CN105652305B - 一种动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿方法及系统，方法包括：对双目立体相机的左右相机的相对空间位置姿态进行标定；对双目立体相机与激光惯导之间的相对位置姿态参数进行标定；根据双目立体相机对CPIII控制点进行拍照获取多张控制点图片，并根据立体后交得到双目立体相机的位置和姿态；将双目立体相机的位置和姿态作为带权观测值输入INS/OD导航系统进行滤波、平滑及内插处理，得到轨道检测平台的位置和姿态。本发明通过视觉方法将轨道线路高精度控制网数据与惯导/里程计数据与融合，采用联合解算方法，实现动态轨道检测平台的连续且高精度的定位定姿，可广泛用于高铁、地铁的轨道检测、移动道路测量等应用。

Description

一种动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿方法及系统
技术领域
本发明涉及测绘技术领域，尤其涉及一种动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿方法及系统。
背景技术
目前，随着经济的飞速发展和城市化进程的加快，城市轨道交通也进入大发展时期。当前城市轨道交通发展迅速，通车里程长，列车运行速度快、密度高，对于列车运行的安全性要求越来越高，提高城市轨道交通检测的快速性、准确性、高效性具有重要意义。轨道和隧道是影响列车运行安全的两个重要因素，因此利用轨道检测装备对铁路和隧道的状态、病害进行精确、快速地测量和检测是确保列车运行安全的必要途径。
城市轨道交通隧道环境下轨检系统的高精度动态三维定位定姿方法，是实现城市轨道快速、连续、可靠检测的关键技术。城市轨道交通隧道环境下轨检系统在轨道移动平台上集成激光惯导（INS）、里程计（OD）、激光扫描仪、线结构光激光扫描仪、CCD相机等多传感器，实现城市轨道交通基础设施全断面信息的快速获取。基于此信息对城市轨道状态的实时自动化分析，为城市轨道交通安全运营提供及时可靠的轨道状态信息与技术保障。
目前轨道检测设备主要围绕着两个典型的研发方向，一个是以高精度轨检小车为代表，一个是以综合轨检车为代表。轨检小车利用全站仪（测量机器人）对铁路沿线的控制点进行观测建立空间基准，然后对轨道的几何状态进行检测。动态轨检平台的三维空间基准是整个轨道检测系统的基础，其测量精度直接决定了轨道结构检测系统的精度与可靠性。但是城市地铁隧道环境对GNSS（全球卫星导航系统）信号形成了遮挡，GNSS/INS的组合定位定姿方法会受到很大的影响，不能满足检测系统的精度和效率要求。
因此，现有技术还有待发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿方法及系统，旨在解决现有技术中城市地铁隧道环境对GNSS信号形成的遮挡，使得GNSS/INS的组合定位定姿方法受到很大的影响，不能满足检测系统的精度和效率要求的问题。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿方法，其中，所述方法包括以下步骤：
A、对双目立体相机的左右相机的相对空间位置姿态进行标定；
B、对双目立体相机与激光惯导之间的相对位置姿态参数进行标定；
C、根据双目立体相机对CPIII控制点进行拍照获取多张控制点图片，并根据立体后交得到双目立体相机的位置和姿态；
D、将双目立体相机的位置和姿态作为带权观测值输入INS/OD导航系统，并进行滤波、平滑及内插处理，得到轨道检测平台的位置和姿态；其中，所述INS/OD导航系统为惯导/里程计导航系统。
所述动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿方法，其中，所述步骤A具体包括：
A1、双目立体相机对已建立的三维相机标定场进行拍照，获取多对观测位置各不相同的立体像对；
A2、获取每一立体像对的像点坐标，根据立体像对的像点坐标及与像点坐标相对应控制点的三维坐标进行标定，并根据光束法平差算法获取双目立体相机中每一相机内参数、畸变系数及左右相机的相对位置姿态参数。
所述动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿方法，其中，所述步骤B中通过同一时刻双目立体相机的位置和姿态与GNSS/INS导航系统得到的位置和姿态进行比对，标定双目立体相机坐标系到惯导载体坐标系转换关系；其中GNSS/INS导航系统为全球卫星导航系统/惯导组合导航系统。
所述动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿方法，其中，所述步骤C具体包括：
C1、通过双目立体相机获取轨道上预先设置的多个控制点的CPIII坐标；
