挠性体动态变形的组合测量装置及测量方法

摘要

本发明公开了一种挠性体动态变形的组合测量装置及测量方法，属于测量仪器技术领域。该装置包括GPS测量单元，INS测量单元和计算机处理单元，GPS测量单元包括3个GPS天线、差分GPS接收机、电源和通信设备；INS测量单元由光纤陀螺仪、电源和三轴加速度计顺序连接而成。该装置将惯性技术（INS）和GPS两种方式进行组合，通过遗传粒子滤波器进行信息融合来测量挠性体动态变形的，避免了它们单独测量时的不足，提高测量精度和实时性。特别适用于测量船、飞机机翼、大桥等大型挠性体的动态变形监测。

权利要求

1.一种挠性体动态变形的组合测量装置，其特征在于包括GPS测量单元，INS测量单元和计算机处理单元，GPS测量单元和INS测量单元分别与计算机处理单元连接，其中GPS测量单元包括差分GPS接收机、电源、通讯设备和3个GPS天线，其中差分GPS接收机、通讯设备和3个GPS天线顺序连接， 差分GPS接收机和3个GPS天线分别与电源连接；INS测量单元由光纤陀螺仪、电源和三轴加速度计顺序连接而成。

2.一种基于权利要求1所述的挠性体动态变形的组合测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在挠性载体上表面找到被测试变形点，在这一位置放置光纤陀螺仪、三轴加速度计和GPS主天线，监测挠性体的动态变形；

（2）以主天线位置为原点，分别在载体坐标系的X轴和Y轴方向各选取一测试点，放置辅助用GPS天线，使之与主天线形成两个基线，尽量使两基线成直角分布，基线长度可变，每个GPS天线接收GPS载波信号后得出相位差，以供解算基线长度；

（3）光纤陀螺仪和三轴加速度计放置在挠性体的被测试变形点位置，通过实时监测载体的姿态变化，得出精准的挠性体变形；

（4）差分GPS接收机将GPS载波信号传输给计算机处理单元，光纤陀螺仪和三轴加速度计将测试信息传输给计算机处理单元；

（5）计算机处理单元接收相关数据，调用GPS测量变形模块、INS测量变形模块和遗传粒子滤波模块，实时解算速度、位置、姿态参数信息，估计变形量，校正光纤陀螺仪和三轴加速度计的参数误差。

3.一种根据权利要求2所述的挠性体动态变形的组合测量装置的测量方法，其特征在于：所述的步骤（5）中计算机处理单元接收到GPS信号后，通过载波相位双差方程解算WGS-84坐标系下两基线长度，坐标系转化到地理坐标系下的投影后，由于载体坐标系的基线长度已知，解出载体坐标系到地理坐标系下的姿态转换矩阵，姿态转移矩阵的各参数通过反三角函数变化得到测试点的姿态，而被测点的姿态随着时间的变化情况即是该点的动态变形情况；计算机处理单元接受到光纤陀螺仪和加速度计的数据后，通过惯性参数解算和滤波器估计被测点的姿态，被测点的姿态随着时间的变化情况即是该点的动态变形情况。

说明书

挠性体动态变形的组合测量装置及测量方法

[0001] 技术领域

[0002] 本发明涉及一种挠性体动态变形的组合测量装置及测量方法，属于测量仪器技术领域。

[0003] 技术背景

[0004] 挠性体的变形是普遍存在的，它是指挠性体在各种负荷作用下，其形状、大小及位置在时间和空间域中的变化。挠性体的变形在一定范围内被认为是允许的，如果超出允许值，则可能引发灾害。变形的精准测量可以在预防自然和工程灾害、减少经济损失方面发挥重大作用。目前，变形测量研究在国内外受到了广泛的重视。人类社会的进步和国民经济的发展，加快了工程建设的进程，各种大型建筑的大量涌现，并且对现代工程建筑物的规模、造型、难度提出了更高的要求。因此挠性体的应用更加广泛的同时，变形测量研究的重要性更加突出，推动着变形测量理论和技术方法的迅速发展。

