本發(fā)明涉及橋梁檢測技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種基于pos系統(tǒng)的橋梁檢測方法。
背景技術(shù):
橋梁檢測的主要目的是對橋梁的使用性能以及安全狀態(tài)進(jìn)行評定。在橋梁檢測領(lǐng)域,一直將橋梁的結(jié)構(gòu)線形作為評定橋梁的整體結(jié)構(gòu)性能以及分析其受力情況的一個重要指標(biāo)。為了便于對橋梁線形的變化進(jìn)行系統(tǒng)有效的檢測,所有的橋梁在建成初期都要對其初始的結(jié)構(gòu)線形進(jìn)行精確測量,之后采取定期或不定期的方式對橋梁結(jié)構(gòu)線形進(jìn)行系統(tǒng)的檢測,再對比不同時期的結(jié)構(gòu)線形圖,分析其變化的規(guī)律。
傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)線形檢測方法均采用在橋梁上布設(shè)一定數(shù)量的離散測量點的靜態(tài)測量方式,通過架設(shè)各種工程測量儀器對離散點位的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,如經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、全站儀等工程測量儀器,最后擬合得到橋梁的結(jié)構(gòu)線形曲線,通過對不同時期的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,就可以得到各時期的橋梁結(jié)構(gòu)線形圖。該方法測量精度較高,但是需要設(shè)定永久基準(zhǔn)點,架設(shè)儀器、確定測量點等,測量流程十分繁雜,測量方法工作周期長,耗時費(fèi)力,且測試條件十分苛刻,需在封橋的條件下才能得到較高精度的測量結(jié)果,無法滿足數(shù)量龐大的中小型橋梁結(jié)構(gòu)安全檢測的應(yīng)用需求。
最新出現(xiàn)的gnss測量方法雖然可以實現(xiàn)快速的結(jié)構(gòu)線形測量,但是測量精度依賴于衛(wèi)星導(dǎo)航信號無遮擋的情況,且易受拉索及橋塔的干擾。
動態(tài)測量方式捷聯(lián)慣導(dǎo)技術(shù),通過內(nèi)部的陀螺儀和加速度計采集裝置對運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行采集,通過積分推算得到運(yùn)載體的運(yùn)動軌跡,然而由于運(yùn)動軌跡的推算過程中,采用的是積分推算方式,將導(dǎo)致軌跡推算過程中微小的偏差到最后越來越大,呈發(fā)散趨勢。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于pos系統(tǒng)的橋梁檢測方法,旨在快速、準(zhǔn)確地測量橋梁結(jié)構(gòu)形變位置與形變量,實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的高精度檢測。
為實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明提出一種基于pos系統(tǒng)的橋梁檢測方法,該橋梁檢測方法包括以下步驟:
依據(jù)橋梁線形檢測要求,在測量載體上安裝pos系統(tǒng);
建立橋軸坐標(biāo)系和測量坐標(biāo)系;
依據(jù)測量載體在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的姿態(tài)角和位置,在測量坐標(biāo)系上獲取基于pos系統(tǒng)的檢測離散線形;
對所述檢測離散線形進(jìn)行誤差分析和預(yù)處理,得到預(yù)處理離散線形;
將所述預(yù)處理離散線形轉(zhuǎn)換到橋軸坐標(biāo)系中,得到反映橋梁結(jié)構(gòu)的pos檢測線形圖。
