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发布：2026-06-07 08:48:04 · 事件：2026-06-07 08:48:04

摘自 《煤气与热力》2025年6月刊 SLAM激光扫描与陀螺仪在穿越管段定位的应用 陈远胜 1 ，梅月红 1 ，刘岩波 2 ，王嘉伟 2 （1.新奥能源控股有限公司， 河北 廊坊 065000； 2.新地数安（河北）管道检测有限公司， 河北 廊坊 065000） 摘要： 介绍惯性陀螺仪的定位原理、结构及特点、数据采集、数据处理，以及同时定位与地图构建（简称SLAM）三维激光扫描技术的技术框架、数据采集、数据处理。

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  摘自 《煤气与热力》2025年6月刊>>> SLAM激光扫描与陀螺仪在穿越管段定位的应用 陈远胜 1 ，梅月红 1 ，刘岩波 2 ，王嘉伟 2 （1.新奥能源控股有限公司，  河北  廊坊  065000； 2.新地数安（河北）管道检测有限公司，  河北  廊坊  065000） 摘要： 介绍惯性陀螺仪的定位原理、结构及特点、数据采集、数据处理，以及同时定位与地图构建（简称SLAM）三维激光扫描技术的技术框架、数据采集、数据处理。SLAM三维激光扫描技术与惯性陀螺仪的融合可以更直观、更精确地确定穿越管段的相对位置，实现穿越管段空间精准定位。 关键词： 穿越管段；SLAM三维激光扫描技术；惯性陀螺仪；管道定位 参考文献示例： 陈远胜，梅月红，刘岩波，等. SLAM激光扫描与陀螺仪在穿越管段定位的应用［J］. 煤气与热力，2025，45（6）：B18-B21，B25. 1  概述 一些城市燃气管道通过非开挖方式敷设，水平定向钻是主要方式之一，大量的穿越管段施工后并没有确定轨迹坐标，加上地形地貌变化，给运行管理带来了安全隐患。惯性陀螺仪结合同时定位与地图构建（ Simultaneous Localization and Mapping ，简称 SLAM ）三维激光扫描技术可以从根本上解决地下穿越管段的地上无地物地貌、无坐标数据问题。惯性陀螺仪可以获取燃气管道三维轨迹坐标，解决管道定位问题。 SLAM 三维激光扫描能够获取地上地物地貌信息，解决管道相对定位的问题。 2  惯性陀螺仪 2.1  惯性陀螺仪定位原理 惯性陀螺仪定位是利用惯性传感器（如陀螺、加速度计等）进行导航与制导的一种完全自主的导航定位技术，通过测量陀螺的加速度及角速度，推算出陀螺的瞬时速度、相对位置与姿态。 惯性陀螺仪的原理是科里奥利效应，是指处于转动参考系中的物体运动时受到的一种惯性力，在旋转坐标系中运动的物体会发生偏移的现象，这种偏移就是由于出现了科里奥利力。当一个质量元件在平面内做正弦振动时，如果该平面同时以一个角速度做旋转运动，在科里奥利效应的作用下，质量元件将垂直于平面 ( 谐振轴 ) 做正弦振动，方向符合右手螺旋定则，振幅与角速度成正比。惯性陀螺仪是一种振动式陀螺，利用科里奥利力将陀螺的转动转化为垂直于平面的正弦振动，通过测量该轴的位移从而得到角速度 [1] 。 惯性陀螺仪在管道内部运动时，由于管道左右拐弯，惯性陀螺仪在管道弯曲方向会产生一个向心力，这个向心力与运动物体的质量、速度、曲率半径有关，速度越快、曲率半径越小，向心力越大，产生的加速度越大。陀螺仪与加速度计会记录下管道各个位置产生的加速度和速度。当管道的轨迹是直线时，左右方向的加速度是 0 ，根据这些位置的加速度和速度，可计算出管道的轨迹。 2.2  惯性陀螺仪结构及特点 惯性陀螺仪结构见图 1 。里程计用于计算惯性陀螺仪在管道内爬行的距离。计时器用于计算惯性陀螺仪在管道内爬行的时间。惯性测量模块（ Inertial Measurement Unit ，简称 IMU ），主要用来测量加速度与角速度，其核心部件是加速度计与角速度计。数据存储模块储存测量里程、时间、角速度、加速度等数据 [2] 。 