一种基于位置修正的轨迹测量方法、装置及电子设备

技术领域

本申请涉及惯性测量技术领域，具体而言，涉及一种基于位置修正的轨迹测量方法、装置及电子设备。

背景技术

精密轨迹测量对确保大型工程(如桥梁、隧道等)的顺利实施、工程的优质、日常运营状况的安全检测等有着重大意义。目前国内实施重大工程项目的测量仪器普遍使用GPS接收机、全站仪、精密水准仪等，在隧道内还部分使用陀螺定向仪、激光指向仪等检测设备。这种测量方法存在着众多局限性，例如基准点不易确定，测量设备不易架设等难点，故只能进行多点测量，不能提供连续的测试数据，且对环境要求较高，测量过程中GPS无信号或视线被遮挡等状况会影响测量精度。此外，还有利用惯性导航系统进行轨迹测量的方法，虽然惯性导航系统能够进行三维测量，但是其误差会随时间累积，单纯的惯性导航系统无法满足测量的精度需求。总的来说，目前现有的轨迹测量方式均不能简单方便的进行连续的高精度测量。

发明内容

为了解决上述问题，本申请实施例提供了一种基于位置修正的轨迹测量方法、装置及电子设备。

第一方面，本申请实施例提供了一种基于位置修正的轨迹测量方法，所述方法包括：

在构建的全站仪坐标系中对惯性导航系统在起始点进行对准，获得初始姿态矩阵；

基于所述初始姿态矩阵进行航位推算计算，得到所述惯性导航系统的航位推算轨迹坐标；

确定所述航位推算轨迹坐标的方位误差角、里程仪标度因数误差、俯仰误差角，并根据确定的所述方位误差角、里程仪标度因数误差、俯仰误差角对所述航位推算轨迹坐标进行轨迹修正，得到所述惯性导航系统的修正轨迹坐标。

优选的，所述在构建的全站仪坐标系中对惯性导航系统在起始点进行对准，获得初始姿态矩阵，包括：

在构建的全站仪坐标系中确定惯性导航系统的起始点，使所述惯性导航系统在所述起始点静止第一预设时间；

获取所述第一预设时间内所述惯性导航系统在三维上的各加速度计信息以及各第一陀螺仪信息；

分别计算在所述第一预设时间内各维度上的加速度计信息平均值以及第一陀螺仪信息平均值，基于所述加速度计信息平均值和第一陀螺仪信息平均值得到初始姿态矩阵。

优选的，所述基于所述初始姿态矩阵进行航位推算计算，得到所述惯性导航系统的航位推算轨迹坐标，包括：

测量所述惯性导航系统的终点坐标；

确定所述惯性导航系统从所述起始点到所述终点坐标行进过程中的在三维上的各第二陀螺仪信息以及各里程仪信息；

根据所述初始姿态矩阵、第二陀螺仪信息、里程仪信息进行航位推算解算，得到所述惯性导航系统的航位推算轨迹坐标。

优选的，所述确定所述航位推算轨迹坐标的方位误差角、里程仪标度因数误差、俯仰误差角，包括：

计算所述惯性导航系统的实际水平位移以及航位推算水平位移；

基于所述实际水平位移以及航位推算水平位移确定里程仪标度因数误差；

基于所述终点坐标、终点处的所述航位推算轨迹坐标的竖直方向矢量确定方位误差角；

基于所述终点坐标、终点处的所述航位推算轨迹坐标的竖直方向坐标参数以及总里程数确定俯仰误差角。

优选的，所述根据确定的所述方位误差角、里程仪标度因数误差、俯仰误差角对所述航位推算轨迹坐标进行轨迹修正，得到所述惯性导航系统的修正轨迹坐标，包括：

根据确定的所述方位误差角、俯仰误差角构建转换矩阵；

根据所述转换矩阵以及所述里程仪标度因数误差对所述航位推算轨迹坐标进行轨迹修正，得到所述惯性导航系统的修正轨迹坐标。

第二方面，本申请实施例提供了一种基于位置修正的轨迹测量装置，所述装置包括：

对准模块，用于在构建的全站仪坐标系中对惯性导航系统在起始点进行对准，获得初始姿态矩阵；

计算模块，用于基于所述初始姿态矩阵进行航位推算计算，得到所述惯性导航系统的航位推算轨迹坐标；

修正模块，用于确定所述航位推算轨迹坐标的方位误差角、里程仪标度因数误差、俯仰误差角，并根据确定的所述方位误差角、里程仪标度因数误差、俯仰误差角对所述航位推算轨迹坐标进行轨迹修正，得到所述惯性导航系统的修正轨迹坐标。

