一種基於慣性測量單元的車載路面檢測系統的運補算法的製作方法
2023-12-10 00:01:11
專利名稱：一種基於慣性測量單元的車載路面檢測系統的運補算法的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於慣性測量單元的車載路面檢測系統的運補算法，可用於輔助雷射測距儀測量路面的真實起伏，計算路面的平整度。
背景技術：
道路路面平整度是影響路面行駛質量的主要因素，是路面使用性能最重要的指標之一，是檢驗城市道路和高速公路施工質量的主要指標之一。目前國內用於檢測這一指標的方法主要有3m直尺測量方法，連續式平整度儀檢測方法，車載式顛簸累積儀檢測方法。這幾種方法應用廣泛，但是缺點明顯。其中，3m直尺測量精度低、檢測效率低、代表性差且檢測時需低頭彎腰、工作量大；連續式平整度儀的儀器機械性能對數據的精度影響較大，測試速度對於實際行車速度較快的高等級公路的大面積檢測仍受限制；車載式顛簸累積儀時間穩定性差、轉換性差、不能給出路面的真實斷面近年來，隨著對公路服務質量要求的不斷提高及路面管理系統(PMS)的不斷發展，路面平整度的快速、準確測試方法便成為道路工程中最為關注的問題之一。車載雷射斷面儀測量方法是目前世界上最先進的路面測量方法之一，這種測量方法具有快捷、可靠、成本低、易實施、自動化程度高等優點。但是，由於此方法測量時車輛自身的顛簸起伏造成了極大的運動誤差，導致單一的雷射斷面儀測量路面起伏精度較差。慣性測量系統是一種高精度的運動測量設備，可以測量車體運動顛簸，從而對雷射斷面儀的測量結果進行補償。但是慣性測量裝置單獨使用時測量結果隨時間發散，與GPS組合使用時測量結果有明顯的階躍。
發明內容
本發明的技術解決的問題是克服現有技術的不足，提供一種基於慣性測量單元的車載路面檢測系統的運補算法，該方法實現了將慣性測量數據與雷射斷面儀測量結果有效融合的方法，實現了對雷射斷面儀測量過程中車體顛簸的補償，提高了車載路面檢測系統的測量精度。本發明的技術解決方案為一種基於慣性測量單元的車載路面檢測系統的運補算法，其特點在於包括下列步驟(1)捷聯式慣性測量單元進行初始對準，確定捷聯式慣性測量單元的初始方位角 %、初始俯仰角θ ο和初始橫滾角Y。；(2)捷聯式慣性測量單元實時採集三軸陀螺儀數據和三軸加速度計數據，進行數據補償，得到三軸角速度和三軸加速度；(3)捷聯式慣性測量單元啟動捷聯解算算法，利用得到的三軸角速度和三軸加速度進行捷聯解算，實時更新捷聯慣性測量單元的姿態、位置和速度；(4)捷聯解算結果與GPS信息進行信息融合濾波運算，計算得到姿態誤差、位置誤差和速度誤差，並對捷聯解算算法中的姿態信息、位置信息和速度信息進行修正，同時將慣性器件的零偏值反饋到數據補償算法中，幫助提高數據補償的精度；(5)當車輛進入待測路段時，採用雙捷聯解算算法，也就是利用此時刻信息融合算法中的姿態、位置和速度解算結果作為初始值，啟動新捷聯解算過程進行純慣性解算；(6)將測試路段中捷聯解算得到的純慣性高程信息與雷射傳感器測得的路面起伏信息疊加，對疊加結果進行高通數字濾波運算，即得到路面起伏信息和路面紋理信息。(7)按照國際平整度IRI標準統計得到路面平整度結果。本發明的原理是雷射路面斷面儀在測量過程中，測量結果中包含較大的車體運動帶來的測量誤差，無法反映路面的真實起伏和紋理，需要使用慣性測量單元對雷射路面斷面儀的測量結果進行補償。而使用慣性測量單元對雷射路面斷面儀測量結果進行補償時，若單獨使用慣性測量單元會引入測量結果發散，若將慣性測量單元與GPS組合使用又會引入測量結果的跳躍。考慮到慣性測量單元與GPS信息融合的長期精度較高，因此將慣性測量單元與GPS信息融合的結果作為純慣性捷聯解算的位置、姿態、速度初值，測量過程中使用純慣性捷聯解算測量車體運動，克服了信息融合結果有跳躍，純慣性測量結果發散的缺點，同時，使用高通數字濾波器對慣性測量單元的高程解算結果進行濾波處理，將車體運動造成的低頻誤差進行濾除，最終得到高精度、平滑的慣性測量結果，將此結果對雷射路面斷面儀測量結果進行補償，最終得到真實的路面起伏和紋理信息，從而計算出路面的平整度信息。基本原理如下理想高程計算公式如下
