CN113267156A

CN113267156A - 一种利用惯导测量水泥地坪平整度的方法及测量系统

Info

Publication number: CN113267156A
Application number: CN202110396102.XA
Authority: CN
Inventors: 李清泉; 陈智鹏; 吕世望; 殷煜; 张德津
Original assignee: Shenzhen University
Current assignee: Shenzhen University
Priority date: 2021-04-13
Filing date: 2021-04-13
Publication date: 2021-08-17
Anticipated expiration: 2041-04-13
Also published as: CN113267156B

Abstract

本申请涉及一种利用惯导测量水泥地坪平整度的方法及测量系统，方法包括：使用惯性测量单元测量角速度与加速度，使用全站仪测量控制点三维坐标；以卡尔曼滤波为框架，利用控制点坐标纠正惯导定位误差，获得位置、姿态和速度以及滤波中间信息，通过RTS平滑算法对所有数据进行平滑优化，得到最优估计的位置、姿态和速度；计算里程‑高程曲线并重采样，通过测量路线上任意一点在一定长度的局部窗口内的高程平均值、最大值与最小值来定义该点处的平整度指标。存储介质和终端设备用于存储和运行惯性测量程序。本方法能够解决对地坪平整度进行精确和快速的平整度检测问题，提高了平整度测量与评估的可重复性、规范性和可操作性。

Description

一种利用惯导测量水泥地坪平整度的方法及测量系统

技术领域

本申请涉及地坪平整度测量技术领域，尤其涉及一种利用惯导测量水泥地坪平整度的方法、计算机可读存储介质及测量系统。

背景技术

平整度是评估水泥地坪质量最为通用、最为重要的参数之一，其意义是描述地面崎岖不平的程度与整体倾斜的程度。对平整度的测量与检测，保障了地面上人或物的稳定，避免因凹凸不平或倾斜过度而导致的对人员和物品的损害，同时提升了地面的耐久度。

目前，地坪平整度的测量仪器为靠尺、塞尺和水准仪，测量方法包括以下两种方法：一、使用靠尺紧靠地面，使用楔形塞尺测量靠尺与地面间缝隙最大宽度；二、使用水准仪测量多个待测点位的高程，计算最大高程与最小高程的差值。但是采用上述测量方法存在测量速度慢、测量的精度低的问题。

因此，如何提升水泥地坪平整度的测量速度和精度是亟需解决的问题。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本申请的目的在于提供一种利用惯导测量水泥地坪平整度的方法、计算机可读存储介质及测量系统，旨在解决现有的水泥地坪平整度测量精度低、测量不方便的问题。

本申请实施例第一方面，提供了一种利用惯导测量水泥地坪平整度的方法，其中，所述方法包括步骤：

采集待测量水泥地坪上各测量点的惯性导航数据，以及用于修正惯性导航定位误差的测量控制点的三维坐标值；

基于所述惯性导航数据计算出所述各测量点的位置数据、姿态数据、速度数据以及滤波中间信息；

利用RTS平滑算法对所述位置数据、姿态数据、速度数据以及滤波中间信息进行平滑优化，得到所述各测量点最优估计的位置数据和姿态数据，并根据所述最优估计的位置数据和姿态数据计算出里程-高程曲线；

获取局部里程-高程曲线，对所述局部里程-高程曲线进行计算得到最大凸起和最大凹陷，以所述最大凸起和所述最大凹陷中绝对值最大的作为所述局部里程-高程曲线所对应的待测量水泥地坪的平整度指标；所述局部里程-高程曲线为从所述里程-高程曲线上截取的具有预设长度的里程-高程曲线。

可选地，所述的利用惯导测量水泥地坪平整度的方法，其中，所述惯性导航数据包括角速度数据和加速度数据，所述基于所述惯性导航数据计算出所述各测量点的位置数据、姿态数据、速度数据以及滤波中间信息，包括：

对所述角速度数据和加速度数据进行惯性递推，并以卡尔曼滤波为框架，基于所述控制点的三维坐标值对所述惯性递推进行修正，计算出所述待测量水泥地坪上各点的位置数据、姿态数据、速度数据以及滤波中间信息。

