CN108168517A - 一种建筑物倾角自动测量方法及系统 - Google Patents
一种建筑物倾角自动测量方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种建筑物倾角自动测量方法及系统,具体包括:根据倾角传感器的初始安装角度,确定所述倾角传感器自身坐标系与大地坐标系的夹角;获取所述倾角传感器测量的实时角度数据;根据所述夹角、以及所述实时角度数据,确定被勘测建筑物的倾斜率和倾斜方向,其中,所述倾角传感器的初始安装位置是任意的,从而倾角传感器自身坐标系不必一定与大地坐标系完全一致。通过使用本申请的方法和系统,可以减小人为测量时的误差,提高利用倾角传感器测量建筑倾角时的精度,并能实现连续测量,当发现建筑物朝某一个方向的倾斜超过一定程度时,及时通知工程人员采取措施,有效预防和避免倒塌事故。
Description
技术领域
本发明涉及一种建筑物倾角自动测量方法及系统。
背景技术
建筑物倾角测量在建筑领域非常常见,一个重要的应用领域是通过测量建筑物倾角可以对建筑物质量和健康状况做出有效的评估,特别是近几年频发的建筑物倒塌事故,若对建筑物一直有有效的倾斜监控机制,绝大多数倒塌是可以预防和避免的。
传统的建筑物倾角测量方法是采用人工操作水平仪进行实地勘测,毫无疑问这种方法效率很低,人工往往要花费几天甚至一周的时间才能完成对一栋建筑物的勘测;这种方法另外一个问题是,测试结果的准确性往往受测量人的技术水平和主观意志影响。
近年来出现了很多通过在建筑物上安装勘测设备进行自动倾角测量的方法,勘测设备往往内置了倾斜传感器,能自动测量出相对于自身坐标系的在X/Y/Z三个方向上的角度,然后再通过特定的算法转换为建筑物相对于大地坐标系的倾角,但是这种方法也存在一些问题:要求传感器的初步安装位置与大地坐标系完全重合,不便于工程安装部署,且转换过程复杂。
因而需要提供一种能够快速将传感器自身坐标系的角度转换为建筑物相对于大地坐标系的倾角方法和系统,且对传感器的初始安装位置没有要求。
发明内容
本发明的建筑物倾角测量方法是通过这样的方式实现的:根据倾角传感器的初始安装角度,确定所述倾角传感器自身坐标系与大地坐标系的夹角;获取所述倾角传感器测量的实时角度数据;根据所述夹角、以及所述实时角度数据,确定被勘测建筑物的倾斜率和倾斜方向,其中,所述倾角传感器的初始安装位置是任意的。从而倾角传感器自身坐标系不必一定与大地坐标系完全一致。
其中建筑物的倾斜率包括绝对倾斜率和/或在每个方向的倾斜率。
进一步地,所述夹角包括所述倾角传感器自身坐标系的X轴在大地水平面上的投影与大地坐标系East轴在逆时针方向的夹角Ai、所述倾角传感器自身坐标系的XY面与大地坐标系水平面的X、Y轴的初始夹角Axi和Ayi。
进一步地,所述确定被勘测建筑物的倾斜率和倾斜方向包括以下步骤:(1)对倾角传感器的初始安装角度进行标定,使标定后的倾角传感器的自身坐标系与大地坐标系重合;(2)使用标定后的数据计算被勘测建筑物的绝对倾斜率、绝对倾斜的方向和/或在每个方向的倾斜率。
进一步地,所述对倾角传感器的初始安装角度进行标定,使标定后的倾角传感器的自身坐标系与大地坐标系重合的步骤具体为:
Ax=Ax1–Axi,
Ay=Ay1-Ayi,
其中,Ax1、Ay1为倾角传感器测量的X、Y方向的实时角度数据,Axi和Ayi分别为倾角传感器自身坐标系的XY平面与大地坐标系的水平面的X、Y方向的初始夹角,Ax、Ay为标定后的所述倾角传感器在X、Y方向的角度。
进一步地,所述使用标定后的数据计算被勘测建筑物的绝对倾斜率的步骤具体包括以下步骤:
使用公式一,利用所述标定后的所述倾角传感器在X、Y方向的角度Ax、Ay计算倾角传感器在Z轴方向的角度Az,具体为:
(SinAz)2=(SinAx)2+(SinAy)2 (公式一);
用Az计算所述被勘测建筑物的绝对倾斜率IR:IR=|TanAz|。
进一步地,所述使用标定后的数据计算被勘测建筑物的绝对倾斜的方向,具体包括以下步骤:
根据Ax和Ay,计算倾角传感器自身坐标系的Z轴在大地水平面上的投影与大地坐标系East轴在逆时针方向的夹角Ad,具体包括:
当Ax或Ay为0时,Ad的计算步骤为:
若Ay=0且Ax>=0,则Ad=0°;
若Ay=0且Ax<0,则Ad=180°;
若Ax=0且Ay>0,则Ad=90°;
若Ax=0且Ay<0,则Ad=270°;
当Ay和Ay均不为0时,Ad的计算步骤为:
令TanAd’=|SinAy/SinAx|,
若Ay>0且Ax>0,则Ad=Ad’;
若Ay<0且Ax<0,则Ad=180°+Ad’;
若Ay>0且Ax<0,则Ad=180–Ad’;
若Ay<0且Ax>0,则Ad=360°–Ad’;
对Ad进行标定,确定最终的倾斜方向Ad最终,具体为:
Ad最终=Ad-Ai,
若计算出的Ad最终<0,则Ad最终=360°+Ad–Ai。
进一步地,所述使用标定后的数据确定被勘测建筑物在每个方向的倾斜率,具体包括如下步骤:
若0°≤Ad最终≤90°,则
IR-east=IR*CosAd最终,
IR-north=IR*SinAd最终,
IR-west=0,
IR-south=0;
若90°≤Ad最终≤180°,则
IR-west=|IR*CosAd最终|,
IR-north=|IR*Ad最终|,
IR-east=0,
IR-south=0;
若180°≤Ad最终≤270°,则
IR-west=|IR*CosAd最终|,
IR-south=|IR*SinAd最终|,
IR-east=0,
IR-north=0;
否则,
IR-east=|IR*CosAd最终|,
IR-south=|IR*SinAd最终|,
IR-west=0,
IR-north=0;
其中IR-east表示在东方向上的倾斜率,IR-west表示在西方向上的倾斜率,IR-south表示在南方向上的倾斜率,IR-north表示在北方向的倾斜率。
本发明还提供了实施该倾角测量方法的系统,其包括倾角传感器,被安装到被测量建筑物的适合位置以及处理装置,对测量到的数据进行处理;其中,处理装置包括倾斜率确定模块、倾斜方向确定模块、显示模块、报警模块、输入模块。其中输入模块用于输入初始时传感器自身坐标系与大地坐标系坐标系的夹角;倾斜率确定模块可以确定建筑物的绝对倾斜率;倾斜方向确定模块确定建筑物的绝对倾斜方向,显示模块显示建筑物的绝对倾斜方向和绝对倾斜率;当向某个方向的绝对倾斜率超过容许值时,报警模块进行报警。
进一步地,倾斜率确定模块可以进一步根据绝对倾斜方向确定在东南西北各个方向的倾斜率。
进一步地,倾角传感器可以采用MEMS倾角传感器。
通过本发明的方法和装置,本发明具有以下优点:本发明对于倾角传感器的安装位置限制较小,便于工程部署,可以减小人为测量时的误差;同时通过计算Az,可以提高利用倾角传感器测量建筑倾角时的精度,并能实现连续测量;当发现建筑物朝某一个方向的倾斜超过一定程度时,及时通知工程人员采取措施,有效预防和避免倒塌事故。
附图说明
图1为本发明方法的示例性流程;
图2为传感器初始安装时其坐标系与大地坐标系存在夹角的示意图;
图3标定后,传感器自身坐标系(X/Y/Z轴表示)与大地坐标系(East/North/Gravity轴表示)完全重合时的情况;
图4为当建筑物发生倾斜时的坐标系变化示意图;
图5为本发明的倾角测量系统的框图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到:除非另外具体说明,否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
如图1所示,为本发明所述的方法的处理流程:根据倾角传感器的初始安装角度,确定传感器自身坐标系与大地坐标系的夹角;倾角传感器实时测量建筑物的倾斜数据,根据测量到的数据,利用本发明中的算法,确定被测建筑物的倾斜率和倾斜方向。其中倾斜率包括绝对倾斜率和在各个方向上的倾斜率,倾斜方向是绝对倾斜方向。
下面具体表述本申请中如何确定倾斜率和倾斜方向的过程。通常倾角传感器只能测量相对于自身坐标系的角度值,因此,需要将倾角传感器测量的相对于自身坐标系的角度,转换为相对于大地坐标系的角度。
在实际部署中,很难做到传感器自身坐标系与大地坐标系完全一致,即使能做到,也会大大增加工程安装的复杂性,影响部署效率。本发明中允许传感器自身坐标系与大地坐标系不一致性存在,这个不一致性使用Ai来表示,Ai是传感器自身坐标系的X轴在大地水平面上的投影与大地坐标系East轴在逆时针方向的夹角,如图2所示。