權利要求
1.一種基於慣性測量單元的車載路面檢測系統的運補算法，其特徵在於包括下列步驟(1)捷聯式慣性測量單元進行初始對準，確定捷聯式慣性測量單元的初始方位角％、初始俯仰角θ 0和初始橫滾角Y。；(2)捷聯式慣性測量單元實時採集三軸陀螺儀數據和三軸加速度計數據，進行數據補償，得到三軸角速度和三軸加速度；(3)捷聯式慣性測量單元啟動捷聯解算算法，利用得到的三軸角速度和三軸加速度進行捷聯解算，實時更新捷聯慣性測量單元的姿態、位置和速度；(4)捷聯解算結果與GPS信息進行信息融合濾波運算，計算得到姿態誤差、位置誤差和速度誤差，並對捷聯解算算法中的姿態信息、位置信息和速度信息進行修正，同時將慣性器件的零偏值反饋到數據補償算法中，幫助提高數據補償的精度；(5)當車輛進入待測路段時，採用雙捷聯解算算法，也就是利用此時刻信息融合算法中的姿態、位置和速度解算結果作為初始值，啟動新捷聯解算過程進行純慣性解算；(6)將測試路段中捷聯解算得到的純慣性高程信息與雷射傳感器測得的路面起伏信息疊加，對疊加結果進行高通數字濾波運算，即得到路面起伏信息和路面紋理信息；(7)按照國際平整度IRI標準統計得到路面平整度結果。
2.一種基於慣性測量單元的車載路面檢測系統的運補算法，其特徵在於步驟(1)所述的初始對準的具體步驟為(1)採集陀螺和加速度計數據5-10分鐘，求採樣值的均值gx，gy，gz，ax,ay, az其中，gx， gy，gz為慣性測量單元的χ軸、y軸、ζ軸的角速度敏感值，ax，ay, az為慣性測量單元的χ軸、 y軸、ζ軸的加速度敏感值；(2)利用gx，gy，gz，ax,ay, az求初始姿態角％ , θ 0> γ0,計算公式如下 ~τ T T
3. 一種基於慣性測量單元的車載路面檢測系統的運補算法，其特徵在於步驟(4)所述的信息融合濾波器為 狀態方程 X = FX+ GW其中，X為系統狀態矢量，W為系統噪聲矢量，F為系統轉移矩陣，G為噪聲轉換矩陣 X= [φχ Cj5y φζ δ Vn (χ) 5Vn(y) δ Vn (ζ) SL δ λ Sh εχ ey ε ζ σχ Oy
4. 一種基於慣性測量單元的車載路面檢測系統的運補算法，其特徵在於步驟(6)所述的流程為首先將雷射路面測距儀的測距信息hlasCT與慣性量測數據的高程信息himu進行疊加，疊加後的高程信息h為 由於慣性量測數據的高程信息himu中包含真實的運動信息和慣性的漂移信息，因此，疊加後消除了雷射路面測距儀的測距信息的運動信息，但同時也引入了慣性漂移信息。為了消除低頻的慣性漂移信息，需要將疊加後的高程信息h通過一個高通數字濾波器，公式如下
全文摘要
本發明涉及一種基於慣性測量單元的車載路面檢測系統的運補算法，其特徵是利用慣性測量單元敏感的運動信息實時捷聯解算得到車體運動信息；將車體運動信息與GPS信息進行信息融合得到實時準確的運動信息；測量路面時利用另外一套純慣性捷聯解算得到高程信息與雷射傳感器信息疊加得到含路面起伏信息的發散曲線；使用高通數字濾波器對發散曲線進行濾波，得到真實的路面起伏信息；對真實路面起伏信息按照國際平整度IRI標準統計得到路面平整度結果。本發明具有運補精度高的優點，可用於提高車載路面檢測系統的路面平整度檢測精度。
文檔編號E01C23/01GK102261033SQ20111011301
公開日2011年11月30日 申請日期2011年5月3日 優先權日2011年5月3日
發明者劉百奇, 康泰鍾, 房建成, 李建利 申請人:北京航空航天大學