CN113819902B - 基于单轴陀螺的行进轨迹线的三维测量方法及应用 - Google Patents

Abstract

一种基于单轴陀螺的行进轨迹线的三维测量方法，及应用，本设计先在“东‑北‑天”的地理坐标系中建立三维坐标系，再对每个测量点的三维坐标进行测量，然后将所有的测量点的数据依次连接以获得行进轨迹线，其中，在获得Z坐标时，对地球角速度在光纤陀螺仪敏感轴上的投影、光纤陀螺零偏、随机漂移误差都进行了排除，以提升测量的精度。本测量方法便于对桥梁、大坝或隧道的结构形变进行检测，以与建造数据或历史测量数据对比，从而获得建筑物的健康状态。本设计不仅能够消除地球角速度的影响，而且应用范围较广。

Description

基于单轴陀螺的行进轨迹线的三维测量方法及应用

技术领域

本发明涉及一种基于单轴陀螺的三维测量技术，属于桥梁、大坝等土木结构健康检测领域，尤其涉及一种基于单轴陀螺的行进轨迹线的三维测量方法及应用，适合于弯曲结构形变检测领域。

背景技术

桥梁、大坝等基础设施在促进国民经济发展中起着重要作用。随着科技的进步和交通运输的必要，结构复杂的大跨度桥梁、大坝等大型土木结构相继涌现，而随之而来的桥梁、大坝结构安全监测与形变评估也至关重要。由于大型基础设施在设计上的不完善或长期的受到结构损伤，因变形而导致跨塌造成的事故，对社会、人员与财产造成的损失不可估量，故需要建立完善有效的结构形变监测方法和预警系统，并定期对结构进行检测，以确保人民的生命财产安全。

现有的大型形变检测方法包括连通管、水准仪、GPS、自动全站仪和激光成像等方法。其中，联通管、水准仪和全站仪等的测量属于离散测量，户外工作量大，受地形限制，可能会漏掉关键位置形变信息；GPS测量方法具备快速检测特点，但易受电磁干扰，测量精度不高；激光成像等方法易受天气等大气干扰，测量光斑图像易晃动导致测量结果不准。光纤陀螺技术具有测量精度高、测点连续的优点，可实现大跨度土木结构的连续测量，但存在以下缺陷：

待测结构具有三维特性，因而在采用光纤陀螺仪进行检测时，其势必会受地球角速度的影响，导致光纤陀螺仪输出值不准，从而降低测量精度。

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本专利申请的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的易受地球角速度的影响、测量精度较低的缺陷与问题，提供一种能够消除地球角速度的影响、测量精度较高的基于单轴陀螺的行进轨迹线的三维测量方法及应用。

为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种基于单轴陀螺的行进轨迹线的三维测量方法，所述行进轨迹线由多个测量点的三维坐标值依次连接而成，所述三维坐标值包括X、Y、Z三个坐标值；

所述行进轨迹线上，X轴、Y轴构成的平面为轨迹平面，Z轴垂直于轨迹平面，单轴陀螺仪的敏感轴处于轨迹平面内；在轨迹平面中，前一个测量点至下一个测量点之间的连接直线为运动方向线，该运动方向线与敏感轴相垂直；所述X轴、Y轴、Z轴构成的三维坐标系位于“东-北-天”的地理坐标系中，该地理坐标系中，地球自转角速度为ω_e，地球自转轴指向北极；

