CN111457921A - 一种基于激光惯导系统的隧道结构安全监测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于激光惯导系统的隧道结构安全监测装置及方法，属于安全检测领域，其技术方案要点是，包括激光惯导系统，安装在待监测隧道上，用于对待监测隧道内的被监测点的三维姿态信号进行连续实时测量；其中，所述激光惯导系统工作于位置、速度阻尼模式下，以使激光惯导系统内部的元件参数长期稳定；数据记录仪，所述数据记录仪与惯性导航系统连接，用于对惯性导航系统输出的三维姿态信号进行采集和记录，并将三维姿态信号输出；网络计算机，所述网络计算机通过数据传输链路与数据记录仪连接，用于接收三维姿态信号并分析提取隧道的结构形变数据。解决了现有的安全监测方法在长期监测过程中，误差容易增大，使得监测精度低的问题。

Description

一种基于激光惯导系统的隧道结构安全监测装置及方法
技术领域
本发明涉及安全检测技术领域，具体而言，涉及一种基于激光惯导系统的隧道结构安全监测装置及方法。
背景技术
随着公路、铁路等交通基础设施的日益发达，供交通立体化、穿山越岭、地下通道、江河湖海穿越等使用的隧道也越来越多。隧道建成使用后，在运营过程中，会受周围环境施工、地质变化、交通冲击、自身老化等因素影响而产生病害、发生结构形变。隧道结构形变到达一定程度，就会导致工程灾害的发生，影响隧道的正常使用，甚至引起灾难性的突发事故，造成重大经济损失和人员伤亡。因此，采用有效的隧道结构安全监测装置和方法，对隧道结构的健康状况进行监测，对隧道结构的工程灾害进行预警，能够提高隧道的安全健康维护效率，并且在一定程度上预防隧道在运营过程中的安全事故，具有重要的社会与经济价值。
隧道结构安全监测方法通常包括外观目测、全站仪监测、电子水平尺监测、摄影测量监测等。这些安全监测方法在长期监测过程中，误差容易增大，使得监测精度低。
为此，提出一种基于激光惯导系统的隧道结构安全监测装置及方法。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于激光惯导系统的隧道结构安全监测装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于激光惯导系统的隧道结构安全监测装置，包括激光惯导系统，安装在待监测隧道上，用于对待监测隧道内的被监测点的三维姿态信号进行连续实时测量；其中，所述激光惯导系统工作于位置、速度阻尼模式下，以使激光惯导系统内部的元件参数长期稳定；数据记录仪，所述数据记录仪与惯性导航系统连接，用于对惯性导航系统输出的三维姿态信号进行采集和记录，并将三维姿态信号输出；网络计算机，所述网络计算机通过数据传输链路与数据记录仪连接，用于接收三维姿态信号并分析提取隧道的结构形变数据。
进一步地，所述激光惯导系统通过刚性材质的安装夹具固定在待监测隧道内的被监测点上。
进一步地，所述三维姿态信号由航向角ψ、俯仰角θ和倾斜角γ三个角度组成。
进一步地，所述激光惯导系统包括激光陀螺、加速度计和导航计算机，三个所述激光陀螺和三个所述加速度计安装在待监测隧道的被监测点41上，三个所述激光陀螺、三个所述加速度计通过适配电路与导航计算机连接，所述导航计算机用于计算姿态矩阵，以使输出三维姿态信号。
进一步地，其检测方法如下：
S1、采用隧道外高精度卫星导航接收机定位以及全站型电子测距仪得到被监测点的精确位置信息；
S2、将激光惯导系统固定安装在通过刚性材质的安装夹具固定在待监测隧道内的被监测点上；
S3、将激光惯导系统通电，并给导航计算机输入步骤S1中得到的被监测点的精确位置信息；
S4、激光惯导系统进入工作状态，对待监测隧道内的被监测点的三维姿态进行连续实时测量，并输出；
S5、采集记录仪与所述激光惯导系统连接，以对激光惯导系统输出的三维姿态信号进行采集和记录；
S6、网络计算机根据激光惯导系统测量的三维姿态信号，分析提取隧道的结构形变数据，并进一步对隧道结构的安全健康情况进行综合评判，对达到预警阈值的情况发出安全预警信号。
应用本发明的技术方案，有益效果是：该种基于激光惯导系统的隧道结构安全监测装置及方法，通过激光惯导系统工作于位置、速度阻尼模式下，以使激光惯导系统内部的元件参数长期稳定，从而抑制了误差随时间的增长，将测量误差控制在有效范围，解决了现有的安全监测方法在长期监测过程中，误差容易增大，使得监测精度低的问题。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了基于激光惯导系统的隧道结构安全监测装置的整体结构框图；
