CN107449392A - 基于惯性测量单元的边坡变形测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地质测量领域，其公开了一种基于惯性测量单元的边坡变形测量方法，解决传统技术中的非接触式测量方案受外部因素干扰较大，时间分辨率有限，若用作实时监控手段具有局限性，而接触式测量方案存在的无法全面掌握监测点空间变化信息的问题。本发明中所述基于惯性测量单元的边坡变形测量方法通过与边坡固定连接的加速度计和陀螺仪测量边坡上的监测点，将测得的加速度和角速度信息解算为边坡的变形速率、位置以及姿态信息，并进行迭代更新，以反映边坡的变形情况。本发明适用于边坡变形的长期监测，尤其适用于对于处在快速变形阶段的边坡监测。

Description

基于惯性测量单元的边坡变形测量方法

技术领域

本发明涉及地质测量领域，具体涉及一种基于惯性测量单元的边坡变形测量方法。

背景技术

现有技术中对于边坡变形的测量方案分为非接触式监测和接触式监测两大类，其中非接触式监测方案有：大地测量方法、GNSS(即全球卫星导航系统)监测方法、LiDAR(激光雷达)、InSAR(合成孔径雷达干涉测量)等。

大地测量方法通过全站仪等测量设备对点与点间距离和方位进行测量，建立地面控制网，是变形监测的传统方法；GNSS则通过接收卫星发送的导航定位信号，进行空间后方交会测量后确定地面待测点的三维坐标，再根据坐标值在不同时间的变化来获取绝对位移的变化情况；LiDAR利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面点的三维坐标、反射率和纹理等信息，经内部数据处理，快速重构出被测目标的三维模型及点、线、面、体等几何数据，多期测量将对应的点云数据比较分析后，得到边坡变形情况；InSAR结合合成孔径雷达(SAR)和射电天文干涉技术，通过求取同一地区两幅SAR图像的相位差，获得干涉图像，再根据干涉图的相位值，得出两次成像中微波的路程差，从而计算出目标地区的地形、地貌及表面微小变化。随着监测水平的提升，以上方法的测量精度、自动化程度等方面已大幅提高，但是由于采用非接触观测的方式，受外部因素干扰较大，且时间分辨率有限，若用来作为实时监测手段，具有一定局限性。

除非接触监测方法以外，对边坡的变形监测还包括钻孔倾斜法、多点位移计测量法、光纤传感等接触式变形测量手段，通过探头或光纤等传感元件，感知测点位置位移的变化。此类方法虽不易受外部天气、信号等外部因素干扰，却只能提供一维变形信息，无法全面掌握监测点的空间变化信息。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种基于惯性测量单元的边坡变形测量方法，解决传统技术中的非接触式测量方案受外部因素干扰较大，时间分辨率有限，若用作实时监控手段具有局限性，而接触式测量方案存在的无法全面掌握监测点空间变化信息的问题。

本发明解决上述技术问题所采用的方案是：

基于惯性测量单元的边坡变形测量方法，包括：通过与边坡固定连接的加速度计和陀螺仪测量边坡上的监测点，将测得的加速度和角速度信息解算为边坡的变形速率、位置以及姿态信息，并进行迭代更新，以反映边坡的变形情况，具体为：

a.导入加速度计和陀螺仪测量的实时数据；

b.进行姿态更新，并解得姿态角即各轴向的旋转角θ、φ；若达到预设速度更新时间，则进行速度更新，否则返回继续更新姿态；

c.速度更新后，得到t_m时刻的变形速率v_m；若达到预设位置更新时间，则进行位置更新，否则返回继续更新姿态；

d.位置更新后，得到t_m时刻的变形位置P_m，将所述变形位置P_m与、变形速率v_m以及姿态角θ、φ作为输出结果。

作为进一步优化，步骤a之前还包括步骤：

a0.测量的初始化设置：定义初始变形速率v₀，初始位置P₀，初始姿态矩阵C₀。

作为进一步优化，所述进行姿态更新的方法为：

根据陀螺仪的输出ω求解t_m时刻的姿态矩阵C_m。

作为进一步优化，步骤b中，所述进行速度更新的方法为：

利用姿态矩阵C_m、加速度计输出f及陀螺仪输出ω，求解t_m时刻的变形速率v_m。

作为进一步优化，步骤c中，所述进行位置更新的方法为：

基于t_m-1时刻的位置P_m-1，通过t_m时刻的变形速率v_m和t_m-1时刻的变形速率v_m-1估计发生变化后的监测点位置P_m。

本发明的有益效果是：

采用与边坡直接固定相连的测量传感器作为测量设备，可实时感知边坡上测点的运动姿态、速度、及位置变化，实现对边坡变形情况的完全掌握。甚至在边坡失稳后，仍能继续追踪边坡破坏后的运动情况，有助于进行对滑坡运动规律的后续研究，尤其适用于边坡快速变形阶段，与其他方法相比，具有显著优势。

附图说明

图1为本发明中基于惯性测量单元的边坡变形测量方法流程图；

图2为姿态更新、变形速率更新、位置更新流程图。

具体实施方式

本发明旨在提出一种基于惯性测量单元的边坡变形测量方法，解决传统技术中的测量方案受外部因素干扰较大，时间分辨率有限，若用作实时监控手段具有局限性，而接触式测量方案存在的无法全面掌握监测点空间变化信息的问题。

本发明中通过与边坡固定连接的加速度计和陀螺仪测量边坡上监测点，将测得的加速度和角速度信息解算为边坡的变形速率、位置以及姿态信息，并进行迭代更新，以反映边坡的变形情况，该方法不受外界环境的影响，适用于边坡变形的长期监测，尤其适用于对于处在快速变形阶段的边坡监测。

