一种车载组合导航路面沉降快速测量方法与流程
本发明属于惯性组合导航领域，具体涉及一种车载组合导航路面沉降快速测量方法。
背景技术：
伴随国民经济和科学技术的快速发展，跨江跨海大桥、城市大型立交桥、城市轨道交通(地铁、城铁)、高速公路、高速铁路等关乎民生的基础设施建设日新月异。随之而来的是对基础设施检测和养护不及时出现的各种事故灾难，造成了国家及人民生命财产的巨大损失。如何有效的进行基础设施“健康”检测，确保这些关乎国计民生的基础设施在“健康”范围内运营工作的问题已成为当今研究的重点。
为了能够及时、准确掌握基础设施“健康”状况，预防灾难事故发生。近年来，国内外根据“土木工程结构形变能够反演结构内应力变化”的基本原理，采用测量仪器对所检测物体上布设的点位进行观测，获取变形值，依据变形值数据来对结构体的应力、应变、变形及健康状况做出合理的评估。常规地面测量主要采用经纬仪、测距仪、水准仪、全站仪等，测量的主要特点是适用于不同的形变测量精度要求、不同的监测环境和变形体；设备简单、精度可靠、可以多点检测；可以提供绝对的形变信息。但这些方法也存在一些缺点，主要是准备工作时间过长，外业工作量大，布点受地形条件限制，不能提供连续点位信息。
随着科学技术的进步以及对形变测量要求的不断提高，形变测量技术也在不断的发展。更先进的数据采集设备的出现，计算机、无线电、空间技术以及地球科学等的迅猛发展，推动了形变测量技术的不断更新。不断涌现的形变测量数据采集新技术以及他们自身的不断发展与完善是推动形变测量技术进步的巨大动力，如近景摄影测量、GPS、三维激光扫描仪等上述测量方法的特点是测量精度较高，可持续监测，但大多成本过高、外业工作量大、测量过程中多为离散点测量，最终数据处理需要曲线拟合，不能提供结构体全面的形变信息，影响对结构体“健康”状况的判断结果。
目前国内部分提出了运用惯性原理测量工程形变技术，主要采用一维、两维陀螺仪测量大坝、桥梁工程结构形变，三维陀螺仪惯导技术大多运用于航天、军事等领域，民用技术发展较少，部分出现在石油管道结构测量和铁轨测量等。发明专利CN103644888A中发明了一种用于检测桥梁形变的惯性基准测量方法，该方法基于惯性导航基本理论，运用GPS测量起点和终点位置信息构建计算坐标系、规划测量轨迹，运用在预设测量轨迹上选取部分参考点位进行误差修正提高测量精度。该方法以四轮小车为载体，以推行方式进行测量，测量速度慢，容易引起惯导误差在时间上的积累，影响测量精度；该方法采用静基座初始对准，完成对准时间较长，且容易受到外界干扰造成初始对准误差；由于没有导轨造成仪器在动态测量过程中易偏离预设轨迹，虽途中增加参考点进行修正，但始终无法保证测量的准确性。途中需要增加参考点，运用高精度仪器对参考点进行测量用以误差修正，虽能提高测量精度，但工序较为繁琐，外业工作量较大，需多人协同配合才能完成测量工作，在工程运用方面有较大的局限性。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：提供一种车载组合导航路面沉降快速测量方法，提高了测量速度，相对缩短了测量时间，能够降低惯导系统误差随时间积累的影响。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种车载组合导航路面沉降快速测量方法，其特征在于：以汽车作为载体平台，它包括以下步骤：
S1、初始化：采用GPS系统辅助惯性导航系统动基座对准；
S2、测量：
GPS系统停止工作，启动汽车从待测路面开过；
汽车开动期间，利用惯性导航系统获得汽车实时的三维坐标；采用气压高度计测量汽车实时的绝对高度，对汽车实时的三维坐标中的竖向坐标进行修正；从车载OBD系统获得汽车实时的速度和里程信息，结合惯性导航系统在汽车上的俯仰误差角，对系统测量俯仰角进行修正。
按上述方法，所述的S1具体为：
已知起点位置，起点位置与预先规划2个坐标已知的参考点一同作为零速修正点；
汽车在起点位置静止状态下，待惯性导航系统预热后，系统经过N1秒进行第一次零速修正，同时差分GPS测量系统测量起始点位置信息；
启动汽车，以一定速度从起点行驶至第一参考点停车N2秒进行第二次零速修正，同时GPS系统测量第一参考点信息；
汽车继续以与之前相同的速度行驶至第二参考点停车N3秒进行第三次零速修正，同时GPS系统测量第二参考点信息。
按上述方法，选择汽车车体右前上构成载体坐标系即b系，b系的坐标原点在车体的重心，以车尾到车头方向为y轴正方向，x轴正向为车身右侧与y垂直，z与x轴，y轴构成右手直角坐标系；设里程坐标系记为m系，且b系与m系的同名坐标轴重合，惯性导航坐标系选择东北天地理坐标系即n系，由b系、m系到n系的坐标转换矩阵为
