CN114264302B - 倾斜测量设备及其的惯性导航系统的初始化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种倾斜测量设备及其的惯性导航系统的初始化方法。所述初始化方法，包括：将测量杆竖起，所述测量杆的底部触地并保持不动，摇晃所述测量杆的顶部；通过识别惯性传感单元采集的惯性传感数据以及GNSS接收机计算得出的速度计算得出的速度判断此时所述测量杆是否处于摇晃状态，如果是，则找到相对最高点；基于测量头的顶部在相对最高点时陀螺仪测得的角速度计算得到所述惯性传感单元的初始航向角。根据加速度计测得的加速度计算得到所述测量头的倾角，根据所述测量头的倾角以及惯性传感单元的航向角计算得到所述惯性传感单元的初始俯仰角和初始横滚角。这样，可以快速实现初始化，且不需要磁力计。

Description

倾斜测量设备及其的惯性导航系统的初始化方法

技术领域

本发明涉及一种测量领域，尤其涉及一种倾斜测量设备及其的惯性导航系统的初始化方法。

背景技术

现有的倾斜测量设备的惯性导航系统初始化方法存在两个明显的缺点：一是使用磁力计寻北容易受到磁场干扰，精度和可靠性较差；二是初始化时间较长，需要数秒至十几秒，且需要运动数米至十几米后才能使航向初始化精度达到可用水平，效率有待提高。

因此，有必要提出一种方案来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种倾斜测量设备及其的惯性导航系统的初始化方法，其可以不使用磁力计，不易受到磁场干扰，并且初始化速度快。

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提出了一种倾斜测量设备的惯性导航系统的初始化方法，所述倾斜测量设备包括测量杆和设置于所述测量杆的顶部的测量头，所述测量头内设置有惯性导航系统和GNSS接收机，所述惯性导航系统包括惯性传感单元，所述惯性传感单元包括陀螺仪和加速度计，其包括：将所述测量杆竖起，所述测量杆的底部触地并保持不动，摇晃所述测量杆的顶部；通过识别所述惯性传感单元采集的惯性传感数据以及所述GNSS接收机计算得出的速度计算得出的速度判断此时所述测量杆是否处于摇晃状态，如果处于摇晃状态，则基于所述惯性传感单元采集的惯性传感数据和/或所述GNSS接收机计算得出的速度计算得出的速度找到相对最高点；利用GNSS接收机获得的卫星实时观测数据计算获得GNSS接收机的速度，基于所述GNSS接收机的速度计算GNSS接收机的航向角，根据测量杆的长度、测量头的顶部在相对最高点时所述陀螺仪测得的角速度、GNSS接收机的速度计算出惯性传感单元的航向角与GNSS接收机的航向角的偏差，进而根据GNSS接收机的航向角和所述偏差计算出惯性传感单元的初始航向角，或者，利用GNSS接收机获得的卫星实时观测数据计算获得GNSS接收机的速度，根据测量头的顶部在相对最高点时陀螺仪测得的角速度、所述测量杆的杆长和GNSS接收机的速度直接计算得到惯性传感单元的初始航向角；和根据加速度计测得的加速度计算得到所述测量头的倾角，根据所述测量头的倾角以及惯性传感单元的航向角与GNSS接收机的航向角的偏差计算得到所述惯性传感单元的初始俯仰角和初始横滚角。

根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种倾斜测量设备，其包括测量杆和设置于所述测量杆的顶部的测量头，所述测量头内包括惯性导航系统和GNSS接收机，所述惯性导航系统包括惯性传感单元，所述惯性传感单元包括陀螺仪和加速度计，将所述测量杆竖起，所述测量杆的底部触地并保持不动，摇晃所述测量杆的顶部；通过识别所述惯性传感单元采集的惯性传感数据以及所述GNSS接收机计算得出的速度计算得出的速度判断此时所述测量杆是否处于摇晃状态，如果处于摇晃状态，则基于所述惯性传感单元采集的惯性传感数据和/或所述GNSS接收机计算得出的速度计算得出的速度找到相对最高点；利用GNSS接收机获得的卫星实时观测数据计算获得GNSS接收机的速度，基于所述GNSS接收机的速度计算GNSS接收机的航向角，根据测量杆的长度、测量头的顶部在相对最高点时所述陀螺仪测得的角速度、GNSS接收机的速度计算出惯性传感单元的航向角与GNSS接收机的航向角的偏差，进而根据GNSS接收机的航向角和所述偏差计算出惯性传感单元的初始航向角，或者，利用GNSS接收机获得的卫星实时观测数据计算获得GNSS接收机的速度，根据测量头的顶部在相对最高点时陀螺仪测得的角速度、所述测量杆的杆长和GNSS接收机的速度直接计算得到惯性传感单元的初始航向角；和根据加速度计测得的加速度计算得到所述测量头的倾角，根据所述测量头的倾角以及惯性传感单元的航向角与GNSS接收机的航向角的偏差计算得到所述惯性传感单元的初始俯仰角和初始横滚角。

