本發(fā)明涉及一種基于光學(xué)慣性組合的軌檢車位置姿態(tài)測量系統(tǒng)，適用于鐵路軌道幾何參數(shù)測量及形變檢測。

背景技術(shù)：

目前，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，軌道交通得到迅速發(fā)展，同時(shí)列車運(yùn)行速度快，運(yùn)行里程長對于列車的安全運(yùn)行提出越來越高的要求，因此高精度、高效率的鐵路軌道檢測對列車安全運(yùn)行有重要意義，軌道檢測設(shè)備是保證鐵路運(yùn)行安全的重要設(shè)備。

目前軌道檢測設(shè)備主要分為兩種：基于全站儀的光學(xué)檢測設(shè)備和基于陀螺儀的慣性檢測設(shè)備。光學(xué)檢測設(shè)備精度高，但是效率低；慣性檢測設(shè)備檢測效率高，但是檢測精度低。根據(jù)國家專利局檢索中心專利查詢，有專利提出基于INS與全站儀組合的軌道幾何狀態(tài)測量系統(tǒng)及方法，申請?zhí)柺牵?01410089658.4，該專利利用全站儀對軌道測量小車或軌道特定斷面進(jìn)行測量，獲取全站儀測量值，將全站儀測量值用作量測更新，并與INS原始測量值進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，解算得到高精度的軌道定位定姿結(jié)果，該專利測量效率較基于全站儀的光學(xué)檢測設(shè)備效率有所提高，但全站儀測量過程仍然需要靜止，測量效率仍然較低。有專利提出一種動態(tài)環(huán)境下軌道檢測平臺的三維定位定姿方法及系統(tǒng)，申請?zhí)柺牵?01610010650.3，該專利利用雙目立體相機(jī)的位置和姿態(tài)作為帶權(quán)觀測值輸入INS/OD導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行松組合濾波、平滑及內(nèi)插處理，得到軌道檢測平臺的位置和姿態(tài)，該專利利用雙目立體相機(jī)對多個CPIII控制點(diǎn)進(jìn)行拍照，獲取多張控制點(diǎn)圖片，該過程需要在靜止?fàn)顟B(tài)完成，并根據(jù)立體后交得到雙目立體相機(jī)的位置和姿態(tài)，該專利方法數(shù)據(jù)運(yùn)算量大，立體后交定位精度低，且無法實(shí)現(xiàn)無靜止連續(xù)動態(tài)測量；松組合濾波、平滑及內(nèi)插處理得到的兩次組合中間位置的軌道檢測平臺位置和姿態(tài)精度低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決的問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種精度高、動態(tài)連續(xù)測量、操作簡便的一種基于光學(xué)慣性組合的軌檢車位置姿態(tài)測量系統(tǒng)及方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種基于光學(xué)慣性組合的軌檢車位置姿態(tài)測量系統(tǒng)，包括：光學(xué)成像定位系統(tǒng)(1)、慣性測量單元(2)、里程儀(3)、軌道測量車架(4)、數(shù)據(jù)采集板(5)、中心計(jì)算機(jī)(6)和光學(xué)剛體(21)；光學(xué)成像定位系統(tǒng)(1)包含四個攝像頭，分成兩組，每組兩個攝像頭，相向180度分別置于軌道測量車架(4)兩側(cè)，軌道(20)左右兩側(cè)CPIII控制點(diǎn)(19)分別放置光學(xué)剛體(21)，每個光學(xué)剛體(21)包括兩個光點(diǎn)，兩個光點(diǎn)相對位置及光點(diǎn)大小已知，光學(xué)成像定位系統(tǒng)(1)對軌道(20)左右兩側(cè)CPIII控制點(diǎn)(19)放置的光學(xué)剛體(21)進(jìn)行一次成像，得到兩個剛體上四個光點(diǎn)坐標(biāo)，通過四個光點(diǎn)坐標(biāo)解算光學(xué)定位系統(tǒng)(1)的位置及姿態(tài)；慣性測量單元(2)包含三支陀螺儀(7)和三支加速度計(jì)(8)，分別用于測量軌道測量車架(4)運(yùn)動過程中的三軸角速度和三軸加速度；里程儀(3)用于測量軌道測量車架(4)運(yùn)行里程；軌道測量車架(4)為剛性T型結(jié)構(gòu)，用于在軌道(20)上運(yùn)行，反映軌道(20)幾何參數(shù)狀態(tài)；數(shù)據(jù)采集板(5)采集光學(xué)成像定位系統(tǒng)(1)位置姿態(tài)數(shù)據(jù)、慣性測量單元(2)三軸角速度和三軸加速度數(shù)據(jù)及里程儀(3)里程數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到中心計(jì)算機(jī)(6)；中心計(jì)算機(jī)(6)接收到上述數(shù)據(jù)，并利用慣性測量單元(2)數(shù)據(jù)及里程儀(3)數(shù)據(jù)進(jìn)行航位遞推；利用光學(xué)成像定位系統(tǒng)(1)位置姿態(tài)數(shù)據(jù)與航位遞推數(shù)據(jù)進(jìn)行基于Kalman濾波的前向迭代融合，計(jì)算得到軌檢車位置及姿態(tài)信息。

