基于POS系統的橋梁檢測方法與流程
本發明涉及橋梁檢測技術領域，尤其涉及一種基于pos系統的橋梁檢測方法。
背景技術：
橋梁檢測的主要目的是對橋梁的使用性能以及安全狀態進行評定。在橋梁檢測領域，一直將橋梁的結構線形作為評定橋梁的整體結構性能以及分析其受力情況的一個重要指標。為了便于對橋梁線形的變化進行系統有效的檢測，所有的橋梁在建成初期都要對其初始的結構線形進行精確測量，之后采取定期或不定期的方式對橋梁結構線形進行系統的檢測，再對比不同時期的結構線形圖，分析其變化的規律。
傳統的橋梁結構線形檢測方法均采用在橋梁上布設一定數量的離散測量點的靜態測量方式，通過架設各種工程測量儀器對離散點位的高程數據進行采集，如經緯儀、水準儀、全站儀等工程測量儀器，最后擬合得到橋梁的結構線形曲線，通過對不同時期的數據進行采集，就可以得到各時期的橋梁結構線形圖。該方法測量精度較高，但是需要設定永久基準點，架設儀器、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果，無法滿足數量龐大的中小型橋梁結構安全檢測的應用需求。
最新出現的gnss測量方法雖然可以實現快速的結構線形測量，但是測量精度依賴于衛星導航信號無遮擋的情況，且易受拉索及橋塔的干擾。
動態測量方式捷聯慣導技術，通過內部的陀螺儀和加速度計采集裝置對運動參數進行采集，通過積分推算得到運載體的運動軌跡，然而由于運動軌跡的推算過程中，采用的是積分推算方式，將導致軌跡推算過程中微小的偏差到最后越來越大，呈發散趨勢。
技術實現要素：
本發明的主要目的在于提供一種基于pos系統的橋梁檢測方法，旨在快速、準確地測量橋梁結構形變位置與形變量，實現橋梁結構的高精度檢測。
為實現上述目的，本發明提出一種基于pos系統的橋梁檢測方法，該橋梁檢測方法包括以下步驟：
依據橋梁線形檢測要求，在測量載體上安裝pos系統；
建立橋軸坐標系和測量坐標系；
依據測量載體在導航坐標系中的姿態角和位置，在測量坐標系上獲取基于pos系統的檢測離散線形；
對所述檢測離散線形進行誤差分析和預處理，得到預處理離散線形；
將所述預處理離散線形轉換到橋軸坐標系中，得到反映橋梁結構的pos檢測線形圖。
進一步地，所述建立橋軸坐標系和測量坐標系的步驟之后，依據測量載體在導航坐標系中的姿態角和位置，在測量坐標系上獲取基于pos系統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及線形結構，規劃測量路徑并設計測量速度。
進一步地，所述建立橋軸坐標系和測量坐標系的步驟，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點，作為待測橋梁的起點和終點；
以所述兩個基準點之一為原點構建的參考坐標系為橋軸坐標系；
基于所述pos系統獲取測量點的導航坐標；
以所述測量點的導航坐標為原點，構建空間直角坐標系，并依據坐標轉換公式轉換至東北天坐標系，以所述東北天坐標系為測量坐標系。
進一步地，所述對所述檢測離散線形進行誤差分析和預處理，得到預處理離散線形的步驟，具體包括：
對所述檢測離散線形進行低通濾波處理，
對所述檢測離散線形進行振動誤差處理，消除測量載體與橋梁耦合產生的振動誤差；
對經過振動誤差處理后的檢測離散線形進行非線性擬合，得到所述預處理離散線形。
進一步地，所述對所述檢測離散線形進行低通濾波處理的步驟之后，對所述檢測離散線形進行振動誤差處理，消除測量載體與橋梁耦合產生的振動誤差的步驟之前，還包括：
對經過低通濾波處理后的檢測離散線形進行中值濾波處理，去除低頻范圍內的不平整誤差。
進一步地，所述pos系統包括gnss接收機和慣性測量裝置imu；
所述gnss接收機的靜態水平定位精度為5mm±1ppm，靜態垂直定位精度為10mm±1ppm，動態水平定位精度為10mm±1ppm，動態垂直定位精度為20mm±2ppm；
所述imu的具體參數為：陀螺儀零偏穩定性≤0.01/h，陀螺儀零偏重復性≤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性≤10μg；
所述pos系統的采樣頻率為200hz，實時動態方位精度高于0.05°，水平姿態精度高于0.02°。
進一步地，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。
進一步地，所述將所述預處理離散線形轉換到橋軸坐標系采用的坐標換算公式為
進一步地，所述低通濾波的低通截止頻率負相關于橋面等級，所述中值濾波的鄰域窗口的數量為30。
本發明的基于pos系統的橋梁檢測方法，首先依據橋梁線形檢測要求，在測量載體上安裝pos系統，建立橋軸坐標系和測量坐標系，然后參考待測橋梁的車道數及線形結構，規劃測量路徑并設計測量速度，隨后依據測量載體在導航坐標系中的姿態角和位置，在測量坐標系上獲取基于pos系統的檢測離散線形，接著對所述檢測離散線形進行誤差分析和預處理，得到預處理離散線形，最后將所述預處理離散線形經過轉換公式轉換到橋軸坐標系中，得到反映橋梁真實結構的pos檢測線形圖，該橋梁檢測方法能夠快速、準確地測量出橋梁的形變位置和形變量，測量精度達到毫米量級，能夠實現橋梁結構線形的高精度檢測。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術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明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖示出的結構獲得其他的附圖。