C2、获取每一控制点上标靶的像点坐标；
C3、将标靶的像点坐标与对应的控制点的CPIII坐标进行立体后交，得到双目立体相机的位置和姿态，及与双目立体相机的位置和姿态相对应的精度。
所述动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿方法，其中，所述步骤D具体包括：
D1、通过卡尔曼松组合滤波，将双目立体相机的位置和姿态作为带权观测值输入INS/OD导航系统，得到INS/OD导航系统的位置和姿态；
D2、对INS/OD导航系统的位置和姿态进行反向平滑处理及内插，得到轨道检测平台的位置和姿态。
一种动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿系统，其中，包括：
相机标定模块，用于对双目立体相机的左右相机的相对空间位置姿态进行标定；
视准角标定模块，用于对双目立体相机与激光惯导之间的相对位置姿态参数进行标定；
双目视觉定位定姿模块，用于根据双目立体相机对CPIII控制点进行拍照获取多张控制点图片，并根据立体后交得到双目立体相机的位置和姿态；
双目视觉辅助INS/OD定位定姿模块，用于将双目立体相机的位置和姿态作为带权观测值输入INS/OD导航系统，并进行滤波、平滑及内插处理，得到轨道检测平台的位置和姿态；其中，所述INS/OD导航系统为惯导/里程计导航系统。
所述动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿系统，其中，所述相机标定模块具体包括：
立体像对获取单元，用于双目立体相机对已建立的三维相机标定场进行拍照，获取多对观测位置各不相同的立体像对；
双目立体相机标定单元，用于获取每一立体像对的像点坐标，根据立体像对的像点坐标及与像点坐标相对应控制点的三维坐标进行标定，并根据光束法平差算法获取双目立体相机中每一相机内参数、畸变系数及左右相机的相对位置姿态参数。
所述动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿系统，其中，所述视准角标定模块中通过同一时刻双目立体相机的位置和姿态与GNSS/INS导航系统得到的位置和姿态进行比对，标定双目立体相机坐标系到惯导载体坐标系转换关系；其中GNSS/INS导航系统为全球卫星导航系统/惯导组合导航系统。
所述动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿系统，其中，所述双目视觉定位定姿模块具体包括：
控制点获取单元，用于通过双目立体相机获取轨道上预先设置的多个控制点的CPIII坐标；
像点坐标获取单元，用于获取每一控制点上标靶的像点坐标；
定位定姿单元，用于将标靶的像点坐标与对应的控制点的CPIII坐标进行立体后交，得到双目立体相机的位置和姿态，及与双目立体相机的位置和姿态相对应的精度。
所述动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿系统，其中，所述双目视觉辅助INS/OD定位定姿模块具体包括：
滤波单元，用于通过卡尔曼松组合滤波，将双目立体相机的位置和姿态作为带权观测值输入INS/OD导航系统，得到INS/OD导航系统的位置和姿态；
平滑单元，用于对INS/OD导航系统的位置和姿态进行反向平滑处理及内插，得到轨道检测平台的位置和姿态。
本发明所述的动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿方法及系统，方法包括：对双目立体相机的左右相机的相对空间位置姿态进行标定；对双目立体相机与激光惯导之间的相对位置姿态参数进行标定；根据双目立体相机对CPIII控制点进行拍照获取多张控制点图片，并根据立体后交得到双目立体相机的位置和姿态；将双目立体相机的位置和姿态作为带权观测值输入INS/OD导航系统，并进行滤波、平滑及内插处理，得到轨道检测平台的位置和姿态。本发明通过视觉的方法将轨道线路高精度控制网数据与惯导/里程计（INS/OD）数据与融合，采用联合解算方法，实现动态轨道检测平台的连续的、高精度的定位定姿。可广泛用于高铁、地铁的轨道检测、移动道路测量等应用。
附图说明
图1为本发明所述动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿方法较佳实施例的流程图。
图2为本发明所述动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿系统较佳实施例的结构框图。
具体实施方式
