专利名称：一种基于惯性测量单元的车载路面检测系统的运补算法的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于惯性测量单元的车载路面检测系统的运补算法，可用于辅助激光测距仪测量路面的真实起伏，计算路面的平整度。
背景技术：
道路路面平整度是影响路面行驶质量的主要因素，是路面使用性能最重要的指标之一，是检验城市道路和高速公路施工质量的主要指标之一。目前国内用于检测这一指标的方法主要有3m直尺测量方法，连续式平整度仪检测方法，车载式颠簸累积仪检测方法。这几种方法应用广泛，但是缺点明显。其中，3m直尺测量精度低、检测效率低、代表性差且检测时需低头弯腰、工作量大；连续式平整度仪的仪器机械性能对数据的精度影响较大，测试速度对于实际行车速度较快的高等级公路的大面积检测仍受限制；车载式颠簸累积仪时间稳定性差、转换性差、不能给出路面的真实断面近年来，随着对公路服务质量要求的不断提高及路面管理系统(PMS)的不断发展，路面平整度的快速、准确测试方法便成为道路工程中最为关注的问题之一。车载激光断面仪测量方法是目前世界上最先进的路面测量方法之一，这种测量方法具有快捷、可靠、成本低、易实施、自动化程度高等优点。但是，由于此方法测量时车辆自身的颠簸起伏造成了极大的运动误差，导致单一的激光断面仪测量路面起伏精度较差。惯性测量系统是一种高精度的运动测量设备，可以测量车体运动颠簸，从而对激光断面仪的测量结果进行补偿。但是惯性测量装置单独使用时测量结果随时间发散，与GPS组合使用时测量结果有明显的阶跃。
发明内容
本发明的技术解决的问题是克服现有技术的不足，提供一种基于惯性测量单元的车载路面检测系统的运补算法，该方法实现了将惯性测量数据与激光断面仪测量结果有效融合的方法，实现了对激光断面仪测量过程中车体颠簸的补偿，提高了车载路面检测系统的测量精度。本发明的技术解决方案为一种基于惯性测量单元的车载路面检测系统的运补算法，其特点在于包括下列步骤(1)捷联式惯性测量单元进行初始对准，确定捷联式惯性测量单元的初始方位角 %、初始俯仰角θ ο和初始横滚角Y。；(2)捷联式惯性测量单元实时采集三轴陀螺仪数据和三轴加速度计数据，进行数据补偿，得到三轴角速度和三轴加速度；(3)捷联式惯性测量单元启动捷联解算算法，利用得到的三轴角速度和三轴加速度进行捷联解算，实时更新捷联惯性测量单元的姿态、位置和速度；(4)捷联解算结果与GPS信息进行信息融合滤波运算，计算得到姿态误差、位置误差和速度误差，并对捷联解算算法中的姿态信息、位置信息和速度信息进行修正，同时将惯性器件的零偏值反馈到数据补偿算法中，帮助提高数据补偿的精度；(5)当车辆进入待测路段时，采用双捷联解算算法，也就是利用此时刻信息融合算法中的姿态、位置和速度解算结果作为初始值，启动新捷联解算过程进行纯惯性解算；(6)将测试路段中捷联解算得到的纯惯性高程信息与激光传感器测得的路面起伏信息叠加，对叠加结果进行高通数字滤波运算，即得到路面起伏信息和路面纹理信息。(7)按照国际平整度IRI标准统计得到路面平整度结果。本发明的原理是激光路面断面仪在测量过程中，测量结果中包含较大的车体运动带来的测量误差，无法反映路面的真实起伏和纹理，需要使用惯性测量单元对激光路面断面仪的测量结果进行补偿。而使用惯性测量单元对激光路面断面仪测量结果进行补偿时，若单独使用惯性测量单元会引入测量结果发散，若将惯性测量单元与GPS组合使用又会引入测量结果的跳跃。考虑到惯性测量单元与GPS信息融合的长期精度较高，因此将惯性测量单元与GPS信息融合的结果作为纯惯性捷联解算的位置、姿态、速度初值，测量过程中使用纯惯性捷联解算测量车体运动，克服了信息融合结果有跳跃，纯惯性测量结果发散的缺点，同时，使用高通数字滤波器对惯性测量单元的高程解算结果进行滤波处理，将车体运动造成的低频误差进行滤除，最终得到高精度、平滑的惯性测量结果，将此结果对激光路面断面仪测量结果进行补偿，最终得到真实的路面起伏和纹理信息，从而计算出路面的平整度信息。基本原理如下理想高程计算公式如下