与现有技术相比，本发明通过摇晃所述测量杆就可以实现所述惯性导航系统的快速初始化，速度快，不使用磁力计，不易受到磁场干扰。

附图说明

图1为本发明中的一种倾斜测量设备在摇晃状态的示意图；

图2为本发明中的各个参考坐标系的示意图；和

图3为本发明中的倾斜测量设备的惯性导航系统的初始化方法在一个实施例中的流程示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。

本发明提供一种倾斜测量设备以及其的惯性导航系统的初始化方法，其通过摇晃所述测量杆就可以实现所述惯性导航系统快速初始化，速度快，易于实现，不使用磁力计，不易受到磁场干扰。

图1为本发明中的一种倾斜测量设备在摇晃状态的示意图。如图1所示，所述倾斜测量设备包括测量杆30和设置于所述测量杆30的顶部的测量头20，所述测量头20内设置有惯性导航系统INS和GNSS(Global Navigation Satellite System，GNSS，全球导航卫星系统)接收机，所述惯性导航系统包括惯性传感单元IMU，所述惯性传感单元IMU包括陀螺仪和加速度计。

图3为本发明中的倾斜测量设备的惯性导航系统的初始化方法300在一个实施例中的流程示意图。如图3所示的，所述初始化方法包括如下步骤。

步骤310，将所述测量杆30竖起，所述测量杆30的底部触地并保持不动，摇晃所述测量杆30的顶部。

步骤320，通过识别所述惯性传感单元采集的惯性传感数据以及GNSS接收机计算得出的速度判断此时所述测量杆是否处于摇晃状态，如果是，则基于所述惯性传感单元采集的惯性传感数据和/或所述GNSS接收机计算得出的速度计算得出的速度找到相对最高点。

所述摇晃可以是前后摇晃，也可以是左右摇晃，摇晃时测量杆30的顶部经过最高点，在最高点时测量杆30完全竖直。当然，很难严格要求所述测量杆30精确的完全竖直，因此这里只需要是相对最高点就可以了。

需要知道的是，所述初始化方法300只有在惯性导航系统INS还未被初始化时才能够通过摇晃而启动，在惯性导航系统INS已经被初始化后，即便摇晃所述测量杆30的顶部也没有办法启动所述初始化方法。

步骤330，基于GNSS接收机计算得到的速度、测量头的顶部在相对最高点时陀螺仪测得的角速度、所述测量杆的杆长计算得到所述惯性传感单元的初始航向角。

在本发明中，均是采用RTK技术来计算GNSS接收机的天线相位中心的速度作为GNSS接收机的速度。其中，RTK(Real Time Kinematic)是一种利用卫星实时观测数据进行动态相对定位的技术，是一种广为使用的GNSS技术。

有两种方案可以计算所述惯性传感单元的初始航向角。下面就这两种方案分别进行介绍。

在第一种方案中，利用GNSS接收机获得的卫星实时观测数据计算获得GNSS接收机的速度，基于所述GNSS接收机的速度计算GNSS接收机的航向角，根据测量杆的长度、测量头的顶部在相对最高点时所述陀螺仪测得的角速度、GNSS接收机的速度计算出惯性传感单元的航向角与GNSS接收机的航向角的偏差，进而根据GNSS接收机的航向角和所述偏差计算出惯性传感单元的初始航向角。

更为具体的，基于所述GNSS接收机的速度计算GNSS接收机的航向角具体为：

θ＝atan2(v_e,v_n) (1)

