UWB/SINS定位系统在沥青路面施工质量监控中的应用研究

作     者：李向頔 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱思聪

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：沥青路面 施工质量监控 隧道定位 UWB/SINS组合导航 自适应卡尔曼滤波 

摘      要：中国是交通基础设施建设大国,每年的公路建设里程位于世界前列。路面工程直接反映了公路的外观质量和行车舒适性,沥青材料凭借其良好的路用性能成为了高速公路和高等级公路路面的首选。但是,国内的沥青路面饱受一些质量通病的长期损坏。路面质量问题一部分取决于工程设计和施工设备的好坏,也在很大程度上受到施工过程中一些人为因素的影响,例如施工人员不够专业、承包商偷工减料等。仅让施工单位对这些人为因素进行自我监管是不够的,委托监理方对施工过程监控是保障沥青路面质量的必要手段。本文从监理方的角度出发,设计了一整套沥青路面施工质量监控系统。通过研究路面质量验收主控项目和影响因素,确定了施工过程中需要监控的关键参数,包括沥青生产环节的沥青含量、集料级配、拌合温度和拌合时间,以及路面施工环节的施工机械工作参数。设计了各参数的监控响应范围和警告规则。开发了基于物联网的前端硬件和基于Web网页的后端软件,系统通过网页程序、SMS信息和现场警示灯对施工过程予以监控和反馈。该监控系统在麻昭高速已成功实施,与未实施系统的路段相比,部署了监控系统后的沥青混合料级配和沥青密度和在统计学意义上得到了显著改善。本文提出的监控系统能够提高沥青路面的施工质量,所分析和储存的信息也能为以后的路面养护提供决策支持。此外,针对GPS在隧道内无法有效定位施工机械的问题,本文开发了基于UWB(超宽带)技术的隧道内定位子系统。相比于容易受到多路径效应影响的无线载波定位技术,UWB技术的高精度和抗衰减能力使其十分适用于半封闭的复杂隧道环境。对于可简化为一维场景的长直隧道,设计了基于平差调整的UWB粗定位系统,其在视距条件下的典型定位误差在10 cm以内。针对在非视距条件下UWB定位误差增大的问题,设计了UWB/SINS二维精定位系统。通过分析UWB和SINS的噪声的来源和特性,在松组合的反馈校正型间接卡尔曼滤波的基础上,剔除极端非视距条件,采用了一种改进的简化Sage-Husa自适应卡尔曼滤波对UWB/SINS组合导航系统进行数据融合。实验室实验的结果表明,采用标准卡尔曼滤波的组合导航系统比UWB单独定位系统降低了25.43%的定位误差,自适应滤波比标准卡尔曼滤波又能降低11.39%的误差,仿真结果也证明了自适应滤波的优越性。此外,在隧道现场进行了多次定位实验,定位系统表现出良好的实用性和稳定性,能够有效地辅助隧道内的沥青路面施工质量监控。