在传感器安装时,除了可能存在上述的初始安装角度Ai,还有可能存在传感器自身坐标系的XY平面与大地坐标系水平面的夹角,即存在倾角传感器自身坐标系的XY面与大地坐标系水平面的X、Y轴的初始夹角Axi和Ayi(未图示)、当要确定被勘测建筑物的倾斜率和倾斜方向时,包括如下步骤:(1)对倾角传感器的初始安装角度进行标定,使标定后的倾角传感器的自身坐标系与大地坐标系重合,如图3所示。通过初始值标定来消除传感初始安装角度的影响,具体标定过程为:
Ax=Ax1–Axi,
Ay=Ay1-Ayi,
其中,Ax1、Ay1为倾角传感器测量的X、Y方向的实时角度数据,Axi和Ayi分别为倾角传感器自身坐标系的XY平面与大地坐标系的水平面的X、Y方向的初始夹角,Ax、Ay为标定后的所述倾角传感器在X、Y方向的角度。
通过上述标定,可以使标定后的倾角传感器的自身坐标系与大地坐标系重合。
为在标定结束后,确定被勘测建筑物的倾斜率还包括步骤(2):利用标定后的数据计算被勘测建筑物的绝对倾斜率、绝对倾斜的方向以及在每个方向的倾斜率。
在标定结束后,传感器自身坐标系(X/Y/Z轴表示)与大地坐标系(East/North/Gravity轴表示)完全重合。设传感器记录的相对于自身坐标系的在X、Y、Z方向的角度为Ax、Ay、Az,当被勘测建筑物倾斜发生时,则传感器Z轴与大地坐标系Gravity轴不再重合,如图4所示,二者之间的夹角Az则代表了建筑物的实际倾角。此时测量的Ax、Ay、Az之间存在公式一所示的关系:
(SinAz)2=(SinAx)2+(SinAy)2 (公式一);
则使用标定后的数据计算被勘测建筑物的绝对倾斜率的步骤具体包括以下步骤:
使用公式一,利用所述标定后的所述倾角传感器在X、Y方向的角度Ax、Ay计算倾角传感器在Z方向的角度Az;
用Az计算所述被勘测建筑物的绝对倾斜率IR:IR=|TanAz|。
由于一般倾角传感器对Az的测量都有很大的局限性,例如需要传感器垂直安装,并且测量的精度不高,为避免这些问题,本发明中不直接使用传感器测量的Az角度,而是通过公式一,根据已知的Ax、Ay导出Az,这种导出Az的方式可以避免由于测量精度不高而造成的误差,由于在建筑物倾斜测量中,极小的测量误差都有可能造成极大的工程损失,因此,通过这种方式计算Az,在倾斜测量中具有重要意义。
当求出Az后,接下来需要计算被勘测建筑物的绝对倾斜的方向。这个方向用Ad来表示,Ad是传感器自身坐标系的Z轴在大地水平面上的投影与大地坐标系East轴在逆时针方向的夹角,如图4所示。绝对倾斜方向Ad可以通过以下方式确定:
当Ax或Ay为0时,Ad的计算步骤为:
若Ay=0且Ax>=0,则Ad=0°;
若Ay=0且Ax<0,则Ad=180°;
若Ax=0且Ay>0,则Ad=90°;
若Ax=0且Ay<0,则Ad=270°;
当Ay和Ay均不为0时,Ad的计算步骤为:
令TanAd’=|SinAy/SinAx|,
若Ay>0且Ax>0,则Ad=Ad’;
若Ay<0且Ax<0,则Ad=180°+Ad’;
若Ay>0且Ax<0,则Ad=180–Ad’;
若Ay<0且Ax>0,则Ad=360°–Ad’;
对Ad进行标定,确定最终的倾斜方向Ad最终,具体为:
Ad最终=Ad-Ai,
若计算出的Ad最终<0,则Ad最终=360°+Ad–Ai。
至此,绝对倾斜率和倾斜方向都有了,通过下面的过程可以得出被勘测建筑物在大地坐标系中在东西南北各个方向上的倾斜率,这对于后续建筑物纠偏施工是非常重要的信息。
通过使用标定后的数据确定被勘测建筑物在东西南北每个方向的倾斜率,具体包括如下步骤:
若0°≤Ad最终≤90°,则
IR-east=IR*CosAd最终,
IR-north=IR*SinAd最终,
IR-west=0,
IR-south=0;
若90°≤Ad最终≤180°,则
IR-west=|IR*CosAd最终|,
IR-north=|IR*Ad最终|,
IR-east=0,
IR-south=0;
若180°≤Ad最终≤270°,则
IR-west=|IR*CosAd最终|,
IR-south=|IR*SinAd最终|,
