CN107063597B - 基于pos系统的桥梁检测方法 - Google Patents

基于pos系统的桥梁检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明的基于POS系统的桥梁检测方法，首先依据桥梁线形检测要求，在测量载体上安装POS系统，建立桥轴坐标系和测量坐标系，然后参考待测桥梁的车道数及线形结构，规划测量路径并设计测量速度，随后依据测量载体在导航坐标系中的姿态角和位置，在测量坐标系上获取基于POS系统的检测离散线形，接着对所述检测离散线形进行误差分析和预处理，得到预处理离散线形，最后将所述预处理离散线形经过转换公式转换到桥轴坐标系中，得到反映桥梁真实结构的POS检测线形图，该桥梁检测方法能够快速、准确地测量出桥梁的形变位置和形变量，测量精度达到毫米量级，能够实现桥梁结构线形的高精度检测。

Description

基于POS系统的桥梁检测方法
技术领域
本发明涉及桥梁检测技术领域，尤其涉及一种基于POS系统的桥梁检测方法。
背景技术
桥梁检测的主要目的是对桥梁的使用性能以及安全状态进行评定。在桥梁检测领域，一直将桥梁的结构线形作为评定桥梁的整体结构性能以及分析其受力情况的一个重要指标。为了便于对桥梁线形的变化进行系统有效的检测，所有的桥梁在建成初期都要对其初始的结构线形进行精确测量，之后采取定期或不定期的方式对桥梁结构线形进行系统的检测，再对比不同时期的结构线形图，分析其变化的规律。
传统的桥梁结构线形检测方法均采用在桥梁上布设一定数量的离散测量点的静态测量方式，通过架设各种工程测量仪器对离散点位的高程数据进行采集，如经纬仪、水准仪、全站仪等工程测量仪器，最后拟合得到桥梁的结构线形曲线，通过对不同时期的数据进行采集，就可以得到各时期的桥梁结构线形图。该方法测量精度较高，但是需要设定永久基准点，架设仪器、确定测量点等，测量流程十分繁杂，测量方法工作周期长，耗时费力，且测试条件十分苛刻，需在封桥的条件下才能得到较高精度的测量结果，无法满足数量庞大的中小型桥梁结构安全检测的应用需求。
最新出现的GNSS测量方法虽然可以实现快速的结构线形测量，但是测量精度依赖于卫星导航信号无遮挡的情况，且易受拉索及桥塔的干扰。
动态测量方式捷联惯导技术，通过内部的陀螺仪和加速度计采集装置对运动参数进行采集，通过积分推算得到运载体的运动轨迹，然而由于运动轨迹的推算过程中，采用的是积分推算方式，将导致轨迹推算过程中微小的偏差到最后越来越大，呈发散趋势。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于POS系统的桥梁检测方法，旨在快速、准确地测量桥梁结构形变位置与形变量，实现桥梁结构的高精度检测。
为实现上述目的，本发明提出一种基于POS系统的桥梁检测方法，该桥梁检测方法包括以下步骤：
依据桥梁线形检测要求，在测量载体上安装POS系统；
建立桥轴坐标系和测量坐标系；
依据测量载体在导航坐标系中的姿态角和位置，在测量坐标系上获取基于POS系统的检测离散线形；
对所述检测离散线形进行误差分析和预处理，得到预处理离散线形；
将所述预处理离散线形转换到桥轴坐标系中，得到反映桥梁结构的POS检测线形图。
进一步地，所述建立桥轴坐标系和测量坐标系的步骤之后，依据测量载体在导航坐标系中的姿态角和位置，在测量坐标系上获取基于POS系统的检测离散线形的步骤之前，还包括：
参考待测桥梁的车道数及线形结构，规划测量路径并设计测量速度。
进一步地，所述建立桥轴坐标系和测量坐标系的步骤，具体包括：
在待测桥梁的两端，选定已知水平仪测量高程值的两个基准点，作为待测桥梁的起点和终点；
以所述两个基准点之一为原点构建的参考坐标系为桥轴坐标系；
基于所述POS系统获取测量点的导航坐标；
以所述测量点的导航坐标为原点，构建空间直角坐标系，并依据坐标转换公式转换至东北天坐标系，以所述东北天坐标系为测量坐标系。
进一步地，所述对所述检测离散线形进行误差分析和预处理，得到预处理离散线形的步骤，具体包括：
