一种基于fpga的管道测径仪多路位移脉冲优选装置与方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于管道检测技术领域，特别设及一种基于FPGA的管道测径仪多路位移脉 冲优选装置与方法。
【背景技术】
[0002] 随着铺设的油气管道服役年限不断增加，老龄化管道产生的腐蚀、形变、泄漏等造 成的管道事故日益增多，因此对长输管道开展泄漏检测意义重大。如何精确的对管道内发 生的变形、缺陷进行及时检测维修是管道测径仪的重要任务。而精确的定位是对管道缺陷 进行及时维修的重要保证。里程轮是管道测径仪里程计量装置，保证里程轮在复杂管道环 境中正常运行并输出高精度脉冲信号是关键技术。目前，现有的管道测径仪里程轮定位技 术仍然缺乏完整的、高效的优选方法与校正方法。
【发明内容】
[0003]针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于FPGA的管道测径仪多路位移脉冲优 选装置与方法。
[0004] -种基于FPGA的管道测径仪多路位移脉冲优选装置，包括管道测径仪本体、若干 个里程轮、信号采集模块、光禪合隔离单元、FPGA中央处理单元，信号采集模块包括若干个 凸透镜、若干个旋转编码器、若干个光敏元件。管道测径仪本体内部有光源，若干个里程轮 均匀安装在管道测径仪本体内部径向圆周上，每个里程轮轴上装有一个凸透镜、一个旋转 编码器、一个光敏元件，并且凸透镜、旋转编码器、光敏元件与里程轮同轴旋转。若干个光敏 元件与光禪合隔离单元输入端相连，光禪合隔离单元的输出端与FPGA中央处理单元输入端 相连。
[000引所述信号采集模块将光源发出的光，通过若干个凸透镜转化为若干组平行光，透 过若干个旋转编码器被若干个光敏元件检测到，并转化为周期性变化的多路数字脉冲信 号，即为多路位移脉冲信号。
[0006]所述光禪合隔离单元实现多路位移脉冲信号与FPGA中央处理单元之间的电气隔 离，并将多路位移脉冲信号转化为符合FPGA中央处理单元内部I/O口输入要求的数字脉冲 信号。
[0007]所述FPGA中央处理单元包括异常判断模块、弯道判断模块和多路智能优选模块。 异常判断模块通过多路位移脉冲信号的脉冲数判断若干个里程轮的工作状态一正常状态、 可能弯道状态、异常状态。弯道判断模块利用弯道圆屯、角的线性回归模型计算弯道圆屯、角 预测值，并与设定的第二阔值比较，判断若干个里程轮的工作状态是否为弯道状态。多路智 能优选模块根据若干个里程轮的工作状态选择最优位移脉冲信号并输出。
[0008] -种基于FPGA的管道测径仪多路位移脉冲优选方法，采用上述基于FPGA的管道测 径仪多路位移脉冲优选装置，包括如下步骤：
[0009]步骤1、光源发出的光通过若干个凸透镜转化为若干组平行光，透过若干个旋转编 码器被若干个光敏元件检测到，并转化为周期性变化的多路位移脉冲信号；
[0010] 步骤2、根据多路位移脉冲信号的脉冲数判断若干个里程轮的工作状态-正常状 态、可能弯道状态、异常状态，如果若干个里程轮为正常状态和异常状态，则执行步骤4，如 果若干个里程轮为可能弯道状态，则执行步骤3;
[0011] 步骤2.1、设定采样时间间隔S、采样时间t、采样次数m;
[001引步骤2.2、在采样时间纳分别统计11路位移脉冲信号的脉冲数(：1瓜，...，(：。，设定 第一阔值Τι;
[0013] 步骤2.3、计算η路位移脉冲信号的脉冲数的均值μ和标准差0;
[0014]步骤2.4、重复步骤2.2、步骤2.3m次；
[0015] 步骤2.5、若m次标准差σ均大于第一阔值Ti，则若干个里程轮的工作状态为可能弯 道状态或异常状态，利用脉冲数差值比例判别式进行进一步判断，否则若干个里程轮的工 作状态为正常状态，执行步骤4,所述脉冲数差值比例判别式为当n=奇数时，脉冲数差值比 例判别式天
，当n=偶数时，脉冲数差值比例判别式为
i=l， 2,...，m，化为若干个里程轮工作状态表示值；
[0016]步骤2.6、若m次l-A<Qi<l+A，A为1附近的小数，贝蜡干个里程轮的工作状态 为可能弯道状态，执行步骤3，否则若干个里程轮的工作状态为异常状态，执行步骤4。
[0017]步骤3、利用弯道圆屯、角的线性回归模型计算弯道圆屯、角预测值，并与设定的第二 阔值比较，判断若干个里程轮是否为弯道状态；
[0018]步骤3.1、利用采样时间t内η路位移脉冲信号的脉冲数Ci，C2, ...，Cn构建弯道圆屯、 角的线性回归模型：
其中γ/为弯道圆屯、 角预测值，曰1，曰2，曰3,. . .，ai,...为线性回归系数；
[0019]步骤3.2、对弯道圆屯、角的线性回归模型建立Lasso-Ridge求解模型，
[0020]
其中Y为已知弯道圆屯、角，λι和λ2分别为 Lasso惩罚参数和Ridge惩罚参数，Ρ为线性回归系数的个数，II·II表示范数运算；
[0021]步骤3.3、利用历史数据对弯道圆屯、角的线性回归模型进行Lasso-Ridge求解模型 训练，找到线性回归系数的最优解，从而得到弯道圆屯、角的线性回归模型；