本发明提供一种动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿方法及系统。为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参考图1，其为本发明所述动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿方法较佳实施例的流程图。如图1所示，所述动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿方法包括如下步骤：
步骤S100、对双目立体相机的左右相机的相对空间位置姿态进行标定；
步骤S200、对双目立体相机与激光惯导之间的相对位置姿态参数进行标定；
步骤S300、根据双目立体相机对CPIII控制点进行拍照获取多张控制点图片，并根据立体后交得到双目立体相机的位置和姿态；
步骤S400、将双目立体相机的位置和姿态作为带权观测值输入INS/OD导航系统，并进行滤波、平滑及内插处理，得到轨道检测平台的位置和姿态；其中，所述INS/OD导航系统为惯导/里程计导航系统。
本发明的实施例中，包括硬件标定和定位定姿数据处理两部分。其中步骤S100和步骤S200中进行硬件标定，步骤S300和步骤S400中进行定位定姿数据处理。硬件标定指轨道检测平台上激光惯导、里程计和双目立体相机实现时间同步后，对双目立体相机中两个相机相对空间位置、立体相机和激光惯导之间的相对关系（杆臂值和安置角）进行标定。通过硬件标定，实现双目立体相机与激光惯导的空间同步。
轨道检测平台在采集数据时，在轨道沿线每隔一定距离布设CPIII控制点的标志，利用双目立体相机进行观测，并自动提取立体像对中CPIII控制点的像点坐标，利用像点坐标反算双目立体相机的位置和姿态。利用双目立体相机得到的位置、姿态辅助INS/OD进行高精度定位定姿，最后通过内插得到轨道检测平台任意时刻的位置姿态。
所述动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿方法，其中，所述步骤S100具体包括：
步骤S101、双目立体相机对已建立的三维相机标定场进行拍照，获取多对观测位置各不相同的立体像对；
步骤S102、获取每一立体像对的像点坐标，根据立体像对的像点坐标及与像点坐标相对应控制点的三维坐标进行标定，并根据光束法平差算法获取双目立体相机中每一相机内参数、畸变系数及左右相机的相对位置姿态参数。
所述动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿方法，其中，所述步骤S200中通过同一时刻双目立体相机的位置和姿态与GNSS/INS导航系统得到的位置和姿态进行比对，标定双目立体相机坐标系到惯导载体坐标系转换关系；其中GNSS/INS导航系统为全球卫星导航系统/惯导组合导航系统。
所述动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿方法，其中，所述步骤S300具体包括：
步骤S301、通过双目立体相机获取轨道上预先设置的多个控制点的CPIII坐标；
步骤S302、获取每一控制点上标靶的像点坐标；
步骤S303、将标靶的像点坐标与对应的控制点的CPIII坐标进行立体后交，得到双目立体相机的位置和姿态，及与双目立体相机的位置和姿态相对应的精度。
在步骤S301中，利用双目立体相机将控制点的CPIII坐标传递到轨道检测平台上，是为了在保证可靠性的情况下，尽量减少控制点的数量，最少要求2个控制点。但是当控制点数目足够多时，即大于3个时，也可以利用单目相机将控制点传递到检测平台上，但是可靠性和精度不如双目立体相机。
所述动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿方法，其中，所述步骤S400具体包括：
步骤S401、通过卡尔曼松组合滤波，将双目立体相机的位置和姿态作为带权观测值输入INS/OD导航系统，得到INS/OD导航系统的位置和姿态；
步骤S402、对INS/OD导航系统的位置和姿态进行反向平滑处理及内插，得到轨道检测平台的位置和姿态。
在步骤S401中，通过闭环反馈，不断修正到INS/OD导航系统的误差。且在步骤S402中，利用RTS反向平滑算法（即Rauch Tung-Striebel反向平滑算法）对INS/OD导航系统的位置和姿态的滤波结果进行平滑处理，得到最优导航结果。
本发明中通过双目立体相机对铁路隧道沿线布置的已知的CPIII控制点进行摄影的方式，经过摄影测量后方交汇计算，得到轨道检测平台的绝对三维位置和姿态。
再对获得的轨道检测平台的绝对三维位置和姿态作为带权观测值与检测平台搭载的INS/OD（惯性测量单元/里程计）系统进行组合导航，纠正INS/OD累积误差，实现轨道检测平台的高精度定位定姿。
