CN105807286B - 用于隧道内的高精度自校准激光跟踪测量系统的使用方法 - Google Patents

用于隧道内的高精度自校准激光跟踪测量系统的使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于隧道内的高精度自校准激光跟踪测量系统的使用方法，步骤为：1.在隧道的进出口及其内部布设激光跟踪仪；2.激光跟踪仪进行自组网；3.根据绝对坐标，组网解算三维坐标；4.在移动目标接近隧道时，将自身POS系统采集的位置和姿态信息，通过广播方式发送至隧道内激光跟踪仪；5.隧道内第一台激光跟踪仪根据移动目标位置和姿态信息，第一次照准移动目标；6.通过解算移动目标速度和姿态，调节伺服马达实时跟踪解算移动目标的三维空间位置；7.当移动目标行驶至第二台激光跟踪仪跟踪范围内时，第一台设备停止工作，第二台设备接替跟踪工作。本发明解决了POS系统在封闭空间内定位精度差、位置随时间漂移严重的难题。

Description

用于隧道内的高精度自校准激光跟踪测量系统的使用方法
技术领域
本发明涉及一种激光跟踪测量系统的使用方法，具体说是一种用于隧道等封闭空间内对移动目标体进行厘米级空间定位的高精度自校准激光跟踪测量系统的使用方法。
背景技术
车载移动测量技术是近年来出现的新技术，在国内外均引起了广泛的关注。其具有内容丰富、精度高、作业速度快、操作简单的特点，逐渐成为城市管理、交通、公共安全、应急、灾害、大比例尺制图、三维建模等基础数据建设中一种快速高效的数据采集解决方案。然而，其配置的可提供高精度、高频率定位定姿的POS系统在城市天桥、隧道、高层建筑等遮挡严重的区域，GPS很容易发生失锁，而惯导IMU的定位精度随着时间的推移，呈“指数”式降低，其在30s内的定位精度也仅能达到分米级。所以，一旦发生GPS失锁，其对于采集数据精度要求很高的测绘领域来说是致命的。
目前尚未发现有相关的技术可以解决车载移动测量车在隧道、天桥、城市高层建筑密集区等封闭或半封闭区域GPS长时间失锁带来的精度严重损失问题。本发明旨在发明一种在隧道内代替GPS进行厘米级空间定位的激光跟踪测量系统，其不受隧道长度影响，具有自校准、高精度、操作简单等特点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：
(1).解决车载移动测量车在隧道、天桥、城市高层建筑密集区等封闭或半封闭区域GPS长时间失锁带来的精度严重损失问题；
(2).解决激光跟踪仪之间自动组网、自动解算的问题；
(3).解决激光跟踪仪对移动目标体进行连续跟踪的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是提出一种用于隧道内的高精度自校准激光跟踪测量系统的使用方法，其关键步骤为：
1.激光跟踪仪自组网
激光跟踪仪同时具有发射端和接收端两个角色，设备间相互照准，建立对向基线，组成基线网，而为了实现激光跟踪仪自主寻找目标，即自动组网的目标，本发明采用对移动目标体自身GPRS提供的空间概略位置区域建立厘米级空间网格，进行精细化扫描，并借助于环形校准目标体增强信号辅助装置，实现对照准目标的精确识别，具体为：
(1).发射端(被照准目标)将自身GPRS定位模块采集的米级概略位置发送给接收端；
(2).接收端根据发射端的空间概略位置，建立厘米级空间网格；
(3).在此空间网格中，激光跟踪仪进行精细化扫描；
(4).通过配置在照准目标上横、纵垂直布设的高反射率的激光反射条，实现对照准中心进行精确识别；
