專利名稱：一種基于光纖陀螺的線形測量系統(tǒng)動態(tài)校正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于道路交通領(lǐng)域中公路、橋梁和隧道的結(jié)構(gòu)線形檢測系統(tǒng)的校正方法。
背景技術(shù)：
公路路基的變形監(jiān)測橋梁和隧道的變形監(jiān)測對于保證交通工程的結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要。公路中軟土地路基很容易發(fā)生沉降、錯差等變形問題。普通的檢測手段無法滿足高精 度的長距離引測。橋梁結(jié)構(gòu)在外力作用下會產(chǎn)生變形，而各種病害如裂縫、預(yù)應(yīng)力損失等最終也導(dǎo)致橋梁線形發(fā)生變化，線形位移是判斷橋梁安全的最重要而且直觀的參考指標(biāo)。隧道在長期的運(yùn)營及使用過程中，最關(guān)心的安全問題就是防止隧道坍塌，及時快速把握隧道沿程走向及圍巖條件較差區(qū)域的環(huán)向變形是確保隧道運(yùn)營安全的重要工作。道路交通領(lǐng)域的變形監(jiān)測對精度要求必須符合相應(yīng)的國家評定標(biāo)準(zhǔn)。例如對于目前常見的斜拉索橋中，如果主跨分別為鋼箱架加勁梁，預(yù)應(yīng)力混凝土梁和鋼桁架加勁梁，跨中撓度最大允許變形為跨徑的1/400，1/500和1/800。如果跨徑為500m，則上述橋梁跨中撓度最大允許值分別為I. 25m, Im和O. 625m。然而每年觀測數(shù)據(jù)顯示，對于有下?lián)献冃乌厔莸拇笮蜆蛄褐骺缈缰邢聯(lián)厦磕曛挥?-3毫米，中小型橋梁跨中下?lián)仙踔林挥?-2毫米。據(jù)此，對線形測量系統(tǒng)的精度要求在毫米量級。公路、橋梁和隧道線形檢測常規(guī)方法主要采用光學(xué)儀器通過建立水準(zhǔn)控制網(wǎng)進(jìn)行測量，長期監(jiān)測主要采用連通管測試系統(tǒng)、激光測量系統(tǒng)、光電圖像式測量系統(tǒng)以及GPS法等新型測試方法。水準(zhǔn)控制網(wǎng)的建立工程復(fù)雜，耗時長，受環(huán)境影響較大。連通管測試系統(tǒng)通過測量各測點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)的液面壓力差來得到各測點(diǎn)的撓度值。不僅需要預(yù)鋪水管，而且在使用過程中存在著響應(yīng)時間慢，施工及維護(hù)成本高等缺點(diǎn)。激光測量系統(tǒng)和光電圖像式測量系統(tǒng)主要是通過光學(xué)系統(tǒng)捕捉光斑或成像的位置變化得出光源的相對位置變化。這兩種測量系統(tǒng)都必須在橋上安裝固定設(shè)備作為參考點(diǎn)，當(dāng)設(shè)備移動后無法獲得最初的測量基準(zhǔn)狀態(tài)，無法滿足長期測量要求，而且不同氣候條件對測量有影響。GPS技術(shù)接收導(dǎo)航衛(wèi)星的載波相位差分?jǐn)?shù)據(jù)實(shí)時測定站點(diǎn)的三維坐標(biāo)，是一種新型的實(shí)時測量技術(shù)。GPS受外界大氣影響小，可以在暴風(fēng)雨中進(jìn)行監(jiān)測，可以實(shí)現(xiàn)三維坐標(biāo)的自動監(jiān)測。然而該技術(shù)存在著垂直高程精度較差、無法達(dá)到毫米精度的缺點(diǎn)，且成本高，無法大規(guī)模開展應(yīng)用。此外進(jìn)行多點(diǎn)精確測量方式時，要求每點(diǎn)靜止測試時間較長，測試慢。上述技術(shù)除了存在各自不同的應(yīng)用局限外，還由于通過為數(shù)不多的測點(diǎn)來擬合檢測對象的撓度線形，因此均存在線形不連續(xù)的問題。采用光纖角速度傳感器可進(jìn)行連續(xù)角度測量，通過換算得到連續(xù)線形坐標(biāo)數(shù)據(jù)，有效克服以上各技術(shù)的缺陷。該方法具有快速方便、操作簡單、連續(xù)性好，以及實(shí)時性高等優(yōu)點(diǎn)?？稍诓环恋K交通的情況下進(jìn)行定期或非定期的各種路面、隧道的線形快速檢測。
光纖角速度傳感器，即光纖陀螺，具有高可靠，長壽命，啟動快，質(zhì)量輕體積小精度高的優(yōu)點(diǎn)，在慣性導(dǎo)航和工程測量領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。光纖陀螺的基本參數(shù)決定其穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，這些基本參數(shù)包括零偏、零偏穩(wěn)定性，隨機(jī)游走系數(shù)，標(biāo)度因數(shù)，標(biāo)度因數(shù)非線性，不對稱性及重復(fù)性。然而由于光纖陀螺各部件的穩(wěn)定性和光源的漂移等等因素，光纖陀螺的輸出不可避免的出現(xiàn)誤差。光纖陀螺輸出誤差包括零偏相關(guān)誤差和標(biāo)度因數(shù)誤差。零偏(重復(fù)性)隨機(jī)漂移，環(huán)境敏感性漂移和輸出量化噪聲造成零偏值的誤差，標(biāo)度因數(shù)的不對稱性非線性重復(fù)性和溫度靈敏度等等影響標(biāo)度因數(shù)的精確性。隨著時間漂移和溫度變化，陀螺誤差將隨之增加。