圖1為本發明基于pos系統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。
本發明目的的實現、功能特點及優點將結合實施例，參照附圖做進一步說明。
具體實施方式
應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
本發明提供一種基于pos系統的橋梁檢測方法。
參照圖1，圖1為本發明基于pos系統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系統的橋梁檢測方法，包括以下步驟：
s10：依據橋梁線形檢測要求，在測量載體上安裝pos系統；
在本實施例中，基于pos系統對橋梁進行檢測時，第一步要根據橋梁的線形檢測要求，準備測量檢測車，在所述測量檢測車上安裝pos(positionorientsystem)系統，即gnss接收機與慣性測量裝置imu組合而成的高精度位置姿態測量系統，在進行橋梁檢測時，gnss接收機一般至少設置兩個，一個與所述慣性測量裝置imu組合成高精度的位置姿態測量系統，另一個則設置在待測橋梁附近的絕對平面上。pos系統中，imu的參數一般會考慮：陀螺儀的特性參數，包括陀螺儀零偏穩定性、陀螺儀零偏重復性、陀螺儀測量范圍，加速度計的特性參數，包括加速度計測量范圍。加速度計零偏月重復性，gnss的參數一般考慮靜態水平定位精度、靜態垂直定位精度、動態水平定位精度、動態垂直定位精度等，pos系統的特性參數還包括數據采樣頻率。在本實施例中，基于gnss和imu的參數選取如下表所示：
表1imu相關參數
表2gnss相關參數
所述pos系統的采樣頻率為200hz，實時動態方位精度高于0.05°，水平姿態精度高于0.02°。
s20：建立橋軸坐標系和測量坐標系；
在本實施例中，在將pos系統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系統輸出測量點及基準點的導航坐標，然后基于所述測量點和基準點的坐標建立橋軸坐標系和測量坐標系。
s30：參考待測橋梁的車道數及線形結構，規劃測量路徑并設計測量速度；
在本實施例中，在建立橋軸坐標系和測量坐標系后，第三步需要參考待測橋梁的車道數及橋梁線形結構，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，考慮晴川橋設計結構的對稱性和測量效率之后，規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，將測量車速設計在v＝10-20km/h，優選20km/h。
s40：依據測量載體在導航坐標系中的姿態角和位置，在測量坐標系上獲取基于pos系統的檢測離散線形；
在本實施例中，在規劃好測量路徑并設計好測量車速之后，第四步就是啟動測量車按照設計好的測量車速在規劃好的測量路徑上行駛，獲取各個測量點的導航坐標，并在采樣時段ti內獲取pos系統輸出測量車，也即ti時間段內測量車經過的測量點在導航坐標系中的姿態角和位置(bi，li，hi，xi，yi)，然后取東北天坐標系中的高程值，與第一個基準點的高程作差，得到基于pos系統的檢測離散線形。
s50：對所述檢測離散線形進行誤差分析和預處理，得到預處理離散線形；
在本實施例中，在得到基于pos系統的檢測離散線形后，由于pos系統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，所以第五步需要對得到的基于pos系統的檢測離散線形數據進行誤差分析和預處理，以結合高精度的精密水準儀采樣點數據插值，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：將所述預處理離散線形轉換到橋軸坐標系中，得到反映橋梁結構的pos檢測線形圖。
在本實施例中，在得到經過預處理之后的橋梁離散線形之后，由于pos系統采集的橋梁結構線形數據為東北天坐標系下的橋梁線形，而橋梁的真實結構為橋軸坐標系下的線形，二者位于不同的坐標系中，因而第六步需要將所述預處理離散線形轉換到橋軸坐標系中，將兩個不同的坐標系進行統一，以得到反映橋梁真實結構的pos檢測線形圖，其中，將所述預處理離散線形轉換到橋軸坐標系中的轉換公式為
本實施例的基于pos系統的橋梁檢測方法，首先依據橋梁線形檢測要求，在測量載體上安裝pos系統，建立橋軸坐標系和測量坐標系，然后參考待測橋梁的車道數及線形結構，規劃測量路徑并設計測量速度，隨后依據測量載體在導航坐標系中的姿態角和位置，在測量坐標系上獲取基于pos系統的檢測離散線形，接著對所述檢測離散線形進行誤差分析和預處理，得到預處理離散線形，最后將所述預處理離散線形經過轉換公式轉換到橋軸坐標系中，得到反映橋梁真實結構的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，結合高精度的精密水準儀采樣測量點數據插值，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，在保證東北天坐標系穩定的前提下，利用高精度的gnss的平面坐標信息完成測量坐標系和橋軸坐標系的轉換關系，利用pos系統高精度的高層測量特性完成橋梁的高層測量，能夠快速、準確的測量橋梁結構形變位置及形變量，測量精度達到毫米量級，能夠實現橋梁結構線形的高精度檢測。
