信號，并 進行幅值放大和低通濾波后傳輸給第一集成濾波器4-9-4;第一集成濾波器4-9-4，用于把第一運算放大器4-9-3輸出的電壓信號和第 一嵌入式微控制器4-9-6提供的與發(fā)射信號頻率成50倍或100倍的數(shù)字脈沖 信號利用帶通濾波識別出金屬管道1內(nèi)的甚低頻功率電磁脈沖信號發(fā)射器3 發(fā)射的甚低頻功率電磁脈沖信號，并傳輸給第一 AD轉(zhuǎn)換模塊4-9-5;第一 AD轉(zhuǎn)換模塊4-9-5，用于把接收第一集成濾波器4-9-4輸出的模擬量 信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號，通過I/O端口輸出到第一嵌入式微控制器4-9-6;第一嵌入式微控制器4-9-6，用于為第一集成濾波器4-9-4提供與發(fā)射信號 頻率成50倍或100倍的數(shù)字信號，并把第一 AD轉(zhuǎn)換模塊4-9-5輸入的數(shù)字量 信號傳輸給CAN控制器4-9-7;CAN控制器4-9-7，用于把第一嵌入式微控制器4-9-6輸入的電壓幅值信 號通過CAN總線傳輸?shù)紺AN總線接口卡4-3。其它組成與具體實施方式
三相同。電壓轉(zhuǎn)換模塊4-9-2的型號為 HZD05-24S05;第一運算放大器4-9-3的型號為TI-OP07;第一集成濾波器4-9-4 的型號為MF10;第一 AD轉(zhuǎn)換模塊4-9-5的型號為TLC2543;第一嵌入式微 控制器4-9-6的型號為ARM2119; CAN控制器4-9-7的型號為SJAIOOO。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
三不同點在于移動裝載裝 置4-1采用車輛或船舶。其它組成與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
六結合圖4，圖5說明本實施方式，本實施方式與具體 實施方式一不同點在于信號識別與GPS通訊模塊5由以下幾個部分組成第二接收天線5-l，用于接收金屬管道l內(nèi)的甚低頻功率電磁脈沖信號發(fā) 射器3發(fā)射的甚低頻功率電磁脈沖信號，并將磁信號轉(zhuǎn)換成電壓信號傳輸給第 二運算放大器5-3;大容量鋰電池5-2，用于為信號識別與GPS通訊模塊5提供電能；第二運算放大器5-3，用于接收第二接收天線5-l輸出的電壓信號，并進 行幅值放大和低通濾波后傳輸給第二集成濾波器5-4;第二集成濾波器5-4，用于把第二運算放大器5-3輸出的電壓信號和第二8嵌入式微控制器5-6提供的與發(fā)射信號頻率成50倍或100倍的數(shù)字脈沖信號 利用帶通濾波識別出金屬管道1內(nèi)的甚低頻功率電磁脈沖信號發(fā)射器3發(fā)射的 甚低頻功率電磁脈沖信號，并傳輸給第二 AD轉(zhuǎn)換模塊5-5;第二 AD轉(zhuǎn)換模塊5-5，用于把接收第二集成濾波器5-4輸出的模擬量信 號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號，通過I/O端口輸入到第二嵌入式微控制器5-6;第二嵌入式微控制器5-6，用于為第二集成濾波器5-4提供與發(fā)射信號頻 率成50倍或100倍的數(shù)字信號,并通過信號閾值檢測軟件判斷接收到第二 AD 轉(zhuǎn)換模塊5-5輸出的數(shù)字量信號是否有效并通過I/O端口輸出電平信號；GPS通訊模塊5-7，用于接收第二嵌入式微控制器5-6輸出的電平信號， 接收到第二嵌入式微控制器5-6輸出的高電平信號，向通訊衛(wèi)星7發(fā)射信號； 接收到第二嵌入式微控制器5-6輸出的低電平信號，不發(fā)射信號。其它組成與具體實施方式
一相同。通過理論分析與實驗驗證，甚低頻功率電磁脈沖信號發(fā) 射器3與信號識別與GPS通訊模塊5的相對位置發(fā)生變化時，檢測到的信號 幅值隨位置呈雙峰變化趨勢，見圖5。當甚低頻功率電磁脈沖信號發(fā)射器3與 信號識別與GPS通訊模塊5的相對位置重合時，信號幅值最小，這也是信號 閾值檢測軟件判斷的依據(jù)，當信號識別與GPS通訊模塊5接收到的電磁信號 呈現(xiàn)如圖5所示的變化規(guī)律時，說明金屬管道1內(nèi)的移動載體2通過此基站位 置。甚低頻功率電磁脈沖信號的傳播距離很遠，因而信號識別與GPS通訊模 塊5能提前發(fā)現(xiàn)移動載體2,有效檢測到信號的時間比較長，提高了對移動載 體2通過信息監(jiān)測的精確性，避免了因非周期性噪聲導致的誤報事件的發(fā)生。 其它組成與具體實施方式