在橋梁線形測量過程中，光纖陀螺由載體牽引在橋面和路面前進(jìn)，通過對角速度和里程儀信號的積分運(yùn)算得到線形曲線坐標(biāo)的增量，進(jìn)一步積分得到全部測量采樣點(diǎn)相對于起點(diǎn)的坐標(biāo)。由于積分計算固有的誤差形成機(jī)理，造成坐標(biāo)計算值的誤差將隨著測量時間的增加而增大。因此采用這種連續(xù)測量技術(shù)進(jìn)行測量時，隨著測量進(jìn)程的進(jìn)行，誤差呈逐漸發(fā)散擴(kuò)大的趨勢。因此有必要采用標(biāo)定方法對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，減小線形測量過程中的系統(tǒng)誤差。 既有專利(申請?zhí)?01010574097. 9和200910073154. 2)，針對光纖陀螺系統(tǒng)本身提出一種結(jié)合GPS數(shù)據(jù)的姿態(tài)解算和濾波方法，上述兩份專利只針對光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)提出根據(jù)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時校正的算法，不涉及到軌跡測量誤差的及時校正。既有專利(申請?zhí)朇N201210116750. 6)中，提出了采用光纖陀螺線形測量系統(tǒng)測量橋梁的線形和剛性曲線的方法，并且提到了多種減小誤差的方法，但是該專利僅采用對數(shù)據(jù)的分析達(dá)到減小誤差的目的，并沒有外在的標(biāo)定校正方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種對基于角速度傳感器的連續(xù)測量技術(shù)進(jìn)行校正的方法。光纖陀螺線形測量系統(tǒng)包括距離傳感器和角速度傳感器。現(xiàn)在一般采用光纖陀螺儀作為角速度傳感單元。沿X軸的光纖陀螺的誤差模型為D = (K+ΑΚ)ωχ +D0 + DtT + DfT+ DmM + Κχνω, + KxM, + ε式中，K為標(biāo)度因數(shù)，ΛΚ為標(biāo)度因數(shù)的非線性誤差。(^沿測量軸X軸測得的角速度值，《y，ωζ分別為Xy和xz兩軸的失準(zhǔn)角相關(guān)角速度，Kxy，Kxz為相關(guān)標(biāo)度因數(shù)，ε為隨機(jī)誤差。該誤差模型中，標(biāo)度因數(shù)和零偏，測量軸和其他軸的失準(zhǔn)角，以及隨機(jī)誤差均影響陀螺的最終輸出值。通過靜置校正可以去掉零偏常值誤差、失準(zhǔn)角和隨機(jī)誤差的影響，然而無法根本消除標(biāo)度因數(shù)和零偏漂移誤差，以及隨機(jī)誤差。因此在線形測試過程中，為了實(shí)時校正這三種誤差，需要采用動態(tài)實(shí)時的校正方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種基于光纖陀螺的線形測量系統(tǒng)動態(tài)校正方法，該方法對光纖陀螺線形測量系統(tǒng)中的光纖陀螺施加預(yù)先定義的角速度交變調(diào)制信號，同時進(jìn)行線形測量，收集包含角速度交變調(diào)制的輸出數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行解算得到包含有調(diào)制信號的角速度和不包含調(diào)制信號的角速度，將包含有調(diào)制信號的角速度數(shù)據(jù)與預(yù)先定義的角速度調(diào)制信號數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得到修正系數(shù)，利用得到的修正系數(shù)對不包含調(diào)制信號的角速度數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，修正后的角速度數(shù)據(jù)進(jìn)行線形曲線解算。本發(fā)明中線形曲線的解算方法參照專利CN201210 116750. 6。具體方法步驟為I)預(yù)先定義一種角速度交變調(diào)制信號；2)對光纖陀螺線形測量系統(tǒng)中的光纖陀螺施加步驟I)的預(yù)先定義的角速度交變調(diào)制信號，同時進(jìn)行線形測量，收集包含角速度交變調(diào)制的輸出數(shù)據(jù)；3)對數(shù)據(jù)進(jìn)行解算得到包含有調(diào)制信號的角速度和不包含調(diào)制信號的角速度；4)將包含有調(diào)制信號的角速度與預(yù)先定義的角速度調(diào)制信號進(jìn)行對比，得到修正系數(shù)；5)利用得到的修正系數(shù)對不包含調(diào)制信號的角速度進(jìn)行修正；6)對修正后的不包含調(diào)制信號的角速度數(shù)據(jù)進(jìn)行線形曲線解算。本發(fā)明中，預(yù)先定義的角速度調(diào)制交變信號由機(jī)械輪或壓電陶瓷實(shí)現(xiàn)。