对所述检测离散线形进行低通滤波处理，
对所述检测离散线形进行振动误差处理，消除测量载体与桥梁耦合产生的振动误差；
对经过振动误差处理后的检测离散线形进行非线性拟合，得到所述预处理离散线形。
进一步地，所述对所述检测离散线形进行低通滤波处理的步骤之后，对所述检测离散线形进行振动误差处理，消除测量载体与桥梁耦合产生的振动误差的步骤之前，还包括：
对经过低通滤波处理后的检测离散线形进行中值滤波处理，去除低频范围内的不平整误差。
进一步地，所述POS系统包括GNSS接收机和惯性测量装置IMU；
所述GNSS接收机的静态水平定位精度为5mm±1ppm，静态垂直定位精度为10mm±1ppm，动态水平定位精度为10mm±1ppm，动态垂直定位精度为20mm±2ppm；
所述IMU的具体参数为：陀螺仪零偏稳定性≤0.01/h，陀螺仪零偏重复性≤0.01/h，陀螺仪测量范围±300°/s，加速度计测量范围±20g，加速度计零偏月重复性≤10μg；
所述POS系统的采样频率为200Hz，实时动态方位精度高于0.05°，水平姿态精度高于0.02°。
进一步地，所述测量路径包括直线测量路径和曲线测量路径，所述测量速度为10-20km/h。
进一步地，所述将所述预处理离散线形转换到桥轴坐标系采用的坐标换算公式为其中θ＝arctan((X2-X1)/(Y2-Y1))。
进一步地，所述低通滤波的低通截止频率负相关于桥面等级，所述中值滤波的邻域窗口的数量为30。
本发明的基于POS系统的桥梁检测方法，首先依据桥梁线形检测要求，在测量载体上安装POS系统，建立桥轴坐标系和测量坐标系，然后参考待测桥梁的车道数及线形结构，规划测量路径并设计测量速度，随后依据测量载体在导航坐标系中的姿态角和位置，在测量坐标系上获取基于POS系统的检测离散线形，接着对所述检测离散线形进行误差分析和预处理，得到预处理离散线形，最后将所述预处理离散线形经过转换公式转换到桥轴坐标系中，得到反映桥梁真实结构的POS检测线形图，该桥梁检测方法能够快速、准确地测量出桥梁的形变位置和形变量，测量精度达到毫米量级，能够实现桥梁结构线形的高精度检测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明基于POS系统的桥梁检测方法一实施例的流程图；
图2为图1中步骤S20的具体流程图；
图3为图1中步骤S50的具体流程图；
图4为本发明桥梁检测方法的测量路径一实施例的示意图；
图5为图3中步骤S53中不同路径耦合振动误差曲线；
图6为图3中步骤S53中不同路径耦合振动误差频谱；
图7为图3中步骤S54中最终测量误差曲线。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
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。
本发明提供一种基于POS系统的桥梁检测方法。
参照图1，图1为本发明基于POS系统的桥梁检测方法一实施例的流程图。
在本实施例中，该基于POS系统的桥梁检测方法，包括以下步骤：
S10：依据桥梁线形检测要求，在测量载体上安装POS系统；
在本实施例中，基于POS系统对桥梁进行检测时，第一步要根据桥梁的线形检测要求，准备测量检测车，在所述测量检测车上安装POS(Position Orient System)系统，即GNSS接收机与惯性测量装置IMU组合而成的高精度位置姿态测量系统，在进行桥梁检测时，GNSS接收机一般至少设置两个，一个与所述惯性测量装置IMU组合成高精度的位置姿态测量系统，另一个则设置在待测桥梁附近的绝对平面上。POS系统中，IMU的参数一般会考虑：陀螺仪的特性参数，包括陀螺仪零偏稳定性、陀螺仪零偏重复性、陀螺仪测量范围，加速度计的特性参数，包括加速度计测量范围。加速度计零偏月重复性，GNSS的参数一般考虑静态水平定位精度、静态垂直定位精度、动态水平定位精度、动态垂直定位精度等，POS系统的特性参数还包括数据采样频率。在本实施例中，基于GNSS和IMU的参数选取如下表所示：