進(jìn)一步地,所述建立橋軸坐標(biāo)系和測量坐標(biāo)系的步驟之后,依據(jù)測量載體在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的姿態(tài)角和位置,在測量坐標(biāo)系上獲取基于pos系統(tǒng)的檢測離散線形的步驟之前,還包括:
參考待測橋梁的車道數(shù)及線形結(jié)構(gòu),規(guī)劃測量路徑并設(shè)計測量速度。
進(jìn)一步地,所述建立橋軸坐標(biāo)系和測量坐標(biāo)系的步驟,具體包括:
在待測橋梁的兩端,選定已知水平儀測量高程值的兩個基準(zhǔn)點,作為待測橋梁的起點和終點;
以所述兩個基準(zhǔn)點之一為原點構(gòu)建的參考坐標(biāo)系為橋軸坐標(biāo)系;
基于所述pos系統(tǒng)獲取測量點的導(dǎo)航坐標(biāo);
以所述測量點的導(dǎo)航坐標(biāo)為原點,構(gòu)建空間直角坐標(biāo)系,并依據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換至東北天坐標(biāo)系,以所述東北天坐標(biāo)系為測量坐標(biāo)系。
進(jìn)一步地,所述對所述檢測離散線形進(jìn)行誤差分析和預(yù)處理,得到預(yù)處理離散線形的步驟,具體包括:
對所述檢測離散線形進(jìn)行低通濾波處理,
對所述檢測離散線形進(jìn)行振動誤差處理,消除測量載體與橋梁耦合產(chǎn)生的振動誤差;
對經(jīng)過振動誤差處理后的檢測離散線形進(jìn)行非線性擬合,得到所述預(yù)處理離散線形。
進(jìn)一步地,所述對所述檢測離散線形進(jìn)行低通濾波處理的步驟之后,對所述檢測離散線形進(jìn)行振動誤差處理,消除測量載體與橋梁耦合產(chǎn)生的振動誤差的步驟之前,還包括:
對經(jīng)過低通濾波處理后的檢測離散線形進(jìn)行中值濾波處理,去除低頻范圍內(nèi)的不平整誤差。
進(jìn)一步地,所述pos系統(tǒng)包括gnss接收機(jī)和慣性測量裝置imu;
所述gnss接收機(jī)的靜態(tài)水平定位精度為5mm±1ppm,靜態(tài)垂直定位精度為10mm±1ppm,動態(tài)水平定位精度為10mm±1ppm,動態(tài)垂直定位精度為20mm±2ppm;
所述imu的具體參數(shù)為:陀螺儀零偏穩(wěn)定性≤0.01/h,陀螺儀零偏重復(fù)性≤0.01/h,陀螺儀測量范圍±300°/s,加速度計測量范圍±20g,加速度計零偏月重復(fù)性≤10μg;
所述pos系統(tǒng)的采樣頻率為200hz,實時動態(tài)方位精度高于0.05°,水平姿態(tài)精度高于0.02°。
進(jìn)一步地,所述測量路徑包括直線測量路徑和曲線測量路徑,所述測量速度為10-20km/h。
進(jìn)一步地,所述將所述預(yù)處理離散線形轉(zhuǎn)換到橋軸坐標(biāo)系采用的坐標(biāo)換算公式為
進(jìn)一步地,所述低通濾波的低通截止頻率負(fù)相關(guān)于橋面等級,所述中值濾波的鄰域窗口的數(shù)量為30。
本發(fā)明的基于pos系統(tǒng)的橋梁檢測方法,首先依據(jù)橋梁線形檢測要求,在測量載體上安裝pos系統(tǒng),建立橋軸坐標(biāo)系和測量坐標(biāo)系,然后參考待測橋梁的車道數(shù)及線形結(jié)構(gòu),規(guī)劃測量路徑并設(shè)計測量速度,隨后依據(jù)測量載體在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的姿態(tài)角和位置,在測量坐標(biāo)系上獲取基于pos系統(tǒng)的檢測離散線形,接著對所述檢測離散線形進(jìn)行誤差分析和預(yù)處理,得到預(yù)處理離散線形,最后將所述預(yù)處理離散線形經(jīng)過轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換到橋軸坐標(biāo)系中,得到反映橋梁真實結(jié)構(gòu)的pos檢測線形圖,該橋梁檢測方法能夠快速、準(zhǔn)確地測量出橋梁的形變位置和形變量,測量精度達(dá)到毫米量級,能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)線形的高精度檢測。