可见，传统的轨道检测小车通过全站仪和CPIII控制点进行定位定姿，具有高精度、操作简易、携带方便等特点，被广大高速铁路工程施工、设计监理单位使用，但轨检小车作业效率低，一个天窗时间只能检测不到5km，无法满足城市轨道长线路、快速检测的需求。本发明通过移动检测平台搭载INS、CCD相机、激光惯导、线结构光扫描仪与车轮编码器等多传感器，实现高动态、高精度测量，提高检测的效率。
而且综合检测车一般利用INS与GNSS组成的POS系统进行导航，但是在城市轨道交通的隧道环境下，无法接收到GNSS信号，单独依靠INS进行定姿定位的误差会随着时间的推移而快速积累直至发散。本发明通过双目立体相机对铁路沿线CPIII控制点进行拍照，反推检测平台的绝对位置和姿态，取代传统GNSS/INS组合导航系统的GNSS定位，实现隧道环境下的轨道平台的高精度定位定姿。
基于上述方法实施例，本发明还提供了一种动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿系统。如图2所示，本发明所述动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿系统，包括：
相机标定模块100，用于对双目立体相机的左右相机的相对空间位置姿态进行标定；
视准角标定模块200，用于对双目立体相机与激光惯导之间的相对位置姿态参数进行标定；
双目视觉定位定姿模块300，用于根据双目立体相机对CPIII控制点进行拍照获取多张控制点图片，并根据立体后交得到双目立体相机的位置和姿态；
双目视觉辅助INS/OD定位定姿模块400，用于将双目立体相机的位置和姿态作为带权观测值输入INS/OD导航系统，并进行滤波、平滑及内插处理，得到轨道检测平台的位置和姿态；其中，所述INS/OD导航系统为惯导/里程计导航系统。
进一步的，在所述动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿系统中，所述相机标定模块具体包括：
立体像对获取单元，用于双目立体相机对已建立的三维相机标定场进行拍照，获取多对观测位置各不相同的立体像对；
双目立体相机标定单元，用于获取每一立体像对的像点坐标，根据立体像对的像点坐标及与像点坐标相对应控制点的三维坐标进行标定，并根据光束法平差算法获取双目立体相机中每一相机内参数、畸变系数及左右相机的相对位置姿态参数。
进一步的，在所述动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿系统中，所述视准角标定模块中通过同一时刻双目立体相机的位置和姿态与GNSS/INS导航系统得到的位置和姿态进行比对，标定双目立体相机坐标系到惯导载体坐标系转换关系；其中GNSS/INS导航系统为全球卫星导航系统/惯导组合导航系统。
进一步的，在所述动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿系统中，所述双目视觉定位定姿模块具体包括：
控制点获取单元，用于通过双目立体相机获取轨道上预先设置的多个控制点的CPIII坐标；
像点坐标获取单元，用于获取每一控制点上标靶的像点坐标；
定位定姿单元，用于将标靶的像点坐标与对应的控制点的CPIII坐标进行立体后交，得到双目立体相机的位置和姿态，及与双目立体相机的位置和姿态相对应的精度。
进一步的，在所述动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿系统中，所述双目视觉辅助INS/OD定位定姿模块具体包括：
滤波单元，用于通过卡尔曼松组合滤波，将双目立体相机的位置和姿态作为带权观测值输入INS/OD导航系统，得到INS/OD导航系统的位置和姿态；
平滑单元，用于对INS/OD导航系统的位置和姿态进行反向平滑处理及内插，得到轨道检测平台的位置和姿态。
综上所述，本发明所述的动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿方法及系统，方法包括：对双目立体相机的左右相机的相对空间位置姿态进行标定；对双目立体相机与激光惯导之间的相对位置姿态参数进行标定；根据双目立体相机对CPIII控制点进行拍照获取多张控制点图片，并根据立体后交得到双目立体相机的位置和姿态；将双目立体相机的位置和姿态作为带权观测值输入INS/OD导航系统，并进行滤波、平滑及内插处理，得到轨道检测平台的位置和姿态。本发明通过视觉的方法将轨道线路高精度控制网数据与激光惯导/里程计数据与融合，采用联合解算方法，实现动态轨道检测平台的连续的、高精度的定位定姿，可广泛用于高铁、地铁的轨道检测、移动道路测量等应用。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及本发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
A、对双目立体相机的左右相机的相对空间位置姿态进行标定；