第三方面，本申请实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面或第一方面的任意一种可能的实现方式提供的方法的步骤。

第四方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面或第一方面的任意一种可能的实现方式提供的方法。

本发明的有益效果为：采用位置修正技术，通过里程仪信息对已经推算得到的航位轨迹结果进行修正，仅需要在起始点与终点进行高精度测量，便可以获得连续的高精度轨迹坐标，且整个修正过程不复杂，易于实现，能够大规模推广使用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种基于位置修正的轨迹测量方法的流程示意图；

图2为本申请实施例提供的一种基于位置修正的轨迹测量装置的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在下述介绍中，术语“第一”、“第二”仅为用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。下述介绍提供了本发明的多个实施例，不同实施例之间可以替换或者合并组合，因此本发明也可认为包含所记载的相同和/或不同实施例的所有可能组合。因而，如果一个实施例包含特征A、B、C，另一个实施例包含特征B、D，那么本发明也应视为包括含有A、B、C、D的一个或多个所有其他可能的组合的实施例，尽管该实施例可能并未在以下内容中有明确的文字记载。

下面的描述提供了示例，并且不对权利要求书中阐述的范围、适用性或示例进行限制。可以在不脱离本发明内容的范围的情况下，对描述的元素的功能和布置做出改变。各个示例可以适当省略、替代或添加各种过程或组件。例如所描述的方法可以以所描述的顺序不同的顺序来执行，并且可以添加、省略或组合各种步骤。此外，可以将关于一些示例描述的特征组合到其他示例中。

参见图1，图1是本申请实施例提供的一种基于位置修正的轨迹测量方法的流程示意图。在本申请实施例中，所述方法包括：

S101、在构建的全站仪坐标系中对惯性导航系统在起始点进行对准，获得初始姿态矩阵。

在本申请实施例中，首先将基于待测量的工程地区建立全站仪坐标系，并对惯性导航系统进行测量起始的起始点处的对准，以此来获得惯性导航系统推算轨迹所需的初始姿态矩阵。

具体的，全站仪坐标系的构建过程可以是：

(1)定义坐标原点为起始点；

(2)从起始点向预计的终点在水平面内的投影引直线，该直线方向定义为X轴，指向终点方向为正向；

(3)以垂直于水平面的轴为Z轴，且竖直朝上的方向为正；

(4)基于于X轴、Z轴呈右手定则的标准确定Y轴。

在一种可实施方式中，步骤S101包括：

在构建的全站仪坐标系中确定惯性导航系统的起始点，使所述惯性导航系统在所述起始点静止第一预设时间；

获取所述第一预设时间内所述惯性导航系统在三维上的各加速度计信息以及各第一陀螺仪信息；

分别计算在所述第一预设时间内各维度上的加速度计信息平均值以及第一陀螺仪信息平均值，基于所述加速度计信息平均值和第一陀螺仪信息平均值得到初始姿态矩阵。

具体的.首先将在初始点处使得惯性导航系统静止测试第一预设时间T.并在此期间采集惯性导航系统在三维方向上的三个加速度计信息

在得到加速度计信息平均值以及第一陀螺仪信息平均值后，将根据下式来获得系统的初始姿态矩阵

其中，g

S102、基于所述初始姿态矩阵进行航位推算计算，得到所述惯性导航系统的航位推算轨迹坐标。

所述航位推算轨迹坐标在本申请实施例中可以理解为基于初始姿态矩阵对惯性导航系统所推算得到的预估轨迹坐标，该轨迹坐标随着时间的推移误差将会变大。

在一种可实施方式中，步骤S102包括：

测量所述惯性导航系统的终点坐标；

确定所述惯性导航系统从所述起始点到所述终点坐标行进过程中的在三维上的各第二陀螺仪信息以及各里程仪信息；

根据所述初始姿态矩阵、第二陀螺仪信息、里程仪信息进行航位推算解算，得到所述惯性导航系统的航位推算轨迹坐标。

具体的，在得到初始姿态矩阵后，将采用全站仪测量终点处坐标P

P

S103、确定所述航位推算轨迹坐标的方位误差角、里程仪标度因数误差、俯仰误差角，并根据确定的所述方位误差角、里程仪标度因数误差、俯仰误差角对所述航位推算轨迹坐标进行轨迹修正，得到所述惯性导航系统的修正轨迹坐标。