附圖說明
為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案,下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹,顯而易見地,下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例,對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講,在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下,還可以根據(jù)這些附圖示出的結(jié)構(gòu)獲得其他的附圖。
圖1為本發(fā)明基于pos系統(tǒng)的橋梁檢測方法一實施例的流程圖;
圖2為圖1中步驟s20的具體流程圖;
圖3為圖1中步驟s50的具體流程圖;
圖4為本發(fā)明橋梁檢測方法的測量路徑一實施例的示意圖;
圖5為圖3中步驟s53中不同路徑耦合振動誤差曲線;
圖6為圖3中步驟s53中不同路徑耦合振動誤差頻譜;
圖7為圖3中步驟s54中最終測量誤差曲線。
本發(fā)明目的的實現(xiàn)、功能特點及優(yōu)點將結(jié)合實施例,參照附圖做進(jìn)一步說明。
具體實施方式
應(yīng)當(dāng)理解,此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明,并不用于限定本發(fā)明。
本發(fā)明提供一種基于pos系統(tǒng)的橋梁檢測方法。
參照圖1,圖1為本發(fā)明基于pos系統(tǒng)的橋梁檢測方法一實施例的流程圖。
在本實施例中,該基于pos系統(tǒng)的橋梁檢測方法,包括以下步驟:
s10:依據(jù)橋梁線形檢測要求,在測量載體上安裝pos系統(tǒng);
在本實施例中,基于pos系統(tǒng)對橋梁進(jìn)行檢測時,第一步要根據(jù)橋梁的線形檢測要求,準(zhǔn)備測量檢測車,在所述測量檢測車上安裝pos(positionorientsystem)系統(tǒng),即gnss接收機(jī)與慣性測量裝置imu組合而成的高精度位置姿態(tài)測量系統(tǒng),在進(jìn)行橋梁檢測時,gnss接收機(jī)一般至少設(shè)置兩個,一個與所述慣性測量裝置imu組合成高精度的位置姿態(tài)測量系統(tǒng),另一個則設(shè)置在待測橋梁附近的絕對平面上。pos系統(tǒng)中,imu的參數(shù)一般會考慮:陀螺儀的特性參數(shù),包括陀螺儀零偏穩(wěn)定性、陀螺儀零偏重復(fù)性、陀螺儀測量范圍,加速度計的特性參數(shù),包括加速度計測量范圍。加速度計零偏月重復(fù)性,gnss的參數(shù)一般考慮靜態(tài)水平定位精度、靜態(tài)垂直定位精度、動態(tài)水平定位精度、動態(tài)垂直定位精度等,pos系統(tǒng)的特性參數(shù)還包括數(shù)據(jù)采樣頻率。在本實施例中,基于gnss和imu的參數(shù)選取如下表所示:
表1imu相關(guān)參數(shù)
表2gnss相關(guān)參數(shù)
所述pos系統(tǒng)的采樣頻率為200hz,實時動態(tài)方位精度高于0.05°,水平姿態(tài)精度高于0.02°。
s20:建立橋軸坐標(biāo)系和測量坐標(biāo)系;
在本實施例中,在將pos系統(tǒng)安裝在作為測量載體的測量小車上后,第二步需要基于該pos系統(tǒng)輸出測量點及基準(zhǔn)點的導(dǎo)航坐標(biāo),然后基于所述測量點和基準(zhǔn)點的坐標(biāo)建立橋軸坐標(biāo)系和測量坐標(biāo)系。
s30:參考待測橋梁的車道數(shù)及線形結(jié)構(gòu),規(guī)劃測量路徑并設(shè)計測量速度;
