CN110132235B - 一种阵列式多维度测斜仪 - Google Patents

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CN110132235B CN201910501605.1A CN201910501605A CN110132235B CN 110132235 B CN110132235 B CN 110132235B CN 201910501605 A CN201910501605 A CN 201910501605A CN 110132235 B CN110132235 B CN 110132235B
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Abstract

本发明提供了一种阵列式多维度测斜仪，该阵列式多维度测斜仪包括两两相互依次连接的若干节传感器模块共同组成一个测斜阵列，每一节传感器模块均包括三轴重力加速度数据采集单元、三轴地磁数据采集单元和处理器单元，该三轴重力加速度数据采集单元用于采集其对应的传感器模块的三轴重力加速度分量数据，该三轴地磁数据采集单元用于采集其对应的传感器模块的三轴地磁分量数据，该处理器单元用于根据三轴重力加速度分量数据和三轴地磁分量数据，通过预设姿态解算算法计算其对应的传感器模块的姿态信息。

Description

一种阵列式多维度测斜仪
技术领域
本发明涉及土木工程监测的技术领域，特别涉及一种阵列式多维度测斜仪。
背景技术
阵列式多维度测斜仪是利用其内置的传感器，并结合适当的算法感知自身的空间姿态位置变化。该阵列式测斜仪适用于深度测斜、挠度监测和隧道收敛性等不同方面的监测应用，其广泛应用于大坝、桥梁、道路、隧道、基坑和边坡等不同建筑结构体的连续变形监测。
目前，测斜方式主要分为人工测斜和自动化测斜。现有的自动化测斜是利用三轴加速度传感器，测量和采集被测物在X轴、Y轴、Z轴上的倾角，再利用三角函数分别求出被测物在X轴、Y轴、Z轴上的位移，在计算出单节设备各自的测斜数据后，再将所有单节设备的测斜数据进行累加处理，从而得到关于被测物整体的测斜结果。但是，由于阵列式多维度测斜仪是通过若干个单节设备级联组成的，一般来说单节设备的级联数量可达到240节，当每个单节设备自身的长度和级联数量到达一定程度时，该阵列式多维度测斜仪的整体长度就会相当长，在应用过程中容易发生旋转或扭转，因而使该阵列式多维度测斜仪的测量结果不准确。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种阵列式多维度测斜仪，该阵列式多维度测斜仪包括两两相互依次连接的若干节传感器模块共同组成一个测斜阵列，每一节传感器模块均包括三轴重力加速度数据采集单元、三轴地磁数据采集单元和处理器单元，该三轴重力加速度数据采集单元用于采集其对应的传感器模块的三轴重力加速度分量数据，该三轴地磁数据采集单元用于采集其对应的传感器模块的三轴地磁分量数据，该处理器单元用于根据三轴重力加速度分量数据和三轴地磁分量数据，通过预设姿态解算算法计算其对应的传感器模块的姿态信息。首先，该阵列式多维度测斜仪通过一种新的姿态解算方法直接求解出每节传感器模块中上端点相对于下端点的相对空间坐标，该姿态解算方法还可以根据实际需要灵活选择是否将三轴地磁数据采集单元采集到的三轴地磁分量数据融合到计算过程中；其次，该阵列式多维度测斜仪将三轴重力加速度数据采集单元和三轴地磁数据采集单元相互结合，并利用三轴地磁数据采集单元采集到的三轴地磁分量数据对该阵列式多维度测斜仪由于发生扭转情况而导致的计算误差进行修正，从而保证测量数据的准确性和有效性；最后，该阵列式多维度测斜仪还可以灵活应用于2D或者3D等不同空间姿态位置测量场景中。
本发明提供一种阵列式多维度测斜仪，其特征在于：
所述阵列式多维度测斜仪包括两两相互依次连接的若干节传感器模块；
所述若干节传感器模块共同组成一个测斜阵列；
每一节传感器模块均包括三轴重力加速度数据采集单元、三轴地磁数据采集单元和处理器单元；其中，
所述三轴重力加速度数据采集单元用于采集其对应的传感器模块的三轴重力加速度分量数据；
所述三轴地磁数据采集单元用于采集其对应的传感器模块的三轴地磁分量数据；
所述处理器单元用于根据所述三轴重力加速度分量数据和所述三轴地磁分量数据，通过预设姿态解算算法计算其对应的传感器模块的姿态信息；
进一步，所述处理器单元包括传感器模块扭转判断子单元和姿态解算算法运行子单元；其中，
所述传感器模块扭转判断子单元用于判断其对应的传感器模块整体是否发生扭转；
所述姿态解算算法运行子单元用于根据所述传感器模块扭转判断子单元的扭转判断结果，对应地运行不同类型的姿态解算算法；
