一种用于检测桥梁形变的惯性基准测量方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于惯性技术工程应用领域，具体的，涉及。
技术介绍
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。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。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。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。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。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了，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。，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；[0011 ] 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-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、；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W).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L:;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；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；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；形变判定步骤: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。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。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: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；当Λ Lc≤Λ LD，表明车体进行左转弯，此时Λ LY = Δ LA ；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 ；当Lc > LD时，车体进行右转弯，此时:①当LA≤LB时，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 ；如果Λ LB- Λ LA兰Δ Lc_ Δ LD，则无车轮悬空，此时Λ LY = Δ LA ；②当LA > LB时，则左前轮悬空，此时Λ LY = Λ LA。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。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: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(§x，Sv，& )，Sx = Kx- Sx , Sy = Ky.Sy，bz = Kz · Sz o与现有技术相比，本专利技术的有益技术效果体现在:(1)本专利技术采用高精度的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。(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。(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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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ti?ti?1，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ti?ti?1测量小车的真实里程增量ΔLi；惯性导航步骤：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ΔLi在m系的投影为ΔLim=0ΔLi0T,上标T表示转置；通 过坐标系转换得到里程增量在b系的投影为进而得到里程增量ΔLi在导航坐标系上的投影是ti时刻测量小车的姿态角；计算当前采样时刻ti测量小车在导航坐标系下的位置坐标Pi?1为前一采样时刻ti?1测量小车在导航坐标系下的位置坐标；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；形变判定步骤：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。FDA0000435658250000011.jpg,FDA0000435658250000012.jpg,FDA0000435658250000021.jpg,FDA0000435658250000022.jpg,FDA0000435658250000023.jpg,FDA0000435658250000024.jpg,FDA0000435658250000025.jpg...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：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(专利权)人：湖北三江航天红峰控制有限公司，
类型：发明
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