在本實施例中,在建立橋軸坐標(biāo)系和測量坐標(biāo)系后,第三步需要參考待測橋梁的車道數(shù)及橋梁線形結(jié)構(gòu),選擇測量車道、車輛行駛的路線,并考慮待測橋梁的車速限制及車速對測量結(jié)果的影響,本實施例以武漢晴川橋為例,參照圖4,參考晴川橋為兩車道,選擇測量車道為第一車道和第二車道,考慮晴川橋設(shè)計結(jié)構(gòu)的對稱性和測量效率之后,規(guī)劃測量小車的行駛路線、測量路徑、及測量車速v,在本實施例中,規(guī)劃了四條路徑,兩條直線測量路徑,兩條曲線測量路徑,晴川橋限速40km/h,考慮到車速越低,測量車與橋梁的耦合振動影響越小,因而在綜合考慮測量效率的情況下,將測量車速設(shè)計在v=10-20km/h,優(yōu)選20km/h。
s40:依據(jù)測量載體在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的姿態(tài)角和位置,在測量坐標(biāo)系上獲取基于pos系統(tǒng)的檢測離散線形;
在本實施例中,在規(guī)劃好測量路徑并設(shè)計好測量車速之后,第四步就是啟動測量車按照設(shè)計好的測量車速在規(guī)劃好的測量路徑上行駛,獲取各個測量點的導(dǎo)航坐標(biāo),并在采樣時段ti內(nèi)獲取pos系統(tǒng)輸出測量車,也即ti時間段內(nèi)測量車經(jīng)過的測量點在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的姿態(tài)角和位置(bi,li,hi,xi,yi),然后取東北天坐標(biāo)系中的高程值,與第一個基準(zhǔn)點的高程作差,得到基于pos系統(tǒng)的檢測離散線形。
s50:對所述檢測離散線形進(jìn)行誤差分析和預(yù)處理,得到預(yù)處理離散線形;
在本實施例中,在得到基于pos系統(tǒng)的檢測離散線形后,由于pos系統(tǒng)在測量過程中因為路面的不平整、測量車與待測橋梁的耦合振動而一直處于振動改變狀態(tài),所以第五步需要對得到的基于pos系統(tǒng)的檢測離散線形數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析和預(yù)處理,以結(jié)合高精度的精密水準(zhǔn)儀采樣點數(shù)據(jù)插值,分析待測橋梁路面不平整和測量車與橋梁耦合振動的頻域特性等因素,消除路面不平整和車橋耦合振動帶來的誤差,利用pos系統(tǒng)高精度的高程測量特性完成對待測橋梁的高程測量。
s60:將所述預(yù)處理離散線形轉(zhuǎn)換到橋軸坐標(biāo)系中,得到反映橋梁結(jié)構(gòu)的pos檢測線形圖。
在本實施例中,在得到經(jīng)過預(yù)處理之后的橋梁離散線形之后,由于pos系統(tǒng)采集的橋梁結(jié)構(gòu)線形數(shù)據(jù)為東北天坐標(biāo)系下的橋梁線形,而橋梁的真實結(jié)構(gòu)為橋軸坐標(biāo)系下的線形,二者位于不同的坐標(biāo)系中,因而第六步需要將所述預(yù)處理離散線形轉(zhuǎn)換到橋軸坐標(biāo)系中,將兩個不同的坐標(biāo)系進(jìn)行統(tǒng)一,以得到反映橋梁真實結(jié)構(gòu)的pos檢測線形圖,其中,將所述預(yù)處理離散線形轉(zhuǎn)換到橋軸坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)換公式為
本實施例的基于pos系統(tǒng)的橋梁檢測方法,首先依據(jù)橋梁線形檢測要求,在測量載體上安裝pos系統(tǒng),建立橋軸坐標(biāo)系和測量坐標(biāo)系,然后參考待測橋梁的車道數(shù)及線形結(jié)構(gòu),規(guī)劃測量路徑并設(shè)計測量速度,隨后依據(jù)測量載體在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的姿態(tài)角和位置,在測量坐標(biāo)系上獲取基于pos系統(tǒng)的檢測離散線形,接著對所述檢測離散線形進(jìn)行誤差分析和預(yù)處理,得到預(yù)處理離散線形,最后將所述預(yù)處理離散線形經(jīng)過轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換到橋軸坐標(biāo)系中,得到反映橋梁真實結(jié)構(gòu)的pos檢測線形圖。