一相同。第二運算放大器5-3的型號為TI-OP07;第 二集成濾波器5-4的型號為MF10;第二 AD轉(zhuǎn)換模塊5-5的型號為TLC2543; 第二嵌入式微控制器5-6的型號為ARM2119; GPS通訊模塊5-7的型號為 SiemensXT55。工作原理甚低頻功率電磁脈沖信號發(fā)射器3與在金屬管道1內(nèi)運行的移 動載體2相互連接，甚低頻功率電磁脈沖信號發(fā)射器3發(fā)出具有較強穿透特性 的甚低頻功率電磁脈沖信號，穿透金屬管壁及多相介質(zhì)層。當移動載體2通過 某一基站位置時，通過安裝在基站內(nèi)部的信號識別與GPS通訊模塊5有效檢 測出特定頻率的發(fā)射信號，由于每個GPS通訊模塊都有唯一的通訊ID，通過GPS通訊衛(wèi)星7可以準確確定出移動載體2正在運行的管段，當移動載體2 運行出現(xiàn)故障或檢測裝置發(fā)現(xiàn)管壁缺陷時，通訊衛(wèi)星7提供移動載體2當前正 在運行的管段，移動載體2停在管段內(nèi)某位置處。工作人員通過移動天線陣系 統(tǒng)4，、根據(jù)接收到的甚低頻功率電磁脈沖信號發(fā)射器3發(fā)出具有較強穿透特性 的甚低頻功率電磁脈沖信號來標定管段內(nèi)移動載體的精確位置，實現(xiàn)精確示蹤 定位。
權利要求
1、金屬管道內(nèi)移動載體全程示蹤定位裝置，它包括移動載體(2)，其特征在于它還包括以下幾部分甚低頻功率電磁脈沖信號發(fā)射器(3)，它裝設在金屬管道(1)內(nèi)運行的移動載體(2)上，用于發(fā)射甚低頻功率電磁脈沖信號；移動天線陣系統(tǒng)(4)，它裝設在移動裝載裝置(4-1)上，用于接收甚低頻功率電磁脈沖信號發(fā)射器(3)發(fā)射的甚低頻功率電磁脈沖信號，通過計算機(4-2)的軟件系統(tǒng)來精確定位移動載體(2)在金屬管道(1)內(nèi)的位置；信號識別與GPS通訊模塊(5)，它裝設在地下或水中的各個檢測基站中，用于接收甚低頻功率電磁脈沖信號發(fā)射器(3)發(fā)射的甚低頻功率電磁脈沖信號，并通過信號識別算法確定移動載體(2)相對于檢測基站的通過與否并把信號發(fā)送給通訊衛(wèi)星(7)。
2、 根據(jù)權利要求1所述的金屬管道內(nèi)移動載體全程示蹤定位裝置，其特 征在于移動天線陣系統(tǒng)(4)采用基于CAN總線結構的集散五天線陣系統(tǒng)。
3、 根據(jù)權利要求2所述的金屬管道內(nèi)移動載體全程示蹤定位裝置，其特 征在于移動天線陣系統(tǒng)(4)包括以下幾個部分移動裝載裝置(4-l)，用于裝載移動天線陣系統(tǒng)(4);計算機(4-2)，用于接收CAN總線接口卡(4-3)傳輸?shù)臄?shù)字量電壓信號，并 通過示蹤定位軟件計算管內(nèi)移動載體(2)的二維平面位置；CAN總線接口卡(4-3)，用于接收五天線陣(4-4)傳輸?shù)臄?shù)字量電壓信號， 并把信號傳輸?shù)接嬎銠C(4-2);五天線陣(4-4)，用于接收金屬管道(l)內(nèi)的甚低頻功率電磁脈沖信號發(fā)射 器(3)發(fā)射的甚低頻功率電磁脈沖信號，并把電磁信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量電壓信號 傳輸給CAN總線接口卡(4-3);UPS電源(4-5)，用于為移動天線陣系統(tǒng)(4)提供電能；開關電源(4-6)，用于為五天線陣(4-4)提供電能。
4、 根據(jù)權利要求3所述的金屬管道內(nèi)移動載體全程示蹤定位裝置，其特征在于五天線陣(4-4)包括五個單獨的結構相同功能相同的天線單元(4_9)，天線 單元(4-9)包括以下幾個部分第一接收天線(4-9-l)，用于接收金屬管道(l)內(nèi)的甚低頻功率電磁脈沖信號發(fā)射器(3)發(fā)射的甚低頻功率電磁脈沖信號，并將磁信號轉(zhuǎn)換成電壓信號傳輸 給第一運算放大器(4-9-3);電壓轉(zhuǎn)換模塊(4-9-2)，用于把開關電源(4-6)提供的高值直流電壓轉(zhuǎn)換成低 值直流電壓為天線單元(4-9)提供電能；第一運算放大器(4-9-3)，用于接收第一接收天線(4-9-l)輸出的電壓信號， 并進行幅值放大和低通濾波后傳輸給第一集成濾波器(4-9-4);第一集成濾波器(4-9-4)，用于把第一運算放大器(4-9-3)輸出的電壓信號和 