倾斜测量设备及其的惯性导航系统的初始化方法技术方案

本发明专利技术涉及一种倾斜测量设备及其的惯性导航系统的初始化方法。所述初始化方法，包括：将测量杆竖起，所述测量杆的底部触地并保持不动，摇晃所述测量杆的顶部；通过识别惯性传感单元采集的惯性传感数据以及GNSS接收机计算得出的速度计算得出的速度判断此时所述测量杆是否处于摇晃状态，如果是，则找到相对最高点；基于测量头的顶部在相对最高点时陀螺仪测得的角速度计算得到所述惯性传感单元的初始航向角。根据加速度计测得的加速度计算得到所述测量头的倾角，根据所述测量头的倾角以及惯性传感单元的航向角计算得到所述惯性传感单元的初始俯仰角和初始横滚角。这样，可以快速实现初始化，且不需要磁力计。且不需要磁力计。且不需要磁力计。

【技术实现步骤摘要】
倾斜测量设备及其的惯性导航系统的初始化方法


[0001]本专利技术涉及一种测量领域，尤其涉及一种倾斜测量设备及其的惯性导航系统的初始化方法。

技术介绍

[0002]现有的倾斜测量设备的惯性导航系统初始化方法存在两个明显的缺点：一是使用磁力计寻北容易受到磁场干扰，精度和可靠性较差；二是初始化时间较长，需要数秒至十几秒，且需要运动数米至十几米后才能使航向初始化精度达到可用水平，效率有待提高。
[0003]因此，有必要提出一种方案来解决上述问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提出一种倾斜测量设备及其的惯性导航系统的初始化方法，其可以不使用磁力计，不易受到磁场干扰，并且初始化速度快。
[0005]为解决上述技术问题，根据本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种倾斜测量设备的惯性导航系统的初始化方法，所述倾斜测量设备包括测量杆和设置于所述测量杆的顶部的测量头，所述测量头内设置有惯性导航系统和GNSS接收机，所述惯性导航系统包括惯性传感单元，所述惯性传感单元包括陀螺仪和加速度计，其包括：将所述测量杆竖起，所述测量杆的底部触地并保持不动，摇晃所述测量杆的顶部；通过识别所述惯性传感单元采集的惯性传感数据以及所述GNSS接收机计算得出的速度计算得出的速度判断此时所述测量杆是否处于摇晃状态，如果处于摇晃状态，则基于所述惯性传感单元采集的惯性传感数据和/或所述GNSS接收机计算得出的速度计算得出的速度找到相对最高点；利用GNSS接收机获得的卫星实时观测数据计算获得GNSS接收机的速度，基于所述GNSS接收机的速度计算GNSS接收机的航向角，根据测量杆的长度、测量头的顶部在相对最高点时所述陀螺仪测得的角速度、GNSS接收机的速度计算出惯性传感单元的航向角与GNSS接收机的航向角的偏差，进而根据GNSS接收机的航向角和所述偏差计算出惯性传感单元的初始航向角，或者，利用GNSS接收机获得的卫星实时观测数据计算获得GNSS接收机的速度，根据测量头的顶部在相对最高点时陀螺仪测得的角速度、所述测量杆的杆长和GNSS接收机的速度直接计算得到惯性传感单元的初始航向角；和根据加速度计测得的加速度计算得到所述测量头的倾角，根据所述测量头的倾角以及惯性传感单元的航向角与GNSS接收机的航向角的偏差计算得到所述惯性传感单元的初始俯仰角和初始横滚角。
[0006]根据本专利技术的另一个方面，本专利技术提供了一种倾斜测量设备，其包括测量杆和设置于所述测量杆的顶部的测量头，所述测量头内包括惯性导航系统和GNSS接收机，所述惯性导航系统包括惯性传感单元，所述惯性传感单元包括陀螺仪和加速度计，将所述测量杆竖起，所述测量杆的底部触地并保持不动，摇晃所述测量杆的顶部；通过识别所述惯性传感单元采集的惯性传感数据以及所述GNSS接收机计算得出的速度计算得出的速度判断此时所述测量杆是否处于摇晃状态，如果处于摇晃状态，则基于所述惯性传感单元采集的惯性