進一步地，參照圖2，基于上述實施例的基于pos系統的橋梁檢測方法，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點，作為待測橋梁的起點和終點；
s22：以所述兩個基準點之一為原點構建的參考坐標系為橋軸坐標系；
s23：基于所述pos系統獲取測量點的導航坐標；
s24：以所述測量點的導航坐標為原點，構建空間直角坐標系，并依據坐標轉換公式轉換至東北天坐標系，以所述東北天坐標系為測量坐標系。
在本實施例中，橋軸坐標系和測量坐標系的建立需要：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點，作為待測橋梁的起點和終點，記錄所述兩個基準點的位置坐標(x1，y1)、(x2，y2)，以晴川橋為例，則兩個基準點的位置坐標為(0，0)、(65，1.0656)，以其中一個基準點為原點構建參考坐標系，該參考坐標系即為橋軸坐標系，并同時用gnss輸出兩基準點的導航坐標(b，l，x，y，z)，其中(b，l)為1984年世界大地坐標系(wordgeodeticsystem1984，即wgs-84)中的緯度和經度，(x，y，z)為東北天坐標即以測量處為原點的空間直角坐標系中的坐標，標記兩基準點的坐標為(x1，y1)，(x2，y2)，以晴川橋為例，則兩基準點的坐標為(24.7560，-43.5085)、(25.5890，-44.7878)。
測量坐標系的建立，首先需要基于pos(positionorientsystem)系統輸出測量點的導航坐標，然后以導航坐標中的(x，y，z)為原點，構建空間直角坐標系，并依據坐標轉換公式轉換至東北天坐標系，該東北天坐標系即為測量坐標系。
進一步地，參照圖3，基于上述實施例的基于pos系統的橋梁檢測方法，步驟s50具體包括：
s51：對所述檢測離散線形進行低通濾波處理，
s52：對經過低通濾波處理后的檢測離散線形進行中值濾波處理，去除低頻范圍內的不平整誤差；
s53：對所述檢測離散線形進行振動誤差處理，消除測量載體與橋梁耦合產生的振動誤差；
s54：對經過振動誤差處理后的檢測離散線形進行非線性擬合，得到所述預處理離散線形。
在本實施例中，由于pos系統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，所以需要對得到的基于pos系統的檢測離散線形數據進行誤差分析和預處理，考慮到橋梁路面的不平整性，需要對所述基于pos系統的檢測離散線形進行低通濾波處理，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行濾波，根據路面等級與截止頻率的負相關關系設置截止頻率，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，因而設定低通截止頻率為10m-1。
為了進一步去除低頻范圍內的不平整誤差，需要對經過低通濾波處理的檢測離散線形數據進行中值濾波，中值濾波本質是一種平均濾波方法，是基于排序統計理論的一種濾波處理技術，能夠有效地一直噪聲信號，在進行中值濾波處理時需要設置中值濾波的鄰域窗口n，n越大，濾波后的結果越平滑，檢測離散線形的細節就越少，本實施例設定中值濾波的鄰域窗口數量n＝30，在其他實施例中可依據獲取到的橋梁線形數據進行更改。
同樣地，由于pos系統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，造成測量結果受噪聲影響較大，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據進行振動誤差處理，以消除車橋耦合振動誤差帶來的影響，參照圖4，經分析發現雖然測量路徑不同，但是各路徑下的誤差空間隨機，如圖5所示，在0-70m的區間內，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的空間頻率區間內，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的振動誤差頻譜，進而消除車橋耦合振動誤差。
在經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字優化處理，及對所述橋梁檢測離散線形進行非線性擬合，也即，利用最小化誤差的平方和尋找數據的最佳函數匹配，使求得的數據與實際數據之間的誤差的平方和最小，進一步消除檢測離散線形的誤差，得到預處理離散線形，參照圖7所示。
本發明的基于pos系統的橋梁檢測方法不同于普通橋梁線形測量方法，本發明的測量系統是動態測量系統，經過數據預處理，耦合振動誤差處理，坐標換換后達到精度要求，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定。
以上僅為本發明的優選實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。
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