一种用于检测桥梁形变的惯性基准测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于检测桥梁形变的惯性基准测量方法，用于对桥梁形变、沉降进行检测。该方法具体为：在被测桥梁的表面规划一条轨迹路线，在路线上标出若干个参考点，利用高精度的GPS信息建立参考基准，利用惯性系统输出建立惯性基准；采集惯性系统的输出、里程仪的输出，分别对里程仪输出进行补偿、对桥面不平整影响测试进行识别，之后进行组合航位推算，完成整个选定轨迹的测试，再进行闭合修正流程，最后给出所测试的精确轨迹并推算出桥梁的形变及沉降。本发明基于惯性导航系统与里程仪、GPS组合，利用三维惯性测量方式，实现快速、连续对桥梁三维小动态形变的测量、并不受有轨和无轨的限制。
【专利说明】一种用于检测桥梁形变的惯性基准测量方法
【技术领域】
[0001]本发明属于惯性技术工程应用领域，具体的，涉及一种用于检测桥梁形变的惯性基准测量方法。
【背景技术】
[0002]随着科学技术的进步以及交通运输的需求，许多大跨度桥梁应运而生，尤其是悬索桥以其跨度大，造型优美，节省材料而备受人们的青睐，成为大跨度桥梁的首选。但随着跨度的增大，从几百米到千米，由于缺乏必要的监测和相应的养护，世界各地出现了大量桥梁损坏事故，给国民经济和生命财产造成了巨大损失。因此，对已投入运营的为国计民生服务的桥梁安全使用状态进行有效监控，确保人民生命和国家财产安全，是当今桥梁界应用和研究的一个热点方向。
[0003]随着人们对桥梁安全问题日趋重视，不仅仅是大跨度桥梁有建监控系统，不少小跨度桥梁也建立了相应的监控系统。传感器系统是监控系统的核心部分，一个完整的监控系统的所有子系统都是围绕传感器系统进行配置的。近年来，传感器技术发展很快，尤其是光纤传感器和无线传感器已逐步开始在工程中应用。从各个桥梁上所使用的传感器种类来看，是逐步增多了，涉及的范围更广了。卫星遥感技术的发展，使得遥感技术被广泛应用于工程安全监测中，尤其是变形与沉降监测中应用最为广泛。
[0004]目前用于桥梁形变监测的仪器主要有:经纬仪、位移传感器、加速度传感器和激光测试方法。全站仪是利用自动扫描法，对各测点进行一周的连续扫描，获得三维坐标，测量精度较高，但缺点是各测点不同步以及大变形时不可测；位移传感器是一种接触型传感器，其缺点是对于难以接近点无法测量以及对横向位移测量有困难；加速度传感器，对于低频静态位移鉴别效果差，精度不高。激光测试仪的测试精度较高，但在桥梁等晃动大时由于无法捕捉光点也无法测量。最新出现的高精度GPS可以达到毫米级测量精度，缺点是必须长期测量且卫星导航信号无遮挡。
[0005]在现有桥梁形变测量、监测方面，采用激光跟踪仪、激光扫描仪、测量机器人、各种高精度GPS接收机、电子全站仪、水准仪以及各种专用测量仪器，采用一种或者多种测量仪器结合，实现高精度的测试。由各种专用监测仪器、测量仪器以及空对地观测仪器组成的立体监测系统，可实现对桥梁进行持续的自动监测和变形预报，此类测量方式的特点是测量精度较高、可持续监测，但只能对几个点测量，而且人工架设设备非常困难。
[0006]目前国内有提出采用惯性技术方式测试工程的形变，包括大坝、桥梁等大型工程的形变。现有的惯性测试方式主要采用两维陀螺或者单独三维的陀螺测量轨道的一些参数(为了测量工程形变，在工程建设时，会事先埋设一些固定的轨道，可以方便后续运行过程中的监测)，开创了惯性测量的先河。但两维的测量方式，从需求上是能够满足平面测量的要求，但是存在测量缺陷，无法满足三维立体的测量要求。
【发明内容】
[0007]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于检测桥梁形变的惯性基准测量方法，其目的在于不受有轨和无轨的限制，实现快速、连续对桥梁三维小动态形变的测量，由此解决现有桥梁形变测量中设备架设困难、受形变小范围、桥梁无轨道制约的技术问题。
[0008]一种用于检测桥梁形变的惯性基准测量方法，包括以下步骤:
[0009]测量环境搭建步骤:
[0010]准备测量小车，在测量小车上安装惯性导航系统，在测量小车的四个车轮上分别安放一个里程仪；
[0011 ] 参考基准建立步骤:
[0012]在待测桥梁的两端，选定两个基准点，通过GPS定位确定两基准点的纬度、经度和海拔；以其中一个基准点作为原点建立测量坐标系，另一个基准点位于坐标系的坐标轴上；在待测桥梁的表面规划轨迹路线，使规划的路径必经两基准点；利用基准点的纬度、经度和海拔信息建立惯性系统测试基准，并以东北天地理坐标系作为惯性导航坐标系；
[0013]里程测量步骤:
[0014]启动测量小车沿规划路径运行，在当前采样时段t1-tg，获取四个里程仪输出的里程增量信息，对里程增量信息进行轮子形变误差补偿，再考虑车轮悬空对补偿后的四个里程增量信息进行融合，得到当前采样时段t1-tg测量小车的真实里程增量Λ、；
[0015]惯性导航步骤:
[0016]启用惯性导航系统，在当前采样时刻\获取测量小车在导航坐标系中的姿态角W).[0017]组合导航步骤:
[0018]记里程计坐标系为m系，惯导坐标系为b系，b系到m系的变换余弦阵为L:;
[0019]记里程增量Λ、在m系的投影为Δ# = [0 ALt ，上标Τ表示转置；通过坐标系转换得到里程增量在b系的投影为ΔΖ° = (044，进而得到里程增量ALi在导航坐标系上的投影(:丨(0是\时刻测量小车的姿态角；
[0020]计算当前采样时刻\测量小车在导航坐标系下的位置坐标巧=Ρι-ι + ΔΙ|，Ρη为前一采样时刻测量小车在导航坐标系下的位置坐标；
[0021]对测量小车在导航坐标系下的位置坐标进行积分得到导航坐标系下的桥面轨迹，进而通过坐标系转换得到测量坐标系下的桥面轨迹；
[0022]形变判定步骤:
[0023]将测量坐标系下的桥面轨迹与基准桥面轨迹进行比较，确定检测桥梁形变情况。
[0024]进一步地，所述里程测量步骤中对里程增量信息进行轮子形变误差补偿的具体实现方式为:令当前采样时段里程仪输出的里程增量为Li;对其进行轮子误差补偿得
? Z.- t
到有效里程增量4其中，SKd为里程仪标定因子误差，W。为测量小车颠簸引起
的随机误差。
[0025]进一步地，所述里程测量步骤中考虑车轮悬空对补偿后的四个里程增量信息进行融合的具体实现方式为:
[0026]将测试小车右前轮、左前轮、左后轮、右后轮里程计在当前采样时段的输出里程增量分别记为ALa、ALb、AL。、ALd, Λ、为融合后的真实里程增量；
[0027]当Λ Lc≤Λ LD，表明车体进行左转弯，此时Λ LY = Δ LA ；
[0028]当Λ LA < Λ LB，表明右前轮出现悬空，此时 Λ LY = Λ LB* Λ LD/ Λ Lc，Δ Lc ^ 0 ；
[0029]当Lc > LD时，车体进行右转弯，此时:
[0030]①当LA≤LB时，
[0031]如果Lb-La > Lc-Ld,则右前轮悬空，此时 Λ LY = Λ LB* Λ LD/ Λ Lc，Δ Lc ^ 0 ；
[0032]如果Λ LB- Λ LA兰Δ Lc_ Δ LD，则无车轮悬空，此时Λ LY = Δ LA ；
[0033]②当LA > LB时，则左前轮悬空，此时Λ LY = Λ LA。
[0034]进一步地，还结合历史采样时段采集的测量小车里程增量对当前采样时段的测量小车真实里程增量进行线性插值平滑处理，以消除桥梁路面不平整导致的振动干扰。
[0035]进一步地，还对测量坐标系下的桥面轨迹进行误差修正，具体实现方式为:
[0036]在所述测量坐标系内，令规划轨迹路线起点的三维坐标为(0，0，0)，终点的三维坐标为(Xf，0，0);导航坐标系下的桥面轨迹转换到参考坐标系下的起点三维坐标为(Xa，Ya,Za)，终点三维坐标为(Xb，Yb, Zb);修正前测量坐标系下的桥面轨迹三维坐标表示为(Sx，Sy,Sz)；
[0037]确定X向的误差修正系数Kx=Xf/ (Xb_Xa)、Y向的误差修正系数Ky= (Yb_Ya)/Xf、Z向的误差修正系数Kz= (Zb-Za)/Xf ；