传感数据和/或所述GNSS接收机计算得出的速度计算得出的速度找到相对最高点；利用GNSS接收机获得的卫星实时观测数据计算获得GNSS接收机的速度，基于所述GNSS接收机的速度计算GNSS接收机的航向角，根据测量杆的长度、测量头的顶部在相对最高点时所述陀螺仪测得的角速度、GNSS接收机的速度计算出惯性传感单元的航向角与GNSS接收机的航向角的偏差，进而根据GNSS接收机的航向角和所述偏差计算出惯性传感单元的初始航向角，或者，利用GNSS接收机获得的卫星实时观测数据计算获得GNSS接收机的速度，根据测量头的顶部在相对最高点时陀螺仪测得的角速度、所述测量杆的杆长和GNSS接收机的速度直接计算得到惯性传感单元的初始航向角；和根据加速度计测得的加速度计算得到所述测量头的倾角，根据所述测量头的倾角以及惯性传感单元的航向角与GNSS接收机的航向角的偏差计算得到所述惯性传感单元的初始俯仰角和初始横滚角。
[0007]与现有技术相比，本专利技术通过摇晃所述测量杆就可以实现所述惯性导航系统的快速初始化，速度快，不使用磁力计，不易受到磁场干扰。
附图说明
[0008]图1为本专利技术中的一种倾斜测量设备在摇晃状态的示意图；
[0009]图2为本专利技术中的各个参考坐标系的示意图；和
[0010]图3为本专利技术中的倾斜测量设备的惯性导航系统的初始化方法在一个实施例中的流程示意图。
具体实施方式
[0011]为更进一步阐述本专利技术为达成预定专利技术目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本专利技术的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。
[0012]本专利技术提供一种倾斜测量设备以及其的惯性导航系统的初始化方法，其通过摇晃所述测量杆就可以实现所述惯性导航系统快速初始化，速度快，易于实现，不使用磁力计，不易受到磁场干扰。
[0013]图1为本专利技术中的一种倾斜测量设备在摇晃状态的示意图。如图1所示，所述倾斜测量设备包括测量杆30和设置于所述测量杆30的顶部的测量头20，所述测量头20内设置有惯性导航系统INS和GNSS(Global Navigation Satellite System，GNSS，全球导航卫星系统)接收机，所述惯性导航系统包括惯性传感单元IMU，所述惯性传感单元IMU包括陀螺仪和加速度计。
[0014]图3为本专利技术中的倾斜测量设备的惯性导航系统的初始化方法300在一个实施例中的流程示意图。如图3所示的，所述初始化方法包括如下步骤。
[0015]步骤310，将所述测量杆30竖起，所述测量杆30的底部触地并保持不动，摇晃所述测量杆30的顶部。
[0016]步骤320，通过识别所述惯性传感单元采集的惯性传感数据以及GNSS接收机计算得出的速度判断此时所述测量杆是否处于摇晃状态，如果是，则基于所述惯性传感单元采集的惯性传感数据和/或所述GNSS接收机计算得出的速度计算得出的速度找到相对最高点。
[0017]所述摇晃可以是前后摇晃，也可以是左右摇晃，摇晃时测量杆30的顶部经过最高
点，在最高点时测量杆30完全竖直。当然，很难严格要求所述测量杆30精确的完全竖直，因此这里只需要是相对最高点就可以了。
[0018]需要知道的是，所述初始化方法300只有在惯性导航系统INS还未被初始化时才能够通过摇晃而启动，在惯性导航系统INS已经被初始化后，即便摇晃所述测量杆30的顶部也没有办法启动所述初始化方法。
[0019]步骤330，基于GNSS接收机计算得到的速度、测量头的顶部在相对最高点时陀螺仪测得的角速度、所述测量杆的杆长计算得到所述惯性传感单元的初始航向角。
[0020]在本专利技术中，均是采用RTK技术来计算GNSS接收机的天线相位中心的速度作为GNSS接收机的速度。其中，RTK(Real Time Kinematic)是一种利用卫星实时观测数据进行动态相对定位的技术，是一种广为使用的GNSS技术。
