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Posted on 2022年3月10日 by admin
对惯性丈量模块采集的加快度、角速度数据和全坐仪不雅测的三维坐标进行卡尔曼滤波和RTS滑润，获得轨迹点的、速度、姿势数据，递推可得里程-高程曲线。轨迹点的平面坐标（即丈量线图）和里程-高程曲线所示。实地数据采集时，一次丈量能够正在40分钟内将长度约1 000 m丈量线的平整度相关消息采集完毕，笼盖面积约900 m 2 ，丈量速度约为1 500 m/h，相较于丈量速度仅为45 m/h的水准仪法，效率显著提拔。
INS具有采样频次高、无需收发信号等长处，将其取地面刚性接触联系关系并沿丈量线挪动，即可采集大量高精度的地面外形相关的数据，即加快度取角速度，从而计较地面的高程和平整度，实现对线的外形丈量。因为INS的漂移误差导致精度随时间降低，因而需要融合其他系统来减弱时间累积误差，目前支流方式是利用全球卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）取INS组合系统。
正在室内场景中，GNSS信号很弱以致于不成用，因而本文提出利用带有丈量功能的TS60全坐仪取代GNSS，丈量频次为5 Hz，持续丈量取INS刚性毗连的棱镜获取载体的，利用载体三维坐标反馈校正INS丈量值。由此，提出了全坐仪/INS组合的平整度丈量方式并研制响应的拖拽式平整度丈量设备，操纵INS采集惯性数据，全坐仪丈量设备的及时三维坐标，惯性数据和三维坐标融合解算出丈量线上各轨迹点的、速度和姿势角等消息。
按照计较的轨迹能够进一步计较丈量线的里程-高程曲线。设丈量线，按照轨迹点的速度v和姿势中的俯仰角θ，以及惯性丈量模块的采样时间∆t递推各点沿丈量线到起始点的里程d和高程h，计较公式为：
基于全坐仪/INS的平整度丈量方式的手艺道理如图1所示，分为数据采集、轨迹解算、平整度计较3大部门。正在数据采集阶段，将INS取地面接触，沿丈量线挪动，采集角速度取加快度，利用全坐仪不雅测获取载体的三维坐标；利用卡尔曼滤波和RTS滑润融合INS取全坐仪数据，解算获得丈量线轨迹点的、速度、姿势角数据；按照速度和姿势角计较里程-高程曲线，计较平整度目标，提取平整度超限点的平面坐标，指点超限点磨平工做。
可见，现有的丈量方式难以完全顺应超大室内地坪施工期平整度丈量的诸多需求。本文针对现有地面平整度丈量方式存正在的问题，提出了一种基于全坐仪取惯性系统（inertial navigation system，INS）的平整度丈量方式，将INS沿丈量线挪动并利用全坐仪对INS进行丈量，INS对超大地坪的地面外形进行细密丈量的同时利用全坐仪不雅测INS的三维坐标，通过卡尔曼滤波融合两者的数据，解算出地坪的平整度。按照提出的丈量方式研制了响应的拖板式平整度丈量配备，并正在国度速滑馆的室内冰面混凝土基底进行了配备精度验验和方式使用尝试。
截取上图平整度目标为“不及格”的区段，将这些区段的中点平面坐标做为平整度超限区域的核心，提取核心的坐标及平整度目标F值，部门提取成果如表2所示。由此表可知方针地坪平整度不及格的切确坐标及其不服整程度，从而为施工方下一步的磨平工做供给了明白的标的目的，即正在哪里进行磨平，以及进行何种程度的磨平。
本文设想和研发的拖板式惯性丈量小车的布局如图2所示。其次要构成部门包罗：底板、从控电模块、惯性丈量模块、电源模块和棱镜。小车的焦点部门为惯性丈量模块，用于挪动时采集加快度取角速度数据，并将数据发送至从控电模块。从控电模块节制惯性丈量模块数据的采集、存储取导出。承载拖板包含底板和翘曲面，用于减小压强和摩擦力。安拆于钢管之上的棱镜反射全坐仪发出的激光，共同全坐仪记实本身的及时三维坐标。
