基于轨道小车的高精度测试验证系统及方法与流程

本发明涉及高精度导航技术领域，尤其涉及基于轨道小车的高精度测试验证系统及其测试验证方法。

背景技术：

目前，高精度导航系统(卫星导航系统、惯性导航系统或者卫星导航和惯性导航构成的组合导航系统)被应用于植保、无人驾驶(智能网联汽车)等领域。在这些应用领域，一个新的产品在面向市场之前，需要对其搭载的高精度导航系统进行多种复杂场景下的验证或者测试，以保证产品的安全可靠。以在树荫、城市峡谷和桥梁隧道这三种情况为例进行高精度导航系统测试的说明，其中，所述城市峡谷是一种类似自然峡谷的都市环境，以街道切割周围稠密的建筑街区，特别是摩天大楼，而形成的人造峡谷。

树荫场景：这种场景比如是无人机植保领域。高精度导航系统安装于无人机后，目前的测试验证方法是操纵无人机在田园里的植物上方飞行若干次，但是，田园的边界通常存在防风林且飞行高度要求一苗之高使得操纵无人机困难。这些困难表现在：a、树荫环境gnss信号遮挡或衰减严重，导航系统的可靠性以及可用性面临挑战，无人机偏航、坠机的风险较高；b、无人机存在振动、风飘等误差，这些误差会影响对所述高精度导航系统的评估；c、若干次操作容易使得测试人员疲劳进而影响对无人机的操作，不仅影响测试结果，还可能造成人员伤害。

城市峡谷场景：这种场景比如无人驾驶领域，高精度导航系统安装于汽车后，现在的测试验证方法是驾驶汽车在城市峡谷等场景下行驶若干次。这种方式的缺点在于：a、若干次驾驶不仅造成驾驶疲劳而且耽误人工；b、在这种场景下，载体自身产生的误差(比如无人机桨翼高速旋转带来的震动、汽车制动产生的倾斜)以及环境误差(比如无人机飞行时遇到大风产生的机身飘移、路面起伏造成的汽车颠簸)等因素会对测试数据产生影响，如果不能这些干扰误差消除或剥离，将无法有效评估所述高精度导航系统存在的误差。

桥梁和隧道场景：这种场景也比如是无人驾驶领域。城市中，立交桥、隧道等较多，当载体(汽车)进入隧道或者立交桥下时，卫星信号丢失，此种情况下需要惯性导航系统工作，但是，惯性导航系统的可靠性需要验证。传统方法是使用精度更高的惯导系统进行评估，重复性问题以及参考系统精确性问题难以有效克服。

技术实现要素：

本发明解决的问题是现有技术中对载体搭载的高精度导航系统进行多种复杂场景下的验证测试所存在的测试效率低下、可重复性低、可能导致载体安全性以及评判精度低的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种基于轨道小车的高精度测试验证系统，用于测试或验证高精度导航系统的可靠性。该测试验证系统包括测试轨道、轨道小车、数据传输模块和处理装置。所述测试轨道根据测试要求架设于测试场景。所述轨道小车通过所述数据传输模块接收来自处理装置的指令，由该控制指令控制而在所述测试轨道上行驶。所述数据传输模块还传输所述高精度导航系统随所述轨道小车同步行驶于所述测试轨道过程中产生的测试数据给所述处理装置。所述处理装置对测试数据进行处理形成测试结果。

本发明另一方面公开一种基于轨道小车的高精度测试验证方法，用于测试或验证安装于载体的高精度导航系统的可靠性。该方法包括如下步骤：根据测试要求在测试场景搭建测试轨道；控制轨道小车在所述测试轨道上行驶，所述高精度导航系统在随轨道小车同步行驶于所述测试轨道的过程中产生测试数据；接收所述测试数据，对测试数据进行处理形成测试结果。

在一种方案中，所述处理包括测试数据的有效性统计、误差统计、评判、记录中至少之一。

在一种方案中，所述评判包括：比较测试数据与相应的参考值以得到所述测试数据与参考值之间的偏差值，在该偏差值大于门限的情况下，判定所述测试数据不合格，在该偏差值不大于门限的情况下，判定所述测试数据合格。

