北斗导航系统在地下管线测绘中的应用研究
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作者:郭智敏
摘 要：地下管线具有不可见性，地下管线的探测除了要求管线探测仪器达到应有的精度，而且要求管线测绘人员在实际工作中具有很好的判断能力和丰富的经验。智能化和工业化相融合来代替人工进行地下管线的测绘作业已经成为未来发展趋势，将北斗导航系统、通信技术与沿着管线移动的设备相结合，可以有效替代人工完成管线测绘工作。
关键词：北斗导航 管线 测绘
中图分类号：P228 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）04（c）-0032-02
城市地下管线布局纵横交错非常复杂，构成了规模庞大的城市地下管网，规划部门和建设单位往往通过地下管网测量资料了解管线分布的详细情况。目前因城市地下管线埋设情况不清而致使管线损坏的施工事故不断发生，由此造成的人民生命财产损失难以估计，所以城市地下管线测绘的必要性和重要性不容忽视[1]。未还土的地下管线测量，主要是通过直接测定管线的特征点来完成管线的测量工作;已竣工的地下管线测量主要是通过物探的方式将管线特征点反映到地面上，然后再把各个特征点展绘在地形图上进行编辑[2]。
随着智能设施应用在传统产业升级中发挥着越来越重要的作用，智能化和工业化相融合来代替人工作业已经成为未来发展趋势。与此同时，北斗导航系统及其他科学技术的应用也为地下管线测绘技术发展注入了新的力量。将北斗导航系统、通信技术与沿着管线移动的设备相结合，可以替代人工完成管线测绘工作，为建立地下管网信息系统提供基础数据，保障地下管线安全运行和减灾防灾提供有力支撑，对于智慧城市建设发展具有重要意义[3]。
1 技术方案
为了替代人工完成管线测绘工作，研发一种新型地下管线测绘系统，系统中的爬行设备配备北斗定位元件和通信元件，能够在地下管线内部穿行，在沿着管线穿行过程中，不断将自身位置数据传递到外界的数据库服务器，依据位置数据即可绘制管线布置工程图。
系统包括BDS卫星、爬行机构、数据库服务器三部分;其中爬行机构包括电机组合、底盘、摇杆支架、短柄、股节连杆、摇杆、胫节连杆、滑块、挡片、爬行脚、电路板。所述电机组合由两台双轴电机前后并列排布在封闭在电机壳中，左右两侧各伸出两个电机轴;所述底盘螺接在电机壳的底部，底盘在左前、右前、左后、右后方向均设有水平条形的滑块轨道;两个所述遥感支架分别螺接在电机壳的头部和尾部，遥感支架的左右两侧均设有摇杆安装轴;所述电路板螺接在电机壳的顶部。
所述短柄、股节连杆、摇杆、胫节连杆、滑块、挡片、爬行脚均有四件，以相同的连接方式在电机组合的左前、右前、左后、右后组成四套运动机构;所述短柄的内端孔销接在电机轴上，外端孔铰接在股节连杆内端;所述摇杆的下端孔铰接在摇杆安装轴上，上端孔铰接在股节连杆的中间区域;所述胫节连杆的顶端孔铰接在股节连杆外端，滑块套在胫节连杆下段的竖杆上，同时安装在对应方位的滑块轨道中;所述爬行脚以螺接方式装配在胫节连杆的底端。
同侧的短柄旋转角度始终相同，左右两侧的短柄呈180°夹角;电机轴带动短柄旋转，股节连杆带动胫节连杆前后划动，左前、右后的爬行脚抬起向前移动后，向下支撑在地面上，爬行机构向前移动，同时右前、左后的爬行脚抬起向前移动;当右前、左后的爬行脚向下支撑在地面上后，爬行机构向前移动，同时左前、右后的爬行脚抬起向前移动，如此反复运动中爬行机构不断向前移动。