[0005] 在上世纪80年代前，常用经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪等常测量设备测定点位的变形值，这些方法虽然能够提供变形体整体的变形状态，适用于不同的变形测量精度要求、不同形式的变形体和不同的监测环境，但是外业工作量大，布点受地形条件影响，不易实现自动化测量。而今，随着科学技术的发展及对变形测量技术的不断探索，涌现出许多新型的变形测量方法，如数字近景摄影测量、GPS、自动全站仪、三维激光扫描仪、激光跟踪仪、惯性传感器技术（简称惯性技术）、激光雷达、关节式坐标测量机、Indoor GPS等。

[0006] 据资料介绍，国外是从20世纪80年代开始用GPS进行变形监测的。近年来，我国在利用GPS进行滑坡、桥梁、高层建筑、大坝变形、矿区地面沉陷和地壳形变监测方面，做了大量的工作。GPS变形测量具有如下优点：大范围内精度较高，明显优于传统的测量技术；测量不受天气条件限制，可进行全天候观测；测量、记录、计算全自动完成，确保了测量成果的客观性和可靠性，同时大大减小了测量人员的工作强度；测量点之间不需要通视，选点不受地形的限制；测量点的三维姿态可以同时测定。但是由于卫星信号容易被遮挡及受多路径效应的影响，其监测精度和可靠性不高，故它不能完全替代其它变形监测技术，而应在必要时采用由GPS与其它技术共同作用而形成的组合变形测量系统。

[0007] 20世纪末，国外开始研究利用惯性测量匹配法来检测并消除由于变形引起的失调误差。近年来，国内许多单位也陆续开始了这方面的研究。当然，惯性技术（INS）也存在诸多不足之处，如误差虽时间积累，建模困难等。因此，将GPS与INS组合在一起可以扬长避短，进一步发挥各自优势。而GPS与惯性技术的组合方式常用卡尔曼或者扩展卡尔曼滤波的方式进行数据融合。卡尔曼滤波器要求测量系统必须是线性系统或近似线性系统，且要求噪声是高斯噪声，实际的测量状态很难达到这个标准。

[0008] 发明内容

[0009] 本发明提出了一种挠性体动态变形的组合测量装置及测量方法，将惯性技术（INS）和GPS两种方式进行组合，通过遗传粒子滤波器进行信息融合来测量挠性体动态变形。

[0010] 本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

[0011] 一种挠性体动态变形的组合测量装置，包括GPS测量单元，INS测量单元和计算机处理单元，GPS测量单元和INS测量单元分别与计算机处理单元连接，其中GPS测量单元包括3个GPS天线、差分GPS接收机、电源和通信设备，3个GPS天线、通信设备和差分GPS接收机顺序连接，3个GPS天线和差分GPS接收机分别与电源连接；INS测量单元由光纤陀螺仪、电源和三轴加速度计顺序连接而成。

[0012] 所述的挠性体动态变形的组合测量装置的测量方法，包括以下步骤：

[0013] （1） 在挠性载体上表面找到被测试变形点，在这一位置放置光纤陀螺仪、三轴加速度计和GPS主天线，监测挠性体的动态变形；

[0014] （2） 以主天线位置为原点，分别在载体坐标系的X轴和Y轴方向各选取一测试点，放置辅助用GPS天线，使之与主天线形成两个基线，尽量使两基线成直角分布，基线长度可变，每个GPS天线接收GPS载波信号后得出相位差，以供解算基线长度；

[0015] （3） 光纤陀螺仪和三轴加速度计放置在挠性体的测量点位置，通过实时监测载体的姿态变化，得出精准的挠性体变形；

[0016] （4） 差分GPS接收机将GPS载波信号传输给计算机处理单元，光纤陀螺仪和三轴加速度计将测试信息传输给计算机处理单元；

[0017] （5） 计算机处理单元接收相关数据，调用GPS测量变形模块、INS测量变形模块和遗传粒子滤波模块，实时解算速度、位置、姿态参数信息，估计变形量，校正光纤陀螺仪和三轴加速度计的参数误差。