图2示出了基于激光惯导系统的隧道结构安全监测装置的激光惯导系统结构框图；
图3示出了基于激光惯导系统的隧道结构安全监测装置的安装示意图；
图4示出了基于激光惯导系统的隧道结构安全监测装置的激光惯导系统原理框图；
图5示出了基于激光惯导系统的隧道结构安全监测装置的带位置和速度阻尼的激光惯导原理框图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、激光惯导系统；11、激光陀螺；12、加速度计；13、导航计算机；20、数据记录仪；21、数据传输链路；30、网络计算机；40、待监测隧道；41、被监测点。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1至图5所示，本发明提供了一种基于激光惯导系统的隧道结构安全监测装置，包括激光惯导系统10，安装在待监测隧道40上，用于对待监测隧道40内的被监测点41的三维姿态信号进行连续实时测量；其中，激光惯导系统10工作于位置、速度阻尼模式下，以使激光惯导系统10内部的元件参数长期稳定；数据记录仪20，数据记录仪20与惯性导航系统10连接，用于对惯性导航系统10输出的三维姿态信号进行采集和记录，并将三维姿态信号输出；网络计算机30，网络计算机30通过数据传输链路21与数据记录仪20连接，用于接收三维姿态信号并分析提取隧道的结构形变数据。
应用本实施例的技术方案，将激光惯导系统10安装在待监测隧道40的被监测部位上(根据桥梁设计维护数据和历史健康数据选择在桥梁结构上易产生病害或已产生病害的重点位置)，激光惯导系统10测量的的三维姿态信号输出给与至相连的数据记录仪20进行采集和收集，数据记录仪20通过数据传输链路21与网络计算机30进行数据交换，网络计算机30将接收到的角速度信号进行分析处理，采用数字信号处理技术，从激光陀螺仪10测量的角速度信号中提取桥梁结构的形变数据，并对结构形变数据进行判定分析，从而实现桥梁的安全监测；
其中，通过激光惯导系统10工作于位置、速度阻尼模式下，由于预置监测点的初始速度为零，位置信息采用隧道外高精度卫星导航接收机定位以及全站型电子测距仪测量方法精确测量并且保持不变，从而省去速度积分和位置积分这两个积分算法，以使激光惯导系统10内部的元件参数长期稳定，从而抑制了误差随时间的增长，将测量误差控制在有效范围，解决了现有的安全监测方法在长期监测过程中，误差容易增大，使得监测精度低的问题。
具体地，三维姿态信号由航向角ψ、俯仰角θ和倾斜角γ三个角度组成。
具体地，如图3所示，激光惯导系统10通过刚性材质的安装夹具固定在待监测隧道40内的被监测点41上。
针对激光惯导系统10的具体结构，如图2所示，激光惯导系统10包括激光陀螺11、加速度计12和导航计算机13，三个激光陀螺11和三个加速度计12安装在待监测隧道的被监测点41上，三个激光陀螺11、三个加速度计12通过适配电路与导航计算机13连接，导航计算机13用于计算姿态矩阵，以使输出三维姿态信号。
该种结构设计，将加速度计12和激光陀螺11直接安装在待监测隧道40上，激光陀螺11中的姿态积分输入导航计算机13中，采用隧道外高精度卫星导航接收机定位以及全站型电子测距仪得到被监测点41的精确位置信息同时输入导航计算机13中，然后进行导航计算，从而得到三维姿态数据。
针对基于激光惯导的隧道结构，其检测方法如下：
S1、采用隧道外高精度卫星导航接收机定位以及全站型电子测距仪得到被监测点41的精确位置信息；
S2、将激光惯导系统10固定安装在通过刚性材质的安装夹具固定在待监测隧道40内的被监测点41上；
S3、将激光惯导系统10通电，并给导航计算机13输入步骤S1中得到的被监测点41的精确位置信息；
S4、激光惯导系统10进入工作状态，对待监测隧道40内的被监测点41的三维姿态进行连续实时测量，并输出；
S5、采集记录仪20与激光惯导系统10连接，以对激光惯导系统10输出的三维姿态信号进行采集和记录；
S6、网络计算机30根据激光惯导系统10测量的三维姿态信号，分析提取隧道的结构形变数据，并进一步对隧道结构的安全健康情况进行综合评判，对达到预警阈值的情况发出安全预警信号。