单个测量点的三维坐标值中，X、Y的坐标值均由现有技术获得，Z坐标值则由该点的角速度有效输出值经现有技术推导以获得；

所述角速度有效输出值＝光纤陀螺仪的即时输出值一影响值；

所述影响值为：D₀+ε+K·ω_e*cosΦ*cos(θ_t)，其中：D₀表示光纤陀螺零偏，ε表示随机漂移误差；

K·ω_e*cosΦ*cos(θ_t)为地球自转角速度沿北向在敏感轴上的投影值，K表示标度因数，Φ为测量点所处的地球纬度，θ_t为敏感轴与地理坐标系北向夹角。

所述K·ω_e*cosΦ*cos(θ_t)的获取方法如下：

先记录起始点处光纤陀螺仪的输出值为ω₁，再将光纤陀螺仪在起始点处旋转180度，然后记录此时光纤陀螺仪的输出值为ω₂，且由于：

因而，

(ω₁-ω₂)/2＝K*ω_e*cosΦ*cos(θ_t)。

所述D₀+ε的获取方法如下：

(ω₁+ω₂)/2＝D₀+ε。

当行进轨迹线在轨迹平面上显现为直线形时：

敏感轴与地理坐标系北向之间的夹角θ_t保持不变，一直为起始点处的夹角θ₀，故，所述影响值为：

D₀+ε+K·ω_e*cosΦ*cos(θ₀)。

当行进轨迹线在轨迹平面上显现为规则圆弧形时：

θ(t)＝ψ(t)+θ₀，其中，ψ(t)为运动方向线与X轴之间的夹角，θ₀为起始点处敏感轴与地理坐标系北向之间的夹角。

其中，ΔL为在该规则圆弧上已行进的弧度，R为该规则圆弧的半径。

单个测量点的X、Y坐标值分别为：

当行进轨迹线在轨迹平面上显现为不规则的圆弧形时：

θ(t)＝ψ(t)+θ₀，

ψ(t)＝arctan(Y/X)，其中，X、Y为该测量点的X轴、Y轴的坐标值。

一种上述基于单轴陀螺的行进轨迹线的三维测量方法的应用，所述应用包括以下步骤：

先将单轴陀螺仪连接于检测小车的顶部，再驱动检测小车沿待检测物的顶面向前运动，运动路线包括直道、弯道中的任意一种或任意组合，并在运动过程中选择测量点进行测量、记录，直至运动结束，然后将获得的所有的测量点的三维坐标值依次连接以获得行进轨迹线，再用行进轨迹线与待检测物的建造数据进行对比，以获得待检测物的形变值，从而检测待检测物的健康状态；

所述待检测物包括桥梁、大坝或隧道。

所述检测小车上设置有红外光电传感器与里程计，其中，红外光电传感器与红外挡光板相协作以确定检测小车的运动路线为直道或弯道，里程计用以测定检测小车的行驶里程；

所述红外挡光板的数量为多个，所述红外挡光板的设定位置包括直道的起始点、直道的终止点、弯道的起始点、弯道的终止点。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明一种基于单轴陀螺的行进轨迹线的三维测量方法及应用中，针对地球角速度对光纤陀螺仪输出值的影响，紧扣地球角速度在光纤陀螺仪敏感轴上的投影这一影响因素，提出一种计算出“影响值”的方法，同时，考虑光纤陀螺零偏与随机漂移误差，最终，以光纤陀螺仪的即时输出值减去“影响值”以获得角速度有效输出值，从而提升测量数据的精度，进而提升最终Z坐标值的获得精度(Z坐标值由角速度有效输出值经现有技术推导以获得)。因此，本发明不仅能够消除地球角速度的影响，而且测量精度较高。

2、本发明一种基于单轴陀螺的行进轨迹线的三维测量方法及应用中，为配合角速度有效输出值的获取，对三维的行进轨迹线进行限定，即将X轴、Y轴构成的平面设定为轨迹平面，Z轴垂直于轨迹平面，单轴陀螺仪的敏感轴处于轨迹平面内，同时，对敏感轴的运动方向与运动中的位置进行设定，即在轨迹平面中，前一个测量点至下一个测量点之间的连接直线为运动方向线，该运动方向线与敏感轴相垂直，该设计不仅利于将三维的坐标系明朗化，利于获得角速度有效输出值，而且利于与现有三维的待检测物相结合，扩大应用范围。因此，本发明不仅能够消除地球角速度的影响，而且应用范围较广。