2.激光跟踪仪三维空间位置自解算
激光跟踪仪在完成自动组网，并采集了设备间对向基线信息后，通过附有限制条件的基线网平差，求解出每个设备的三维空间坐标，具体为：
(1).激光跟踪仪在布设时，在隧道进、出口的已知点位置分别布设了两台设备，设备间采集的地理坐标和基线信息作为整个基线网的空间基准；
(2).根据步骤(1)中四个已知点采集的数据，按附有限制条件的基线网平差，进行基线网解算，求出每个设备的三维空间坐标，解算模型为：
由式(1)、(2)得
式中，W＝BTPl；
其中，V为观测值误差的平差值，B为列满秩系数矩阵，为未知量真值，l为观测值与近似值之差，C为行满秩系数矩阵，P为权系数阵，Wx为条件方程的近似值。
3.激光跟踪仪对移动目标体的连续跟踪
激光跟踪仪组网解算完毕后，即完成了自校准的功能，开始对移动目标体进行连续跟踪，具体方法为：
(1).移动目标体进入第一台设备的跟踪范围后，将自身POS系统采集的位置信息、车速信息、姿态信息通过广播的形式发送至激光跟踪仪；
(2).激光跟踪仪根据接收到的移动目标的状态信息，使用卡尔曼滤波算法，预测3s内移动目标体的运动轨迹，模型为：
s(k)＝As(k-1)+w(k-1)
z(k)＝Gs(k)+v(k)
式中，s(k)为状态变量，s(k)＝[x(k)y(k)z(k)vx(k)vy(k)vz(k)δx(k)δy(k)δz(k)]T；
A为状态转移矩阵，Δ为时间间隔；
w(k)为过程噪声序列，v(k)为观测噪声序列；
G为观测矩阵；Z(k)为测量值的预测；
(3).第一台设备完成对移动目标体初次定位，并逐渐进入跟踪稳定状态后，关闭移动目标自身GPS功能，由第一台激光跟踪仪提供其连续的空间位置；
(4).移动目标体驶入第一台激光跟踪仪和第二台激光跟踪仪交接区初段时，定位方式从直接定位切换成三角定位，由两台激光跟踪仪同时对移动目标体进行跟踪，此时，若存在定位信息冲突，以前一台设备的跟踪数据为准；
(5).移动目标体进入交接区中段时，定位方式选择三角定位，两台设备同时对移动目标体进行跟踪，第二台设备跟踪状态逐渐进入稳定期；
(6).移动目标体进入交接区末段时，定位方式依然选择三角定位，同时做好切换成直接定位的准备，两台设备同样一起对移动目标进行跟踪，此时，若存在定位信息冲突，以后一台设备的跟踪数据为准；
(7).重复步骤(4)-(6)，直至完成整个隧道的跟踪定位工作。
附图说明
图1为激光跟踪仪组网、跟踪示意图；
图2为激光跟踪仪组网、校准、定位、跟踪流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参见附图1-2所示，本实施例的用于隧道内的高精度自校准激光跟踪测量系统的使用方法，其步骤为：
1.在隧道的进、出口及其内部按“之”字形布设若干激光跟踪仪，设备间至少保证两两通视，以使得各设备的跟踪区相互重叠，形成一定的交接区域，其中，在隧道的进、出口的四个已知点布设基准设备，作为整个激光跟踪系统的坐标起算数据；激光跟踪仪是配置在可360全自由度旋转的激光测量系统中，其用于在激光器照准目标中心时测量自身的姿态和相对距离；激光跟踪仪在自组网时同时具有发射端和接收端。
2.激光跟踪仪布设完毕后，开始进行自动组网，激光跟踪仪发射端通过自身通信模块的定位功能向相邻设备发射自身概略位置信号，具体要求为：
(1).激光跟踪仪之间按“之”字形布网，且需要在隧道进、出口的已知点位置分别布设两台设备；
(2).一般情况下，需保证3台以上设备的相互通视，困难区域，可放宽至两两通视；