在一种方案中，所述测试数据包括姿态、位置和速度中至少之一。

在一种方案中，所述测试轨道在一个水平面内，或者，所述测试轨道穿过下沉式隧道时，位于隧道内的轨道任意一点的法线与轨道两轨的交点在同一水平面内，且该段轨道在水平面上的投影为直线。

在一种方案中，所述轨道小车在所述测试轨道上循环运动或往复运动。

在一种方案中，所述高精度导航系统安装于所述轨道小车。

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：

1、由于本发明根据测试需求在测试场景下架设测试轨道，通过轨道小车在测试轨道上的运动来模拟高精度导航系统或者搭载所述高精度导航系统的载体在所述测试场景下的运动情况，高精度导航系统在轨道小车运动过程中产生的测试数据发送给处理装置，处理装置将测试数据与参考值进行比较而得到评估结果，这种方式至少具有如下优点：1.1)在这个过程中，轨道小车能在测试轨道上循环或者往复运动，所以，测试效率高、可重复性高；1.2)在这个过程中，所述高精度导航系统或者安装有所述高精度导航系统的载体始终随轨道小车在测试轨道上运动，消除了人为因素对载体操作的不利因素(比如，疲劳驾驶无人驾驶汽车或者频繁操作无人机)，使得载体安全性也能保证；1.3)将安装有所述高精度导航系统的载体安装于所述轨道小车或者将高精度导航系统安装于轨道小车的方式，不仅消除了人为操作载体对测试数据的影响，还消除了载体自身产生的误差(比如无人机桨翼高速旋转带来的震动、汽车制动产生的倾斜)以及环境误差(比如无人机飞行时遇到大风产生的机身飘移、路面起伏造成的汽车颠簸)等因素对测试数据的影响，提高了评估精度；1.4)在这个过程中，所述高精度导航系统或者安装有所述高精度导航系统的载体始终随轨道小车在测试轨道上运动，可以避免高精度导航系统在复杂场景下出现工作异常后，导致载体失控，危害测试人员安全的情况发生。

2、本发明对所述测试轨道进行平面化(构成轨道的轨在一个水平面)安置的特殊处理，平面化安置可使得高精度导航系统的测试数据(高程、垂向速度、俯仰以及横滚)具备了精准的参照值，所以，能提高评判精度。

3、在下沉式隧道中，位于隧道内的轨道任意一点的法线与轨道两轨的交点在同一水平面内，该安置方法使得载体姿态中的横滚角度为0°，提供了精确参考，除此之外，由于该段轨道在水平面上的投影为直线，测定轨道两端的中心点即可确定整条测试轨道的轨道中心线的位置，提高了便利性，此种情况下，通过将载体的位置与轨道中心线的位置进行比较以得到偏差值的方式，使得测试验证更为直观方便。