圖I是本發(fā)明的方法流程圖；圖2是本發(fā)明的一種具體實(shí)施例裝置示意圖；圖中1為光纖陀螺，2為固定陀螺用的托板，3為固定點(diǎn)，4為外加激振裝置。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的一種基于光纖陀螺的線形測量系統(tǒng)動態(tài)校正方法流程圖如圖I所示。先確定幅值恒定頻率恒定的交變調(diào)制信號，給陀螺施加該交變調(diào)制信號，同時進(jìn)行線形測量，分離出包含有交變調(diào)制信號的角速度數(shù)據(jù)，與先確定的幅值恒定頻率恒定的交變調(diào)制信號數(shù)據(jù)對比，得到校正系數(shù)，利用該校正系數(shù)，修正不包含有交變調(diào)制信號的角速度數(shù)據(jù)，即得到經(jīng)過修正的角速度數(shù)據(jù)，然后利用線形曲線解算公式解算。線形曲線的解算方法參照專利CN201210116750. 6。本發(fā)明的一種基于光纖陀螺的線形測量系統(tǒng)動態(tài)校正方法裝置的具體實(shí)施例如圖2所示，采用一個壓電陶瓷PZT激振裝置4對安裝于托板2上的光纖陀螺I進(jìn)行交變調(diào)制，托板一側(cè)經(jīng)固定點(diǎn)3固定?？梢灶A(yù)見，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，可以基于本發(fā)明精神開發(fā)多種應(yīng)用實(shí)·例，凡是不脫離本發(fā)明精神或范圍的修改，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于光纖陀螺的線形測量系統(tǒng)動態(tài)校正方法，其特征是該方法對光纖陀螺線形測量系統(tǒng)中的光纖陀螺施加預(yù)先定義的角速度交變調(diào)制信號，同時進(jìn)行線形測量，收集包含角速度交變調(diào)制的輸出數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行解算得到包含有調(diào)制信號的角速度和不包含調(diào)制信號的角速度，將包含有調(diào)制信號的角速度數(shù)據(jù)與預(yù)先定義的角速度調(diào)制信號數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得到修正系數(shù)，利用得到的修正系數(shù)對不包含調(diào)制信號的角速度數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，修正后的角速度數(shù)據(jù)進(jìn)行線形曲線解算。
2.如權(quán)利要求I所述的一種基于光纖陀螺的線形測量系統(tǒng)動態(tài)校正方法，其特征在于方法步驟為 1)預(yù)先定義一種角速度交變調(diào)制信號； 2)對光纖陀螺線形測量系統(tǒng)中的光纖陀螺施加步驟I)的預(yù)先定義的角速度交變調(diào)制信號，同時進(jìn)行線形測量，收集包含角速度交變調(diào)制的輸出數(shù)據(jù)； 3)對數(shù)據(jù)進(jìn)行解算得到包含有調(diào)制信號的角速度和不包含調(diào)制信號的角速度； 4)將包含有調(diào)制信號的角速度與預(yù)先定義的角速度調(diào)制信號進(jìn)行對比，得到修正系數(shù)； 5)利用得到的修正系數(shù)對不包含調(diào)制信號的角速度進(jìn)行修正； 6)對修正后的不包含調(diào)制信號的角速度數(shù)據(jù)進(jìn)行線形曲線解算。
3.如權(quán)利要求I或2所述的一種基于光纖陀螺的線形測量系統(tǒng)動態(tài)校正方法，其特征在于，預(yù)先定義的角速度調(diào)制交變信號由機(jī)械輪實(shí)現(xiàn)。
4.如權(quán)利要求I或2所述的一種基于光纖陀螺的線形測量系統(tǒng)動態(tài)校正方法，其特征在于，預(yù)先定義的角速度調(diào)制交變信號由壓電陶瓷部件實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于光纖陀螺的線形測量系統(tǒng)動態(tài)校正方法。該方法對光纖陀螺線形測量系統(tǒng)中的光纖陀螺施加預(yù)先定義的角速度交變調(diào)制信號，同時進(jìn)行線形測量，收集包含角速度交變調(diào)制的輸出數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行解算得到包含有調(diào)制信號的角速度和不包含調(diào)制信號的角速度，將包含有調(diào)制信號的角速度數(shù)據(jù)與預(yù)先定義的角速度調(diào)制信號數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得到修正系數(shù)，利用得到的修正系數(shù)對不包含調(diào)制信號的角速度數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，進(jìn)而提高線形測量精度。本發(fā)明適用于道路交通領(lǐng)域中各類公路、橋梁和隧道的線形檢測，具有快捷簡單、連續(xù)性好、實(shí)時性高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01B11/16GK102927926SQ20121045534
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月14日
發(fā)明者李盛, 楊燕, 甘維兵, 劉芳, 高雪清, 胡文彬, 王立新, 姜德生 申請人:武漢理工大學(xué)