可选地，所述的利用惯导测量水泥地坪平整度的方法，其中：所述里程-高程曲线的计算公式为：

其中，Δt为惯性测量模块采样时间，θ_n为俯仰角，v_n为速度，d_n为待测量线路上各点的沿测量路线到起始点的里程值，h_n为待测量线路上各点的高程值。

可选地，所述的利用惯导测量水泥地坪平整度的方法，其中，所述平整度指标的计算公式为：

H_up＝H_max-H_mean

H_down＝H_min-H_mean

其中，H_max为最大高程，H_min为最小高程，H_mean为平均高程，H_up为最大凸起，H_down为最大凹陷，F_i为平整度指标。

可选地，所述的利用惯导测量水泥地坪平整度的方法，其中，所述从所述里程-高程曲线上截取的具有预设长度的里程-高程曲线，包括：

获取所述待测量水泥地坪上的任一点P_i，在所述里程-高程曲线上截取包括所述点P_i，且长度为L的里程-高程曲线。

可选地，所述的利用惯导测量水泥地坪平整度的方法，其中，所述获取所述待测量水泥地坪上的任一点P_i，在所述里程-高程曲线上截取包括所述点P_i，且长度为L的里程-高程曲线的步骤，具体包括：以所述点P_i为中点在所述里程-高程曲线上，在距离所述点P_i两侧里程均为L/2的两点处截断，截取两点之间的里程-高程曲线为局部里程-高程曲线。

本申请实施例第二方面，一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质存储有水泥地坪平整度惯性测量程序，所述水泥地坪平整度惯性测量程序可被一个或者多个处理器执行，以实现步骤：

可选地，所述的计算机可读存储介质，其中，还包括步骤：

本申请实施例第三方面，一种水泥地坪平整度测量系统，其中，包括工作站，包括全站仪及与所述全站仪通信连接的终端设备；以及

拖拽装置，包括用于采集导航数据的惯性测量模块及用于反射所述全站仪所发出光的反射棱镜；所述惯性测量模块与所述终端设备通信连接；

所述终端设备包括：处理器和存储器；所述存储器上存储有可被所述处理器执行的水泥地坪平整度惯性测量程序；所述处理器执行所述水泥地坪平整度惯性测量程序时实现如上述所述的利用惯导测量水泥地坪平整度的方法中的步骤。

有益效果：本申请提供一种利用惯导测量水泥地坪平整度的方法，使用惯性测量模块测量角速度与加速度，使用全站仪跟踪测量控制点三维坐标；以卡尔曼滤波为框架，利用控制点坐标纠正惯导定位误差，获得位置、姿态和速度以及滤波中间信息，通过RTS平滑算法对所有数据进行平滑优化，得到最优估计的位置、姿态和速度；计算里程-高程曲线并重采样，通过测量水泥地坪上任意一点在一定长度的局部窗口内的高程平均值、最大值与最小值来定义该点处的平整度指标。本方法能够解决对地坪平整度进行精确和快速的平整度检测问题，可用于施工期的超大地坪的检测，提高了平整度测量与评估的可重复性、规范性和可操作性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不符创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种水泥地坪平整度惯性测量系统中数据采集步骤示意图；

图2为本申请实施例提供的一种利用惯导测量水泥地坪平整度的方法的流程示意图；

图3为本申请实施例提供的一种利用惯导测量水泥地坪平整度的方法的整体流程图；

图4为本申请实施例提供的一种利用惯导测量水泥地坪平整度的方法中，数据解算步骤的高程递推示意图；

图5为本申请实施例提供的一种利用惯导测量水泥地坪平整度的方法中，数据解算步骤的平面坐标递推示意图；

图6为本发明实施例提供的一种利用惯导测量水泥地坪平整度的方法中，平整度计算步骤的长度为L的局部窗口示意图；

图7为本申请实施例提供的终端设备结构原理图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施方式。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本申请的公开内容理解的更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。

现在的大型场地为了满足各种各样的实际需求，对平整度的要求也更加严格。根据现行的国家标准，如GB 50209-2010《建筑地面工程施工质量验收规范》，GB/T 20239-2015《体育馆用木质地板》，GB/T 19995.3-2006《天然材料体育场地使用要求及检验方法第3部分：运动冰场》等，不同材质、不同用途的地坪适用于不同的平整度指标——一般性建筑物地面面层的表面平整度规定为2-5mm/2m，体育馆木质地板平整度要求为2mm/2m，而体育馆运动冰场地坪的平整度要求达到了2mm/3m和全场高差不大于5mm。

目前，地坪平整度的测量仪器为靠尺、塞尺和水准仪，测量方法包括以下两种方法：一、使用靠尺紧靠地面，使用楔形塞尺测量靠尺与地面间缝隙最大宽度；二、使用水准仪测量多个待测点位的高程，计算最大高程与最小高程的差值。但是上述测量方法它具有一些不足，尤其是对于现在地坪面积越来越大的趋势，这些不足也越来越显著：如效率低，测量速度慢；不具备重复性，进行多次检测得到的结果可能互不相同；由于检测点的数量较少，测量结果不能正确反映地坪实际的平整情况。