所述系統(tǒng)工作流程為：

步驟(1)：軌道測量車架(4)在軌道(20)上移動；

步驟(2)：慣性測量單元(2)測量軌道測量車架角速度及加速度數(shù)據(jù)，里程儀(3)測量軌道測量車架(4)運(yùn)行里程數(shù)據(jù)；

步驟(3)：利用慣性測量單元(2)數(shù)據(jù)及里程儀(3)數(shù)據(jù)進(jìn)行航位遞推；

步驟(4)：軌道測量車架(4)移動到光學(xué)成像定位系統(tǒng)(1)對光學(xué)剛體(21)的可視范圍內(nèi)時(shí)，光學(xué)成像定位系統(tǒng)(1)對預(yù)先放置于軌道(20)左右兩側(cè)CPIII控制點(diǎn)(19)的兩個光學(xué)剛體(21)進(jìn)行一次成像，計(jì)算得到光學(xué)成像定位系統(tǒng)的位置及姿態(tài)；

步驟(5)：利用光學(xué)成像定位系統(tǒng)(1)位置姿態(tài)數(shù)據(jù)與航位遞推數(shù)據(jù)進(jìn)行基于Kalman濾波的前向迭代融合，計(jì)算得到軌道測量車架(4)位置及姿態(tài)信息。

所述光學(xué)成像定位系統(tǒng)(1)進(jìn)行位置及姿態(tài)解算，其工作流程為：

步驟(1)：軌道(20)左右兩側(cè)CPIII控制點(diǎn)(19)分別放置光學(xué)剛體(21)；

步驟(2)：利用光學(xué)成像定位系統(tǒng)對兩個剛體(21)進(jìn)行一次成像，得到四個光點(diǎn)坐標(biāo)；

步驟(3)：通過四個光點(diǎn)坐標(biāo)利用光學(xué)立體成像解算光學(xué)定位系統(tǒng)(1)的位置及姿態(tài)；

所述光學(xué)剛體(21)包含兩個有源或無源光點(diǎn)，兩個光點(diǎn)相對位置及光點(diǎn)大小已知，呈啞鈴狀，垂直方向分布，通過安裝柱安裝于CPIII控制點(diǎn)(19)。

本發(fā)明的原理是：一種基于光學(xué)慣性組合的軌檢車位置姿態(tài)測量系統(tǒng)，包括：光學(xué)成像定位系統(tǒng)、慣性測量單元、里程儀、軌道測量車架、數(shù)據(jù)采集板和中心計(jì)算機(jī)；光學(xué)成像定位系統(tǒng)包含四個攝像頭，分成兩組，每組兩個攝像頭，相向180度分別置于軌道測量車架兩側(cè)，用于對軌道左右兩側(cè)CPIII控制點(diǎn)放置的光學(xué)剛體進(jìn)行一次成像，得到兩個剛體上四個光點(diǎn)坐標(biāo)，通過四個光點(diǎn)坐標(biāo)解算光學(xué)定位系統(tǒng)的位置及姿態(tài)；慣性測量單元包含三支陀螺儀和三支加速度計(jì)，分別用于測量軌道測量車架運(yùn)動過程中的三軸角速度和三軸加速度；里程儀用于測量軌道測量車架運(yùn)行里程；軌道測量車架為剛性T型結(jié)構(gòu)，用于在軌道上運(yùn)行，反映軌道幾何參數(shù)狀態(tài)；數(shù)據(jù)采集板采集光學(xué)成像定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)、慣性測量單元數(shù)據(jù)及里程儀數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到中心計(jì)算機(jī)；中心計(jì)算機(jī)接收到上述數(shù)據(jù)，并利用慣性測量單元數(shù)據(jù)及里程儀數(shù)據(jù)進(jìn)行航位遞推；利用光學(xué)成像定位系統(tǒng)位置姿態(tài)數(shù)據(jù)與航位遞推數(shù)據(jù)進(jìn)行基于Kalman濾波的前向迭代融合，計(jì)算得到軌檢車位置及姿態(tài)信息。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明采用四個攝像頭構(gòu)成光學(xué)成像定位系統(tǒng)，可以在動態(tài)情況下，對軌道左右兩側(cè)CPIII控制點(diǎn)放置的光學(xué)剛體進(jìn)行成像，并計(jì)算光學(xué)定位系統(tǒng)位置及姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)了軌道檢測的無靜止連續(xù)動態(tài)測量；