表1 IMU相关参数
表2 GNSS相关参数
所述POS系统的采样频率为200Hz，实时动态方位精度高于0.05°，水平姿态精度高于0.02°。
S20：建立桥轴坐标系和测量坐标系；
在本实施例中，在将POS系统安装在作为测量载体的测量小车上后，第二步需要基于该POS系统输出测量点及基准点的导航坐标，然后基于所述测量点和基准点的坐标建立桥轴坐标系和测量坐标系。
S30：参考待测桥梁的车道数及线形结构，规划测量路径并设计测量速度；
在本实施例中，在建立桥轴坐标系和测量坐标系后，第三步需要参考待测桥梁的车道数及桥梁线形结构，选择测量车道、车辆行驶的路线，并考虑待测桥梁的车速限制及车速对测量结果的影响，本实施例以武汉晴川桥为例，参照图4，参考晴川桥为两车道，选择测量车道为第一车道和第二车道，考虑晴川桥设计结构的对称性和测量效率之后，规划测量小车的行驶路线、测量路径、及测量车速v，在本实施例中，规划了四条路径，两条直线测量路径，两条曲线测量路径，晴川桥限速40km/h，考虑到车速越低，测量车与桥梁的耦合振动影响越小，因而在综合考虑测量效率的情况下，将测量车速设计在v＝10-20km/h，优选20km/h。
S40：依据测量载体在导航坐标系中的姿态角和位置，在测量坐标系上获取基于POS系统的检测离散线形；
在本实施例中，在规划好测量路径并设计好测量车速之后，第四步就是启动测量车按照设计好的测量车速在规划好的测量路径上行驶，获取各个测量点的导航坐标，并在采样时段ti内获取POS系统输出测量车，也即ti时间段内测量车经过的测量点在导航坐标系中的姿态角和位置(Bi，Li，Hi，xi，yi)，然后取东北天坐标系中的高程值，与第一个基准点的高程作差，得到基于POS系统的检测离散线形。
S50：对所述检测离散线形进行误差分析和预处理，得到预处理离散线形；
在本实施例中，在得到基于POS系统的检测离散线形后，由于POS系统在测量过程中因为路面的不平整、测量车与待测桥梁的耦合振动而一直处于振动改变状态，所以第五步需要对得到的基于POS系统的检测离散线形数据进行误差分析和预处理，以结合高精度的精密水准仪采样点数据插值，分析待测桥梁路面不平整和测量车与桥梁耦合振动的频域特性等因素，消除路面不平整和车桥耦合振动带来的误差，利用POS系统高精度的高程测量特性完成对待测桥梁的高程测量。
S60：将所述预处理离散线形转换到桥轴坐标系中，得到反映桥梁结构的POS检测线形图。
在本实施例中，在得到经过预处理之后的桥梁离散线形之后，由于POS系统采集的桥梁结构线形数据为东北天坐标系下的桥梁线形，而桥梁的真实结构为桥轴坐标系下的线形，二者位于不同的坐标系中，因而第六步需要将所述预处理离散线形转换到桥轴坐标系中，将两个不同的坐标系进行统一，以得到反映桥梁真实结构的POS检测线形图，其中，将所述预处理离散线形转换到桥轴坐标系中的转换公式为其中，θ＝arctan((X2-X1)/(Y2-Y1))，在转换的过程中保持高程不变，在绘制桥梁结构线形图时只需要将转换后的每个高程数据减掉第一个高程数据，即可得到反映桥梁真实结构的在桥轴坐标系中的POS检测线形图。
本实施例的基于POS系统的桥梁检测方法，首先依据桥梁线形检测要求，在测量载体上安装POS系统，建立桥轴坐标系和测量坐标系，然后参考待测桥梁的车道数及线形结构，规划测量路径并设计测量速度，随后依据测量载体在导航坐标系中的姿态角和位置，在测量坐标系上获取基于POS系统的检测离散线形，接着对所述检测离散线形进行误差分析和预处理，得到预处理离散线形，最后将所述预处理离散线形经过转换公式转换到桥轴坐标系中，得到反映桥梁真实结构的POS检测线形图。该桥梁检测方法利用多种平滑处理方式处理桥梁高程噪声，结合高精度的精密水准仪采样测量点数据插值，通过分析路面不平整和车桥耦合振动频域特性，消除测量误差影响，在保证东北天坐标系稳定的前提下，利用高精度的GNSS的平面坐标信息完成测量坐标系和桥轴坐标系的转换关系，利用POS系统高精度的高层测量特性完成桥梁的高层测量，能够快速、准确的测量桥梁结构形变位置及形变量，测量精度达到毫米量级，能够实现桥梁结构线形的高精度检测。