IR-east=0,
IR-north=0;
否则,
IR-east=|IR*CosAd最终|,
IR-south=|IR*SinAd最终|,
IR-west=0,
IR-north=0;
其中IR-east表示在东方向上的倾斜率,IR-west表示在西方向上的倾斜率,IR-south表示在南方向上的倾斜率,IR-north表示在北方向的倾斜率。
当初始传感器自身坐标系与大地坐标系完全重合时,则初始的Axi和Ayi均为0,其同样可以使用上述过程来计算被勘测建筑物的绝对倾斜率和倾斜方向。由此可见,本发明公开的方法,可以在传感器的初始安装位置任意的情况下,快速而精确的确定建筑物相对于大地坐标系的倾角。
以下具体说明执行本发明的方法的系统,参照5,本发明的系统包括:倾角传感器,比如MEMS倾角传感器等,其安装到被测量建筑物的适合位置,当倾角传感器安装到建筑后,可以手工测量初始传感器自身坐标系与大地坐标系坐标系的夹角。倾角传感器实时测量建筑物的倾斜角度,并将倾角传感器的数据发送到处理器进行处理。可以通过无线方式,比如wifi,3G、蓝牙、红外等形式进行发送,也可以通过有线形式等将数据传送到处理装置。
作为对传感器数据进行处理的处理装置,可以为计算机、手机、IPAD或其他智能终端,处理器装置载有对这些数据进行处理的各个模块,如绝对倾斜率确定模块、倾斜方向确定模块、显示模块、报警模块、输入模块等。
其中输入模块输入手工测量到的传感器自身坐标系的X轴在大地水平面上的投影与大地坐标系坐标系East轴在逆时针方向的夹角。倾斜率确定模块确定绝对倾斜率,倾斜方向确定模块确定绝对倾斜方向,倾斜率确定模块可以进一步根据绝对倾斜方向确定在东南西北各个方向的倾斜率,显示模块显示测量到的建筑物的倾斜方向和倾斜率,当向某个方向的倾斜超过容许值时,报警模块进行报警,以提醒工程师采取措施进行纠偏。
倾角传感器可以采用MEMS倾角传感器或者其他传感器。
通过本发明的方法以及系统,可以准确的测量建筑物的倾角,以便工程人员可以及时采取措施,避免不必要的倒塌,提高生命财产安全。
通过以上的实施方式的描述,本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法中的全部或部分步骤可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。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可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品可以存储在存储介质中,如ROM/RAM、磁碟、光盘等,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机,服务器,或者诸如媒体网关等网络通信设备,等等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种建筑物倾角自动测量方法,其特征在于,包括以下步骤:
根据倾角传感器的初始安装角度,确定所述倾角传感器自身坐标系与大地坐标系的夹角;
获取所述倾角传感器测量的实时角度数据;
根据所述夹角、以及所述实时角度数据,确定被勘测建筑物的倾斜率和倾斜方向,其中,所述倾角传感器的初始安装位置是任意的。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述夹角包括所述倾角传感器自身坐标系的X轴在大地水平面上的投影与大地坐标系East轴在逆时针方向的夹角Ai、所述倾角传感器自身坐标系的XY面与大地坐标系水平面的X、Y轴的初始夹角Axi和Ayi。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述确定被勘测建筑物的倾斜率和倾斜方向包括以下步骤:
(1)对倾角传感器的初始安装角度进行标定,使标定后的倾角传感器的自身坐标系与大地坐标系重合;
(2)使用标定后的数据计算被勘测建筑物的绝对倾斜率、绝对倾斜的方向和/或在每个方向的倾斜率。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述对倾角传感器的初始安装角度进行标定,使标定后的倾角传感器的自身坐标系与大地坐标系重合的步骤具体为:
Ax=Ax1–Axi,
Ay=Ay1-Ayi,
其中,Ax1、Ay1为倾角传感器测量的X、Y方向的实时角度数据,Axi和Ayi分别为倾角传感器自身坐标系的XY平面与大地坐标系的水平面的X、Y方向的初始夹角,Ax、Ay为标定后的所述倾角传感器在X、Y方向的角度。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,所述使用标定后的数据计算被勘测建筑物的绝对倾斜率的步骤具体包括以下步骤:
使用公式一,利用所述标定后的所述倾角传感器在X、Y方向的角度Ax、Ay计算倾角传感器在Z方向的角度Az,具体为:
(SinAz)2=(SinAx)2+(SinAy)2 (公式一);
计算所述被勘测建筑物的绝对倾斜率IR:IR=|TanAz|。
6.根据权利要求4或5所述的方法,其特征在于,所述使用标定后的数据计算被勘测建筑物的绝对倾斜的方向,具体包括以下步骤:
根据Ax和Ay,计算倾角传感器自身坐标系的Z轴在大地水平面上的投影与大地坐标系East轴在逆时针方向的夹角Ad,具体包括:
当Ax或Ay为0时,Ad的计算步骤为:
若Ay=0且Ax>=0,则Ad=0°;
若Ay=0且Ax<0,则Ad=180°;
若Ax=0且Ay>0,则Ad=90°;
若Ax=0且Ay<0,则Ad=270°;
当Ay和Ay均不为0时,Ad的计算步骤为:
令TanAd’=|SinAy/SinAx|,
若Ay>0且Ax>0,则Ad=Ad’;
若Ay<0且Ax<0,则Ad=180°+Ad’;
若Ay>0且Ax<0,则Ad=180–Ad’;
若Ay<0且Ax>0,则Ad=360°–Ad’;
对Ad进行标定,确定最终的倾斜方向Ad最终,具体为:
Ad最终=Ad-Ai,
若计算出的Ad最终<0,则Ad最终=360°+Ad–Ai。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述使用标定后的数据确定被勘测建筑物在每个方向的倾斜率,具体包括如下步骤:
若0°≤Ad最终≤90°,则
IR-east=IR*CosAd最终,
IR-north=IR*SinAd最终,
IR-west=0,
IR-south=0;
若90°≤Ad最终≤180°,则
IR-west=|IR*CosAd最终|,
IR-north=|IR*Ad最终|,
IR-east=0,
IR-south=0;
若180°≤Ad最终≤270°,则
IR-west=|IR*CosAd最终|,
IR-south=|IR*SinAd最终|,
IR-east=0,
IR-north=0;
否则,
IR-east=|IR*CosAd最终|,
IR-south=|IR*SinAd最终|,
IR-west=0,
IR-north=0;
其中IR-east表示在东方向上的倾斜率,IR-west表示在西方向上的倾斜率,IR-south表示在南方向上的倾斜率,IR-north表示在北方向的倾斜率。
8.一种建筑物倾角测量系统,其用于执行根据权利要求1-5任一项所述的方法,其特征在于,该测量系统包括:倾角传感器和处理装置;其中,所述倾角传感器被安装到被勘测建筑物的适合位置;
所述处理装置包括:倾斜率确定模块、倾斜方向确定模块、显示模块、报警模块、输入模块;其中,所述输入模块用于输入初始时倾角传感器的自身坐标系与大地坐标系的夹角;倾斜率确定模块用于被勘测建筑物的绝对倾斜率;倾斜方向确定模块用于确定被勘测建筑物的倾斜方向;显示模块用于显示被勘测建筑物的倾斜方向和倾斜率;所述报警模块用于当向某个方向的倾斜率超过容许值时进行报警。
9.根据权利要求6所述的测量系统,其特征在于,所述倾角传感器采用MEMS倾角传感器。
10.根据权利要求6所述的测量系统,其特征在于,所述倾斜率确定模块还用于确定所述被勘测建筑物在东南西北各个方向的倾斜率。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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