3、本发明一种基于单轴陀螺的行进轨迹线的三维测量方法及应用中，根据行进轨迹线在轨迹平面上的不同显现状态，如直线形、规则圆弧形、不规则圆弧形，分别设计了不同的测量方法，既能确保测量的精度，又能扩大本发明的应用范围。因此，本发明不仅测量精度较高，而且应用范围较广。

4、本发明一种基于单轴陀螺的行进轨迹线的三维测量方法及应用中，在具体应用时，可将单轴陀螺仪与检测小车相结合，通过驱动检测小车运动的方式以实现光纤陀螺仪的向前运动，此时，只需沿待检测物的顶面进行运动即可，运动路线包括直道、弯道中的任意一种或任意组合，并记录沿途测量点的数据，且要标记各衔接处拐点的位置信息，直至运动结束，然后将获得的所有的测量点的三维坐标值依次连接以获得行进轨迹线，再用行进轨迹线与待检测物的建造数据进行对比，以获得待检测物的形变值，从而检测待检测物的健康状态，不仅测量数据较为准确，而且易于操作，成本较低。因此，本发明适合对建筑物的结构形变进行检测，便于分析检测物的健康状态。

5、本发明一种基于单轴陀螺的行进轨迹线的三维测量方法及应用中，可在检测小车上设置有红外光电传感器与里程计，其中，红外光电传感器与红外挡光板相协作以确定检测小车当前所在的运动路线为直道或弯道，里程计用以测定检测小车的行驶里程，应用时，只需观测红外挡光板、红外光电传感器之间的协作情况，就能判断检测小车是在走直道，还是弯道，十分方便快捷，利于及时切换不同的测量方法，从而在整体上确保测量精度。因此，本发明的适用范围较广，测量精度较高。

附图说明

图1是本发明所采用的“东-北-天”的地理坐标系的示意图。

图2是图1中地球自转角速度的分量示意图。

图3为本发明中的检测小车沿直道行驶时的示意图。

图4为本发明中的轨道小车沿弯道行驶时的示意图。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1—图4，一种基于单轴陀螺的行进轨迹线的三维测量方法，所述行进轨迹线由多个测量点的三维坐标值依次连接而成，所述三维坐标值包括X、Y、Z三个坐标值；

所述行进轨迹线上，X轴、Y轴构成的平面为轨迹平面，Z轴垂直于轨迹平面，单轴陀螺仪的敏感轴处于轨迹平面内；在轨迹平面中，前一个测量点至下一个测量点之间的连接直线为运动方向线，该运动方向线与敏感轴相垂直；所述X轴、Y轴、Z轴构成的三维坐标系位于“东-北-天”的地理坐标系中，该地理坐标系中，地球自转角速度为ω_e，地球自转轴指向北极；