如图4所示，现有的惯导系统是基于积分式的工作原理，因此其误差是随时间增长的，该种检测方法，激光惯导系统10工作于位置、速度阻尼模式下，如图5所示，由于被监测点41的初始速度为零，位置信息由采用隧道外高精度卫星导航接收机定位以及全站型电子测距仪得到被监测点41精确测量并保持不变，将位置信息输入导航计算机13中，因此避免导航计算机13进行计算速度积分和位置积分的环节，使得激光惯导系统10内部的元件参数长期稳定。
下列为本实施例的部分组件型号，
数据记录仪20：gl820。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
1、本发明能够对于隧道结构形变引起的微小姿态变化进行在线实时监测，对隧道结构疲劳和损伤进行识别，对隧道结构的安全健康状态进行诊断和预警；
2、本发明安装简单，无需改变待监测隧道现有结构，也不对被监测隧道结构附加任何前置施工要求；
3、本发明体积小，安装时无需封闭被监测隧道内的交通，监测装置工作时也不对隧道内的交通产生影响；
4、本发明采用网络计算机对监测数据进行处理和记录，所得数据除对桥梁安全健康状态进行诊断和预警外，还可供交通大数据分析、桥梁形变专家库等第三方平台进一步加工利用；
5、通过激光惯导系统工作于位置、速度阻尼模式下，以使激光惯导系统内部的元件参数长期稳定，从而抑制了误差随时间的增长，将测量误差控制在有效范围，解决了现有的安全监测方法在长期监测过程中，误差容易增大，使得监测精度低的问题。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于激光惯导系统的隧道结构安全监测装置，其特征在于：包括
激光惯导系统(10)，安装在待监测隧道(40)上，用于对待监测隧道(40)内的被监测点(41)的三维姿态信号进行连续实时测量；
其中，所述激光惯导系统(10)工作于位置、速度阻尼模式下，以使激光惯导系统(10)内部的元件参数长期稳定；
数据记录仪(20)，所述数据记录仪(20)与惯性导航系统(10)连接，用于对惯性导航系统(10)输出的三维姿态信号进行采集和记录，并将三维姿态信号输出；
网络计算机(30)，所述网络计算机(30)通过数据传输链路(21)与数据记录仪(20)连接，用于接收三维姿态信号并分析提取隧道的结构形变数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光惯导系统的隧道结构安全监测装置，其特征在于：所述激光惯导系统(10)通过刚性材质的安装夹具固定在待监测隧道(40)内的被监测点(41)上。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光惯导系统的隧道结构安全监测装置，其特征在于：所述三维姿态信号由航向角ψ、俯仰角θ和倾斜角γ三个角度组成。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光惯导系统的隧道结构安全监测装置，其特征在于：所述激光惯导系统(10)包括激光陀螺(11)、加速度计(12)和导航计算机(13)，三个所述激光陀螺(11)和三个所述加速度计(12)安装在待监测隧道的被监测点41上，三个所述激光陀螺(11)、三个所述加速度计(12)通过适配电路与导航计算机(13)连接，所述导航计算机(13)用于计算姿态矩阵，以使输出三维姿态信号。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光惯导系统的隧道结构安全监测装置，其检测方法如下：
S1、采用隧道外高精度卫星导航接收机定位以及全站型电子测距仪得到被监测点(41)的精确位置信息；
S2、将激光惯导系统(10)固定安装在通过刚性材质的安装夹具固定在待监测隧道(40)内的被监测点(41)上；
S3、将激光惯导系统(10)通电，并给导航计算机(13)输入步骤S1中得到的被监测点(41)的精确位置信息；
S4、激光惯导系统(10)进入工作状态，对待监测隧道(40)内的被监测点(41)的三维姿态进行连续实时测量，并输出；
S5、采集记录仪(20)与所述激光惯导系统(10)连接，以对激光惯导系统(10)输出的三维姿态信号进行采集和记录；
S6、网络计算机(30)根据激光惯导系统(10)测量的三维姿态信号，分析提取隧道的结构形变数据，并进一步对隧道结构的安全健康情况进行综合评判，对达到预警阈值的情况发出安全预警信号。
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