(2)本發(fā)明采用光學(xué)成像定位系統(tǒng)對CPIII控制點(diǎn)放置的光學(xué)剛體進(jìn)行一次成像，得到兩個剛體上四個光點(diǎn)坐標(biāo)，通過四個光點(diǎn)坐標(biāo)解算得到光學(xué)定位系統(tǒng)位置及姿態(tài)，計(jì)算量小，定位精度高；

(3)本發(fā)明利用慣性測量單元數(shù)據(jù)及里程儀數(shù)據(jù)進(jìn)行航位遞推；利用光學(xué)成像定位系統(tǒng)位置姿態(tài)數(shù)據(jù)與航位遞推數(shù)據(jù)進(jìn)行基于Kalman濾波的前向迭代融合，計(jì)算得到軌檢車位置及姿態(tài)信息，計(jì)算精度高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)組成示意圖；

圖2為本發(fā)明的電器設(shè)備構(gòu)成框圖；

圖3為本發(fā)明工作流程圖；

圖4為本發(fā)明中光學(xué)成像定位系統(tǒng)工作流程圖；

圖5為本發(fā)明光學(xué)攝像頭裝配示意圖；

圖6為本發(fā)明光學(xué)剛體構(gòu)成示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，一種基于光學(xué)慣性組合的軌檢車位置姿態(tài)測量系統(tǒng)，包括：光學(xué)成像定位系統(tǒng)1、慣性測量單元2、里程儀3、軌道測量車架4、數(shù)據(jù)采集板5、中心計(jì)算機(jī)6和光學(xué)剛體21，光學(xué)成像定位系統(tǒng)1、慣性測量單元2、里程儀3、數(shù)據(jù)采集板5和中心計(jì)算機(jī)6安裝于軌道測量車架4上，軌道測量車架4為剛性T型結(jié)構(gòu)，用于在軌道20上運(yùn)行，反映軌道20幾何參數(shù)狀態(tài)，光學(xué)剛體21置于軌道20左右兩側(cè)CPIII控制點(diǎn)19上。

如圖2所示，為本發(fā)明電器設(shè)備構(gòu)成框圖：系統(tǒng)電器設(shè)備包括：光學(xué)成像定位系統(tǒng)1、慣性測量單元2、里程儀3、數(shù)據(jù)采集板5、中心計(jì)算機(jī)6；光學(xué)成像定位系統(tǒng)1測量軌道測量車架位置數(shù)據(jù)；慣性測量單元2測量軌道測量車架角速度及加速度數(shù)據(jù)；里程儀3測量軌道測量車架4運(yùn)行里程數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)采集板5采集上述數(shù)據(jù)，發(fā)送給中心計(jì)算機(jī)6；中心計(jì)算機(jī)6接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)解算；光學(xué)成像定位系統(tǒng)1包含四個攝像頭，本實(shí)施例中攝像頭采用Flex13，分成兩組，每組兩個攝像頭，分別置于軌道測量車架4兩側(cè)，用于對軌道20左右兩側(cè)CPIII控制點(diǎn)19放置的光學(xué)剛體21進(jìn)行一次成像，得到兩個剛體上四個光點(diǎn)坐標(biāo)，通過四個光點(diǎn)坐標(biāo)解算得到光學(xué)定位系統(tǒng)1的位置及姿態(tài)；慣性測量單元2包含三支陀螺儀7和三支加速度計(jì)8，本實(shí)施例中陀螺儀采用HT-120，加速度計(jì)采用JN-06M，分別用于測量軌道測量車架4運(yùn)動過程中的三軸角速度和三軸加速度；里程儀3用于測量軌道測量車架4運(yùn)行里程，本實(shí)施例中采用RIA-80；數(shù)據(jù)采集板5采集光學(xué)成像定位系統(tǒng)1數(shù)據(jù)、慣性測量單元2數(shù)據(jù)及里程儀3數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到中心計(jì)算機(jī)6，本實(shí)施例中中心計(jì)算機(jī)6采用CF-314高可靠性筆記本；CF-314高可靠性筆記本接收到上述數(shù)據(jù)，并利用慣性測量單元2數(shù)據(jù)及里程儀3數(shù)據(jù)進(jìn)行航位遞推；利用光學(xué)成像定位系統(tǒng)1位置姿態(tài)數(shù)據(jù)與航位遞推數(shù)據(jù)進(jìn)行基于Kalman濾波的前向迭代融合，計(jì)算得到軌檢車位置及姿態(tài)信息。