(3).自组网开始后，设备间相互照准，采集基线信息，组成基线网；
(4).根据布设在进、出口位置的四个已知点，按附有限制条件的基线网平差，进行基线网解算，求出每个设备的三维空间坐标，具体为：
由式(1)、(2)得
式中，W＝BTPl；
其中，V为观测值误差的平差值，B为列满秩系数矩阵，为未知量真值，l为观测值与近似值之差，C为行满秩系数矩阵，P为权系数阵，Wx为条件方程的近似值；
(5).一对通视的激光跟踪仪相互照准完毕后，采集对向基线信息；
(6).将采集的基线信息组成基线网，即完成了系统自动组网。
3.接收端接收到附近设备的概略位置后，在此目标区域内建立厘米级空间格网。
4.建立空间格网后，激光跟踪仪接收端设备开始进行网格化精细化扫描，并配合横、纵配置的环形校准目标体增强信号辅助装置，实现精确照准目标中心的识别；环形校准目标体增强信号辅助装置为一种反射率大于99％的激光反射条，所述激光反射条横、纵垂直配置在照准目标的横、纵中心线上。
5.若在发射端概略位置区域搜索不到目标，则进行全区域搜索，直至找到目标为止。
6.照准目标中心后，采集发射端和接收端的基线信息。
7.重复步骤2-5，完成自组网。
8.自组网完成后，通过采集的基线信息，解算各激光跟踪仪的空间三维坐标，同时，计算出各激光跟踪仪水平度盘0方向的坐标方位角。
9.移动目标体接近隧道入口时，将自身POS系统采集的位置信息、车速信息、姿态信息通过广播的形式发送至隧道内的激光跟踪仪。
10.隧道内第一台激光跟踪仪接收到移动目标体的位置和姿态信息后，根据目标体和自身的相对位置、目标体的速度和姿态信息，预测目标体的3s内运动轨迹；预测移动目标体的运动轨迹，具体方法为:
(1).移动目标体进入第一台设备的跟踪范围后，将自身POS系统采集的位置信息、车速信息、姿态信息通过广播的形式发送至激光跟踪仪；
(2).激光跟踪仪根据接收到的移动目标体的状态信息，使用卡尔曼滤波算法，预测3s内目标体的运动轨迹，方法为：
s(k)＝As(k-1)+w(k-1)
z(k)＝Gs(k)+v(k)
式中，s(k)为状态变量，s(k)＝[x(k)y(k)z(k)vx(k)vy(k)vz(k)δx(k)δy(k)δz(k)]T；
A为状态转移矩阵，Δ为时间间隔；
w(k)为过程噪声序列，v(k)为观测噪声序列；
G为观测矩阵；Z(k)为测量值的预测。
11.根据预测目标体的运动轨迹提供的概略位置，驱动伺服马达对目标体进行精确跟踪测量；伺服马达对目标体进行精确跟踪测量，具体方法为:
根据移动目标体的移动速度和卡尔曼滤波预测的运动轨迹，调节伺服马达，使激光跟踪仪可以一直瞄准目标中心，实时测出激光器中心到目标中心的距离S；水平方向是通过激光跟踪仪的水平度盘刻度β和度盘0方向方位角计算所得，垂直方向γ则是通过激光跟踪仪垂直度盘直接读取；
根据以上获取的测量数据，目标体瞬时位置的计算方法为：
因为激光跟踪仪和目标在工作中都处于移动状态，考虑到脉冲激光的测量原理，其发射时间和接收时间是已知的，一个脉冲的时间间隔设为Δt，而测量的距离S是激光到达目标中心时的距离，采用记录接收激光脉冲时刻的激光器方向，然后对测量的距离S进行改正，具体方法为：
其中，δ为激光到达目标中心时至激光器接收到激光脉冲这段时间，伺服马达转过的空间角度；(X、Y、Z)为目标中心的坐标，(X0、Y0、Z0)为激光器中心的坐标，v为光速。
12.关闭移动目标体POS系统中的GPS功能，由激光跟踪仪接替GPS的工作，实时向移动目标体提供厘米级三维空间位置。
