车载激光雷达隧道检测系统、基于隧道检测系统的自主定位方法及隧道灾害检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明主要涉及到隧道监测与维护技术领域，特指一种基于自主定位的车载激光 雷达隧道检测系统及自主定位方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国高速公路负荷量的激增和隧道运营时间的延长，如何快速的对既有隧道 进行有效监测，从而保证高速公路运营安全，愈发成为广大高速公路管理者和技术人员关 注的焦点。
[0003] 隧道从建成到破坏，通常经历变形、裂损和垮塌三个阶段。变形是破坏必经的第一 步，变形量积累至一定程度将导致裂损，裂损随着变形量增加而加重，最终导致垮塌。通过 对变形的监控，可以及时发现隐患，判断裂损是否为变形导致，查明变形与裂损的发展关联 及形成原因，在垮塌到来之前，对病害进行及时有效维护整治。
[0004] 衬砌裂缝是最常见的隧道病害，是衬砌结构破坏或失稳坍塌的重要原因。目前，对 隧道裂缝的检测主要采用裂缝观测仪，通过人工判读和记录检测信数据。该方法不仅效率 低、费用高，而且主观因素较多，直接影响到隧道结构安全的客观评估。
[0005] 现有技术中，对隧道内壁表面检测过程大多采用人工检测方法，通过人工选择和 标定检测点，确定隧道内部检测点的位置信息；然后部署检测仪器，沿着隧道纵深对其内部 表面情况进行定点检测。该检测方法虽能精确得到隧道内部的结构以及灾害信息，但是需 要耗费大量的人力物力，隧道环境也可能对检测人员的人身安全造成严重影响。同时，定点 检测的方法大多需要在无其他车辆干扰下进行，需要封闭隧道来确保检测的顺利进行，因 此对正常的隧道通行秩序造成了一定影响。另一种隧道检测方法是利用车辆搭载检测传感 器（如可见光传感器、超声波雷达探测器等），通过分析传感器采集的数据来判定隧道内部 灾害区域和受灾情况，需要通过卫星定位系统提供定位信息才能准确地定位灾害区域。然 而在较长的隧道环境中，卫星定位信号一般较弱或者完全没有，因此，依靠卫星定位来确定 隧道内灾害位置的方法在实际隧道测量中难以解决实际检测问题。此外，目前基于可见光 和雷达图像的隧道检测方法来发现识别表面裂缝、断裂或形变物理变化较为常见，但此方 法较难根据图像发现隧道内壁渗水、浸水、水渍灾害情况。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一 种检测效率高、可在非封闭状态下进行实时监测的车载激光雷达隧道检测系统、基于隧道 检测系统的自主定位方法及隧道灾害检测方法。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
[0008] -种基于自主定位的车载激光雷达隧道检测系统，包括：
[0009] 车辆平台，用于为检测系统的运行提供必要的车辆运行环境和能源供给；
[0010] 定位模块，包括自主定位模块和卫星定位模块；所述卫星定位模块用于在能够接 收到卫星定位信号时对车辆平台进行定位，所述自主定位模块则用于车辆在隧道内无法进 行卫星定位的位置进行定位；
[0011] 激光雷达检测模块，利用激光对隧道表面进行检测，记录激光束反射的光点相对 位置和强度信息；
[0012] 信息融合与检测模块，用于对自主定位模块/卫星定位模块的位置信息以及激光 雷达检测模块的测量信息进行分析、处理与融合。
[0013] 作为本发明的进一步改进：所述车辆平台上安装有车辆传感器模块和车载计算处 理与数据存储平台，所述车辆传感器模块作为车辆自身的传感器；所述车载计算处理与数 据存储平台，用于为检测过程的数据采集存储、数据分析与信息融合计算、检测分析与评估 过程提供计算和存储资源。