所述电机组合中的前后两台电机均为双轴电机，在电机壳内部，电机轴上均装有齿轮，前后电机轴上的齿轮均与中间的传动齿轮啮合，保证前后电机轴的转速和转角始终一致。所述底盘的中央底盘通过螺钉安装在电机壳的底部，中央底盘的左前、右前位置处水平向前伸出条形的滑块轨道，中央底盘的左后、右后位置处水平向后伸出条形的滑块轨道;每个滑块轨道由内向外开设有阶梯孔槽，所述滑块由内向外安装在阶梯孔槽中。
所述摇杆支架的左右两侧向外水平凸起细圆柱形的摇杆安装轴，摇杆安装轴的端面开设有螺纹孔;两个摇杆支架通过螺钉安装分别安装在电机壳的头部和尾部。所述短柄的内端孔通过销钉套装在电机轴上，左右两侧的短柄呈180°夹角，短柄的外端孔套在股节连杆内端的短柄连接轴上。所述摇杆的下端孔套在摇杆安装轴上，摇杆的上端孔套在股节连杆中间区域的摇杆连接轴上。
所述滑块的前后截面为90°旋转的T字形，滑块内侧的限位片宽度大于其余部分，嵌在滑块轨道的阶梯孔槽的阶梯平台上;限位片的外侧面上嵌有限位片滚珠，限位片滚珠在阶梯槽孔的阶梯平台上滚动;所述滑块的中央区域上下开设有竖杆限定孔，套在胫节连杆的竖杆上，使得胫节连杆始终保持竖直状态;竖杆限定孔的前后两侧均开设有竖直的挡片安装槽，挡片安装槽上宽下窄。
所述挡片为扁片状，竖直插在滑块的挡片安装槽中，防止滑块脱离滑块轨道;挡片的内侧面上嵌有挡片滚珠，挡片滚珠在滑块轨道的外侧面上滚动。所述爬行脚为顶部嵌有金属块的球状橡胶，金属块上开设有螺纹孔，螺接在胫节连杆下端。所述电路板上安装有BDS接收器、BDS天线、通信天线，电路板通过螺钉安装在电机壳的顶部。
2 技术原理
电机壳的内部装有蓄电池，为整个爬行机构提供动能源;从爬行机构的右侧视角看，短柄为逆时针转动;在右前运动机构中，当短柄向后拖动股节连杆时，股节连杆由倾斜逐渐变得竖直，与此同时股节连杆的内端向下移动，并远离摇杆的支点，这样底盘和胫节连杆的相对高度保持稳定，在此过程中，胫节连杆相对底盘在做向后划动动作;当短柄向前推动股节连杆时，股节连杆的内端向上移动，并靠近摇杆的支点，股节连杆尚未倾斜，使得股节连杆的外端迅速向上向前运动，爬行脚被带动抬起向前迅速移动，直至股节连杆倾斜到位，爬行脚下落。
相同原理在右后、左前、左后运动机构中，爬行脚在相对底盘向后划动过程中，与底盘的相对高度稳定，爬行脚在相对底盘向前运动过程，迅速抬高向前直至滑块轨道前端时，速度减缓并下落。这样在右前、左后爬行脚，左前、右后爬行脚交替为支撑过程中，爬行机构稳定向前移动。在爬行机构向前移动过程中，BDS接收器通过接受BDS卫星的位置和时间数据，计算出自身的位置数据，并通过通信天线不断将位置数据传递到数据库服务器中。
3 技术效果
这种新型地下管线测绘系统具有如下优点：（1）模拟爬行动物的肢体结构，实现在管线内的爬行的目标，设计新颖;（2）使用双轴电机的组合实现四个电机轴的同步转动;（3）配备BDS定位元件和通信元件，將位置数据实时传递到后台，实用高效。所以，这种新型地下管线测绘系统，系统中的爬行机构在沿着管线穿行过程中，不断将自身位置数据传递到外界的数据库服务器，依据位置数据即可绘制管线布置工程图。为建立地下管网信息系统提供基础数据，保障地下管线安全运行和减灾防灾提供有力支撑，对于智慧城市建设发展具有重要意义。
参考文献
[1] 杨元喜.北斗卫星导航系统与测绘学科发展[J].测绘科学技术学报，2015（1）.
[2] 李霖，邢小雨，李国忠.北斗导航系统应用于测绘地理信息服务的标准化技术体系分析[J].测绘通报，2015（3）：6-11.
[3] 张鸿祥.北斗卫星导航系统在测绘业中的应用进展[J].科技资讯，2013（20）：40-41.
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