[0018] 所述的步骤（5）中计算机处理单元接收到GPS信号后，通过载波相位双差方程解算WGS-84坐标系下两基线长度，坐标系转化到地理坐标系下的投影后，由于载体坐标系的基线长度已知，解出载体坐标系到地理坐标系下的姿态转换矩阵，姿态转移矩阵的各参数通过反三角函数变化得到测试点的姿态，而被测点的姿态随着时间的变化情况即是该点的动态变形情况；计算机处理单元接受到光纤陀螺仪和加速度计的数据后，通过惯性参数解算和滤波器估计被测点的姿态，被测点的姿态随着时间的变化情况即是该点的动态变形情况。

[0019] 本发明的有益效果如下：

[0020] 1、本发明利用GPS变形测量技术与惯性（INS）自主测量技术相结合，互补缺陷，扬长避短，确保组合测量装置稳定输出变形量。

[0021] 2、组合测量装置灵活轻便，测量方式简单，只需在挠性载体表面的测试点放置主天线、光纤陀螺仪和三轴加速度计，另两天线与主天线尽量成直角分布即可，且基线长度可调。

[0022] 3、采用差分GPS的载波相位作为观测量，比普通民用的捕获C/A精度更高。

[0023] 4、采用精度高、可靠性好的光纤三轴陀螺仪作为INS的角度敏感器件，既减小了测量装置的体积，又保证了测量精度。

[0024] 5、改进了粒子滤波算法，提出遗传粒子滤波方案，解决了线性参数估计方式不能处理非线性非高斯系统的问题，降低了对动态运动中的使用环境的要求。

[0025] 6 本发明装置及方法因其在体积、成本、便捷性及高精度测量方法方面的优势在挠性变形测量领域有广泛应用价值。

[0026] 附图说明

[0027] 图1为组合测量装置的结构框图。

[0028] 图2为组合测量装置在船体甲板变形的应用示意图。

[0029] 图3为GPS测量变形流程图。

[0030] 图4为遗传粒子滤波的流程图。

[0031] 图5为INS测量变形原理框图。

[0032] 具体实施方式

[0033] 下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。

[0034] 本发明的组合测量装置采用GPS技术和惯性技术INS组合的方法来测量挠性体的动态变形，包括GPS测量单元，INS测量单元和计算机处理单元。组合测量装置的结构框图如图1所示，GPS测量单元由3个GPS天线、差分GPS接收机、电源、通信设备组成，电源为GPS天线和差分GPS接收机供电，通讯设备实现3个GPS天线与差分GPS接收机间的通信；INS测量单元包括光纤陀螺仪、三轴加速度计和电源，其中，光纤陀螺仪和三轴加速度计（统称惯性器件）是INS测量单元的核心测量器件，光纤陀螺仪和三轴加速度计独立工作，它们共用一个电源供电；GPS测量单元和INS测量单元采集数据后与计算机处理单元通信，计算机处理单元接受采样的测量数据后，调用动态变形程序解算动态变形角。

[0035] 该组合测量装置可用于飞机机翼、大坝、桥梁、舰船甲板等大型挠性体的动态变形测量，如舰船在行驶过程中受到波浪的冲击，甲板会有不同程度的变形。图2所示为组合测量装置在船体甲板变形测量中的应用示意图，测量装置的GPS主天线0、光纤陀螺仪和三轴加速度计安置在挠性体变形测量点上，GPS天线1和GPS天线2为辅助天线，3个GPS天线在挠性载体的同一个平面内，根据挠性载体的几何分布，以变形测量点为原点建立载体直角坐标系，GPS天线1和GPS天线2分别在载体坐标系的X、Y轴方向上，并与GPS主天线0形成两个互相垂直的基线，基线长度可变；将差分GPS接收机、光纤陀螺仪和三轴加速度计同计算机处理单元建立连接，计算机处理单元接收数据后计算变形角，并拟合出变形角的动态变化。

[0036] GPS测量变形流程如图3所示，计算机处理单元首先检查串口是否正常连通，正常连通后接收GPS数据信号。采用载波相位双差方程来解算姿态的前提是主天线位置已知，因此首先计算主天线位置。通过整周模糊度搜索后得出整周相位数，从而结合已知的载波相位小数部分，形成载波双差观测方程，解算出WGS-84坐标系下的基线长度。已知的经度、纬度将此基线长度转换到导航坐标系下，载体坐标系下的基线长度可以实际测出，因此可以得出导航坐标系到载体坐标系的姿态转移矩阵，进而解出载体的姿态，载体姿态随着时间的变化即是动态变形角。