其中θ表示GNSS接收机的航向角，v_e表示GNSS接收机的东方向速度，v_n表示GNSS接收机的北方向速度。即根据公式(1)计算GNSS接收机的航向角θ。

根据测量杆的长度、测量头的顶部在相对最高点时所述陀螺仪测得的角速度、GNSS接收机的速度计算出惯性传感单元的航向角与GNSS接收机的航向角的偏差具体为：

其中为惯性传感单元的航向角与GNSS接收机的航向角的偏差，ω_x，ω_y分别为陀螺仪的X和Y轴的角速度，l为测量杆的长度，/>即根据公式(2)计算偏差/>

根据GNSS接收机的航向角和所述偏差计算出惯性传感单元的初始航向角为：

其中α为惯性传感单元的航向角。即根据公式(3)计算惯性传感单元的初始航向角。

下面介绍一下公式(2)的推导过程。

倾斜测量设备的IMU的位置与测量杆30的底端触底部位的速度关系描述如下：

其中，v系表示载体(此时为测量头30)运动坐标系，v系是以IMU的中心为原点，x轴平行于载体指向GNSS接收机的前进方向，z轴垂直于当地水平面向下，y轴垂直于x轴指向载体右侧，三者构成右手左边系；b系表示IMU坐标系，b系是以IMU中心为原点，x轴指向IMU的x轴，y轴指向IMU的y轴，x轴指向IMU的z轴，三者构成右手左边系；T表示测量杆的触地点位置，表示T点速度向量投影在v系；/>表示IMU速度向量在v系下的投影；/>为v系到b系的姿态旋转矩阵；/>为IMU在b系下相对于n系的转动角速度；l^b为IMU中心指向触地点的向量，在b系下的投影。图2为本发明中的各个参考坐标系的示意图。

摇晃过程中由于测量杆的底部保持不动，故有：

摇动过程中在V系下IMU中心仅存在前向速度，故有：

其中式中

一般情况下，

式中l为测量杆的实际长度标量。

结合公式(5)(6)(7)可以将公式(4)简写为：

式中ω_x为IMU的陀螺仪的X轴输出，ω_y为IMU的陀螺仪的Y轴输出。

由于IMU安装在载体(测量头)上时，倾斜角度较小，故公式(8)可简化为公式(2)。

在第二种方案中，根据测量头的顶部在相对最高点时陀螺仪测得的角速度、所述测量杆的杆长和GNSS接收机的速度直接计算得到惯性传感单元的初始航向角。

具体的，根据如下公式计算得到惯性传感单元的初始航向角：

其中v_e表示GNSS接收机的东方向速度，v_n表示GNSS接收机的北方向速度，ω_x，ω_y分别为陀螺仪的X和Y轴的角速度，l为测量杆的长度，α为惯性传感单元的航向角。

下面介绍一下公式(9)的推导过程。

倾斜测量设备的IMU的位置与测量杆30的底端触底部位的速度关系描述如下

式中，n表示当地坐标系n系，n系是以IMU中心为原点，x轴平行于当地水平面指向正北，y轴平行于当地水平面指向正东，z轴垂直于当地水平面向下，三者构成右手系；b系表示IMU坐标系，b系是以IMU中心为原点，x轴指向IMU x轴，y轴指向IMU y轴，x轴指向IMU x轴，y轴指向IMU z轴，三者构成右手左边系；T表示测量杆触地点杆尖位置，表示T点速度向量投影在n系；/>表示IMU速度向量在n系下的投影；/>为n系到b系的姿态旋转矩阵；/>为IMU在b系下相对于n系的转动角速度；l^b为IMU中心指向触地点的向量，在b系下的投影。图2为本发明中的各个参考坐标系的示意图。

晃动过程中由于测量杆的底部保持不动，故有：

故公式(10)可简写为：

当测量杆的顶部经过最高点时横滚角和俯仰角为较小值，此时V_d接近于0，此时公式(12)可简写为公式(9)。

步骤340，根据加速度计测得的加速度计算得到所述测量头的倾角，根据所述测量头的倾角以及惯性传感单元的航向角与GNSS接收机的航向角的偏差计算得到所述惯性传感单元的初始俯仰角和初始横滚角。