13.移动目标运动至交接区时，第二台激光跟踪仪开始工作，定位功能开始交接，交接完毕后，第一台设备自动关闭；移动目标体进入交替区后的定位交接工作，具体方法为:
(1).移动目标体进入交接区初段，定位方式从直接定位切换成三角定位，由两台激光跟踪仪同时对移动目标体进行跟踪，此时，若存在定位信息冲突，以前一台设备的跟踪数据为准；
(2).移动目标体进入交接区中段时，定位方式选择三角定位，两台设备同时对移动目标体进行跟踪，第二台设备跟踪状态逐渐进入稳定期；
(3).移动目标体进入交接区末段时，定位方式依然选择三角定位，同时做好切换成直接定位的准备，两台设备同样一起对移动目标体进行跟踪，此时，若存在定位信息冲突，以后一台设备的跟踪数据为准。
14.重复步骤13，直至移动目标离开隧道。
15.最后一台激光跟踪仪自动关闭，GPS启动并接替激光跟踪仪的定位工作，至此，完成了移动目标在整个隧道内部的轨迹跟踪工作。
以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.用于隧道内的高精度自校准激光跟踪测量系统的使用方法，其特征在于：其步骤为：
(1).在隧道的进、出口及其内部按“之”字形布设若干激光跟踪仪，设备间至少保证两两通视，以使得各设备的跟踪区相互重叠，形成一定的交接区域；
(2).激光跟踪仪布设完毕后，开始自组网，激光跟踪仪发射端通过自身通信模块的定位功能向相邻设备发射自身概略位置信号；
(3).接收端接收到附近设备的概略位置后，在此目标区域内建立厘米级空间格网；
(4).建立空间格网后，接收端设备开始进行网格化扫描，并配合横、纵配置的环形校准目标体增强信号辅助装置，精确照准目标中心；
(5).若在发射端概略位置区域搜索不到目标，则进行全区域搜索，直至找到目标为止；
(6).照准目标中心后，采集发射端和接收端的基线信息；
(7).重复步骤(2)-(5)，完成自组网；
(8).自组网完成后，通过采集的基线信息，解算各激光跟踪仪的空间三维坐标，同时，计算出各激光跟踪仪水平度盘0方向的坐标方位角；
(9).移动目标体接近隧道入口时，将自身POS系统采集的位置信息、车速信息、姿态信息通过广播的形式发送至隧道内的激光跟踪仪；
(10).隧道内第一台激光跟踪仪接收到移动目标体的位置和姿态信息后，根据目标体和自身的相对位置、目标体的速度和姿态信息，预测目标体的3s内运动轨迹；
(11).根据预测目标体的运动轨迹提供的概略位置，驱动伺服马达对目标体进行精确跟踪测量；
(12).关闭移动目标体POS系统中的GPS功能，由激光跟踪仪接替GPS的工作，实时向移动目标体提供厘米级三维空间位置；
(13).移动目标运动至交接区时，第二台激光跟踪仪开始工作，定位功能开始交接，交接完毕后，第一台设备自动关闭；
(14).重复步骤(13)，直至移动目标离开隧道；
(15).最后一台激光跟踪仪自动关闭，GPS启动并接替激光跟踪仪的定位工作，至此，完成了移动目标在整个隧道内部的轨迹跟踪工作。
2.根据权利要求1所述的用于隧道内的高精度自校准激光跟踪测量系统的使用方法，其特征在于：所述步骤(1)中的激光跟踪仪是配置在可360全自由度旋转的激光测量系统中，其用于在激光器照准目标中心时测量自身的姿态和相对距离；激光跟踪仪在自组网时同时具有发射端和接收端。
3.根据权利要求1所述的用于隧道内的高精度自校准激光跟踪测量系统的使用方法，其特征在于：所述步骤(2)中的激光跟踪仪自组网，具体要求为:
(1).激光跟踪仪之间按“之”字形布网，且需要在隧道进、出口的已知点位置分别布设两台设备；