[0021]有两种方案可以计算所述惯性传感单元的初始航向角。下面就这两种方案分别进行介绍。
[0022]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种倾斜测量设备的惯性导航系统的初始化方法，所述倾斜测量设备包括测量杆和设置于所述测量杆的顶部的测量头，所述测量头内设置有惯性导航系统和GNSS接收机，所述惯性导航系统包括惯性传感单元，所述惯性传感单元包括陀螺仪和加速度计，其特征在于，其包括：将所述测量杆竖起，所述测量杆的底部触地并保持不动，摇晃所述测量杆的顶部；通过识别所述惯性传感单元采集的惯性传感数据以及所述GNSS接收机计算得出的速度计算得出的速度判断此时所述测量杆是否处于摇晃状态，如果处于摇晃状态，则基于所述惯性传感单元采集的惯性传感数据和/或所述GNSS接收机计算得出的速度计算得出的速度找到相对最高点；利用GNSS接收机获得的卫星实时观测数据计算获得GNSS接收机的速度，基于所述GNSS接收机的速度计算GNSS接收机的航向角，根据测量杆的长度、测量头的顶部在相对最高点时所述陀螺仪测得的角速度、GNSS接收机的速度计算出惯性传感单元的航向角与GNSS接收机的航向角的偏差，进而根据GNSS接收机的航向角和所述偏差计算出惯性传感单元的初始航向角，或者，利用GNSS接收机获得的卫星实时观测数据计算获得GNSS接收机的速度，根据测量头的顶部在相对最高点时陀螺仪测得的角速度、所述测量杆的杆长和GNSS接收机的速度直接计算得到惯性传感单元的初始航向角；和根据加速度计测得的加速度计算得到所述测量头的倾角，根据所述测量头的倾角以及惯性传感单元的航向角与GNSS接收机的航向角的偏差计算得到所述惯性传感单元的初始俯仰角和初始横滚角。2.如权利要求1所述的初始化方法，其特征在于，基于所述GNSS接收机的速度计算GNSS接收机的航向角为：θ＝atan2(v
e
,v
n
)其中θ表示GNSS接收机的航向角，v
e
表示GNSS接收机的东方向速度，v
n
表示GNSS接收机的北方向速度，根据测量杆的长度、测量头的顶部在相对最高点时所述陀螺仪测得的角速度、GNSS接收机的速度计算出惯性传感单元的航向角与GNSS接收机的航向角的偏差为：其中为惯性传感单元的航向角与GNSS接收机的航向角的偏差，ω
x
，ω
y
分别为陀螺仪的X和Y轴的角速度，l为测量杆的长度，根据GNSS接收机的航向角和所述偏差计算出惯性传感单元的初始航向角为：其中α为惯性传感单元的航向角。3.如权利要求1所述的初始化方法，其特征在于，根据测量头的顶部在相对最高点时陀螺仪测得的角速度、所述测量杆的杆长和GNSS接收机的速度直接计算得到惯性传感单元的初始航向角为：
其中v
e
表示GNSS接收机的东方向速度，v
n
表示GNSS接收机的北方向速度，ω
x
，ω
y
分别为陀螺仪的X和Y轴的角速度，l为测量杆的长度，α为惯性传感单元的航向角。4.如权利要求2所述的初始化方法，其特征在于，根据加速度计测得的加速度计算得到所述测量头的倾角为：其中β为所述测量头的倾角，a
z
为加速度传感器，g为加速度，l为测量杆的长度，v
e
表示GNSS接收机的东方向速度，v
n
表示GNSS接收机的北方向速度，根据此时前后历元GNSS接收机的高程变化判断所述倾角正负，如果高程增加则β取正，如果高程减小则β取负，根据所述测量头的倾角以及惯性传感单元的航向角与GNSS接收机的航向角的偏差计算得到所述惯性传感单元的初始俯仰角pitch和初始横滚角roll为:算得到所述惯性传感单元的初始俯仰角pitch和初始横滚角roll为:其中为惯性传感单元的航向角与GNSS接收机的航向角的偏...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐正鹏，王达，
申请(专利权)人：新纳传感系统有限公司，
类型：发明
国别省市：