根据加速度计测得的加速度计算得到所述测量头的倾角为：

其中β为所述测量头的倾角，a_z为加速度传感器，g为加速度，l为测量杆的长度，v_e表示GNSS接收机的东方向速度，v_n表示GNSS接收机的北方向速度。即，根据公式(13)可以计算所述测量头的倾角β。根据此时前后历元GNSS接收机的高程变化判断所述倾角正负，如果高程增加则β取正，如果高程减小则β取负。

根据所述测量头的倾角以及惯性传感单元的航向角与GNSS接收机的航向角的偏差计算得到所述惯性传感单元的初始俯仰角pitch和初始横滚角roll为:

其中为惯性传感单元的航向角与GNSS接收机的航向角的偏差。

具体的，倾斜测量v系下的加速度表示为：

式中为IMU中心在V系下的加速度，a_x，a_y，a_z为加速度原始观测值，β为载体平台(即测量头)倾角，g为重力加速度。

其中由于IMU的运动特性在V系下仅有前向加速度，

这样公式(14)可简化得公式(13)。

本发明中，通过摇晃所述测量杆就可以实现所述惯性导航系统快速初始化，速度快，仅需要1-2秒就可以完成初始化，精度高，易于实现，不使用磁力计，不易受到磁场干扰。

在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (6)

1.一种倾斜测量设备的惯性导航系统的初始化方法，所述倾斜测量设备包括测量杆和设置于所述测量杆的顶部的测量头，所述测量头内设置有惯性导航系统和GNSS接收机，所述惯性导航系统包括惯性传感单元，所述惯性传感单元包括陀螺仪和加速度计，其特征在于，其包括：

将所述测量杆竖起，所述测量杆的底部触地并保持不动，摇晃所述测量杆的顶部；

通过识别所述惯性传感单元采集的惯性传感数据以及所述GNSS接收机计算得出的速度计算得出的速度判断此时所述测量杆是否处于摇晃状态，如果处于摇晃状态，则基于所述惯性传感单元采集的惯性传感数据和/或所述GNSS接收机计算得出的速度计算得出的速度找到相对最高点；

利用GNSS接收机获得的卫星实时观测数据计算获得GNSS接收机的速度，基于所述GNSS接收机的速度计算GNSS接收机的航向角，根据测量杆的长度、测量头的顶部在相对最高点时所述陀螺仪测得的角速度、GNSS接收机的速度计算出惯性传感单元的航向角与GNSS接收机的航向角的偏差，进而根据GNSS接收机的航向角和所述偏差计算出惯性传感单元的初始航向角，或者，利用GNSS接收机获得的卫星实时观测数据计算获得GNSS接收机的速度，根据测量头的顶部在相对最高点时陀螺仪测得的角速度、所述测量杆的杆长和GNSS接收机的速度直接计算得到惯性传感单元的初始航向角；和

根据加速度计测得的加速度计算得到所述测量头的倾角，根据所述测量头的倾角以及惯性传感单元的航向角与GNSS接收机的航向角的偏差计算得到所述惯性传感单元的初始俯仰角和初始横滚角，

基于所述GNSS接收机的速度计算GNSS接收机的航向角为：

θ＝atan2(v_e,v_n)

其中θ表示GNSS接收机的航向角，v_e表示GNSS接收机的东方向速度，v_n表示GNSS接收机的北方向速度，

根据测量杆的长度、测量头的顶部在相对最高点时所述陀螺仪测得的角速度、GNSS接收机的速度计算出惯性传感单元的航向角与GNSS接收机的航向角的偏差为：

其中为惯性传感单元的航向角与GNSS接收机的航向角的偏差，ω_x，ω_y分别为陀螺仪的X和Y轴的角速度，l为测量杆的长度，/>

根据GNSS接收机的航向角和所述偏差计算出惯性传感单元的初始航向角为：

其中α为惯性传感单元的航向角。

2.如权利要求1所述的初始化方法，其特征在于，

根据测量头的顶部在相对最高点时陀螺仪测得的角速度、所述测量杆的杆长和GNSS接收机的速度直接计算得到惯性传感单元的初始航向角为：

其中v_e表示GNSS接收机的东方向速度，v_n表示GNSS接收机的北方向速度，ω_x，ω_y分别为陀螺仪的X和Y轴的角速度，l为测量杆的长度，α为惯性传感单元的航向角。