权利要求
1.一种基于惯性测量单元的车载路面检测系统的运补算法，其特征在于包括下列步骤(1)捷联式惯性测量单元进行初始对准，确定捷联式惯性测量单元的初始方位角％、初始俯仰角θ 0和初始横滚角Y。；(2)捷联式惯性测量单元实时采集三轴陀螺仪数据和三轴加速度计数据，进行数据补偿，得到三轴角速度和三轴加速度；(3)捷联式惯性测量单元启动捷联解算算法，利用得到的三轴角速度和三轴加速度进行捷联解算，实时更新捷联惯性测量单元的姿态、位置和速度；(4)捷联解算结果与GPS信息进行信息融合滤波运算，计算得到姿态误差、位置误差和速度误差，并对捷联解算算法中的姿态信息、位置信息和速度信息进行修正，同时将惯性器件的零偏值反馈到数据补偿算法中，帮助提高数据补偿的精度；(5)当车辆进入待测路段时，采用双捷联解算算法，也就是利用此时刻信息融合算法中的姿态、位置和速度解算结果作为初始值，启动新捷联解算过程进行纯惯性解算；(6)将测试路段中捷联解算得到的纯惯性高程信息与激光传感器测得的路面起伏信息叠加，对叠加结果进行高通数字滤波运算，即得到路面起伏信息和路面纹理信息；(7)按照国际平整度IRI标准统计得到路面平整度结果。
2.一种基于惯性测量单元的车载路面检测系统的运补算法，其特征在于步骤(1)所述的初始对准的具体步骤为(1)采集陀螺和加速度计数据5-10分钟，求采样值的均值gx，gy，gz，ax,ay, az其中，gx， gy，gz为惯性测量单元的χ轴、y轴、ζ轴的角速度敏感值，ax，ay, az为惯性测量单元的χ轴、 y轴、ζ轴的加速度敏感值；(2)利用gx，gy，gz，ax,ay, az求初始姿态角％ , θ 0> γ0,计算公式如下 ~τ T T
3. 一种基于惯性测量单元的车载路面检测系统的运补算法，其特征在于步骤(4)所述的信息融合滤波器为 状态方程 X = FX+ GW其中，X为系统状态矢量，W为系统噪声矢量，F为系统转移矩阵，G为噪声转换矩阵 X= [φχ Cj5y φζ δ Vn (χ) 5Vn(y) δ Vn (ζ) SL δ λ Sh εχ ey ε ζ σχ Oy
4. 一种基于惯性测量单元的车载路面检测系统的运补算法，其特征在于步骤(6)所述的流程为首先将激光路面测距仪的测距信息hlasCT与惯性量测数据的高程信息himu进行叠加，叠加后的高程信息h为 由于惯性量测数据的高程信息himu中包含真实的运动信息和惯性的漂移信息，因此，叠加后消除了激光路面测距仪的测距信息的运动信息，但同时也引入了惯性漂移信息。为了消除低频的惯性漂移信息，需要将叠加后的高程信息h通过一个高通数字滤波器，公式如下
全文摘要
本发明涉及一种基于惯性测量单元的车载路面检测系统的运补算法，其特征是利用惯性测量单元敏感的运动信息实时捷联解算得到车体运动信息；将车体运动信息与GPS信息进行信息融合得到实时准确的运动信息；测量路面时利用另外一套纯惯性捷联解算得到高程信息与激光传感器信息叠加得到含路面起伏信息的发散曲线；使用高通数字滤波器对发散曲线进行滤波，得到真实的路面起伏信息；对真实路面起伏信息按照国际平整度IRI标准统计得到路面平整度结果。本发明具有运补精度高的优点，可用于提高车载路面检测系统的路面平整度检测精度。
文档编号E01C23/01GK102261033SQ20111011301
公开日2011年11月30日 申请日期2011年5月3日 优先权日2011年5月3日
发明者刘百奇, 康泰钟, 房建成, 李建利 申请人:北京航空航天大学