设惯性导航系统获得的汽车实时的三维坐标为载体坐标系下的坐标，经过坐标矩阵变换后所得的坐标是导航坐标系下的坐标；里程计输出在m系下里程增量，通过OBD接口进行读取，经过坐标矩阵变换后得到导航坐标系下的里程增量值；由于b系与m系重合，因此所使用的坐标转换矩阵相同；
所述的S2具体为为ti时刻汽车在导航坐标系下的位移增量，为ti时刻载体坐标系到导航坐标系的姿态变换矩阵，为ti时刻汽车在载体坐标系下的位移增量；
其中和分别代表在东北天地理坐标系下的各方向位移增量，Xi-1、Yi-1、Zi-1为汽车在ti-1时刻东北天地理坐标系下的坐标，Xi、Yi、Zi为汽车在ti时刻东北天地理坐标系下的坐标。
按上述方法，所述的一定速度为30-50km/h。
用于实现所述的车载组合导航路面沉降快速测量方法的测量系统，其特征在于：它包括显控设备、GPS系统、气压高度计、惯性导航系统和数据采样接口，所述的GPS系统、气压高度计、惯性导航系统分别通过数据采样接口与所述的显控设备连接，所述的数据采样接口还包括用于与车载OBD系统连接的OBD接口。
本发明的有益效果为：惯性导航系统初始化速度快，在车身有一定晃动情况下不影响对准精度，使得测量系统具有较强的抗干扰能力；从车载OBD系统中读取所需信息与惯性导航系统进行数据融合达到导航目的，不另外附加其他辅助设备，节约成本；针对惯性导航系统高程测量易发散特点，运用气压高度计阻尼效应对其进行抑制，提高系统高程测量精度，达到路面工程测量要求；因此本发明提高了测量速度，相对缩短了测量时间，能够降低惯导系统误差随时间积累的影响。
附图说明
图1为本发明一实施例的原理图。
图2为本发明一实施例实际应用中测量效果图。
图3为本发明一实施例实际应用中测量高程图。
图4为发明一实施例实际应用中测量高程变化图。
图中：1三轴光纤陀螺仪；2三个加速度计；3差分式GPS测量系统；4车载OBD系统；5气压高度计；6、7和8局部滤波处理器；9主滤波处理器；10显示器；11和12导航系统误差补偿模块；13和14误差补偿与修订模块；15四元数解算模块；16比力坐标转换模块；17OBD数据读取模块；18捷联式惯性导航系统。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明作进一步说明。
本发明提供一种车载组合导航路面沉降快速测量方法，以汽车作为载体平台，它包括以下步骤：
S1、初始化：采用GPS系统辅助惯性导航系统动基座对准。
已知起点位置，预先规划2个坐标已知的参考点作为零速修正点；启动汽车，待惯性导航系统预热后，以一定速度从起点行驶至第一参考点停车N1秒进行零速修正，同时GPS系统测量第一参考点信息；汽车继续以与之前相同的速度行驶至第二参考点停车N2秒进行第二次零速修正，同时GPS系统测量第二参考点信息。
本实施例中，在起点位置，惯性导航系统进行短暂预热后，系统进行30秒的零速修正，同时GPS系统测量起点位置信息，然后汽车以30-50km/h(优选30km/h，这里的速度不能太慢或太快，太慢或太快都有可能引起误差而测量不准)的速度，行驶约2分钟到达第一参考点停车10秒进行零速修正，同时GPS系统测量第一参考点信息；汽车继续以30-50km/h(优选30km/h)的速度行驶至第二参考点停车10秒进行第二次零速修正，同时GPS系统测量第二参考点信息。所有数据汇总到显控设备，惯导系统完成初始化对准，系统进入导航状态。
S2、测量：
GPS系统停止工作，启动汽车从待测路面开过；本实施例中，汽车的行驶速度为50km/h。
汽车开动期间，利用惯性导航系统获得汽车实时的三维坐标；采用气压高度计测量汽车实时的绝对高度，对汽车实时的三维坐标中的竖向坐标进行修正；从车载OBD系统获得汽车实时的速度和里程信息，结合惯性导航系统在汽车上的俯仰误差角，对系统测量俯仰角进行修正。
选择汽车车体右前上构成载体坐标系即b系，b系的坐标原点在车体的重心，以车尾到车头方向为y轴正方向，x轴正向为车身右侧与y垂直，z与x轴，y轴构成右手直角坐标系；设里程坐标系记为m系，且b系与m系的同名坐标轴重合，惯性导航坐标系选择东北天地理坐标系即n系，由b系、m系到n系的坐标转换矩阵为
设惯性导航系统获得的汽车实时的三维坐标为载体坐标系下的坐标，经过坐标矩阵变换后所得的坐标是导航坐标系下的坐标；里程计输出在m系下里程增量，通过OBD接口进行读取，经过坐标矩阵变换后得到导航坐标系下的里程增量值；由于b系与m系重合，因此所使用的坐标转换矩阵相同；