单个测重点的三维坐标值中，X、Y的坐标值均由现有技术获得，Z坐标值则由该点的角速度有效输出值经现有技术推导以获得；

所述角速度有效输出值＝光纤陀螺仪的即时输出值-影响值；

所述影响值为；D₀+ε+K·ω_e*cosΦ*cos(θ_t)，其中：D₀表示光纤陀螺零偏，ε表示随机漂移误差；

K·ω_e*cosΦ*cos(θ_t)为地球自转角速度沿北向在敏感轴上的投影值，K表示标度因数，Φ为测量点所处的地球纬度，θ_t为敏感轴与地理坐标系北向夹角。

所述K·ω_e*cosΦ*cos(θ_t)的获取方法如下：

先记录起始点处光纤陀螺仪的输出值为ω₁，再将光纤陀螺仪在起始点处旋转180度，然后记录此时光纤陀螺仪的输出值为ω₂，且由于：

因而，

(ω₁-ω₂)/2＝K·ω_e*cosΦ*cos(θ_t)。

所述D₀+ε的获取力法如下：

(ω₁+ω₂)/2＝D₀+ε。

当行进轨迹线在轨迹平面上显现为直线形时：

敏感轴与地理坐标系北向之间的夹角θ_t保持不变，一直为起始点处的夹角θ₀，故，所述影响值为：

D₀+ε+K·ω_e*cosΦ*cos(θ₀)。

当行进轨迹线在轨迹平面上显现为规则圆弧形时：

θ(t)＝ψ(t)+θ₀，其中，ψ(t)为运动方向线与X轴之间的夹角，θ₀为起始点处敏感轴与地理坐标系北向之间的夹角。

其中，ΔL为在该规则圆弧上已行进的弧度，R为该规则圆弧的半径。

单个测量点的X、Y坐标值分别为：

当行进轨迹线在轨迹平面上显现为不规则的圆弧形时：

θ(t)＝ψ(t)+θ₀，

ψ(t)＝arctan(Y/X)，其中，X、Y为该测量点的X轴、Y轴的坐标值。

一种上述基于单轴陀螺的行进轨迹线的三维测量方法的应用，所述应用包括以下步骤：

先将单轴陀螺仪连接于检测小车的顶部，再驱动检测小车沿待检测物的顶面向前运动，运动路线包括直道、弯道中的任意一种或任意组合，并在运动过程中选择测量点进行测量、记录，直至运动结束，然后将获得的所有的测量点的三维坐标值依次连接以获得行进轨迹线，再用行进轨迹线与待检测物的建造数据进行对比，以获得待检测物的形变值，从而检测待检测物的健康状态；

所述待检测物包括桥梁、大坝或隧道。

所述检测小车上设置有红外光电传感器与里程计，其中，红外光电传感器与红外挡光板相协作以确定检测小车的运动路线为直道或弯道，里程计用以测定检测小车的行驶里程；

所述红外挡光板的数量为多个，所述红外挡光板的设定位置包括直道的起始点、直道的终止点、弯道的起始点、弯道的终止点。

本发明的原理说明如下：

本发明中的“Z坐标值则由该点的角速度有效输出值经现有技术推导以获得”是指：光纤陀螺仪输出的是角速度，要先积分成角度，再积分成速度，然后积分得到位移，从而计算得到Z坐标值。

本发明中的红外光电传感器与红外挡光板相协作以确定检测小车的运动路线为直道或弯道是指：根据测得的红外挡光板的位置信号，判断检测小车当前所处测试区间，当采集到两次位置信号有效数据跳变时，即可判断检测小车进入弯道区域，否则，则处于直道区域。

本发明中的检测小车内还需增设采集板，该采集板能对各个测量点的测量数据进行整合，并通过无线传输将整合后的数据上传到上位机，上位机接收到采集板的数据进行实时解算得到待检测物，如桥梁的线形，并与该桥梁的建造数据或者以往的定期测量结果进行对比，以判断桥梁健康状态。

实施例1：

参见图1与图2，本发明中的X轴、Y轴、Z轴构成的三维坐标系位于“东一北-天”的地理坐标系中，该地理坐标系中，地球自转角速度为ω_e，地球自转轴指向北极，此时，假设测量陀螺仪位于纬度为Φ的位置，在该纬度上，地球自转带来的误差影响可以分解为地理北向分量和地理天向分量，而地理北向分量才会对光纤陀螺仪的输出数据带来影响，其误差为ω_e*cosΦ。当陀螺仪的敏感轴与地理坐标系北向之间的角度为θ_t时，光纤陀螺仪所测到的角速度中地球自转在其敏感轴上的投影为：ω_e*cosΦ*cos(θ₀)，该投影会对光纤陀螺仪的角速度有效输出值产生影响，此外，光纤陀螺仪的自身零偏、随机漂移误差也会对光纤陀螺仪的角速度有效输出值产生影响。

