CN116295020B - 一种桥梁病害定位方法及定位装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及桥梁病害检测领域，公开了一种桥梁病害定位方法及定位装置,包括如下步骤：1）对定位使用的装置进行姿态校准并在桥梁基准点进行位置标定；2）通过惯性导航方法计算装置空间位移；3）在拍摄病害照片时通过装置姿态与激光测距传感器数据计算病害相对装置的空间位置，最后叠加拍摄时装置的空间位移，计算病害相对桥梁基准点的位移，获取病害在桥上位置的结构化数据。该装置采用了多种传感器和拍照模块结合的方式，可以进行手持本发明设计的手持式装置，能够便于现场检测人员携带，并在采集病害图片时自动计算病害位置。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁病害检测领域，具体涉及一种桥梁病害定位方法及定位装置。
背景技术
目前，在役桥梁不仅服役地理环境复杂，也承担着“重载、高速、大流量”的交通荷载，随着时间的推移，由于自然环境、材料劣化、施工缺陷、超载因素等，大量在役桥梁出现病害问题，导致桥梁承载能力下降，若桥梁病害处理不及时，不仅桥梁的使用性能会受到影响，严重的病害甚至会导致桥梁结构的整体失效。
目前发现桥梁病害的最有效方法仍是人工检测，所采用的无损检测方法、试验检测方法等能够及时发现桥梁病害，并对病害的产生原因、严重程度、发展可能性做出全面评估，为病害处治提供详细可靠的依据。单次的桥梁检测难以完整地反应桥梁结构状态的演变，只有通过对损伤的精确定位，以历年检测数据对桥梁病害进行跟踪，才能完整反应桥梁结构状态的变化历程，对其状态变化做出准确评估，有针对性地展开养护工作，并对新建桥梁地运维养护工作提供指导，这就要求检测过程中获取病害位置的准确数据。此外，BIM（Building Information Modeling）等信息化技术在桥梁养护中被广泛应用，也对桥梁损伤的精确定位提出了要求。
然而，人工检测桥梁病害时，由于需要进行桥梁底部等特殊位置的检测，对于桥梁病害的定位大多通过表格记录或是在简略图上人工绘制，不仅在现场检测时会耗费检测人员大量时间，病害的定位精度也难以满足损伤的跟踪与信息化要求，在最终生成检测报告时也需要检测人员重新在计算机中结构化检测数据，以上因素使得桥梁病害定位成为检测作业中的难点。
发明内容
本发明针对上述不足，提供了一种桥梁病害定位方法及定位装置，能够在不借助GPS、雷达等定位系统的情况下，通过一次标定后，在应用过程中单次拍摄病害图片，即可实现对桥梁病害的定位。并且该装置采用了多种传感器和拍照模块结合的方式，可以进行手持本发明设计的手持式装置，能够便于现场检测人员携带，并在采集病害图片时自动计算病害位置。
本发明的技术方案为：一种桥梁病害定位方法,包括如下步骤：步骤1、对定位使用的装置进行姿态校准并在桥梁基准点进行位置标定；步骤2、通过惯性导航方法计算装置空间位移；步骤3、在拍摄病害照片时通过装置姿态与激光测距传感器数据计算病害相对装置的空间位置，最后叠加拍摄时装置的空间位移，计算病害相对桥梁基准点的位移，获取病害在桥上位置的结构化数据。
在步骤1中，检测人员手持装置，在桥梁基点（即数字化建模中桥梁模型建立原点处）进行设备标注，校正装置磁力测量，之后测量装置距基点高度；
校正装置磁力测量的方法如下，
将装置分别绕XYZ轴进行周期性旋转，再绕不同方向进行旋转，完成之后可以获取磁力计磁场强度图，采集数据后通过最小二乘法，求出拟合球心，进行椭球拟合，椭球的表达式如下：
上述公式计算所得椭球球心表达式为，
通过最小二乘法得椭球球心拟合结果，通过零偏置修正进行误差矫正；式中C表示椭球球心； 、/> 、/> 、/> 、/> 、/> 、/> 、/> 、/>为常数。
测量装置距基点高度的具体方法如下，
首先在桥梁基点上做检测标记，之后检测人员将装置移动至桥梁基点正上方，开启装置进入基点标定程序，装置在屏幕上显示姿态测量模块的读数，当三轴角度均为0时，装置通过激光测距模块测量装置重心高度并自动记录，作为测量基点。