[0038]采用三修正系数修正测量坐标系下的桥面轨迹得到修正后的桥面轨迹(§x，Sv，& )，Sx = Kx- Sx , Sy = Ky.Sy，bz = Kz · Sz o
[0039]与现有技术相比，本发明的有益技术效果体现在:
[0040](1)本发明采用高精度的GPS信息建立参考基准并利用惯性系统建立惯性基准，结合了惯性组合导航技术和闭合测量技术，使得测量精度得到有效提升。
[0041](2)对里程增量信息进行轮子形变误差补偿，以及考虑车轮悬空对补偿后的四个里程增量信息进行有效融合，提高了测量精度。
[0042](3)结合历史采样时段采集的测量小车里程增量对当前采样时段的测量小车真实里程增量进行线性插值平滑处理，以消除桥梁路面不平整导致的振动干扰。
[0043](4)采用闭合修正方法，对测量坐标系下的桥面轨迹进行误差修正，进一步提高了精度。
[0044]综上所述，由于本发明基于惯性导航系统与里程仪、GPS组合，能快速、连续对桥梁三维形变的测量，并且不受路径规划、不受路面状况影响，能满足桥梁微小形变测量要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0045]图1是惯性基准测量桥梁沉降方法流程图；
[0046]图2是参考基准及路径规划不意图；
[0047]图3是建立惯性基准流程示意图；
[0048]图4是里程仪信息容错处理流程图；[0049]图5是软件变化率滤波部分的程序流程图；
[0050]图6是惯性系统与里程航位推算及组合导航计算方法流程图。
【具体实施方式】
[0051]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0052]基于惯性基准测量检测桥梁形变方式是依托惯性系统硬件平台，以惯性导航系统、里程计为基本测量单元，GPS信号为辅助，其中惯性导航系统、里程仪安装在测量小车上，以测试为主的系统软件安装在惯性导航系统及采集系统内。本发明包括利用高精度的GPS信息建立参考基准、利用惯性系统建立惯性基准、以惯性导航系统辅里程仪的航位推算、对车体轮子变形及空转造成误差的容错处理、针对桥面不平整影响测试进行识别、航位推算数据闭合修正等几部分组成。其惯性基准测量桥梁沉降方法流程及框图如图1所示。
[0053]以下结合附图详细说明。
[0054]第一步、测量环境搭建步骤。
[0055]准备测量小车，在测量小车上安装惯性导航系统，在测量小车的四个车轮上分别安放一个里程仪；第一步:建立参考基准。
[0056]第二步、参考基准建立步骤。
[0057]在被测量桥梁的两端，选定两个固定的基准，利用高精度的GPS确定这2个基准点的纬度、经度和海拔，定位精度为2cm。之后利用这2个基准点建立起测量坐标系。其中一个基准点位于坐标系的原点，另一个基准点位于坐标系的X轴上，坐标轴Y沿当地水平面指向X轴左侧，Z轴与X、Y轴构成左手坐标系。
[0058]在被测量桥梁桥面上选定测试轨迹，其轨迹可以是任意的，但选定的轨迹必须通过上述建立的参考基准两点，同时可以在选定测试轨迹上预先制定一些标志点，这些标志点可以是任意的。建立基准和路径规划如图2所示。
[0059]由GPS提供初始的经纬高信息，惯性导航系统实现装订的一些参数完成自对准。在固定位置上，车体停止5min，静态采集惯性系统的输出，并根据装订的初始参数进行自对准，建立惯性系统测试的基准。初始参数通过上位机进行参数上传。先进行60s的粗对准，在60s后转入精对准过程，利用KALMAN滤波与参数辨识，5min精对准完成，输出辨识参数，对准结束，系统转入导航流程。建立惯性基准流程见图3。
[0060]第三步:里程测量步骤。
[0061]在当前采样时段t1-th，获取四个里程仪输出的里程增量信息，对里程增量信息进行轮子形变误差补偿，再考虑车轮悬空对补偿后的四个里程增量信息进行融合，得到当前采样时段测量小车的真实里程增量Λ、。
[0062]本步骤中，在利用惯性技术测量桥面沉降变形过程中，受由于桥面状况、车轮的充气量、轮胎发热使得轮胎大小发生变化以及轮胎的磨损状况等因素引起里程仪刻度因子慢变，很难确定每个脉冲所代表的真正行程(即里程仪刻度因子)，成为制约里程仪测速精度的主要因素。为了提高精度，对里程仪刻度因子进行校正，来提高测量精度。[0063]里程仪的数学模型可写为:
[0064]Li = Npulse.Kd (1)
[0065]式中4为里程仪在每一个Λ t时间间隔(Λ t = ti+1-ti)内所测量的里程值；Npulse为每一个At时间间隔内所产生的脉冲数；Kd为里程仪的标定因子。
[0066]又可推出:
[0067]4 = Xpulse.Kd = /.(1 + Sha) + W0 C2) [0068]式中:Z,为每一个时间间隔内车辆行驶的真实距离；δ &为标定因子误差;W0为车辆的颠簸引起的随机误差，可定义为白噪声。
[0069]根据式(2)可知进行轮子误差补偿得到的有效里程增量I =。
[0070]在测量过程中，由于车体的结构导致在测试过程中，四个轮子存在不共面现象，即可导致测量轮悬空，导致该里程仪无输出，需要对该行进行容错处理。里程仪信息容错处理流程图见图4。
[0071]将测试小车右前轮、左前轮、左后轮、右后轮里程计在当前采样时段的输出里程增量分别记为ALa、ALb、AL。、ALd, ALi为融合后的真实里程增量；
[0072]当Λ Lc≤Λ LD，表明车体进行左转弯，此时Λ LY = Δ LA ；
[0073]当ALa< Λ Lb，表明右前轮出现悬空，此时 ALY= Δ LB* Δ LD/ Δ Lc, Δ Lc ^ 0 ；
[0074]当Lc > LD时，车体进行右转弯，此时:
[0075]①当LA≤LB时，
[0076]如果Lb-La > Lc-Ld,则右前轮悬空，此时 Λ LY = Λ LB* Λ LD/ Λ Lc，Δ Lc ^ 0 ；
[0077]如果Λ LB_ Λ LA兰Δ Lc_ Δ LD，则无车轮悬空，此时Λ LY = Λ LA。
[0078]LA > LB时，则左前轮悬空，此时Λ LY = Λ LA。
[0079]在同一个采样周期内，计算机分别采集四里程仪输出的脉冲个数，通过式(2)计算每个采样周期内每个里程仪输出里程，然后按照上述里程仪信息融合流程，在每个计算周期T内判断载体的滚转、判断四路里程的悬空状态，并过滤里程输出中的干扰信号，通过对四路里程计的计算融合，最终输出能够表现载体运动真实的里程信息ΛΙ^。
[0080]在测量过程中，由于桥面存在坑洼不平，导致测试设备振动，并产生误差。在软件流程中采用变化率波滤波算法，能够克服桥梁路面不平整的振动带来的干扰，对路面不平整产生的振动引起的数据误差处理，采用数字率波的方式提出误差。
[0081]首先要通过桥面坑洼识别确定误差区域，然后对误差点重新赋值。赋值的方法是把置0点恢复原始值。在误差区域的起始点和结束点之间用线性插值的方法近一步平滑。软件变化率滤波部分的程序流程图见图5。
[0082]当设备经过坑洼桥面时，两副走行轮和一副可浮动的测量轮将不同程度的掉入坑洼路面。产生较大的振动，使测得的水平数据失真。可知，在每一个路面水平参数的信息不是单一的。而是由多个组成一组，根据这些特征。变化率滤波采用以下方法进行轨缝识别:把两次相邻的采样点相减。求出其增量(以绝对值表示)，然后与两次采样允许的最大差值DY，进行比较，若小于DY，则把此点置0 ;若大于DY，则认为是误差点，在此点置y0(y0值根据经验或实验得出)。即:[0083]当y (n) -y (η-l)≤ DY,时，则取 y (η) = 0 ；
[0084]当y (n) -y (n_l) >DY,时，贝U 取 y (n) =y0
[0085]然后，对0和yO这组数据进行五点平均。其目的是可以通过改变y0值的大小来选择需，以y(n-l)作为误差区域的起始点；再找到y(n + i) >0, y (n+i+1) =0的点，以y(n+i+l)作为误差区域的结束点。
[0086]在历史连续多个(例如5个)采样周期内，依次计算里程信号输出，按照起始点和结束点之间用线性插值的方法对数据近一步平滑，消除桥梁路面不平整的振动带来的干扰，提高测量准确性。
[0087]第四步、惯性导航步骤:
[0088]启用惯性导航系统，在当前采样时刻ti获取测量小车在导航坐标系中的姿态角QU).,
[0089]第五步、组合导航步骤
[0090]在组合导航算法中航位推算算法直接使用捷联算法的姿态矩阵，因此航位推算算法与捷联算法具有相同的姿态、航向角误差，随着捷联惯导系统的姿态、航向角误差的增加，必然会影响航位推算的定位精度。在组合导航算法中，估计出系统的姿态、航向角误差并进行补偿，提高系统测量精度。
[0091]选取东北天(ENU)地理坐标系为惯性导航坐标系，记为η系，当惯导按一定的方位安装到载车上时，认为载车坐标系与惯导标定坐标系重合，记为b系。里程计坐标系记为m系，里程计在一小段时间Δt = ti+1-ti内测量的里程增量ΔLi在m系的投影写成矢量形式为:
【权利要求】
1.一种用于检测桥梁形变的惯性基准测量方法，其特征在于，包括以下步骤:测量环境搭建步骤:准备测量小车，在测量小车上安装惯性导航系统，在测量小车的四个车轮上分别安放一个里程仪；参考基准建立步骤:在待测桥梁的两端，选定两个基准点，通过GPS定位确定两基准点的纬度、经度和海拔；以其中一个基准点作为原点建立测量坐标系，另一个基准点位于坐标系的坐标轴上；在待测桥梁的表面规划轨迹路线，使规划的路径必经两基准点；利用基准点的纬度、经度和海拔信息建立惯性系统测试基准，并以东北天地理坐标系作为惯性导航坐标系；里程测量步骤:启动测量小车沿规划路径运行，在当前采样时段t1-th，获取四个里程仪输出的里程增量信息，对里程增量信息进行轮子形变误差补偿，再考虑车轮悬空对补偿后的四个里程增量信息进行融合，得到当前采样时段t1-tg测量小车的真实里程增量Λ、；惯性导航步骤:启用惯性导航系统，在当前采样时刻\获取测量小车在导航坐标系中的姿态角；组合导航步骤:记里程计坐标系为m系，惯导坐标系为b系，b系到m系的变换余弦阵为";记里程增量Λ Q在m系的投影为
2.根据权利要求1所述的用于检测桥梁形变的惯性基准测量方法，其特征在于，所述里程测量步骤中对里程增量信息进行轮子形变误差补偿的具体实现方式为:令当前采样时段t1-tg里程仪输出的里程增量为Li;对其进行轮子误差补偿得到有效里程增量
3.根据权利要求2所述的用于检测桥梁形变的惯性基准测量方法，其特征在于，所述里程测量步骤中考虑车轮悬空对补偿后的四个里程增量信息进行融合的具体实现方式为:将测试小车右前轮、左前轮、左后轮、右后轮里程计在当前采样时段t1-tg的输出里程增量分别记为ALa、ALb、AL。、ALd, Λ Li为融合后的真实里程增量；当
4.根据权利要求1或2或3所述的用于检测桥梁形变的惯性基准测量方法，其特征在于，还结合历史采样时段采集的测量小车里程增量对当前采样时段的测量小车真实里程增量进行线性插值平滑处理，以消除桥梁路面不平整导致的振动干扰。
5.根据权利要求1或2或3所述的用于检测桥梁形变的惯性基准测量方法，其特征在于，还对测量坐标系下的桥面轨迹进行误差修正，具体实现方式为:在所述测量坐标系内，令规划轨迹路线起点的三维坐标为(0,0,0),终点的三维坐标为(Xf，0，0);导航坐标系下的桥面轨迹转换到参考坐标系下的起点三维坐标为(Xa，Ya，Za)，终点三维坐标为(Xb，Yb，Zb);修正前测量坐标系下的桥面轨迹三维坐标表示为(Sx，Sy,Sz)；确定X向的误差修正系数Kx=Xf/ (Xb_Xa)、Y向的误差修正系数Ky=(Yb_Ya)/Xf、Z向的误差修正系数Kz= (Zb-Za) /Xf ；采用三修正系数修正测量坐标系下的桥面轨迹得到修正后的桥面轨迹务，&)，§x = Kx-Sx, Sy = KySy , §z = Kz-Sz。
【文档编号】G01B21/32GK103644888SQ201310673917
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月11日 优先权日:2013年12月11日
【发明者】陈贵金, 王勇刚, 王爱民, 彭志强, 廖良斌, 李亮, 焦守江, 潘静, 陈成, 罗瑞强 申请人:湖北三江航天红峰控制有限公司