如圖3所示，為本發(fā)明系統(tǒng)工作流程：

步驟(1)：軌道測量車架4在軌道20上移動；

步驟(2)：慣性測量單元2利用陀螺儀HT-120，加速度計(jì)JN-06M，分別測量軌道測量車架4的角速度及加速度數(shù)據(jù)，里程儀RIA-80測量軌道測量車架4的運(yùn)行里程數(shù)據(jù)；

步驟(3)：數(shù)據(jù)采集板5采集慣性測量單元2的角速度數(shù)據(jù)、加速度數(shù)據(jù)及里程儀RIA-80的里程數(shù)據(jù)發(fā)送給CF-314，CF-314利用接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行航位遞推；

步驟(4)：軌道測量車架4移動到光學(xué)成像定位系統(tǒng)1對CPIII的可視范圍內(nèi)時(shí)，光學(xué)成像定位系統(tǒng)1利用Flex13攝像頭對預(yù)先放置于軌道20左右兩側(cè)CPIII控制點(diǎn)19的兩個光學(xué)剛體21進(jìn)行一次成像，通過光學(xué)剛體21上四個光點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算得到光學(xué)成像定位系統(tǒng)的位置及姿態(tài)；

步驟(5)：CF-314利用光學(xué)成像定位系統(tǒng)1位置姿態(tài)數(shù)據(jù)與航位遞推數(shù)據(jù)的對比，作為Kalman濾波的觀測量，進(jìn)行基于Kalman濾波的前向迭代融合，計(jì)算得到軌檢車位置及姿態(tài)信息。

如圖4所示，為本發(fā)明中光學(xué)成像定位系統(tǒng)1工作流程：

步驟(1)：軌道20左右兩側(cè)CPIII控制點(diǎn)19分別放置光學(xué)剛體21，每個光學(xué)剛體21包括兩個光點(diǎn)，兩個光點(diǎn)相對位置及光點(diǎn)大小已知；

步驟(2)：光學(xué)成像定位系統(tǒng)1利用Flex13攝像頭對兩個剛體進(jìn)行一次成像，得到四個光點(diǎn)坐標(biāo)；

步驟(3)：通過四個光點(diǎn)坐標(biāo)解算得到光學(xué)定位系統(tǒng)1的位置及姿態(tài)。

如圖5所示，為本發(fā)明光學(xué)攝像頭裝配圖：四個光學(xué)攝像頭，分別為第一攝像頭9、第二攝像頭10、第三攝像頭11、第四攝像頭12，共同構(gòu)成圖1中的光學(xué)成像定位系統(tǒng)1，四個光學(xué)攝像頭分成兩組，其中第一攝像頭9和第二攝像頭10構(gòu)成一組，安裝于T型軌道測量車架13的短臂處，第三攝像頭11和第四攝像頭12構(gòu)成一組，通過安裝桿14安裝于T型軌道測量車架13的長臂處，兩組攝像頭相向180度安裝，四個光學(xué)攝像頭構(gòu)成四目光學(xué)定位系統(tǒng)。

如圖6所示，為本發(fā)明光學(xué)剛體21構(gòu)成示意圖：光學(xué)剛體21包含光點(diǎn)15和光點(diǎn)16兩個有源或無源光點(diǎn)，兩個光點(diǎn)通過連接桿17連接，連接桿17的長度已知，光學(xué)剛體21通過連接桿18垂直方向安裝于CPIII控制點(diǎn)19上，連接桿19的長度已知，通過CPIII控制點(diǎn)19坐標(biāo)可以計(jì)算得到光點(diǎn)15和光點(diǎn)16坐標(biāo)。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。