在一种可实施方式中，步骤S103中所述确定所述航位推算轨迹坐标的方位误差角、里程仪标度因数误差、俯仰误差角，包括：

计算所述惯性导航系统的实际水平位移以及航位推算水平位移；

基于所述实际水平位移以及航位推算水平位移确定里程仪标度因数误差；

基于所述终点坐标、终点处的所述航位推算轨迹坐标的竖直方向矢量确定方位误差角；

基于所述终点坐标、终点处的所述航位推算轨迹坐标的竖直方向坐标参数以及总里程数确定俯仰误差角。

具体的，为了航位推算轨迹坐标的各个用以进行轨迹修正的参数，首先将根据公式

根据公式

根据公式

根据公式

在一种可实施方式中，步骤S103中所述根据确定的所述方位误差角、里程仪标度因数误差、俯仰误差角对所述航位推算轨迹坐标进行轨迹修正，得到所述惯性导航系统的修正轨迹坐标，包括：

根据确定的所述方位误差角、俯仰误差角构建转换矩阵；

根据所述转换矩阵以及所述里程仪标度因数误差对所述航位推算轨迹坐标进行轨迹修正，得到所述惯性导航系统的修正轨迹坐标。

在本申请实施例中，里程仪信息一般是用于车载系统中，在车辆行进过程中根据里程仪信息对后续行进方向进行调整来保证行进路线的准确。本申请通过在桥梁、隧道等大型工程中采集惯性导航系统的里程仪信息，通过里程仪信息来反向对推算得到的航迹推算轨迹坐标进行修正计算，以此得到修正后的修正轨迹坐标，通过这种方式能够在工程初期模拟推算的过程中实现对工程结构的轨迹测量，且测量精度高，数据准确性好。

具体的，首先将根据下述公式计算转换矩阵

在基于方位误差角以及俯仰误差角构建出转换矩阵

下面将结合附图2，对本发明实施例提供的基于位置修正的轨迹测量装置进行详细介绍。需要说明的是，附图2所示的基于位置修正的轨迹测量装置，用于执行本发明图1所示实施例的方法，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，具体技术细节未揭示的，请参考本发明图1所示的实施例。

请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种基于位置修正的轨迹测量装置。如图2所示，所述装置包括：

对准模块201，用于在构建的全站仪坐标系中对惯性导航系统在起始点进行对准，获得初始姿态矩阵；

计算模块202，用于基于所述初始姿态矩阵进行航位推算计算，得到所述惯性导航系统的航位推算轨迹坐标；

修正模块203，用于确定所述航位推算轨迹坐标的方位误差角、里程仪标度因数误差、俯仰误差角，并根据确定的所述方位误差角、里程仪标度因数误差、俯仰误差角对所述航位推算轨迹坐标进行轨迹修正，得到所述惯性导航系统的修正轨迹坐标。

在一种可实施方式中，所述对准模块201包括：

静止单元，用于在构建的全站仪坐标系中确定惯性导航系统的起始点，使所述惯性导航系统在所述起始点静止第一预设时间；

获取单元，用于获取所述第一预设时间内所述惯性导航系统在三维上的各加速度计信息以及各第一陀螺仪信息；

第一计算单元，用于分别计算在所述第一预设时间内各维度上的加速度计信息平均值以及第一陀螺仪信息平均值，基于所述加速度计信息平均值和第一陀螺仪信息平均值得到初始姿态矩阵。