基于此，本申请提供一种能够解决上述技术问题的方案，其详细内容将在后续实施例中得以阐述。

请参阅图1至图3，图3为本申请实施例提供的一种利用惯导测量水泥地坪平整度的方法整体流程图。本实施例所提供的一种利用惯导测量水泥地坪平整度的方法，应用于图1所示的测量系统中，所述测量系统包括：工作站10及拖拽装置20，所述工作站10包括：全站仪11及终端设备12，所述全站仪11与所述终端设备12通信连接；所述拖拽装置20主要包括：惯性测量模块21及反射棱镜22。其中，所述工作站10主要用于观测拖拽装置20的棱镜22，获取由所述拖拽装置20所采集的惯性导航数据，以及对数据进行融合和计算，得出测量结果；所述拖拽装置20主要作用是通过惯性测量模块21采集角速度与加速度，以及反射全站仪11发出的激光。

如图2所示，在本实施例中，具体的测量步骤如下：

S10、采集待测量水泥地坪上各测量点的惯性导航数据，以及用于修正惯性导航定位误差的测量控制点的三维坐标值。

在本实施例中，所述步骤S10为数据采集步骤：即使用惯性测量单元测量角速度与加速度，使用全站仪跟踪测量控制点三维坐标；通过拖动所述拖拽装置20在待测地面上移动，获得测量数据，包括：一、拖拽装置20在待测地面上移动过程中通过惯性测量模块21采集到的惯性导航数据，包括角速度与加速度；二、全站仪观测所得三维坐标。所述三维坐标为通过全站仪11配合拖拽装置上的棱镜22所获取得到的，即使用带自动跟踪和连续观测的全站仪实时照准并测量拖拽装置的棱镜三维坐标。

S20、基于所述惯性导航数据计算出所述各测量点的位置数据、姿态数据、速度数据以及滤波中间信息。

在本实施例中，所述拖拽装置20上设置有用于数据采集的惯性测量模块、用于控制所述惯性测量模块的主控电路模块以及电源模块。当地面出现起伏时，将会直接反映到惯性测量模块采集的数据上，即角速度和加速度，通过对其进行惯性递推可得到各测量点的姿态数据、速度数据、位置数据等信息。

S30、利用RTS平滑算法对所述位置数据、姿态数据、速度数据以及滤波中间信息进行平滑优化，得到所述各测量点最优估计的位置数据和姿态数据，并根据所述最优估计的位置数据和姿态数据计算出里程-高程曲线。

在本实施例中，以卡尔曼滤波为框架，利用控制点坐标纠正惯导定位误差，通过RTS平滑算法对所有数据进行平滑优化。

所述测量数据的解算方法如图4至图6所示。由于惯导的漂移，需要引入全站仪所观测的三维坐标数据对进行反馈与改正。具体而言，对惯性测量单元获取的角速度与加速度进行惯性递推，计算出待测量水泥地坪上各点的坐标；以卡尔曼滤波为框架，利用全站仪观测所得的控制点三维坐标对惯性递推进行反馈和改正，纠正惯导误差，得到测量路线上各点的位置、姿态、速度以及滤波中间信息；通过RTS平滑算法对所有数据进行平滑优化，得到测量路线上各点最优估计的位置数据、姿态数据、速度数据。

在本实施例中，在计算得到各点的位置数据、姿态数据、速度数据后，计算测量路线上各点的沿测量路线到起始点的里程值d_n和高程值h_n，获得测量路线的里程-高程曲线。计算公式如下：

式中Δt为惯性测量模块采样时间，θ_n为俯仰角，v_n为速度。

S40、获取局部里程-高程曲线，对所述局部里程-高程曲线进行计算得到最大凸起和最大凹陷，以所述最大凸起和所述最大凹陷中绝对值最大的作为所述局部里程-高程曲线所对应的待测量水泥地坪的平整度指标；所述局部里程-高程曲线为从所述里程-高程曲线上截取的具有预设长度的里程-高程曲线。

在本实施例中，对测量路线的点进行等距重采样，降低点的数量，加快数据处理的速度。对于重采样后的测量路线上任一点，以该点为中点在里程-高程曲线上取长度为L米的局部窗口，在该点前后距离该点里程均为L/2的两点处截断，截取两点中间的里程-高程曲线；对所述局部里程-高程曲线进行计算，根据局部窗口内所有点的最大高程H_max、最小高程H_min和平均高程H_mean，其意义为局部窗口内相对于平均高程的最大起伏程度，取所述最大凸起H_up和所述最大凹陷H_down中绝对值最大的值为所述点P_i处的平整度指标F_i，所述F_i的计算公式为：

H_up＝H_max-H_mean

H_down＝H_min-H_mean

在本实施例中，若P_i点处的平整度指标F_i绝对值大于限制值ε，则将该点平面坐标提取出来，绘制到同一平面图中，即可直观得知地坪中平整度不符合要求的区域，从而评估整块场地的平整度质量，采取修补措施。其中，窗口长度L与限制值ε是根据地坪材料与用途，或者施工方的要求进行赋值。