进一步地，参照图2，基于上述实施例的基于POS系统的桥梁检测方法，步骤S20具体包括：
S21：在待测桥梁的两端，选定已知水平仪测量高程值的两个基准点，作为待测桥梁的起点和终点；
S22：以所述两个基准点之一为原点构建的参考坐标系为桥轴坐标系；
S23：基于所述POS系统获取测量点的导航坐标；
S24：以所述测量点的导航坐标为原点，构建空间直角坐标系，并依据坐标转换公式转换至东北天坐标系，以所述东北天坐标系为测量坐标系。
在本实施例中，桥轴坐标系和测量坐标系的建立需要：在待测桥梁的两端，选定已知水平仪测量高程值的两个基准点，作为待测桥梁的起点和终点，记录所述两个基准点的位置坐标(x1，y1)、(x2，y2)，以晴川桥为例，则两个基准点的位置坐标为(0，0)、(65，1.0656)，以其中一个基准点为原点构建参考坐标系，该参考坐标系即为桥轴坐标系，并同时用GNSS输出两基准点的导航坐标(B，L，X，Y，Z)，其中(B，L)为1984年世界大地坐标系(Word Geodetic System 1984，即WGS-84)中的纬度和经度，(X，Y，Z)为东北天坐标即以测量处为原点的空间直角坐标系中的坐标，标记两基准点的坐标为(X1，Y1)，(X2，Y2)，以晴川桥为例，则两基准点的坐标为(24.7560，-43.5085)、(25.5890，-44.7878)。
测量坐标系的建立，首先需要基于POS(Position Orient System)系统输出测量点的导航坐标，然后以导航坐标中的(X，Y，Z)为原点，构建空间直角坐标系，并依据坐标转换公式转换至东北天坐标系，该东北天坐标系即为测量坐标系。
进一步地，参照图3，基于上述实施例的基于POS系统的桥梁检测方法，步骤S50具体包括：
S51：对所述检测离散线形进行低通滤波处理，
S52：对经过低通滤波处理后的检测离散线形进行中值滤波处理，去除低频范围内的不平整误差；
S53：对所述检测离散线形进行振动误差处理，消除测量载体与桥梁耦合产生的振动误差；
S54：对经过振动误差处理后的检测离散线形进行非线性拟合，得到所述预处理离散线形。
在本实施例中，由于POS系统在测量过程中因为路面的不平整、测量车与待测桥梁的耦合振动而一直处于振动改变状态，所以需要对得到的基于POS系统的检测离散线形数据进行误差分析和预处理，考虑到桥梁路面的不平整性，需要对所述基于POS系统的检测离散线形进行低通滤波处理，以消除路面不平整带来的误差影响，本实施例采用最大平坦幅度特性的巴特沃斯低通滤波对测量的桥梁线形进行滤波，根据路面等级与截止频率的负相关关系设置截止频率，路面等级越高，截止频率越低，以晴川桥为例，晴川桥的路面不平整度等级较高，因而设定低通截止频率为10m-1。
为了进一步去除低频范围内的不平整误差，需要对经过低通滤波处理的检测离散线形数据进行中值滤波，中值滤波本质是一种平均滤波方法，是基于排序统计理论的一种滤波处理技术，能够有效地一直噪声信号，在进行中值滤波处理时需要设置中值滤波的邻域窗口n，n越大，滤波后的结果越平滑，检测离散线形的细节就越少，本实施例设定中值滤波的邻域窗口数量n＝30，在其他实施例中可依据获取到的桥梁线形数据进行更改。
同样地，由于POS系统在测量过程中因为路面的不平整、测量车与待测桥梁的耦合振动而一直处于振动改变状态，造成测量结果受噪声影响较大，因而需要对低通滤波或中值滤波处理后的检测离散线形数据进行振动误差处理，以消除车桥耦合振动误差带来的影响，参照图4，经分析发现虽然测量路径不同，但是各路径下的误差空间随机，如图5所示，在0-70m的区间内，路径2和路径3的误差趋于一致，但是与路径1的误差差别较大，路径误差频谱趋于一致，如图6所示，在0-0.3m-1的空间频率区间内，路径1、路径2和路径3的频谱幅值趋于一致，因而可以将此频谱作为系统的振动误差频谱，进而消除车桥耦合振动误差。