該橋梁檢測方法利用多種平滑處理方式處理橋梁高程噪聲,結(jié)合高精度的精密水準(zhǔn)儀采樣測量點數(shù)據(jù)插值,通過分析路面不平整和車橋耦合振動頻域特性,消除測量誤差影響,在保證東北天坐標(biāo)系穩(wěn)定的前提下,利用高精度的gnss的平面坐標(biāo)信息完成測量坐標(biāo)系和橋軸坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系,利用pos系統(tǒng)高精度的高層測量特性完成橋梁的高層測量,能夠快速、準(zhǔn)確的測量橋梁結(jié)構(gòu)形變位置及形變量,測量精度達(dá)到毫米量級,能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)線形的高精度檢測。
進(jìn)一步地,參照圖2,基于上述實施例的基于pos系統(tǒng)的橋梁檢測方法,步驟s20具體包括:
s21:在待測橋梁的兩端,選定已知水平儀測量高程值的兩個基準(zhǔn)點,作為待測橋梁的起點和終點;
s22:以所述兩個基準(zhǔn)點之一為原點構(gòu)建的參考坐標(biāo)系為橋軸坐標(biāo)系;
s23:基于所述pos系統(tǒng)獲取測量點的導(dǎo)航坐標(biāo);
s24:以所述測量點的導(dǎo)航坐標(biāo)為原點,構(gòu)建空間直角坐標(biāo)系,并依據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換至東北天坐標(biāo)系,以所述東北天坐標(biāo)系為測量坐標(biāo)系。
在本實施例中,橋軸坐標(biāo)系和測量坐標(biāo)系的建立需要:在待測橋梁的兩端,選定已知水平儀測量高程值的兩個基準(zhǔn)點,作為待測橋梁的起點和終點,記錄所述兩個基準(zhǔn)點的位置坐標(biāo)(x1,y1)、(x2,y2),以晴川橋為例,則兩個基準(zhǔn)點的位置坐標(biāo)為(0,0)、(65,1.0656),以其中一個基準(zhǔn)點為原點構(gòu)建參考坐標(biāo)系,該參考坐標(biāo)系即為橋軸坐標(biāo)系,并同時用gnss輸出兩基準(zhǔn)點的導(dǎo)航坐標(biāo)(b,l,x,y,z),其中(b,l)為1984年世界大地坐標(biāo)系(wordgeodeticsystem1984,即wgs-84)中的緯度和經(jīng)度,(x,y,z)為東北天坐標(biāo)即以測量處為原點的空間直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo),標(biāo)記兩基準(zhǔn)點的坐標(biāo)為(x1,y1),(x2,y2),以晴川橋為例,則兩基準(zhǔn)點的坐標(biāo)為(24.7560,-43.5085)、(25.5890,-44.7878)。
測量坐標(biāo)系的建立,首先需要基于pos(positionorientsystem)系統(tǒng)輸出測量點的導(dǎo)航坐標(biāo),然后以導(dǎo)航坐標(biāo)中的(x,y,z)為原點,構(gòu)建空間直角坐標(biāo)系,并依據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換至東北天坐標(biāo)系,該東北天坐標(biāo)系即為測量坐標(biāo)系。
進(jìn)一步地,參照圖3,基于上述實施例的基于pos系統(tǒng)的橋梁檢測方法,步驟s50具體包括:
s51:對所述檢測離散線形進(jìn)行低通濾波處理,
s52:對經(jīng)過低通濾波處理后的檢測離散線形進(jìn)行中值濾波處理,去除低頻范圍內(nèi)的不平整誤差;
s53:對所述檢測離散線形進(jìn)行振動誤差處理,消除測量載體與橋梁耦合產(chǎn)生的振動誤差;
s54:對經(jīng)過振動誤差處理后的檢測離散線形進(jìn)行非線性擬合,得到所述預(yù)處理離散線形。