进行位置标定时，地理坐标系使用的是大地2000坐标系，即X轴指向正东，Y轴指向正北，Z轴指向天空方向，此坐标系的变动是随着载体的运动而产生的，以表示地理坐标系下的坐标；装置坐标系以载体重心为原点，X轴为装置长度方向上的对称轴，Y轴为装置宽度方向上的对称轴，Z轴垂直于装置表面，以此轴线建立的笛卡尔坐标系，以表示装置坐标系下的坐标与角度。
步骤2）中，将装置在高度变化平缓的平面上移动，装置依靠惯性导航技术计算装置三轴位移，包括装置姿态更新和装置速度与位置更新：具体步骤如下，
装置姿态更新：采用基于旋转矢量的方向余弦法进行装置姿态矩阵求解，使用陀螺仪输出的相对姿态与磁力计输出的装置姿态联合求解的方式，提高装置姿态求解精度，
基于陀螺仪的装置姿态矩阵更新公式如下：
其中，与/>分别代表当前时刻与前一时刻装置的姿态矩阵，/>代表单位矩阵，代表陀螺仪输出的三轴角速度矩阵的反对称矩阵，/>表示采样间隔时间；
磁力计读取当前读数获取装置的姿态；
通过以装置姿态矩阵作为状态向量建立卡尔曼滤波器，以上述两个装置姿态作为观测量进行卡尔曼滤波，以滤波器的更新值作为最终获取的装置姿态矩阵；
装置速度与位置更新：在获取装置姿态以后，根据加速度传感器值计算装置速度，进一步计算装置位移，装置速度计算具体公式如下：
其中，代表装置速度，/>代表加速度传感器读数；
装置位移计算具体公式如下：
其中，代表装置在装置坐标系下的位移，以/>表示，
在获取装置的位移后，依据装置的初始位置，即可获取装置当前位置，记为。
步骤3）中，发现桥梁病害后，将装置对准病害位置并拍摄照片，获取本机拍摄照片时的位置与拍摄姿态，并通过激光测距模块测量装置与病害距离/>，计算病害与桥梁基点的相对位置，
病害定位的具体计算公式如下：
其中，为病害以桥梁基点为原点，坐标轴方向与装置坐标系（/>系）相同的坐标系下的位置，/>为通过装置当前姿态计算获取的标量/>的投影矩阵，
在获取上述坐标以后，对于单体的桥梁BIM模型来说，在模型中通过坐标获取病害位置并在模型中对病害进行建模显示，同时，为了在统一的坐标系下描述病害位置，通过前述矩阵将坐标转换至大地坐标系下进行描述，便于出具检测报告中对于病害的统一描述。
一种用于上述方法的桥梁病害定位装置，包括用于测距的激光测距模块、用于测量姿态的姿态测量模块、用于测量加速度的加速度传感器、用于拍摄病害位置图片的拍照模块、处理器、显示屏、按键模块，所述的激光测距模块、姿态测量模块、加速度传感器、拍照模块、显示屏、按键模块均与处理器连接，另外，还有用于供电的电源，电源为上述模块进行供电；所述的姿态测量模块包括磁力计和陀螺仪，按键模块包括电源按钮、图片按钮、姿态传感按钮、激光测距按钮、拍照按钮、基点标定按钮等，处理器还可以与通信模块连接，将定位信息和拍摄的照片发送给上级控制平台进行处理。
通过上述描述可以看出，本方案公开了一种桥梁病害定位方法与手持式装置。首先装置进行姿态校准并在桥梁基准点进行位置标定，之后以九轴姿态传感器数据为基础，通过惯性导航方法计算装置空间位移，在拍摄病害照片时通过装置姿态与激光测距传感器数据计算病害相对装置的空间位置，最后叠加拍摄时装置的空间位移，计算病害相对桥梁基准点的位移，获取病害在桥上位置的结构化数据。能够在不借助GPS、雷达等定位系统的情况下，通过一次标定后，在应用过程中单次拍摄病害图片，即可实现对桥梁病害的定位。本发明设计的手持式装置，能够便于现场检测人员携带，并在采集病害图片时自动计算病害位置。
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，下面将对具体实施方式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种具体实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明具体实施方式的流程图。
图2为装置的正面视图。
图3为装置的后视图。
图4为装置的电气框图。