[0022] 步骤3.4、将η路位移脉冲信号的脉冲数Cl,C2, ...，Cn代入弯道圆屯、角的线性回归 模型中，得到弯道圆屯、角预测值r，设定第二阔值T2,当r>Τ2时，若干个里程轮的工作状态 为弯道状态，否则若干个里程轮的工作状态为异常状态。
[0023] 步骤4、根据若干个里程轮的工作状态，选择最优位移脉冲信号并输出。
[0024] 步骤4.1、设定常数Ζ，统计η路位移脉冲信号的脉冲数(t，巧，...，巧，k表示η 路位移脉冲信号的采样次数k=l，2,...，m，达到m次后重新计数，Cf表示第i路位移脉冲信 号的第k次采样的脉冲数；
[0025] 步骤4 . 2、计算η路位移脉冲信号的历史状态系数
令欠=C,U/，设定第Ξ阔值Τ3;
[0026] 步骤4.3、判断若干个里程轮的工作状态，如果若干个里程轮的工作状态为正常状 态，取max化i}对应的第i路位移脉冲信号作为最优位移脉冲信号并输出；如果若干个里程 轮的工作状态为弯道状态，取maxjcf}且Κι>Τ3对应的第i路位移脉冲信号作为最优位移脉 冲信号并输出；如果若干个里程轮的工作状态为异常状态，取max 对应的第i路位移脉 冲信号作为最优位移脉冲信号，并在时间
时输出，C*为当前正在输出的位移脉冲 信号的脉冲数。
[0027] 有益效果：
[0028] 本发明利用FPGA并行处理机制，提高了位移脉冲信号的处理速度。异常判断模块 和弯道判断模块有效区分了若干个里程轮的工作状态，提高了位移脉冲信号的切换效率。 多路智能优选模块具有智能优选功能，保证了位移脉冲信号输出的一致性，解决了位移的 累计误差问题，提高了位移测量的精确性。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明一种实施例的一种基于FPGA的管道测径仪多路位移脉冲优选装置的 结构框图；
[0030] 图2为本发明一种实施例的光禪隔离单元电路原理图；
[0031] 图3为本发明一种实施例的一种基于FPGA的管道测径仪多路位移脉冲优选方法流 程图；
[0032] 图4为本发明一种实施例的异常判断模块流程图；
[0033] 图5为本发明一种实施例的弯道判断模块流程图；
[0034] 图6为本发明一种实施例的多路智能优选模块流程图。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图对本发明【具体实施方式】做详细说明。
[0036] -种基于FPGA的管道测径仪多路位移脉冲优选装置，如图1所示，在本实施例中， 包括管道测径仪本体、3个里程轮、信号采集模块、光禪合隔离单元、FPGA中央处理单元。信 号采集模块包括3个凸透镜、3个旋转编码器、3个光敏元件。旋转编码器采用E6A2-CW3E，光 禪合隔离单元采用HCPk05化，FPGA中央处理单元采用EP4CE15F17C8。管道测径仪本体内部 有光源，3个里程轮均匀安装在管道测径仪本体内部径向圆周上，每个里程轮轴上装有一个 凸透镜、一个旋转编码器、一个光敏元件，并且凸透镜、旋转编码器、光敏元件与里程轮同轴 旋转。3个光敏元件与光禪合隔离单元输入端相连，光禪合隔离单元的输出端与FPGA中央处 理单元输入端相连
[0037] 所述信号采集模块将光源发出的光，通过3个凸透镜转化为3组平行光，透过3个旋 转编码器被3个光敏元件检测到，并转化为周期性变化的多路数字脉冲信号，即为多路位移 脉冲信号。
[0038] 所述光禪合隔离单元实现多路位移脉冲信号与FPGA中央处理单元之间的电气隔 离，并将光敏元件输出的5V多路位移脉冲信号隔离转化为3.3V的多路位移脉冲信号，W符 合FPGA中央处理单元内部I/O口输入要求，如图2所示，其中R为主端电阻，If为主端电流，Vin 为主端输入电压，IC为从端电流，化为从端电阻，Vout为从端输出电压，Vcc为辅助电压。
[0039] 所述FPGA中央处理单元包括异常判断模块、弯道判断模块和多路智能优选模块。 异常判断模块通过多路位移脉冲信号的脉冲数判断3个里程轮的工作状态一正常状态、可 能弯道状态、异常状态。弯道判断模块利用弯道圆屯、角的线性回归模型计算弯道圆屯、角预 测值，并与设定的第二阔值比较，判断3个里程轮的工作状态是否为弯道状态。多路智能优 选模块根据3个里程轮的工作状态选择最优位移脉冲信号并输出。
[0040] -种基于FPGA的管道测径仪多路位移脉冲优选方法，采用上述基于FPGA的管道测 径仪多路位移脉冲优选装置，包括如下步骤，如图3所示：
[0041] 步骤1、光源发出的光通过3个凸透镜转化为3组平行光，透过3个旋转编码器被3个 光敏元件检测到，并转化为周期性变化的多路位移脉冲信号；
[0042] 步骤2、根据多路位移脉冲信号的脉冲数判断3个里程轮的工作状态-正常状态、可 能弯道状态、异常状态，若3个里程轮为正常状态和异常状态，则执行步骤4，若3个里程轮为 可能弯道状态，则执行步骤3，如图4所示；
[004引步骤2.1、设定采样时间间隔S= 3s、采样时间t=ls、m为采样次数，根据经验m取3;
[0044]步骤2.2、在采样时间t内分别统计3路位移脉冲信号的脉冲数Cl,C2，C3,设定第一 阔值