地球角速度、自身零偏、随机漂移误差一并汇总后的影响值为：

D₀+ε+K·ω_e*cosΦ*cos(θ_t)。

而要获得光纤陀螺仪的角速度有效输出值，就必须从即时输出值中减去影响值，即：角速度有效输出值＝光纤陀螺仪的即时输出值-影响值。

实施例2：

基本内容同实施例1，不同之处在于：

参见图3与图4，假设待检测物由直道+弯道构成，则落实在行进轨迹线上为直线形+圆弧形的结合，起始点从直道开始，直道的长度为L1。

(1)、当检测小车在直道上运行时，敏感轴与地理坐标系北向之间的夹角θ_t保持不变，一直为起始点处的夹角θ₀。此时，影响值为：

D₀+ε+K·ω_e*cosΦ*cos(θ₀)。

其中，

(ω₁-ω₂)/2＝K·ω_e*cosΦ*cos(θ_t)，

(ω₁+ω₂)/2＝D₀+ε，

ω₁为起始点处光纤陀螺仪的即时输出值，ω₂为将光纤陀螺仪在起始点处旋转180度后的即时输出值。

(2)、当检测小车走出直道，已在弯道上运行，且弯道为规则圆弧时，敏感轴与地理坐标系北向之间的夹角θ(t)＝ψ(t)+θ₀，其中，ψ(t)为运动方向线与X轴之间的夹角，θ₀为起始点处敏感轴与地理坐标系北向之间的夹角。此时，影响值为：

D₀+ε+K·ω_e*cosΦ*cos(ψ(t)+θ₀)。

实施例3：

基本内容同实施例2，不同之处在于：

其中，ΔL为在该规则圆弧上已行进的弧度，R为该规则圆弧的半径。

检测小车进入弯道之后的X轴、Y轴坐标为：

实施例4：

基本内容同实施例2，不同之处在于：

当检测小车在弯道上运行，且弯道为不规则圆弧，为任意曲线时，根据弧长公式：

再结合行进轨迹线的线形应该是单调的，所以里程计数值映射到坐标系中对应的坐标是唯一的。

根据弧长公式，设置a＝0，b＝L₁+ΔL，对行进轨迹线的线形求导，实时确定里程计数值输出，采用二分查找法，根据唯一性，当所查找到的X轴数值带入弦长公式中与里程数据之间差的绝对值满足误差在10^-3之内，即可认为所寻数字即为检测小车在坐标系中的位置，由此可以求得b，即可以得到此时轨道小车X坐标。

根据轨道线形函数关系式可以得到纵坐标Y，故可以得到此时轨道小车行驶方向与横坐标之间的夹角为：

ψ(t)＝arctan(Y/(X-L₁))。

此时，光纤陀螺敏感轴与正北方向的夹角值为θ(t)＝ψ(t)+θ₀，

随后，将光纤陀螺仪的即时输出角速度值减去该处干扰的影响值即可得到角速度有效输出值，再根据线形解算公式，即可得到弯道的行进轨迹线。

实施例5：

基本内容同实施例2，不同之处在于：

在直道的起始点、直道的终止点、弯道的起始点、弯道的终止点的旁侧都设置红外挡光板，当检测小车运行时，通过红外光电传感器、红外挡光板之间进行相互协作以确定检测小车当前所在的运动路线为直道或弯道。

实施例6：

基本内容同实施例2，不同之处在于：

本设计中的检测小车在测量之前，先在直道、弯道的表面铺设一个永久性轨道，所述铺设的永久轨道优选采用不锈钢结构，嵌入到直道、弯道的表面之内，并可以跟随直道、弯道形变而变形。随后，检测小车沿轨道行进，以确保不跑偏，防止了路径偏差带来的附加效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于单轴陀螺的行进轨迹线的三维测量方法，所述行进轨迹线由多个测量点的三维坐标值依次连接而成，所述三维坐标值包括X、Y、Z三个坐标值，其特征在于：

所述行进轨迹线上，X轴、Y轴构成的平面为轨迹平面，Z轴垂直于轨迹平面，单轴陀螺仪的敏感轴处于轨迹平面内；在轨迹平面中，前一个测量点至下一个测量点之间的连接直线为运动方向线，该运动方向线与敏感轴相垂直；所述X轴、Y轴、Z轴构成的三维坐标系位于“东-北-天”的地理坐标系中，该地理坐标系中，地球自转角速度为ω_e，地球自转轴指向北极；