(2).一般情况下，需保证3台以上设备的相互通视，困难区域，可放宽至两两通视；
(3).自组网开始后，设备间相互照准，采集基线信息，组成基线网；
(4).根据布设在进、出口位置的四个已知点，按附有限制条件的基线网平差，进行基线网解算，求出每个设备的三维空间坐标，具体为：
由式(1)、(2)得
式中，W＝BTPl；
其中：V为观测值误差的平差值，B为列满秩系数矩阵，为未知量真值，l为观测值与近似值之差，C为行满秩系数矩阵，P为权系数阵，Wx为条件方程的近似值。
4.根据权利要求1所述的用于隧道内的高精度自校准激光跟踪测量系统的使用方法，其特征在于：所述步骤(4)的环形校准目标体增强信号辅助装置为一种反射率大于99％的激光反射条，所述激光反射条横、纵垂直配置在照准目标的横、纵中心线上。
5.根据权利要求1所述的用于隧道内的高精度自校准激光跟踪测量系统的使用方法，其特征在于：所述步骤(10)中的预测移动目标体的运动轨迹，具体方法为:
(1).移动目标体进入第一台设备的跟踪范围后，将自身POS系统采集的位置信息、车速信息、姿态信息通过广播的形式发送至激光跟踪仪；
(2).激光跟踪仪根据接收到的移动目标体的状态信息，使用卡尔曼滤波算法，预测3s内目标体的运动轨迹，方法为：
s(k)＝As(k-1)+w(k-1)
z(k)＝Gs(k)+v(k)
式中，s(k)为状态变量，s(k)＝[x(k)y(k)z(k)vx(k)vy(k)vz(k)δx(k)δy(k)δz(k)]T；
A为状态转移矩阵，Δ为时间间隔；
w(k)为过程噪声序列，v(k)为观测噪声序列；
G为观测矩阵；Z(k)为测量值的预测。
6.根据权利要求5所述的用于隧道内的高精度自校准激光跟踪测量系统的使用方法，其特征在于：所述步骤(11)中的伺服马达对目标体进行精确跟踪测量，具体方法为:
根据移动目标体的移动速度和卡尔曼滤波预测的运动轨迹，调节伺服马达，使激光跟踪仪可以一直瞄准目标中心，实时测出激光器中心到目标中心的距离S；水平方向是通过激光跟踪仪的水平度盘刻度β和度盘0方向方位角计算所得，垂直方向γ则是通过激光跟踪仪垂直度盘直接读取；
根据以上获取的测量数据，目标体瞬时位置的计算方法为：
其中，(X、Y、Z)为目标中心的坐标，(X0、Y0、Z0)为激光器中心的坐标；
因为激光跟踪仪和目标在工作中都处于移动状态，考虑到脉冲激光的测量原理，其发射时间和接收时间是已知的，一个脉冲的时间间隔设为Δt，而测量的距离S是激光到达目标中心时的距离，采用记录接收激光脉冲时刻的激光器方向，然后对测量的距离S进行改正，具体方法为：
其中，δ为激光到达目标中心时至激光器接收到激光脉冲这段时间，伺服马达转过的空间角度；v为光速。
7.根据权利要求1所述的用于隧道内的高精度自校准激光跟踪测量系统的使用方法，其特征在于：所述步骤(13)中的移动目标体进入交替区后的定位交接工作，具体方法为:
(1).移动目标体进入交接区初段，定位方式从直接定位切换成三角定位，由两台激光跟踪仪同时对移动目标体进行跟踪，此时，若存在定位信息冲突，以前一台设备的跟踪数据为准；
(2).移动目标体进入交接区中段时，定位方式选择三角定位，两台设备同时对移动目标体进行跟踪，第二台设备跟踪状态逐渐进入稳定期；
(3).移动目标体进入交接区末段时，定位方式依然选择三角定位，同时做好切换成直接定位的准备，两台设备同样一起对移动目标体进行跟踪，此时，若存在定位信息冲突，以后一台设备的跟踪数据为准。
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