第一嵌入式微控制器(4-9-6)提供的與發(fā)射信號頻率成50倍或100倍的數(shù)字脈沖信號利用帶通濾波識別出金屬管道(l)內(nèi)的甚低頻功率電磁脈沖信號發(fā)射器 (3)發(fā)射的甚低頻功率電磁脈沖信號，并傳輸給第一 AD轉(zhuǎn)換模塊(4-9-5);第一 AD轉(zhuǎn)換模塊(4-9-5)，用于把接收第一集成濾波器(4-9-4)輸出的模擬 量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號，通過I/O端口輸出到第一嵌入式微控制器(4-9-6);第一嵌入式微控制器(4-9-6)，用于為第一集成濾波器(4-9-4)提供與發(fā)射信 號頻率成50倍或100倍的數(shù)字信號，并把第一 AD轉(zhuǎn)換模塊(4-9-5)輸入的數(shù) 字量信號傳輸給CAN控制器(4-9-7);CAN控制器(4-9-7)，用于把第一嵌入式微控制器(4-9-6)輸入的電壓幅值信 號通過CAN總線傳輸?shù)紺AN總線接口卡(4-3)。
5、 根據(jù)權利要求3所述的金屬管道內(nèi)移動載體全程示蹤定位裝置，其特 征在于移動裝載裝置(4-l)采用車輛或船舶。
6、 根據(jù)權利要求1所述的金屬管道內(nèi)移動載體全程示蹤定位裝置，其特 征在于信號識別與GPS通訊模塊(5)由以下幾個部分組成第二接收天線(5-l)，用于接收金屬管道(l)內(nèi)的甚低頻功率電磁脈沖信號 發(fā)射器(3)發(fā)射的甚低頻功率電磁脈沖信號，并將磁信號轉(zhuǎn)換成電壓信號傳輸 給第二運算放大器(5-3);大容量鋰電池(5-2)，用于為信號識別與GPS通訊模塊(5)提供電能；第二運算放大器(5-3)，用于接收第二接收天線(5-l)輸出的電壓信號，并進 行幅值放大和低通濾波后傳輸給第二集成濾波器(5-4);第二集成濾波器(5-4)，用于把第二運算放大器(5-3)輸出的電壓信號和第二 嵌入式微控制器(5-6)提供的與發(fā)射信號頻率成50倍或100倍的數(shù)字脈沖信號利用帶通濾波識別出金屬管道(1)內(nèi)的甚低頻功率電磁脈沖信號發(fā)射器(3)發(fā)射 的甚低頻功率電磁脈沖信號，并傳輸給第二 AD轉(zhuǎn)換模塊(5-5);第二 AD轉(zhuǎn)換模塊(5-5)，用于把接收第二集成濾波器(5-4)輸出的模擬量信 號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號，通過I/O端口輸入到第二嵌入式微控制器(5-6);第二嵌入式微控制器(5-6)，用于為第二集成濾波器(5-4)提供與發(fā)射信號頻 率成50倍或100倍的數(shù)字信號，并通過信號閾值檢測軟件判斷接收到第二 AD 轉(zhuǎn)換模塊(5-5)輸出的數(shù)字量信號是否有效并通過I/0端口輸出電平信號；GPS通訊模塊(5-7)，用于接收第二嵌入式微控制器(5-6)輸出的電平信號， 接收到第二嵌入式微控制器(5-6)輸出的高電平信號，向通訊衛(wèi)星(7)發(fā)射信號； 接收到第二嵌入式微控制器(5-6懶出的低電平信號，不發(fā)射信號。
全文摘要
金屬管道內(nèi)移動載體全程示蹤定位裝置，它涉及一種定位裝置，它為了解決現(xiàn)有技術存在的因金屬管道信號屏蔽及電磁信號傳播距離受限而無法實現(xiàn)長距離管外全程示蹤定位的缺點而提出的，它包括移動載體，裝設在金屬管道內(nèi)運行的移動載體上甚低頻功率電磁脈沖信號發(fā)射器，裝設在移動裝載裝置上移動天線陣系統(tǒng)，裝設在地下或水中的各檢測基站中的信號識別與GPS通訊模塊接收甚低頻功率電磁脈沖信號發(fā)射器發(fā)射的信號來識別移動載體通過與否并把信號發(fā)給通訊衛(wèi)星。移動天線陣系統(tǒng)通過接收甚低頻功率電磁脈沖信號發(fā)射器發(fā)射的信號來精確定位移動載體在金屬管道內(nèi)的位置，本發(fā)明的有益效果在于實現(xiàn)了管外人員對移動載體進行遠、近距離管外全程示蹤定位。
文檔編號G01S1/02GK101251588SQ20081006419
公開日2008年8月27日 申請日期2008年3月28日 優(yōu)先權日2008年3月28日
發(fā)明者唐德威, 孫東昌, 孫永泰, 張曉華, 鄧宗全, 陳宏鈞, 齊海銘 申請人:哈爾濱工業(yè)大學