基于上述所述的利用惯导测量水泥地坪平整度的方法，本申请还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有水泥地坪平整度惯性测量程序，所述水泥地坪平整度惯性测量程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上所述实施例所述的利用惯导测量水泥地坪平整度的方法中的步骤。

基于上述所述的利用惯导测量水泥地坪平整度的方法，本申请还提供一种测量系统，所述测量系统中的终端设备，如图7所示，其包括至少一个处理器(processor)30以及存储器(memory)31，还可以包括通信接口(Communications Interface)32和总线33。其中，处理器30、存储器31和通信接口32可以通过总线33完成相互间的通信。通信接口32可以传输信息。处理器30可以调用存储器31中的逻辑指令，以执行上述实施例中的方法。此外，上述的存储器31中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个可读取存储介质中。存储器31作为一种可读存储介质，可设置为存储软件程序，如本申请实施例中的方法对应的程序指令或模块。处理器30通过运行存储在存储器31中的软件程序、指令或模块，从而执行功能应用以及数据处理，即实现上述实施例中的方法。存储器31可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端的使用所创建的数据等。此外，存储器31可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器。例如，U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等多种可以存储程序代码的介质，也可以是暂态存储介质。此外，上述存储介质以及终端中的多条指令处理器加载并执行的具体过程在上述方法中已经详细说明，在这里就不再一一陈述。

综上所述，本申请提供一种利用惯导测量水泥地坪平整度的方法、计算机可读存储介质及测量系统。所述方法包括数据采集步骤：使用惯性测量模块测量水泥地坪上个测量点的角速度与加速度，使用全站仪跟踪测量控制点三维坐标；数据解算步骤：以卡尔曼滤波为框架，利用控制点坐标纠正惯导定位误差，获得位置、姿态和速度以及滤波中间信息，通过RTS平滑算法对所有数据进行平滑优化，得到最优估计的位置、姿态和速度；平整度计算步骤：计算里程-高程曲线并重采样，通过测量路线上任意一点在一定长度的局部窗口内的高程平均值、最大值与最小值来定义该点处的平整度指标。存储介质和终端设备用于存储和运行惯性测量程序。本方法能够解决对地坪平整度进行精确和快速的平整度检测问题，适用于施工期或竣工期的超大地坪平整度测量需求，避免了人工测量带来的误差和不全面，提高了平整度测量与评估的可重复性、规范性和可操作性。在计算每个位置平整度的同时记录对应的平面坐标，可以标识出已测地坪平整度不合格位置的据对坐标，方便快捷地确定需要采取修补措施的位置。

应当理解的是，本申请的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本申请所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种利用惯导测量水泥地坪平整度的方法，其特征在于：所述方法包括：

2.如权利要求1所述的利用惯导测量水泥地坪平整度的方法，其特征在于，所述惯性导航数据包括角速度数据和加速度数据，所述基于所述惯性导航数据计算出所述各测量点的位置数据、姿态数据、速度数据以及滤波中间信息，包括：

3.如权利要求1所述的利用惯导测量水泥地坪平整度的方法，其特征在于：所述里程-高程曲线的计算公式为：

4.如权利要求1所述的利用惯导测量水泥地坪平整度的方法，其特征在于，所述平整度指标的计算公式为：

H_up＝H_max-H_mean

H_down＝H_min-H_mean

5.如权利要求1所述的利用惯导测量水泥地坪平整度的方法，其特征在于，所述从所述里程-高程曲线上截取的具有预设长度的里程-高程曲线，包括：

6.如权利要求5所述的利用惯导测量水泥地坪平整度的方法，其特征在于，所述获取所述待测量水泥地坪上的任一点P_i，在所述里程-高程曲线上截取包括所述点P_i，且长度为L的里程-高程曲线的步骤，具体包括：以所述点P_i为中点在所述里程-高程曲线上，在距离所述点P_i两侧里程均为L/2的两点处截断，截取两点之间的里程-高程曲线为局部里程-高程曲线。

7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有水泥地坪平整度惯性测量程序，所述水泥地坪平整度惯性测量程序可被一个或者多个处理器执行，以实现步骤：

8.如权利要求7所述的计算机可读存储介质，其特征在于，还包括步骤：

9.一种水泥地坪平整度测量系统，其特征在于，包括：

工作站，包括全站仪及与所述全站仪通信连接的终端设备；以及

所述终端设备包括：处理器和存储器；所述存储器上存储有可被所述处理器执行的水泥地坪平整度惯性测量程序；所述处理器执行所述水泥地坪平整度惯性测量程序时实现如权利要求1-6任意一项所述的利用惯导测量水泥地坪平整度的方法中的步骤。