图中，1为激光测距模块，2为拍照模块，3为基点标定按钮，4为拍照按钮，5为显示屏，6为电源按钮，7为图片按钮，8为姿态传感按钮，9为激光测距按钮。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本方案的桥梁病害定位方法,其特征在于包括如下步骤：
步骤1、对定位使用的装置进行姿态校准并在桥梁基准点进行位置标定；
在步骤1中，检测人员手持装置，在桥梁基点进行设备标注，校正装置磁力测量，之后测量装置距基点高度；
校正装置磁力测量的方法如下，
将装置分别绕XYZ轴进行周期性旋转，再绕不同方向进行旋转，完成之后可以获取磁力计磁场强度图，采集数据后通过最小二乘法，求出拟合球心，进行椭球拟合，椭球的表达式如下：
上述公式计算所得椭球球心表达式为，
通过最小二乘法得椭球球心拟合结果，通过零偏置修正进行误差矫正；
测量装置距基点高度的具体方法如下，
首先在桥梁基点上做检测标记，之后检测人员将装置移动至桥梁基点正上方，开启装置进入基点标定程序，装置在屏幕上显示姿态测量模块的读数，当三轴角度均为0时，装置通过激光测距模块测量装置重心高度并自动记录，作为测量基点。
地理坐标系（系）
进行位置标定时，地理坐标系使用的是大地2000坐标系，即X轴指向正东，Y轴指向正北，Z轴指向天空方向，此坐标系的变动是随着载体的运动而产生的，以表示地理坐标系下的坐标。
装置坐标系（系）
装置坐标系以载体重心为原点，X轴为装置长度方向上的对称轴，Y轴为装置宽度方向上的对称轴，Z轴垂直于装置表面，以此轴线建立的笛卡尔坐标系，以表示装置坐标系下的坐标与角度。
步骤2通过惯性导航方法计算装置空间位移；
步骤2）中，将装置在高度变化平缓的平面上移动，装置依靠惯性导航技术计算装置三轴位移，具体步骤如下，
装置姿态更新：
采用基于旋转矢量的方向余弦法进行装置姿态矩阵求解，使用陀螺仪输出的相对姿态与磁力计输出的装置姿态联合求解的方式，提高装置姿态求解精度，
基于陀螺仪的装置姿态矩阵更新公式如下：
其中，与/>分别代表当前时刻与前一时刻装置的姿态矩阵，/>代表单位矩阵，代表陀螺仪输出的三轴角速度矩阵的反对称矩阵，/>表示采样间隔时间；
磁力计读取当前读数获取装置的姿态；
通过以装置姿态矩阵作为状态向量建立卡尔曼滤波器，以上述两个装置姿态作为观测量进行卡尔曼滤波，以滤波器的更新值作为最终获取的装置姿态矩阵；
装置速度与位置更新：
在获取装置姿态以后，根据加速度传感器值计算装置速度，进一步计算装置位移，装置速度计算具体公式如下：
其中，代表装置速度，/>代表加速度传感器读数；
装置位移计算具体公式如下：
其中，代表装置在装置坐标系下的位移，以/>表示，
在获取装置的位移后，依据装置的初始位置，即可获取装置当前位置，记为。
步骤3在拍摄病害照片时通过装置姿态与激光测距传感器数据计算病害相对装置的空间位置，最后叠加拍摄时装置的空间位移，计算病害相对桥梁基准点的位移，获取病害在桥上位置的结构化数据。
步骤3中，发现桥梁病害后，将装置对准病害位置并拍摄照片，获取本机拍摄照片时的位置与拍摄姿态，并通过激光测距模块测量装置与病害距离/>，计算病害与桥梁基点的相对位置，
病害定位的具体计算公式如下：
其中，为病害以桥梁基点为原点，坐标轴方向与装置坐标系（/>系）相同的坐标系下的位置，/>为通过装置当前姿态计算获取的标量/>的投影矩阵，
在获取上述坐标以后，对于单体的桥梁BIM模型来说，在模型中通过坐标获取病害位置并在模型中对病害进行建模显示，同时，为了在统一的坐标系下描述病害位置，通过前述矩阵将坐标转换至大地坐标系下进行描述。
一种用于上述方法的桥梁病害定位装置，包括用于测距的激光测距模块1、用于测量姿态的姿态测量模块、用于测量加速度的加速度传感器、用于拍摄病害位置图片的拍照模块、处理器、显示屏5、按键模块，所述的激光测距模块、姿态测量模块、加速度传感器、拍照模块、显示屏5、按键模块均与处理器连接，按键模块包括电源按钮6、图片按钮7、姿态传感按钮8、激光测距按钮9、拍照按钮4、基点标定按钮3等；另外，还有用于供电的电源，所述的姿态测量模块包括磁力计和陀螺仪。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种桥梁病害定位方法,其特征在于包括如下步骤：