单个测量点的三维坐标值中，X、Y的坐标值均由现有技术获得，Z坐标值则由该点的角速度有效输出值经现有技术推导以获得；

所述角速度有效输出值＝光纤陀螺仪的即时输出值-影响值；

所述影响值为：D₀+ε+K·ω_e*cosΦ*cos(θ_t)，其中：D₀表示光纤陀螺零偏，ε表示随机漂移误差；

K·ω_e*cosΦ*cos(θ_t)为地球自转角速度沿北向在敏感轴上的投影值，K表示标度因数，Φ为测量点所处的地球纬度，θ_t为敏感轴与地理坐标系北向夹角。

2.根据权利要求1所述的一种基于单轴陀螺的行进轨迹线的三维测量方法，其特征在于：所述K·ω_e*cosΦ*cos(θ_t)的获取方法如下：

先记录起始点处光纤陀螺仪的输出值为ω₁，再将光纤陀螺仪在起始点处旋转180度，然后记录此时光纤陀螺仪的输出值为ω₂，目由于：

因而，

(ω₁-ω₂)/2＝K·ω_e*cosΦ*cos(θ_t)。

3.根据权利要求2所述的一种基于单轴陀螺的行进轨迹线的三维测量方法，其特征在于：所述D₀+ε的获取方法如下：

(ω₁+ω₂)/2＝D₀+ε。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于单轴陀螺的行进轨迹线的三维测量方法，其特征在于：

当行进轨迹线在轨迹平面上显现为直线形时：

敏感轴与地理坐标系北向之间的夹角θ_t保持不变，一直为起始点处的夹角θ₀，故，所述影响值为：D₀+ε+K·ω_e*cosΦ*cos(θ₀)。

5.根据权利要求1、2或3所述的一种基于单轴陀螺的行进轨迹线的三维测量方法，其特征在于：

当行进轨迹线在轨迹平面上显现为规则圆弧形时：

θ(t)＝ψ(t)+θ₀，其中，ψ(t)为运动方向线与X轴之间的夹角，θ₀为起始点处敏感轴与地理坐标系北向之间的夹角。

6.根据权利要求5所述的一种基于单轴陀螺的行进轨迹线的三维测量方法，其特征在于：

其中，ΔL为在该规则圆弧上已行进的弧度，R为该规则圆弧的半径。

7.根据权利要求6所述的一种基于单轴陀螺的行进轨迹线的三维测量方法，其特征在于：单个测量点的X、Y坐标值分别为：

8.根据权利要求1所述的一种基于单轴陀螺的行进轨迹线的三维测量方法，其特征在于：

当行进轨迹线在轨迹平面上显现为不规则的圆弧形时：

θ(t)＝ψ(t)+θ₀，

ψ(t)＝arctan(Y/X)，其中，X、Y为该测量点的X轴、Y轴的坐标值。

9.一种权利要求1所述的基于单轴陀螺的行进轨迹线的三维测量方法的应用，其特征在于：所述应用包括以下步骤：

先将单轴陀螺仪连接于检测小车的顶部，再驱动检测小车沿待检测物的顶面向前运动，运动路线包括直道、弯道中的任意一种或任意组合，并在运动过程中选择测量点进行测量、记录，直至运动结束，然后将获得的所有的测量点的三维坐标值依次连接以获得行进轨迹线，再用行进轨迹线与待检测物的建造数据进行对比，以获得待检测物的形变值，从而检测待检测物的健康状态；

所述待检测物包括桥梁、大坝或隧道。

10.根据权利要求9所述的一种基于单轴陀螺的行进轨迹线的三维测量方法的应用，其特征在于：

所述检测小车上设置有红外光电传感器与里程计，其中，红外光电传感器与红外挡光板相协作以确定检测小车的运动路线为直道或弯道，里程计用以测定检测小车的行驶里程；

所述红外挡光板的数量为多个，所述红外挡光板的设定位置包括直道的起始点、直道的终止点、弯道的起始点、弯道的终止点。