在本實施例中,由于pos系統(tǒng)在測量過程中因為路面的不平整、測量車與待測橋梁的耦合振動而一直處于振動改變狀態(tài),所以需要對得到的基于pos系統(tǒng)的檢測離散線形數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析和預(yù)處理,考慮到橋梁路面的不平整性,需要對所述基于pos系統(tǒng)的檢測離散線形進(jìn)行低通濾波處理,以消除路面不平整帶來的誤差影響,本實施例采用最大平坦幅度特性的巴特沃斯低通濾波對測量的橋梁線形進(jìn)行濾波,根據(jù)路面等級與截止頻率的負(fù)相關(guān)關(guān)系設(shè)置截止頻率,路面等級越高,截止頻率越低,以晴川橋為例,晴川橋的路面不平整度等級較高,因而設(shè)定低通截止頻率為10m-1。
為了進(jìn)一步去除低頻范圍內(nèi)的不平整誤差,需要對經(jīng)過低通濾波處理的檢測離散線形數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波,中值濾波本質(zhì)是一種平均濾波方法,是基于排序統(tǒng)計理論的一種濾波處理技術(shù),能夠有效地一直噪聲信號,在進(jìn)行中值濾波處理時需要設(shè)置中值濾波的鄰域窗口n,n越大,濾波后的結(jié)果越平滑,檢測離散線形的細(xì)節(jié)就越少,本實施例設(shè)定中值濾波的鄰域窗口數(shù)量n=30,在其他實施例中可依據(jù)獲取到的橋梁線形數(shù)據(jù)進(jìn)行更改。
同樣地,由于pos系統(tǒng)在測量過程中因為路面的不平整、測量車與待測橋梁的耦合振動而一直處于振動改變狀態(tài),造成測量結(jié)果受噪聲影響較大,因而需要對低通濾波或中值濾波處理后的檢測離散線形數(shù)據(jù)進(jìn)行振動誤差處理,以消除車橋耦合振動誤差帶來的影響,參照圖4,經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)雖然測量路徑不同,但是各路徑下的誤差空間隨機(jī),如圖5所示,在0-70m的區(qū)間內(nèi),路徑2和路徑3的誤差趨于一致,但是與路徑1的誤差差別較大,路徑誤差頻譜趨于一致,如圖6所示,在0-0.3m-1的空間頻率區(qū)間內(nèi),路徑1、路徑2和路徑3的頻譜幅值趨于一致,因而可以將此頻譜作為系統(tǒng)的振動誤差頻譜,進(jìn)而消除車橋耦合振動誤差。
在經(jīng)過上述步驟的處理之后,需要對振動誤差處理后的橋梁檢測離散線形做最后的數(shù)字優(yōu)化處理,及對所述橋梁檢測離散線形進(jìn)行非線性擬合,也即,利用最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配,使求得的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)之間的誤差的平方和最小,進(jìn)一步消除檢測離散線形的誤差,得到預(yù)處理離散線形,參照圖7所示。
本發(fā)明的基于pos系統(tǒng)的橋梁檢測方法不同于普通橋梁線形測量方法,本發(fā)明的測量系統(tǒng)是動態(tài)測量系統(tǒng),經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理,耦合振動誤差處理,坐標(biāo)換換后達(dá)到精度要求,大大提高了橋梁檢測的效率,該檢測方法簡單、靈活、精度高,能夠有效地完成橋梁線形高精度的三維標(biāo)定。
以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例,并非因此限制本發(fā)明的專利范圍,凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換,或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域,均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。