附图说明

图1是本发明基于轨道小车的高精度测试验证系统的构成示意图；

图2是本发明基于轨道小车的高精度测试验证系统应用于实际场景的示意图；

图3a是下沉式轨道中一段轨道的示意图；

图3b是在图3a中沿着法线a-a线的剖视图，图3c是在图3a中沿着法线b-b线的剖视图；

图4是本发明基于轨道小车的高精度测试验证方法的流程图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。

请参阅图1和图2，对于设备提供商来说，可以通过本发明的系统来测试其提供的高精度导航系统的可靠性，对于设备采购方来说，可以通过本发明的系统来验证其购买的高精度导航系统的可靠性。在所述测试现场1设置有轨道小车11、测试轨道12、被测端数据传输模块13和视频采集设备14。控制中心2包括测试端数据传输模块21和处理装置22。所述轨道小车11用于承载安装有所述高精度导航系统的载体或者所述高精度导航系统，由此，可以验证安装于载体的高精度导航系统的可靠性，也可以仅验证高精度导航系统(比如gnss接收机)的可靠性。高精度导航系统安装于轨道小车有两种方式，第一种是将高精度导航系统安装于载体上，然后，将该载体安装于轨道小车；第二种是将高精度导航系统直接安装于轨道小车，比如，第一种方式为：将安装有高精度导航系统的无人机安装于所述轨道小车上；第二种方式为：将高精度导航系统安装于所述轨道小车11，如果高精度导航系统安装于所述无人机并将无人机安装于轨道小车的情况下，其高精度导航系统的天线相对于所述测试轨道的高度为a；将高精度导航系统安装于所述轨道小车11的情况下，高精度导航系统的天线相对于测试轨道的高度为b，需要确保a＝b；又比如需要验证高精度导航系统安装于汽车(无人驾驶领域)后，该高精度导航系统的可靠性，第一种方式是将安装有所述高精度导航系统的汽车安装于所述轨道小车；第二种方式是将高精度导航系统安装于轨道小车11，此种情况下，如果高精度导航系统安装于所述汽车并将汽车安装于轨道小车的情况下，天线相对于所述测试轨道的高度为a，那么，将高精度导航系统安装于所述轨道小车11的情况下，高精度导航系统的天线相对于测试轨道的高度为b，需要确保a＝b。而对于仅验证高精度系统(比如gnss接收机)的可靠性的情况，直接将该高精度导航系统安装于所述轨道小车即可。所述轨道小车11包括小车控制器111。该小车控制器111通过所述测试端数据传输模块21和被测端数据传输模块13接收处理装置的速度控制指令以实现匀速或者变速等运动，从而，可以模拟载体在匀速、变速运动情况下，高精度导航系统的可靠性，就像安装有高精度导航系统的载体在在真实环境里匀速、变速运动一样。

请继续参阅图2并结合图1，所述测试轨道12是闭合轨道，在本实施方式中包括直线段和弧形段。闭合的目的是使得轨道小车11沿着测试轨道12一圈一圈的循环运动以便能进行若干次测试。当然，本领域技术人员可以理解，所述测试轨道也可以不是闭合轨道，此种情况下，控制所述轨道小车11在该测试轨道12上往复运动也可以实现测试若干次的目的。此外，为使得所述测试验证测试系统精准高效，本发明对所述测试轨道12进行平面化(构成轨道的轨在一个水平面)安置的特殊处理，平面化安置可使得高精度导航系统的测试数据具备了精准的参考值，具体如下：1、轨道平面化安置使得高精度导航系统在测试轨道的任何位置输出的高程相等；2、轨道平面化安置使得载体的垂向速度为0；3、轨道平面化安置使得载体姿态中的俯仰以及横滚角均为0。图2所示例子中，构成测试轨道12的轨都在一个平面内，技术人员可以明白，作为此种方式的变形方式，如图3a、图3b和图3c所示，比如，针对下沉式隧道的情况(无人驾驶汽车经过隧道的情况)，这种情况下，所述测试轨道12穿过下沉式隧道时，位于隧道内的轨道任意一点的法线与轨道两轨的交点在同一水平面内，如图3c所示，12a1和12a2在一个水平面内，12b1和12b2在一个水平面内，也就是所述交点12a1和12a2的高程一致，12b1和12b2的高程一致，且该段轨道在水平面上的投影为直线。这种方式也可以称之为半平面化，也能提供精准的参考，比如，载体的横滚角为0。测试轨道12的选材及搭建可以采用现有技术，不再赘述，比如，(1)测试轨道12选择变形系数较小的刚性材质；(2)测试轨道12与轨道小车11的规格以被测载体的重量和/或体积来决定；(3)轨道小车11的驱动器选择平稳安静的电动机，电动机的功率与转速亦取决于被测载体的重量以及运行速度。为方便在非平整地面架设轨道，还需配备可调节高度的轨道固定支架，类似于枕木。