步骤1、对定位使用的装置进行姿态校准并在桥梁基点进行位置标定；
步骤2、通过惯性导航方法计算装置空间位移；
步骤3、在拍摄病害照片时通过装置姿态与激光测距传感器数据计算病害相对装置的空间位置，最后叠加拍摄时装置的空间位移，计算病害相对桥梁基点的位移，获取病害在桥上位置的结构化数据；
在步骤1中，检测人员手持装置，在桥梁基点进行设备标注，校正装置磁力测量，之后测量装置距基点高度；
校正装置磁力测量的方法如下，
将装置分别绕XYZ轴进行周期性旋转，再绕不同方向进行旋转，完成之后可以获取磁力计磁场强度图，采集数据后通过最小二乘法，求出拟合球心，进行椭球拟合，椭球的表达式如下：
椭球球心表达式为，
通过最小二乘法得椭球球心拟合结果，通过零偏置修正进行误差矫正，式中C表示椭球球心；
测量装置距基点高度的具体方法如下，
首先在桥梁基点上做检测标记，之后检测人员将装置移动至桥梁基点正上方，开启装置进入基点标定程序，装置在屏幕上显示姿态测量模块的读数，当三轴角度均为0时，装置通过激光测距模块测量装置重心高度并自动记录，作为测量基点；
进行位置标定时，地理坐标系使用的是大地2000坐标系，即X轴指向正东，Y轴指向正北，Z轴指向天空方向，此坐标系的变动是随着载体的运动而产生的，以表示地理坐标系下的坐标；
装置坐标系以载体重心为原点，X轴为装置长度方向上的对称轴，Y轴为装置宽度方向上的对称轴，Z轴垂直于装置表面，以此轴线建立的笛卡尔坐标系，以，表示装置坐标系下的坐标与角度；
步骤2中，将装置在高度变化平缓的平面上移动，装置依靠惯性导航技术计算装置三轴位移，具体步骤如下，
装置姿态更新：
采用基于旋转矢量的方向余弦法进行装置姿态矩阵求解，使用陀螺仪输出的相对姿态与磁力计输出的装置姿态联合求解的方式，提高装置姿态求解精度，
基于陀螺仪的装置姿态矩阵更新公式如下：
其中，与/>分别代表当前时刻与前一时刻装置的姿态矩阵，/>代表单位矩阵，代表陀螺仪输出的三轴角速度矩阵的反对称矩阵，/>表示采样间隔时间；
磁力计读取当前读数获取装置的姿态；
通过以装置姿态矩阵作为状态向量建立卡尔曼滤波器，以上述两个装置姿态作为观测量进行卡尔曼滤波，以滤波器的更新值作为最终获取的装置姿态矩阵；
装置速度与位置更新：
在获取装置姿态以后，根据加速度传感器值计算装置速度，进一步计算装置位移，装置速度计算具体公式如下：
其中，代表装置速度，/>代表加速度传感器读数；
装置位移计算具体公式如下：
其中，代表装置在装置坐标系下的位移，以/>表示，
在获取装置的位移后，依据装置的初始位置，即可获取装置当前位置，记为
。
2.根据权利要求1所述的桥梁病害定位方法，其特征在于，
步骤3）中，发现桥梁病害后，将装置对准病害位置并拍摄照片，获取本机拍摄照片时的位置与拍摄姿态，并通过激光测距模块测量装置与病害距离/>，计算病害与桥梁基点的相对位置，
病害定位的具体计算公式如下：
其中，为病害以桥梁基点为原点，坐标轴方向与装置坐标系相同的坐标系下的位置，/>为通过装置当前姿态计算获取的标量/>的投影矩阵，
在获取上述病害定位以后，对于单体的桥梁BIM模型来说，在模型中通过坐标获取病害位置并在模型中对病害进行建模显示，同时，为了在统一的坐标系下描述病害位置，通过前述矩阵将坐标转换至大地坐标系下进行描述。
3.根据权利要求2所述的桥梁病害定位方法，其特征在于：包括桥梁病害定位装置，桥梁病害定位装置包括用于测距的激光测距模块、用于测量姿态的姿态测量模块、用于测量加速度的加速度传感器、用于拍摄病害位置图片的拍照模块、处理器、显示屏、按键模块，所述的激光测距模块、姿态测量模块、加速度传感器、拍照模块、显示屏、按键模块均与处理器连接，另外，还有用于供电的电源，所述的姿态测量模块包括磁力计和陀螺仪。
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