[0014] 作为本发明的进一步改进：所述自主定位模块包括激光雷达模块和定位信息处理 模块；所述激光雷达模块包括惯性测量装置和三维磁阻式电子罗盘；所述惯性测量装置为 捷联式惯导，具有一个加速度传感器和一个角速度传感器，加速度计用来测量车辆顶端相 对地垂线的三个方向加速度分量信息，角速度传感器用来测量车辆的三个角速度信息；所 述定位信息处理模块用于对惯性测量装置、三维磁阻式电子罗盘以及里程计信息进行非线 性融合估计，根据车辆运动的三自由度的姿态角度、加速度、速度与角速度信息，融合估计 车辆在三个方向上的位置状态信息，以确定当前车辆在相对坐标系中的具体位置信息。
[0015] 作为本发明的进一步改进：所述三个方向加速度分量信息分别为水平两个方向与 竖直方向，所述三个角速度信息分别为车辆上下起伏俯仰角、倾斜角度与侧滑角度。
[0016] 作为本发明的进一步改进：所述信息融合与检测模块依据两类信息中的时间关 系，将同一时刻信息进行组合，获取某一时刻测量得到的车辆位置以及激光雷达测量的光 点位置和反射强度，生成点云信息；之后，通过时间轴的推移，还原隧道表面激光雷达测量 点的位置和反射强度实现所检测隧道内部场景重构，根据点云密度检测表面裂缝及形变情 况，并依据点云反射强度信息检测表面渗水和水渍情况。
[0017] 本发明进一步提供了一种基于上述检测系统的自主定位方法，其特征在于，步骤 为：
[0018] S1:相对坐标系建立；
[0019] 以最后一次卫星定位信息或自主定位起始位置作为基准点，包括经度、维度和高 度坐标，建立水平两个方向和竖直方向的三维相对坐标系，即相对于地理坐标系中的经度、 维度和高度，将所有传感器的数据信息在统一的坐标系中进行运算；
[0020] S2:建立状态估计过程方程；
[0021] 根据牛顿运动学方程，假定车辆在隧道中沿着曲线方向进行匀加速运动，车辆在 隧道内运动为上坡、下坡以及平路运行，且运动过程车轮不发生形变，不和地面产生打滑现 象。在t时刻，车辆运动过程方程可描述为：
[0022]
[0023] 在式（1)中，假定车辆在速度方向上做匀加速运动，而在转向方向上做匀速旋转， 由此可得，在三维相对坐标系中，车辆位置当前位置P t与车辆运动状态中的速度、加速度、 偏转角度以及角速度呈非线性关系，其中，Dt为行车里程，v t为行车速度，a t为加速度，0 t 为转向偏转角度，wt为角速度，T为系统观测周期。车辆位置P t为估计状态，其他参数当前 时刻信息可通过传感器测量获取，如，车载传感器可测量Dt、vJP 0 4参数信息，頂U可测量 aJP w t参数信息；
[0024] S3:扩展卡尔曼滤波状态估计；
[0025] S4:定位信息融合；将扩展卡尔曼滤波算法估计的车辆位置状态估计结果，与GPS 最后一次精确定位和车载行车里程计实时数据进行信息融合，确定车辆位置信息；
[0026] S5 :坐标系转换；将车辆在相对坐标系中的位置转换为地理坐标信息，实现车辆 的定位。
[0027] 本发明进一步提供一种基于上述检测系统的隧道内壁灾害检测方法，其步骤为：
[0028] S100 :基于自主定位的激光雷达点云信息生成；
[0029] 在无GPS等卫星定位信号时候条件下，通过自主定位模块以及最后一次GPS精确 的定位信息，对点云原始记录数据进行测量点位置的推算和确定，生成LAS格式标准点云 数据文件；
[0030] S200 :隧道内部场景重构；
[0031] 在获取LAS标准格式数据基础上，通过测量点的位置信息以及点云数据信息，对 点云的位置进行部署，重构点云在三维空间中的位置；在完成