如图1所示，本发明中的基于惯性测量单元的边坡变形测量方法包括：

a.导入加速度计和陀螺仪测量的实时数据；

b.进行姿态更新，并解得姿态角即各轴向的旋转角θ、φ；若达到预设速度更新时间，则进行速度更新，否则返回继续更新姿态；

c.速度更新后，得到t_m时刻的变形速率v_m；若达到预设位置更新时间，则进行位置更新，否则返回继续更新姿态；

d.位置更新后，得到t_m时刻的变形位置P_m，将所述变形位置P_m与、变形速率v_m以及姿态角θ、φ作为输出结果。

在上述流程步骤中，姿态更新、变形速率更新、位置更新参见图2，其中：

根据陀螺仪的输出ω求解t_m时刻的姿态矩阵C_m。

变形速率更新方法为：

利用姿态矩阵C_m、加速度计输出f及陀螺仪输出ω，求解t_m时刻的变形速率v_m。

位置更新方法为：

基于t_m-1时刻的位置P_m-1，通过t_m时刻的变形速率v_m和t_m-1时刻的变形速率v_m-1估计发生变化后的监测点位置P_m。

为便于理解，下面对本发明中根据加速度计和陀螺仪的测量数据对边坡变形的解算原理进行说明：

本发明对边坡变形的解算原理与运载体惯性导航原理一致，其解算的基本方程为比力方程：

为姿态矩阵，依据陀螺仪测量的角速度ω^b解得；f^b为加速度计测量的比力；为由载体运动和地球自转引起的哥氏加速度，为由载体运动引起的对地向心加速度，gⁿ为重力加速度，统称为有害加速度。

由该方程可知，在加速度计输出中扣除有害加速度后，可得运载体或监测设备在导航系下的几何运动加速度

在上述比力方程中，各项的上、下角标代表不同的坐标系，具体有：

①地球坐标系e：原点位于地心，x轴穿越本初子午线与赤道的交点，z轴穿越地球北极点，y轴穿过东经90°子午线与赤道的交点。

②地心惯性坐标系i：以地心为原点，x轴指向春分点，z轴沿地球自转轴，y轴与x、z轴构成右手系。

③导航坐标系n：用于导航解算的参考坐标，在监测物体在小范围内变形或运动的情况下，可选用当地直角坐标系作为导航坐标系，以起始点为原点，x、y、z轴向分别指向东、北、天。

④机体坐标系b：原点位于飞机质心，x、y、z轴分别指右、前、上。

基于上述比力方程的解算过程为：

①姿态矩阵计算：

机体坐标系b和导航坐标系n的坐标变换矩阵称为姿态矩阵，用表示。由于b系和n系均为直角坐标系，可将两坐标系间的空间角位置关系理解成刚体的定点转动，的常用更新求解方法有四元数法、欧拉角法等，可根据陀螺仪测量的角增量Δθ或角速率ω解得。

随着飞行器或监测设备的姿态随时间变化，也将不断更新。为书写方便，本发明中，将t_m-1时刻的姿态矩阵记为C_m-1,将t_m时刻的姿态矩阵记为C_m。

②变形速率和变形后的位置求解：

为书写方便，本发明中分别将t_m-1和t_m时刻的变形速率记为v_m-1、v_m,将t_m-1和t_m时刻的位置记为P_m-1、P_m。

由比力方程可知，在加速度计输出中扣除有害加速度后，可得运载体或监测设备在导航系下的几何运动加速度对加速度积分一次可得速度，再积分一次得位置。在精度要求不高的情况下，可以忽略一些参数，进行简化计算。

Claims (5)

1.基于惯性测量单元的边坡变形测量方法，其特征在于，包括：通过与边坡固定连接的加速度计和陀螺仪测量边坡上的监测点，将测得的加速度和角速度信息解算为边坡的变形速率、位置以及姿态信息，并进行迭代更新，以反映边坡的变形情况，具体为：

a.导入加速度计和陀螺仪测量的实时数据；

b.进行姿态更新，并解得姿态角即各轴向的旋转角θ、φ；若达到预设速度更新时间，则进行速度更新，否则返回继续更新姿态；

c.速度更新后，得到t_m时刻的变形速率u_m；若达到预设位置更新时间，则进行位置更新，否则返回继续更新姿态；

d.位置更新后，得到t_m时刻的变形位置P_m，将所述变形位置P_m与变形速率v_m以及姿态角θ、φ作为输出结果。

2.如权利要求1所述的基于惯性测量单元的边坡变形测量方法，其特征在于，步骤a之前还包括步骤：

a0.测量的初始化设置：定义初始变形速率v₀，初始位置P₀，初始姿态矩阵C₀。

3.如权利要求1所述的基于惯性测量单元的边坡变形测量方法，其特征在于，所述进行姿态更新的方法为：

根据陀螺仪的输出ω求解t_m时刻的姿态矩阵C_m。

4.如权利要求3所述的基于惯性测量单元的边坡变形测量方法，其特征在于，步骤b中，所述进行速度更新的方法为：

利用姿态矩阵C_m、加速度计输出f及陀螺仪输出ω，求解t_m时刻的变形速率v_m。

5.如权利要求4所述的基于惯性测量单元的边坡变形测量方法，其特征在于，步骤c中，所述进行位置更新的方法为：

基于t_m-1时刻的位置P_m-1，通过t_m时刻的变形速率v_m和t_m-1时刻的变形速率v_m-1估计发生变化后的监测点位置P_m。