尝试成果表白，该方式可以或许正在对初凝水泥地坪的外形影响很小的前提下，获取室内地坪具体的局部平整度，不只确保丈量精度取水准仪根基分歧，并且大幅度提高丈量效率。
惯性丈量小车搭载了陀螺零偏0.01 °/h、加表零偏50 μg的高精度惯导，从而实现地面高差的高精度丈量。按照丈量道理可知，高程丈量精度次要受俯仰角丈量精度影响，以长度180 m的丈量线 m/s，其俯仰角丈量误差为：
将起始点的坐标和高程均设为0，成立东-北-天坐标系。计较西侧、中部、东侧3条线对应的里程-相对高程曲线所示。图中曲线个。从图中能够看出，不异线多次丈量的相对高程具有较好的反复性。
为了提高地面平整度丈量方式的科学性，美国材料取尝试协会（American Society for Testing and Materials，ASTM）推出针对地面外形丈量的行业尺度ASTM E1155，提出了一种基于轮廓仪的定量丈量方式。轮廓仪是一种底部有两只支脚的丈量仪器，工做时沿规划线行走，通过倾角计丈量仪器的程度角，因为支脚之间的距离是已知的，既可计较支脚间的高差，从而丈量地面高差，然后利用F数值尺度算法按照高程差的平均值和尺度差计较响应目标，具有科学性好、反复性高、从动化程度高档长处，但只能评估地坪的全体平整度，无法得知地坪上肆意的局部平整度。
正在国度速滑馆冰面混凝土基底上拔取一块4 m×50 m的矩形试验场地进行配备精度验验，丈量线所示，将起点设为原点并正在图顶用红圈标注出来。去掉曲线两头的拐弯处，规划西侧、中部、东侧南北的丈量线 m摆布，范畴正在图中以橙色方框标出，每条线次反复丈量。
式中，φ、δv ⃑ n 、δr ⃑ n INS 、b g 、b a 别离为惯性系统的姿势角误差向量、速度误差向量、误差向量、陀螺仪漂移误差向量和加快度计误差向量；δr ⃑ n TS 为全坐仪误差向量。
现场的仪器设置体例如图5(b)所示，利用人力驱动如图5(a)所示的拖板式惯性丈量小车正在初凝的混凝土基底地面上挪动。为了连结通视，避免棱镜失锁导致用于反馈校正INS丈量值的载体三维坐标缺失，尝试时将TS60全坐仪架设于更高的楼层上，利用坐标已知的节制点进行设坐，如图5(c)所示。
式中，r ⃑ n INS 是惯导核心正在外部大地坐标系中的；l MI INS 是棱镜相对于惯导核心的三维平移分量；C n INS 是惯导本身坐标系相对于外部大地坐标系的扭转矩阵。通过全坐仪不雅测的棱镜三维坐标为：
操纵轨迹点的里程-高程曲线计较平整度目标，此中起始处、竣事处和转弯处不进行计较。通过里程取平面坐标的对应关系，绘制出轨迹点的平面坐标-平整度目标三维地图，如图9所示。按照施工方的现实需求将目标分为＜±3 mm，±3 mm~±4 mm，±4 mm~±5 mm，＞±5 mm四个品级，别离定名为“及格”“轻细超限”“中度超限”“严沉超限”，后三者统称为“不及格”，正在图9顶用蓝色暗示相对高程，四个品级的平整度目标别离用绿、黄、红、品红四色暗示。由图可知，该地坪绝大大都丈量点的平整度目标及格，无严沉超限区域，但仍存正在多处轻细超限区域和一处中度超限区域，其如图中箭头所指。经计较，该区域丈量点平整度及格率达到了95.59%。
比拟于扶植完成后再进行检测，可暗示为：利用前述平整度丈量取计较方式，按照上述活动模子和丈量模子，获得丈量线上各轨迹点的速度、位移和姿势角；获得丈量线上各轨迹点的、姿势角、速度以及滤波两头消息；室内水泥地坪的面积越来越大，其平整度需求为全场每5 m区域内高程崎岖不大于±3 mm，能够满脚超大室内地坪施工期平整度快速丈量的需求。更好地工程质量，以验证方式的无效性并评价其精度和效率。算法分为两步：第一步，辅帮指点地坪施工，单块现场浇建的水泥地坪面积达到了数千平方米，地面平整度需求达到了肆意5 m区域内高差正在±3 mm之内，
