[发明专利]车载激光雷达隧道检测系统、基于隧道检测系统的自主定位方法及隧道灾害检测方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及到隧道监测与维护技术领域，特指一种基于自主定位的车载激光雷达隧道检测系统及自主定位方法。

背景技术

随着我国高速公路负荷量的激增和隧道运营时间的延长，如何快速的对既有隧道进行有效监测，从而保证高速公路运营安全，愈发成为广大高速公路管理者和技术人员关注的焦点。

隧道从建成到破坏，通常经历变形、裂损和垮塌三个阶段。变形是破坏必经的第一步，变形量积累至一定程度将导致裂损，裂损随着变形量增加而加重，最终导致垮塌。通过对变形的监控，可以及时发现隐患，判断裂损是否为变形导致，查明变形与裂损的发展关联及形成原因，在垮塌到来之前，对病害进行及时有效维护整治。

衬砌裂缝是最常见的隧道病害，是衬砌结构破坏或失稳坍塌的重要原因。目前，对隧道裂缝的检测主要采用裂缝观测仪，通过人工判读和记录检测信数据。该方法不仅效率低、费用高，而且主观因素较多，直接影响到隧道结构安全的客观评估。

现有技术中，对隧道内壁表面检测过程大多采用人工检测方法，通过人工选择和标定检测点，确定隧道内部检测点的位置信息；然后部署检测仪器，沿着隧道纵深对其内部表面情况进行定点检测。该检测方法虽能精确得到隧道内部的结构以及灾害信息，但是需要耗费大量的人力物力，隧道环境也可能对检测人员的人身安全造成严重影响。同时，定点检测的方法大多需要在无其他车辆干扰下进行，需要封闭隧道来确保检测的顺利进行，因此对正常的隧道通行秩序造成了一定影响。另一种隧道检测方法是利用车辆搭载检测传感器(如可见光传感器、超声波雷达探测器等)，通过分析传感器采集的数据来判定隧道内部灾害区域和受灾情况，需要通过卫星定位系统提供定位信息才能准确地定位灾害区域。然而在较长的隧道环境中，卫星定位信号一般较弱或者完全没有，因此，依靠卫星定位来确定隧道内灾害位置的方法在实际隧道测量中难以解决实际检测问题。此外，目前基于可见光和雷达图像的隧道检测方法来发现识别表面裂缝、断裂或形变物理变化较为常见，但此方法较难根据图像发现隧道内壁渗水、浸水、水渍灾害情况。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种检测效率高、可在非封闭状态下进行实时监测的车载激光雷达隧道检测系统、基于隧道检测系统的自主定位方法及隧道灾害检测方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于自主定位的车载激光雷达隧道检测系统，包括：

车辆平台，用于为检测系统的运行提供必要的车辆运行环境和能源供给；

定位模块，包括自主定位模块和卫星定位模块；所述卫星定位模块用于在能够接收到卫星定位信号时对车辆平台进行定位，所述自主定位模块则用于车辆在隧道内无法进行卫星定位的位置进行定位；

激光雷达检测模块，利用激光对隧道表面进行检测，记录激光束反射的光点相对位置和强度信息；

信息融合与检测模块，用于对自主定位模块/卫星定位模块的位置信息以及激光雷达检测模块的测量信息进行分析、处理与融合。

作为本发明的进一步改进：所述车辆平台上安装有车辆传感器模块和车载计算处理与数据存储平台，所述车辆传感器模块作为车辆自身的传感器；所述车载计算处理与数据存储平台，用于为检测过程的数据采集存储、数据分析与信息融合计算、检测分析与评估过程提供计算和存储资源。

作为本发明的进一步改进：所述自主定位模块包括激光雷达模块和定位信息处理模块；所述激光雷达模块包括惯性测量装置和三维磁阻式电子罗盘；所述惯性测量装置为捷联式惯导，具有一个加速度传感器和一个角速度传感器，加速度计用来测量车辆顶端相对地垂线的三个方向加速度分量信息，角速度传感器用来测量车辆的三个角速度信息；所述定位信息处理模块用于对惯性测量装置、三维磁阻式电子罗盘以及里程计信息进行非线性融合估计，根据车辆运动的三自由度的姿态角度、加速度、速度与角速度信息，融合估计车辆在三个方向上的位置状态信息，以确定当前车辆在相对坐标系中的具体位置信息。

作为本发明的进一步改进：所述三个方向加速度分量信息分别为水平两个方向与竖直方向，所述三个角速度信息分别为车辆上下起伏俯仰角、倾斜角度与侧滑角度。