图 1     惯性陀螺仪结构 测量作业时，惯性陀螺仪由牵引绳拉动穿管而过，过程中各传感器记录原始数据。在数据处理过程中，对 IMU 记录的原始数据和管道出入口的控制点坐标进行组合解算，得到惯性陀螺仪的运动轨迹和姿态，进而推算管道中线的位置坐标。 惯性陀螺仪测量的特点是不受外界干扰，不受管道埋深影响，适应各种管道材质，是一种管内直接测量的方法，不受地面条件限制，测量速度快，精度高，成果提交快。采集的数据通过微积分算法和定制的成果编辑软件处理，实现了快速数据解算和成果图绘制。 惯性陀螺仪测量现场见图 2 。惯性陀螺仪数据采集时要求管道处于非运行状态，建议在新建穿越管段施工完成后立即进行测量  [3] 。 图 2     惯性陀螺仪测量现场 2.3  惯性陀螺仪数据采集与处理 ①  数据采集 数据采集需要配备实时动态测量仪（简称 RTK ）或全站仪、卷扬机、穿线吹风机等设备。数据采集步骤如下。 a. 测量坐标。用 RTK 或者全站仪测量待测管道起点和终点的管顶坐标并记录。 b. 穿线。用穿线工具将管道一端的卷扬钢缆穿过管道，并在管道另一端将两台卷扬机的钢缆分别固定于惯性陀螺仪两端万向节，抽出穿线工具。 c. 调节前后支架。分别将惯性陀螺仪前端（里程计端）与后端（操作面板端）支架螺母朝外调节到支架臂松弛状态，将惯性陀螺仪放入管道，朝内调节支架螺母至弹簧开始收缩并受力， 3 个轮子贴紧管壁。 d. 惯性陀螺仪开机。两台卷扬机牵引惯性陀螺仪从一端穿行到另一端。 ②  数据处理 a. 数据解算、核实后进行预处理。预处理判定数据不合格时，应分析原因并重新采集数据。 b. 信号滤波平滑。对原始信号进行平滑处理，尽量滤除高频噪声，从而获得平滑的角速度曲线。 c. 角速度积分。得到平滑后的角速度数据后，通过数值积分计算角位移。 d. 系统误差与随机误差处理。实时补偿可以消除系统误差，随机误差可采用时间序列分析法，对零点偏移的数据进行建模分析，降低误差影响。 3 SLAM 三维激光扫描技术 3.1 SLAM 三维激光扫描技术概览 SLAM 三维激光扫描技术是一种新型的三维定位技术，能够通过对环境特征连续观察及检测，在未知环境下完成自身定位，并同步构建周围环境地图。该技术可以获取精确的位置信息与地图环境信息。 SLAM 三维激光扫描技术可以直接测量距离，对环境的感知更加准确，可以获取物体的空间位置和形状信息，构建地图进行精确定位，长时间运行也更加可靠和稳定。 SLAM 三维激光系统被广泛应用于室内导航、三维重建和自动驾驶等领域，是人工智能的研究热点 [4] 。 目前市场以 SLAM 多线激光系统为主，该系统采用激光探头从多角度扫描环境，可以获取含有三维物体坐标信息的点云数据。 SLAM 多线激光系统的多线激光雷达根据探测器数量不同，可分为不同型号。随着探测器数量增加，获取点云数据的速度更快、数据量更丰富，建立的地图精度更高。配置同步相机后，可以生成彩色点云。 SLAM 三维激光扫描技术成果见图 3 。 图 3    SLAM 三维激光扫描技术成果 3.2 SLAM 三维激光扫描技术框架 SLAM 三维激光扫描技术框架见图 4 。分为 5 部分：传感器、前端里程器、后端优化、回环检测、地图构建。传感器采集数据，将所采集到的数据交给前端里程器处理分析，快速估算出相邻激光雷达数据帧之间的位姿变换，此时计算出的位姿含有累计误差，不够准确。后端优化负责全局轨迹优化，得出精确位姿，地图构建负责构建全局地图。在此过程中，回环检测一直在执行，它用于识别经过的场景，实现闭环，消除累计误差 [4] 。 图 4    SLAM 三维激光扫描技术框架 3.3 SLAM 三维激光系统数据采集与处理 ①  数据采集步骤 a.  数据采集路线规划。数据采集之前根据扫描范围规划好扫描路线，合理的扫描路线有助于提高数据解算精度。 b. 布设控制点。根据扫描范围及区域形态做好控制点的布设，既要保证 RTK 信号有效又要兼顾控制点能够均匀地分布在待测区域。 