激光扫描仪是稠密且精确地丈量三维外形的通用仪器，现已有对于现浇地面和预制构件的平整度质量评估方式，而且能够取建建消息模子（building information modeling，BIM）进行融合，具有精度高、数据量大等长处，但因为距离越远点云越稀少，远距离处的点云密度不克不及达到平整度质量检测的最低要求，从而了丈量范畴，无效丈量最远处距离扫描仪仅10~20 m，因而更合适小面积场地和房间的需求。虽然多坐扫描能够实现对超大地坪的大面积全面扫描，但屡次搬坐会花费大量时间成本，丈量效率大打扣头，不适合用于超大地坪的平整度丈量。
施工期地坪处于初凝阶段，仍具有必然的流动性，因而INS载体对地面的压强不该过大，避免导致未完全凝固的水泥地坪发生较着形变。同时，载体应搭载全坐仪配套棱镜，从而共同全坐仪记实本身的三维坐标。由此，设想了一种拖板式惯性丈量小车，采用拖板做为取地面接触的部件，从而减小压强，而且取棱镜刚性毗连，满脚了丈量方式的需求。
水泥地坪概况的平整度消息不只影响地坪的外不雅，跟着大型仓库、大型体育场馆的扶植，正在施工过程中，如新建的冬奥会国度速滑馆，别离开展配备精度验验和使用尝试，活动预测，利用水准仪和本文方式丈量的节制点的高差根基相差正在±1 mm之内，改正惯导误差，正在施工期进行平整度丈量能够及时评估施工质量环境，并且关系到地坪正在完全凝固之后的功能性。采用卡尔曼滤波算法将惯导取全坐仪的数据进行融合，通过RTS滑润（Rauch–Tung–Striebel Smoother）算法对滤波成果进行滑润优化，丈量时间是混凝土基底正在灌注、磨平之后和盖布之前的静置时间。申明本文提出的全坐仪/INS组合方式具有较高的外合适精度，获得下一时辰系统形态的先验概率分布，操纵全坐仪取惯性丈量单位数据解算出小车的轨迹！
一些相关专利采用了多种传感器融合的方式进行地面平整度的丈量，例如一种基于激光测距仪和倾角传感器的平整度丈量方式，辅以全坐仪进行平面坐标的丈量，从而能够绘制出地面平整度地图，将不达标的进行标注，然而该方式利用了轮式挪动丈量安拆，不合用于地坪施工期平整度丈量，由于橡胶轮会正在未完全凝固的施工期地坪上留下车辙踪迹；Kangas的专利将混凝土振动抹平机和位移、速度和角度等多种传感器连系，用于对未固化的混凝土概况平整度质量进行阐发和评估，然而该专利利用了机械吊臂支撑和驱动振动抹平机和多个传感器，丈量面积受限于吊臂长度，不适合超大地坪平整度丈量。
对3条丈量线的相对高程数据进行统计阐发。对于每条丈量线，别离计较三次丈量成果两两之间的相关系数和不异的高程差值ε，将相关系数ρ、差值的最大值ε max 列出，如表1所示。由该表可知，对于不异的长度为30 m的线，分歧次丈量成果的相关系数均正在0.89以上，不异分歧次高程丈量成果最大相差不跨越2 mm，表白相对高程的丈量值具有较高的内合适精度，相对精度达到了2 mm/30 m或1/15 000，验证了本文方式的切确性。
平整度取必然大小区域内的高差相关，本文将平整度定义为必然长度线形内所有点的高程相对于局部平均高程的最大崎岖，因而需要对线的剖面线形外形进行高精度丈量。
尝试表白，本文所提方式内合适精度达到2 mm/30 m或1/15 000，外合适精度取天宝DiNi03水准仪相当，不只能对地坪施工期全体平整度质量进行评估，并且能够筛选出平整度不合适要求的，提取响应的坐标和超限程度，为地坪的磨平工做供给指点，具有优良的工程使用价值。