请继续参阅图1，所述数据传输模块实现处理装置与被测端的通信，包括被测端数据传输模块13和测试端数据传输模块21，比如，处理装置22产生速度控制指令，该速度控制指令通过测试端数据传输模块21和被测端数据传输模块13传输给轨道小车11的小车控制器111，实现小车的速度控制，又比如，在轨道小车11行驶过程中，所述高精度导航系统实时产生测试数据，被测端数据传输模块13获得该测试数据将该测试数据传输给测试端数据传输模块21以使得处理装置22能得到这些数据，用于后续处理。

请继续参阅图1，所述视频采集设备14用于采集测试场景的视频数据，可以安装于轨道小车11上，也可以安装于测试场景内，还可以安装于测试轨道12沿线。视频采集设备14传输采集的视频数据给被测端数据传输模块13。被测端数据传输模块13传输该视频数据给测试端数据传输模块21。测试端数据传输模块21将该视频数据传输给处理装置22。该处理装置22将采集的视频数据进行实时显示并判断轨道小车是否安全运行，在不安全的情况下，所述处理装置22发出控制指令，该控制指令经过测试端数据传输模块21和被测端数据传输模块13后传输给小车控制器111而控制轨道小车11停止。这种处理方式利于测试人员对测试载体以及测试场地的态势感知，确保在紧急的情况下停止所述测试验证系统的运行，以确保安全。此外，测试人员还可以通过视频对所述测试载体当前所处的环境有更直观的了解。

请继续参阅图1，所述处理装置22比如是pc机，安装有评估软件。安装有评估软件的处理装置22完成如下工作：1、参数的录入；2、实时接收并解析载体测试数据；3、将测试数据与参考值进行比照分析、统计输出；4、测试现场视频数据录入、视频的显示与记录功能。

请继续参阅图4并结合图1和图2，利用上述设备进行测试或验证的方法步骤如下：

s1、根据测试要求在所述测试场景下架设所述测试轨道12。

图2示意出所述测试轨道12在楼宇3、桥梁4和树荫5下的情景，在该步骤中，所述测试轨道12的路径就是载体在所述场景下的实际运行中的路径，比如，在无人机植保中，可以在植被上方(一苗之上)根据无人机的飞行轨迹搭建所述测试轨道12；又比如，需要测试安装有高精度导航系统的汽车在楼宇3之间行驶过程中，高精度导航系统的可靠性，此种情况下，所述测试轨道12架设在真实的楼宇3之间且其路径为汽车的行驶轨迹；又比如，无人驾驶中需要测量汽车穿过隧道或者桥梁4的情况，所述测试轨道12架设在隧道中(隧道或者桥梁下的架设可以参见图3a和3b的方式)；再比如，在树荫5下，铺设的所述测试轨道12与载体(无人机或者汽车)在该树下的行驶轨迹(测试路径)一致。

所述测试轨道12架设后，需要对该测试轨道12进行调整，可以采用的调整方法如下：首先，使用红外水平仪对测试轨道12进行粗调；最后，通过全站仪进行精细调整，整个测试轨道在高程上的最大最小偏差控制限差范围以内，该限差取决于测试所要求的准确度，一般取值2mm。

所述测试轨道12安装调试完成后，对轨道进行测定以得到参考值。对轨道进行平面化处理后，俯仰角、横滚角、垂向速度理论参考值均为0，所述本发明中俯仰角、横滚角和垂向速度的参考值为0，无需测量，只需要测量高程即可且该高程为测试轨道12的高程。下沉式隧道的轨道，横滚角为0，需要测量的参考值为轨道中心线的位置。可以采用如下方法测定轨道中心线的位置，在所述测试轨道12上选取特征点，使用测角精度高于2″的全站仪进行特征点测量得到测试数据，处理装置22录入这些特征点的测试数据并将这些数据作为参考值。