c. 扫描测量。进行现场扫描，初始化后确保 SLAM 三维激光扫描仪状态稳定，激光头朝向待扫描区域，保持速度均匀、设备运行平稳，扫描过程中精准拾取全部控制点。测量结束后，保存数据并关机。 ②  数据处理步骤 a. 数据解算及坐标转换。不同品牌 SLAM 三维激光扫描仪均配有专用的解算软件，加载原始数据解算出点云数据，并检查数据是否存在分层、重影、歪斜变形等质量问题。若无上述质量问题则可对控制点进行坐标转换，将相对坐标转换为绝对坐标。 b. 去噪。在数据采集过程中会有一些因素影响点云数据质量，例如车辆、人员、天气。通过软件或人工裁剪对数据进行去噪。 c. 点云拼接。采用坐标系统拼接或特征点匹配拼接。 4 SLAM 三维激光扫描技术与惯性陀螺仪融合 穿越管段惯性陀螺仪定位技术在燃气行业应用程度较高，这项技术获取了穿越管段在地下空间的三维轨迹分布特征，通过软件计算出穿越管段的绝对坐标数据。当交叉施工需要确定穿越管段具体位置时，要通过 RTK 或者全站仪等测量设备将穿越管段的平面位置放样出来，并通过高程计算管道埋深。如果需要计算穿越管段距某特征地物的距离则需要将二者坐标进行比较，个别场景 RTK 信号不好时数据误差较大。 采用 SLAM 三维激光扫描技术将穿越管段上方地物地貌以带绝对坐标的三维激光点云数据形式呈现，在 RTK 信号相对稳定区域做好控制点测量，然后将配准好的三维点云数据进行坐标转换，就得到了 cm 级的三维激光点云成果。 SLAM 三维激光点云数据与惯性陀螺仪数据融合结果见图 5 。  图 5    SLAM 三维激光点云数据与惯性陀螺仪数据融合结果 将惯性陀螺仪轨迹与地上三维激光点云数据进行绝对坐标统一后，在软件上进行数据融合，成为一个三维可测量的全空间数据体，可以测量穿越管段的埋深、长度、距地上特征物的距离、轨迹形态等。通过点云正视投影，还能生成二维标准比例平面图，包含管道地面投影轨迹及路由分布，并根据需要在投影轨迹上以等间距形式标注距路中心或两侧建筑物的距离。通过不断优化、迭代产品，自动生成工程竣工图，工程竣工图（软件截图）见图 6 。 图 6     工程竣工图（软件截图） 利用惯性陀螺仪获得管道定位数据，开发点云编辑软件。点云编辑软件可生成企业地理信息系统需要的点线表文件，具备管道相对地面高程（埋深）自动拾取功能、管线长度自动识别功能等。本文将惯性陀螺仪轨迹数据与对应的三维激光地面高程数据录入后，可自动生成惯性陀螺仪轨迹剖面图，并附有等间距埋深，穿越管段轨迹标准比例剖面图（软件截图）见图 7 。 图 7     穿越管段轨迹标准比例剖面图（软件截图） 惯性陀螺仪采集的绝对坐标以及生成的三维模型图可直接传到燃气企业智能工程系统中，也可直接入库到地理信息系统中，企业智能工程系统（软件截图）见图 8 。 图 8     企业智能工程系统（软件截图） 5  结束语 SLAM 三维激光扫描技术与惯性陀螺仪的融合可以更直观、更精确地确定穿越管段的相对位置，实现穿越管段空间精准定位。在第三方施工过程中提供准确的数据，防止因穿越管段位置不准确引起第三方施工破坏，为城市燃气企业安全运营提供技术保障。 参考文献： [1]  王珍妮，杨功流，蔡庆中 .   “俏皮”的旋转——现代陀螺仪技术的发展 [J].   科技经纬， 2022 （ 13 ）： 41-45. [2]  李思琪，陈起金，牛小骥，等 .   城市地下管线惯性测量仪管道接缝探测算法及其对定位精度的影响分析 [J].   传感技术学报 , 2023 （ 6 ）： 893-900. [3]  谭伟巨 .   惯导陀螺仪在管道探测的应用及前景分析 [J].   勘探测绘， 2023 （ 13 ）： 41-45. [4]  刘铭哲，徐光辉，唐堂，等 .   激光雷达 SLAM 算法综述 [J].   计算机工程与应用， 2024 （ 1 ）： 1-14. （本文责任编辑：马艳） 声明：本文著作权（版权）归《煤气与热力》杂志社所有。 点击关注我们↘