[0037] 组合装置系统采用遗传粒子滤波的信息融合方法，遗传粒子滤波的流程图如图4所示。假设系统的状态方程和量测方程离散化后为；

[0038] （ 1）

[0039] 式中， 为15维状态向量， 为9维观测向量， 为与状态无关的系统噪声，为独立于系统噪声的量测噪声，对噪声分布不作要求， 和 分别为 时刻系统状态方程和量测方程的非线性关系函数。

[0040] 其算法如下：

[0041] 1)初始化。 ，对于 ，从重要性函数中提取出状态粒子 ，初始化权值 ，其中 为随机样本数目，这里选用 。

[0042] 2）测量更新

[0043] （a）权值更新

[0044] 令 和 分别是k时刻对所有状态按重要性密度函数 抽取而得到的个粒子及粒子权值 。利用已有样本 和新的状态
采样 而得到样本 ，由此可得权值的更新为：

[0045] （ 2）

[0046] （b）权值归一化

[0047] （ 3）

[0048] （c）估计状态和方差

[0049] （ 4）

[0050] 3）重采样

[0051] 在纯粹的粒子滤波算法中，粒子的退化现象是普遍存在的问题。通常采用有效样本数来衡量一个样本集的退化程度，有效样本数被定义为：

[0052] （ 5）

[0053] 其中， ， 越小则退化想象越严重。当 时，采用遗传算法进行重采样。若 时，转入步骤4）。

[0054] （a） 遗传交叉操作

[0055] 有选择性的选取粒子进行交叉算法，假定需要交叉运算的粒子数为 ，则其实现方式如下：

[0056] for 从1到

[0057] for 从1到

[0058] 从 个粒子中找出权值最大的粒子 ，其权值为 ／／ 这个是最好的粒子；

[0059] 从 个粒子中找出权值最小的粒子 ，其权值为 ／／ 这个是最差的粒子；

[0060] end

[0061] ／／将最差的粒子用找出的两个粒子的线性组合替换， ；

[0062] 对得到的新的粒子阵重新计算权值并归一化；

[0063] end

[0064] 这种交叉方法的好处在于能够有选择性的选取粒子进行交叉操作，并可以通过改变参数 和 来找到实际运行精度最好的设置。

[0065] （b）遗传变异操作

[0066] 变异操作的公式为：

[0067] （ 6）

[0068] 式中 为服从 正态分布的随机向量。

[0069] （c）估计状态和方差

[0070] （ 7）

[0071] 4）将 作为新的随机样本，并令 ，返回步骤2）。

[0072] 采用遗传粒子滤波器来代替卡尔曼滤波，这种新型滤波方法，是通过非参数化的蒙特卡罗模拟方法来实现递推贝叶斯估计的滤波方法，算法易于在计算机上实现，并且对动态模型、状态变量的概率分布及模型阶数均具有良好的鲁棒性，受滤波初始误差影响小，收敛速度快。同时，针对粒子退化现象，采用遗传算法作重采样，有效遏止了退化现象。这种处理方法减轻了对组合测试装置的要求，更切合实际设备的性能指标。

[0073] 本发明中，INS测量变形的原理框图如图5所示，光纤陀螺仪和三轴加速度计直接固连在载体上，三轴加速度计测量沿载体坐标系的三个线加速度分量 ，通过比力坐标系转换，将载体坐标系下比力 转化到导航坐标系下为 ，结合已知的速度和位置初值进行解算可以得出载体的速度和位置，进而得出导航坐标系相对惯性坐标系的角速度 。光纤陀螺仪测量沿载体坐标系的三个转动角速度分量 ，已知导航坐标系相对惯性坐标系的角速度 ， 减去 可得到 ，即载体坐标系相对导航坐标系的角速度 ，利用角速度 可以计算姿态矩阵（从载体坐标系到导航坐标系的变化矩阵），进而得到载体的姿态角和变形角。