3.如权利要求1所述的初始化方法，其特征在于，根据加速度计测得的加速度计算得到所述测量头的倾角为：

其中β为所述测量头的倾角，a_z为加速度传感器，g为加速度，l为测量杆的长度，v_e表示GNSS接收机的东方向速度，v_n表示GNSS接收机的北方向速度，根据此时前后历元GNSS接收机的高程变化判断所述倾角正负，如果高程增加则β取正，如果高程减小则β取负，

根据所述测量头的倾角以及惯性传感单元的航向角与GNSS接收机的航向角的偏差计算得到所述惯性传感单元的初始俯仰角pitch和初始横滚角roll为:

其中为惯性传感单元的航向角与GNSS接收机的航向角的偏差。

4.一种倾斜测量设备，其包括测量杆和设置于所述测量杆的顶部的测量头，所述测量头内包括惯性导航系统和GNSS接收机，所述惯性导航系统包括惯性传感单元，所述惯性传感单元包括陀螺仪和加速度计，其特征在于，

将所述测量杆竖起，所述测量杆的底部触地并保持不动，摇晃所述测量杆的顶部；

通过识别所述惯性传感单元采集的惯性传感数据以及所述GNSS接收机计算得出的速度计算得出的速度判断此时所述测量杆是否处于摇晃状态，如果处于摇晃状态，则基于所述惯性传感单元采集的惯性传感数据和/或所述GNSS接收机计算得出的速度计算得出的速度找到相对最高点；

利用GNSS接收机获得的卫星实时观测数据计算获得GNSS接收机的速度，基于所述GNSS接收机的速度计算GNSS接收机的航向角，根据测量杆的长度、测量头的顶部在相对最高点时所述陀螺仪测得的角速度、GNSS接收机的速度计算出惯性传感单元的航向角与GNSS接收机的航向角的偏差，进而根据GNSS接收机的航向角和所述偏差计算出惯性传感单元的初始航向角，或者，利用GNSS接收机获得的卫星实时观测数据计算获得GNSS接收机的速度，根据测量头的顶部在相对最高点时陀螺仪测得的角速度、所述测量杆的杆长和GNSS接收机的速度直接计算得到惯性传感单元的初始航向角；和

根据加速度计测得的加速度计算得到所述测量头的倾角，根据所述测量头的倾角以及惯性传感单元的航向角与GNSS接收机的航向角的偏差计算得到所述惯性传感单元的初始俯仰角和初始横滚角，

基于所述GNSS接收机的速度计算GNSS接收机的航向角为：

θ＝atan2(v_e,v_n)

其中θ表示GNSS接收机的航向角，v_e表示GNSS接收机的东方向速度，v_n表示GNSS接收机的北方向速度，

根据测量杆的长度、测量头的顶部在相对最高点时所述陀螺仪测得的角速度、GNSS接收机的速度计算出惯性传感单元的航向角与GNSS接收机的航向角的偏差为：

其中为惯性传感单元的航向角与GNSS接收机的航向角的偏差，ω_x，ω_y分别为陀螺仪的X和Y轴的角速度，l为测量杆的长度，/>

根据GNSS接收机的航向角和所述偏差计算出惯性传感单元的初始航向角为：

其中α为惯性传感单元的航向角。

5.如权利要求4所述的倾斜测量设备，其特征在于，

根据测量头的顶部在相对最高点时陀螺仪测得的角速度、所述测量杆的杆长和GNSS接收机的速度直接计算得到惯性传感单元的初始航向角为：

其中v_e表示GNSS接收机的东方向速度，v_n表示GNSS接收机的北方向速度，ω_x，ω_y分别为陀螺仪的X和Y轴的角速度，l为测量杆的长度，α为惯性传感单元的航向角。

6.如权利要求4所述的倾斜测量设备，其特征在于，根据加速度计测得的加速度计算得到所述测量头的倾角为：

其中β为所述测量头的倾角，a_z为加速度传感器，g为加速度，l为测量杆的长度，v_e表示GNSS接收机的东方向速度，v_n表示GNSS接收机的北方向速度，根据此时前后历元GNSS接收机的高程变化判断所述倾角正负，如果高程增加则β取正，如果高程减小则β取负，

根据所述测量头的倾角以及惯性传感单元的航向角与GNSS接收机的航向角的偏差计算得到所述惯性传感单元的初始俯仰角pitch和初始横滚角roll为:

为惯性传感单元的航向角与GNSS接收机的航向角的偏差。