所述的S2具体为为ti时刻汽车在导航坐标系下的位移增量，为ti时刻载体坐标系到导航坐标系的姿态变换矩阵，为ti时刻汽车在载体坐标系下的位移增量；
其中和分别代表在东北天地理坐标系下的各方向位移增量，Xi-1、Yi-1、Zi-1为汽车在ti-1时刻东北天地理坐标系下的坐标，Xi、Yi、Zi为汽车在ti时刻东北天地理坐标系下的坐标。
由于高度通道输出高程误差值近似为
δΔhD＝ΔSj·δαθ (1)
δΔhD为高度测量偏差，为载车行驶的里程数，δαθ捷联惯导系统在载车上的俯仰安装误差角，为高度测量偏差随时间的变化量，vD是载车行驶速率。由公式可知惯导解算高度误差的变化率与载车的行驶速率有关，速率越高则载车的高度误差变化越快。假设δαθ为一阶马尔科夫过程，相关时间为τθ，噪声为wθ，得到：
设气压高度计的测量输出为hH，惯性导航系统测量高度值为hD，系统噪声vH为高斯白噪声，则有观测方程：
hD-hH＝δhD+vH (4)
由式(2)、(4)构成一组Kalman滤波方程，可以实时获得俯仰误差角δαθ和高度误差δhD，用其对系统测量俯仰角和高度值进行修正，提高测量地面沉降精度。
用于实现所述的车载组合导航路面沉降快速测量方法的测量系统，如图1所示，它包括显控设备(显控设备由局部滤波处理器6、7和8；主滤波处理器9；显示器10；误差补偿与修订模块13和14；OBD数据读取模块17等模块组成)、GPS系统、气压高度计5、惯性导航系统和数据采样接口，所述的GPS系统、气压高度计5、惯性导航系统分别通过数据采样接口与所述的显控设备连接，所述的数据采样接口还包括用于与车载OBD系统4连接的OBD接口。本实施例中采用差分式GPS测量系统3和捷联式惯导系统18。捷联式惯导系统18包括自带的三轴光纤陀螺仪1、三个加速度计2、导航系统误差补偿模块11和12、四元数解算模块15和比力坐标转换模块16。
本发明以汽车作为陆基平台，搭载捷联式惯导系统及其他设备，汽车最高行驶速度可在50KM/h，对于较长的待测道路，可以很好解决测量速度与测量精度的矛盾；在捷联式惯导系统初始化阶段，将GPS系统测量输出的车体所在位置信息直接运用到惯导对准解算，使车体可在运动过程中跳过初始化粗对准阶段迅速完成惯导系统初始化精对准，方便快捷的初始化对准，缩短了对准所需时间，可以做到随走随测；初始化对准和测量过程抗外界干扰能力强，尤其在初始化对准阶段能够有效降低车身晃动造成的初始对准误差；为了能够进一步提高系统对地面沉降测量的精度，提出运用气压高度计辅助测量方法，以气压高度计的阻尼效应抑制系统高程发散，提高系统在高程测量的精度。通过OBD接口直接读取车辆速度、里程等所需参数，构建捷联式惯性导航系统与OBD输出数据组合导航模型。整体系统运用联邦卡尔曼组合滤波技术，充分考虑陆基车载特性，构建局部和主滤波器系统模型。
图2至图4为本发明一实施例实际应用中测量效果图，其中路面在未受到车体等重物挤压前会有自身的结构，当路面受到车体等重物挤压后，自身结构会发生变形，在长时间的挤压变形以及地下水位下降等自然条件的作用下，路面会发生沉降。图2显示的是实际应用中对某段路面加载重型车辆前后两次测量所得的结构图，运用测量系统可以很好的检测出路面结构变形情况，并可以定量计算出形变量。图3显示的是路面在受到重型车辆挤压前后高程的测量情况，图4是定量计算所得挤压前后路面高程变化情况。
捷联式惯导系统采用三轴光纤陀螺仪和三个加速度计，可以完成空间立体测量，使得该测量方法能够适应各种路面结构。GPS系统只在系统初始化对准阶段运用，系统进入测量阶段后GPS系统可以关闭。本发明未采用捷联式惯性导航系统与GPS组合导航的原因是防止GPS信号接收失效后系统无法正常工作，尤其是在隧道，城市高楼群及其他GPS信号容易被干扰的地方。
本发明设计了一种运用光纤传感技术及惯性组合导航技术完成路面沉降工程测量的方法，该方法根据陆地车体运动能够间接反应路面结构形变的原理，使用陆基车载平台搭载捷联惯导系统运用组合导航解算路面几何结构形变，为了提高测量系统在高程通道的测量精度，运用气压高度计的阻尼效应抑制系统高程发散。在被测路面预设两处零速修正参考点，运用GPS辅助捷联惯导动基座快速对准及零速修正法使测试车辆在运动过程中完成初始化对准工作。作为其扩展，本发明还可以运用于大跨度桥梁形变的测量上。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
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