在经过上述步骤的处理之后，需要对振动误差处理后的桥梁检测离散线形做最后的数字优化处理，及对所述桥梁检测离散线形进行非线性拟合，也即，利用最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配，使求得的数据与实际数据之间的误差的平方和最小，进一步消除检测离散线形的误差，得到预处理离散线形，参照图7所示。
本发明的基于POS系统的桥梁检测方法不同于普通桥梁线形测量方法，本发明的测量系统是动态测量系统，经过数据预处理，耦合振动误差处理，坐标换换后达到精度要求，大大提高了桥梁检测的效率，该检测方法简单、灵活、精度高，能够有效地完成桥梁线形高精度的三维标定。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于POS系统的桥梁检测方法，其特征在于，该桥梁检测方法包括：
依据桥梁线形检测要求，在测量载体上安装POS系统；
建立桥轴坐标系和测量坐标系；
参考待测桥梁的车道数及线形结构，规划多条测量路径并设计测量速度；
依据测量载体在导航坐标系中的姿态角和位置，在测量坐标系上获取基于POS系统的检测离散线形；
对所述检测离散线形进行误差分析和预处理，得到预处理离散线形，具体包括：
对所述检测离散线形进行低通滤波处理；
获取不同测量路径下的振动误差频谱，所述振动误差频谱包含误差空间频率与幅值的对应关系，选取同一误差空间频率范围内，各测量路径下的多个对应幅值相接近的一段振动误差频谱，作为系统振动误差频谱；
依据所述系统振动误差频谱对所述检测离散线形进行振动误差处理，消除测量载体与桥梁耦合产生的振动误差；
对经过振动误差处理后的检测离散线形进行非线性拟合，得到所述预处理离散线形；
将所述预处理离散线形转换到桥轴坐标系中，得到反映桥梁结构的POS检测线形图。
2.根据权利要求1所述的基于POS系统的桥梁检测方法，其特征在于，所述建立桥轴坐标系和测量坐标系的步骤，具体包括：
在待测桥梁的两端，选定已知水平仪测量高程值的两个基准点，作为待测桥梁的起点和终点；
以所述两个基准点之一为原点构建的参考坐标系为桥轴坐标系；
基于所述POS系统获取测量点的导航坐标；
以所述测量点的导航坐标为原点，构建空间直角坐标系，并依据坐标转换公式转换至东北天坐标系，以所述东北天坐标系为测量坐标系。
3.根据权利要求1所述的基于POS系统的桥梁检测方法，其特征在于，所述对所述检测离散线形进行低通滤波处理的步骤之后，对所述检测离散线形进行振动误差处理，消除测量载体与桥梁耦合产生的振动误差的步骤之前，还包括：
对经过低通滤波处理后的检测离散线形进行中值滤波处理，去除低频范围内的不平整误差。
4.根据权利要求1所述的基于POS系统的桥梁检测方法，其特征在于，所述POS系统包括GNSS接收机和惯性测量装置IMU；
所述GNSS接收机的静态水平定位精度为5mm±1ppm，静态垂直定位精度为10mm±1ppm，动态水平定位精度为10mm±1ppm，动态垂直定位精度为20mm±2ppm；
所述IMU的具体参数为：陀螺仪零偏稳定性≤0.01/h，陀螺仪零偏重复性≤0.01/h，陀螺仪测量范围±300°/s，加速度计测量范围±20g，加速度计零偏月重复性≤10μg；
所述POS系统的采样频率为200Hz，实时动态方位精度高于0.05°，水平姿态精度高于0.02°。
5.根据权利要求1所述的基于POS系统的桥梁检测方法，其特征在于，所述测量路径包括直线测量路径和曲线测量路径，所述测量速度为10-20km/h。
6.根据权利要求1所述的基于POS系统的桥梁检测方法，其特征在于，所述将所述预处理离散线形转换到桥轴坐标系采用的坐标换算公式为其中，θ＝arctan((X2-X1)/(Y2-Y1))，x为东北天坐标系中的横坐标，y为东北天坐标系中的纵坐标，X1为桥轴坐标系中的横坐标，Y1为桥轴坐标系中的纵坐标。
7.根据权利要求3所述的基于POS系统的桥梁检测方法，其特征在于，所述低通滤波的低通截止频率负相关于桥面等级，所述中值滤波的邻域窗口的数量为30。
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