s2、控制轨道小车11在所述测试轨道12上运动，获得轨道小车11在所述测试轨道12上运行过程中，高精度导航系统输出的测试数据，传输该测试数据给控制中心2。

在该步骤中，将承载高精度导航系统的载体安装于轨道小车11或者将高精度导航系统安装于所述轨道小车11上后，根据测试需求控制所述轨道小车11在所述测试轨道12上运动以得到测试数据。轨道小车11的运动包括匀速运动和变速运动等。如何控制轨道小车的运动可以采用现有技术。在本实施方式中，其实现过程如下：欲控制所述轨道小车匀速运动，在所述处理装置22的评估软件的界面上设定速度以产生速度指令。该速度指令被测试端数据传输模块21和被测端数据传输模块13传输给所述轨道小车11的小车控制器，从而，轨道小车11就能按照设定的速度行驶。对于变速运动的情况，用户可以根据变速运动的起始点和终点的坐标设定所述轨道小车11的速度，在处理装置22上运行的评估软件得到所述轨道小车的坐标等于其设定的坐标的情况下，即可产生速度控制指令，该指令经过上述过程传输给小车控制器111，从而使得轨道小车11以另一速度行驶。

在轨道小车11行驶过程中，所述高精度导航系统实时产生测试数据。该测试数据包括姿态(包括航向角、横滚角和俯仰角)、位置(包括水平位置、高程)和速度(水平速度、垂向速度)至少之一，且被实时通过所述被测端数据传输模块13和测试端数据传输模块21传输给所述处理装置22。

s3、接收所述测试数据，对测试数据进行处理形成测试结果。

该步骤包括如下步骤：

1、预先录入参考值

对测试轨道12进行平面化情况下，其需要录入轨道位置(轨道中心线的位置、高程)、俯仰角、横滚角、垂向速度中至少一个。对测试轨道12进行半平面化(测试轨道穿过下沉式隧道)情况下，其需要录入轨道中心线的位置、横滚角中至少一个。软件根据录入的参考值在界面上分别以俯视图(平面视图)、侧视图(高程视图)显示所述测试轨道的模型。

2、数据处理与图形显示

2.1、参数设定，设定所述测试数据可进行误差分析的解状态类型(范围)，设定误差门限。

2.2、数据统计，对所述测试数据的有效性进行统计，包括数据完整率、符合解状态类型的样本数、各种解状态类型的样本数等内容。

2.3、偏差统计，将测试数据与相应的参考值进行比较以得到偏差值，所述相应的值是相对于要比较的对象而言，比如，测试数据是横滚角，那么，相应的参考值就是横滚角。将得到的所述偏差进行标准差统计。

2.4、数据评判，将得到的所述偏差值与门限进行比较，在该偏差值小于门限的情况下视为测试数据合格，在偏差值大于门限的情况下视为测试数据不合格。

2.5、图形显示，对接收到的每一帧测试数据内各项数值进行界面显示，将载体当前的运动轨迹分别显示到所述测试轨道模型的俯视图、侧视图上。此外，软件界面还将显示统计的精确度数值以及误差图形等，以利于偏差值的直观判断。

3、测试场景的视频显示

测试小车和/或测试轨道沿线安置视频采集设备。视频采集设备采集的视频数据被实时通过所述被测端数据传输模块13和测试端数据传输模块21传输给所述处理装置22。视频数据的处理及设置视频采集设备的作用如前所述，不再赘述。

4、数据记录

将采集的测试数据、偏差值以及分析结果分别进行记录，以备后续分析。

5、报告输出

测试完毕后，所述处理装置22可以输出测试评估报告供测试人员直接提交使用。报告的内容根据测试对象和测试需求确定。在gnss领域，报告内容包括定位精度、测姿精度、速度精度、测试样本量、测试时间、载体速度、数据完整率、数据可用性、数据可靠性、测试场景图片等信息。

虽然以上述实施例公开了本发明的构思，但是，技术人员可以理解，上述方案也可以有若干变化，比如，所述数据传输模块是一根线缆，通过该线缆实现高精度导航系统与处理装置之间的数据传输；或者，所述处理装置安装于所述轨道小车上；另外，本发明的高精度导航系统还可以是gnss接收机、oem板卡、激光雷达、室内导航装置等，又比如，上述测试数据也不局限于位置、姿态、速度，其根据需要测试或者验证的内容而定，任何想验证或者测试的数据都可以是本发明所述的测试数据。