在一种可实施方式中，所述计算模块202包括：

测量单元，用于测量所述惯性导航系统的终点坐标；

第一确定单元，用于确定所述惯性导航系统从所述起始点到所述终点坐标行进过程中的在三维上的各第二陀螺仪信息以及各里程仪信息；

第二计算单元，用于根据所述初始姿态矩阵、第二陀螺仪信息、里程仪信息进行航位推算解算，得到所述惯性导航系统的航位推算轨迹坐标。

在一种可实施方式中，所述修正模块203包括：

第三计算单元，用于计算所述惯性导航系统的实际水平位移以及航位推算水平位移；

第二确定单元，用于基于所述实际水平位移以及航位推算水平位移确定里程仪标度因数误差；

第三确定单元，用于基于所述终点坐标、终点处的所述航位推算轨迹坐标的竖直方向矢量确定方位误差角；

第四确定单元，用于基于所述终点坐标、终点处的所述航位推算轨迹坐标的竖直方向坐标参数以及总里程数确定俯仰误差角。

在一种可实施方式中，所述修正模块203还包括：

第五确定单元，用于根据确定的所述方位误差角、俯仰误差角构建转换矩阵；

修正单元，用于根据所述转换矩阵以及所述里程仪标度因数误差对所述航位推算轨迹坐标进行轨迹修正，得到所述惯性导航系统的修正轨迹坐标。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例的技术方案可借助软件和/或硬件来实现。本说明书中的“单元”和“模块”是指能够独立完成或与其他部件配合完成特定功能的软件和/或硬件，其中硬件例如可以是现场可编程门阵列(Field－ProgrammableGate Array，FPGA)、集成电路(Integrated Circuit，IC)等。

本发明实施例的各处理单元和/或模块，可通过实现本发明实施例所述的功能的模拟电路而实现，也可以通过执行本发明实施例所述的功能的软件而实现。

参见图3，其示出了本发明实施例所涉及的一种电子设备的结构示意图，该电子设备可以用于实施图1所示实施例中的方法。如图3所示，电子设备300可以包括：至少一个中央处理器301，至少一个网络接口304，用户接口303，存储器305，至少一个通信总线302。

其中，通信总线302用于实现这些组件之间的连接通信。

其中，用户接口303可以包括显示屏(Display)、摄像头(Camera)，可选用户接口303还可以包括标准的有线接口、无线接口。

其中，网络接口304可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如WI-FI接口)。

其中，中央处理器301可以包括一个或者多个处理核心。中央处理器301利用各种接口和线路连接整个终端300内的各个部分，通过运行或执行存储在存储器305内的指令、程序、代码集或指令集，以及调用存储在存储器305内的数据，执行终端300的各种功能和处理数据。可选的，中央处理器301可以采用数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)、可编程逻辑阵列(Programmable Logic Array，PLA)中的至少一种硬件形式来实现。中央处理器301可集成中央中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、图像中央处理器(GraphicsProcessing Unit，GPU)和调制解调器等中的一种或几种的组合。其中，CPU主要处理操作系统、用户界面和应用程序等；GPU用于负责显示屏所需要显示的内容的渲染和绘制；调制解调器用于处理无线通信。可以理解的是，上述调制解调器也可以不集成到中央处理器301中，单独通过一块芯片进行实现。

其中，存储器305可以包括随机存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以包括只读存储器(Read-Only Memory)。可选的，该存储器305包括非瞬时性计算机可读介质(non-transitory computer-readable storage medium)。存储器305可用于存储指令、程序、代码、代码集或指令集。存储器305可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储用于实现操作系统的指令、用于至少一个功能的指令(比如触控功能、声音播放功能、图像播放功能等)、用于实现上述各个方法实施例的指令等；存储数据区可存储上面各个方法实施例中涉及到的数据等。存储器305可选的还可以是至少一个位于远离前述中央处理器301的存储装置。如图3所示，作为一种计算机存储介质的存储器305中可以包括操作系统、网络通信模块、用户接口模块以及程序指令。

在图3所示的电子设备300中，用户接口303主要用于为用户提供输入的接口，获取用户输入的数据；而处理器301可以用于调用存储器305中存储的基于位置修正的轨迹测量应用程序，并具体执行以下操作：

在构建的全站仪坐标系中对惯性导航系统在起始点进行对准，获得初始姿态矩阵；

基于所述初始姿态矩阵进行航位推算计算，得到所述惯性导航系统的航位推算轨迹坐标；

确定所述航位推算轨迹坐标的方位误差角、里程仪标度因数误差、俯仰误差角，并根据确定的所述方位误差角、里程仪标度因数误差、俯仰误差角对所述航位推算轨迹坐标进行轨迹修正，得到所述惯性导航系统的修正轨迹坐标。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。其中，计算机可读存储介质可以包括但不限于任何类型的盘，包括软盘、光盘、DVD、CD-ROM、微型驱动器以及磁光盘、ROM、RAM、EPROM、EEPROM、DRAM、VRAM、闪速存储器设备、磁卡或光卡、纳米系统(包括分子存储器IC)，或适合于存储指令和/或数据的任何类型的媒介或设备。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些服务接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储器中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储器中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储器包括：U盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通进程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储器中，存储器可以包括：闪存盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取器(Random AccessMemory，RAM)、磁盘或光盘等。

以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。本发明旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。