B、对双目立体相机与激光惯导之间的相对位置姿态参数进行标定；
C、根据双目立体相机对CPIII控制点进行拍照获取多张控制点图片，并根据立体后交得到双目立体相机的位置和姿态；
D、将双目立体相机的位置和姿态作为带权观测值输入INS/OD导航系统，并进行滤波、平滑及内插处理，得到轨道检测平台的位置和姿态；其中，所述INS/OD导航系统为惯导/里程计导航系统；
所述步骤C具体包括：
C1、通过双目立体相机获取轨道上预先设置的多个控制点的CPIII坐标；
C2、获取每一控制点上标靶的像点坐标；
C3、将标靶的像点坐标与对应的控制点的CPIII坐标进行立体后交，得到双目立体相机的位置和姿态，及与双目立体相机的位置和姿态相对应的精度。
2.根据权利要求1所述动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：
A1、双目立体相机对已建立的三维相机标定场进行拍照，获取多个观测位置各不相同的立体像对；
A2、获取每一立体像对的像点坐标，根据立体像对的像点坐标及与像点坐标相对应控制点的三维坐标进行标定，并根据光束法平差算法获取双目立体相机中每一相机内参数、畸变系数及左右相机的相对位置姿态参数。
3.根据权利要求1所述动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿方法，其特征在于，所述步骤B中通过同一时刻双目立体相机的位置和姿态与GNSS/INS导航系统得到的位置和姿态进行比对，标定双目立体相机坐标系到惯导载体坐标系转换关系；其中GNSS/INS导航系统为全球卫星导航系统/惯导组合导航系统。
4.根据权利要求1所述动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿方法，其特征在于，所述步骤D具体包括：
D1、通过卡尔曼松组合滤波，将双目立体相机的位置和姿态作为带权观测值输入INS/OD导航系统，得到INS/OD导航系统的位置和姿态；
D2、对INS/OD导航系统的位置和姿态进行反向平滑处理及内插，得到轨道检测平台的位置和姿态。
5.一种动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿系统，其特征在于，包括：
相机标定模块，用于对双目立体相机的左右相机的相对空间位置姿态进行标定；
视准角标定模块，用于对双目立体相机与惯导之间的相对位置姿态参数进行标定；
双目视觉定位定姿模块，用于根据双目立体相机对CPIII控制点进行拍照获取多张控制点图片，并根据立体后交得到双目立体相机的位置和姿态；
双目视觉辅助INS/OD定位定姿模块，用于将双目立体相机的位置和姿态作为带权观测值输入INS/OD导航系统进行滤波、平滑及内插处理，得到轨道检测平台的位置和姿态；其中，所述INS/OD导航系统为惯导/里程计导航系统；
所述双目视觉定位定姿模块具体包括：
控制点获取单元，用于通过双目立体相机获取轨道上预先设置的多个控制点的CPIII坐标；
像点坐标获取单元，用于获取每一控制点上标靶的像点坐标；
定位定姿单元，用于将标靶的像点坐标与对应的控制点的CPIII坐标进行立体后交，得到双目立体相机的位置和姿态，及与双目立体相机的位置和姿态相对应的精度。
6.根据权利要求5所述动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿系统，其特征在于，所述相机标定模块具体包括：
立体像对获取单元，用于双目立体相机对已建立的三维相机标定场进行拍照，获取多个观测位置各不相同的立体像对；
双目立体相机标定单元，用于获取每一立体像对的像点坐标，根据立体像对的像点坐标及与像点坐标相对应控制点的三维坐标进行标定，并根据光束法平差算法获取双目立体相机中每一相机内参数、畸变系数及左右相机的相对位置姿态参数。
7.根据权利要求5所述动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿系统，其特征在于，所述视准角标定模块中通过同一时刻双目立体相机的位置和姿态与GNSS/INS导航系统得到的位置和姿态进行比对，标定双目立体相机坐标系到惯导载体坐标系转换关系；其中GNSS/INS导航系统为全球卫星导航系统/惯导组合导航系统。
8.根据权利要求5所述动态环境下轨道检测平台的三维定位定姿系统，其特征在于，所述双目视觉辅助INS/OD定位定姿模块具体包括：
滤波单元，用于通过卡尔曼松组合滤波，将双目立体相机的位置和姿态作为带权观测值输入INS/OD导航系统，得到INS/OD导航系统的位置和姿态；
平滑单元，用于对INS/OD导航系统的位置和姿态进行反向平滑处理及内插，得到轨道检测平台的位置和姿态。
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