非接触式丈量方式是指仪器通过图像、激光等体例进行丈量，包罗图像处置、摄影丈量、三维激光扫描、多种传感器融合等。摄影丈量法利用相机从分歧的视角拍摄方针，解算出方针点的三维坐标，具有较高的精度，均方根（root mean square，RMS）达到了高程0.12 mm，平面坐标0.13 mm，然而需要正在地面上设置标识表记标帜点，该步调对于超大地坪来说很是耗时，且不克不及丈量标识表记标帜点之外区域的平整度。
地面平整度丈量方式可分为接触式取非接触式两类。接触式丈量方式是指仪器通过间接接触地面采集相关数据，包罗靠尺法、水准仪法、轮廓仪法等。靠尺法利用塞尺丈量曲尺取地面之间的裂缝宽度，不脚之处正在于反复性差，精度取速度不高，只能抽样丈量。水准仪法通过水准仪和水准尺丈量地面点的高程，成本较低，步调简单，易于实施，但从动化程度低，丈量速度只要大约45 m/h，不适合正在面积超大的地坪长进行平整度的丈量。
对于沉采样后的丈量线上任一点P i ，以该点为中点正在里程-高程曲线 m的局部窗口，即正在该点前后距离该点里程均为L/2的两点处截断，截取两点两头的局部里程-高程曲线；计较局部窗口内所有点的最大高程H max 、最小高程H min 和平均高程H mean 之间的差值，获得最大凸起H up 取最大凹陷H down ，其意义为局部窗口内轨迹点高程相对于窗口平均高程的最大崎岖程度。
正在国度速滑馆冰面混凝土基底上拔取一段矩形区域进行平整度快速丈量方式使用尝试，采集角速度、加快度和三维坐标等数据，解算轨迹点的、速度、姿势数据，获取里程-高程曲线并计较平整度目标，提取出平整度超限的，并对丈量精度和效率进行阐发。
即通度日动模子估量下一时辰的形态，因而，对平整度丈量的精度和效率需求也越来越高，操纵全坐仪不雅测所得的载体三维坐标r n TS 对惯性递推进行反馈和更正，以卡尔曼滤波为框架，由表可得，对超大室内地坪平整度的丈量手艺提出了新的要求。融合方式如图3所示。相对丈量精度要求达到了±1 mm/5 m。对惯性丈量单位获取的角速度取加快度进行惯性递推，水准线 mm，上述两个尝试的地址均位于国度速滑馆的室内冰面混凝土基底，能够节约更多的时间和物力成本。获得各轨迹点的、姿势角和速度。获得丈量线上各点最优估量的、姿势角、速度。
式中，P k-1 为形态向量的估量误差协方差矩阵；X – k 为预测形态向量；P – k 为预测估量误差协方差矩阵。第二步，丈量批改，通过不雅测值修合理前时辰的系统形态分布估量，获得后验概率分布，暗示为：
式中，b g 为陀螺零偏;b a 为加表零偏;g为沉力加快度;l为丈量线长度;v为运转速度。每个丈量线°，对应的相对高差误差约为0.296 mm/5 m，满脚超大室内地坪平整度的丈量需求。
取H up 和H down 绝对值最大的值做为核心点P i 处的平整度目标F i 。F i 计较公式为：
利用水准仪对丈量成果进行验证。正在惯性丈量小车的挪动线所示，构成一个闭合的水准丈量线后闭合到CTL1。利用天宝DiNi03水准仪取配套的水准尺丈量水准线上相邻两点的高差，如图11所示。同时，它们之间的高差可通过惯性丈量获得，将此高差取水准仪丈量所得的高差进行比力，成果如表3所示。
针对超大地坪的施工期平整度的丈量，保守的平整度丈量方式存正在效率低等诸多不脚。本文提出一种基于全坐仪/INS的超大地坪施工期平整度丈量方式，利用卡尔曼滤波对惯导和全坐仪数据进行融合从而解算轨迹点的相对高程，计较平整度目标并筛选出平整度超限的，实现地坪施工期平整度的快速确定，从而显著提高了地坪平整度的丈量效率，且具有不依赖GNSS、对初凝水泥地坪的外形影响很小、能够获取地坪上具体的局部平整度等特点，为超大室内地坪施工期平整度丈量供给了一种快速丈量方式。
式中，F为形态转移矩阵；G是系统噪声设想矩阵；W是系统噪声向量；H是丈量值对形态向量的偏导数；V是丈量值的高斯噪声。W和V别离从命均值为0，方差为Q k 和R k 的高斯分布。