进一步，所述姿态解算算法运行子单元根据所述扭转判断结果，对应地运行不同类型的姿态解算算法具体包括，
若所述扭转判断结果指示所述传感器模块整体未发生扭转，则所述姿态解算算法运行子单元运行第一姿态解算算法计算所述传感器模块的姿态信息，
若所述扭转判断结果指示所述传感器模块整体发生扭转，则所述姿态计算算法运行子单元运行第二姿态解算算法计算所述传感器模块的姿态信息；
其中，所述姿态解算算法运行子单元运行所述第一姿态解算算法时，根据所述三轴重力加速度分量数据和所述三轴地磁分量数据计算出所述姿态信息，
所述姿态解算算法运行子单元运行所述第二姿态解算算法时，根据所述三轴重力加速度分量数据和所述三轴地磁分量数据计算出所述姿态信息；
进一步，所述姿态解算算法运行子单元运行所述第一姿态解算算法计算出所述传感器模块的姿态信息具体包括，
所述姿态解算算法运行子单元根据所述三轴重力加速度分量数据中的X轴、Y轴和Z轴各自的加速度分量Gpx、Gpy和Gpz，并根据下面公式(1)和(2)计算出所述传感器模块的横滚角
Figure GDA0002970588920000031
和俯仰角θ，
Figure GDA0002970588920000032
Figure GDA0002970588920000033
所述姿态解算算法运行子单元还根据所述三轴地磁分量数据中X轴和Y轴各自的地磁分量Bpx和Bpy，并根据下面公式(3)计算出所述传感器模块的方位角γ，
Figure GDA0002970588920000034
进一步，所述姿态解算算法运行子单元运行所述第二姿态解算算法计算出所述传感器模块的姿态信息具体包括，
所述姿态解算算法运行子单元根据所述三轴重力加速度分量数据中的X轴、Y轴和Z轴各自的加速度分量Gpx、Gpy和Gpz，并根据下面公式(1)和(2)计算出所述传感器模块的横滚角
Figure GDA0002970588920000041
和俯仰角θ，
Figure GDA0002970588920000042
Figure GDA0002970588920000043
所述姿态解算算法运行子单元还根据所述三轴地磁分量数据中X轴、Y轴和Z轴各自的地磁分量Bpx、Bpy和Bpz，以及所述横滚角
Figure GDA0002970588920000046
与所述俯仰角θ，并根据下面公式(4)对所述传感器模块的方位角γ进行倾斜修正计算，以得到所述方位角γ
Figure GDA0002970588920000044
进一步，所述处理器单元还包括姿态信息计算子单元；
所述姿态信息计算子单元用于根据所述传感器模块的等效长度L、所述横滚角
Figure GDA0002970588920000045
所述俯仰角θ和所述方位角γ，计算出所述传感器模块的上端点相对于所述传感器模块下端点的相对空间坐标P；
其中，所述姿态信息计算子单元计算所述相对空间坐标具体包括，
S1、确定所述上端点相对于所述下端点的初始空间坐标矩阵PA，其中PA＝[0，0，-L]；
S2、按照从Z轴到Y轴再到X轴的坐标轴旋转顺序，确定三维旋转矩阵M；
S3、根据公式P＝M·PA，计算得到所述相对空间坐标P；
进一步，所述若干节传感器模块中的每一节传感器模块分别设置在筒型外壳中，相邻的两节传感器模块对应的筒型外壳通过柔性关节或者螺栓硬连接的方式进行相互连接；
所述处理器单元还用于根据所述测斜阵列安装时对应的X轴方向与期望监测方向之间的相对位置关系，来确定是否采用所述三轴地磁分量数据对所述姿态信息进行修正处理，其具体为，
若所述测斜阵列安装时对应的X轴方向与期望监测方向相互重合，则不采用所述三轴地磁分量数据对所述姿态信息进行修正处理，
若所述测斜阵列安装时对应的X轴方向与期望监测方向不相互重合，则采用所述三轴地磁分量数据对所述姿态信息进行修正处理和/或采用人为测量不重合角以对所述姿态信息进行修正处理；
进一步，所述阵列式多维度测斜仪还包括位移监测模块；
所述位移监测模块用于获取所述若干节传感器模块中每一节传感器模块中每所述一节传感器模块各自的所述姿态信息；
所述位移监测模块还用于根据所述若干节传感器模块相互之间的连接顺序和所述姿态信息，确定所述若干节传感器模块中不同位置监测节点对应的位移变化信息；
其中，所述位移监测模块确定所述若干节传感器模块中不同位置监测节点对应的位移变化信息是通过对不同所述位置监测节点在X轴、Y轴和Z轴上各自的位移分量进行叠加来实现；
进一步，所述每一节传感器模块还均包括温度数据采集单元；
所述温度数据采集单元用于采集其对应的传感器模块所在位置处的温度值；
根据采集得到的所述温度值进行温漂修正处理；
进一步，所述阵列式多维度测斜仪还包括无线数据传输模块；
所述无线数据传输模块用于将每所述一节传感器模块采集的所述三轴重力加速度分量数据、所述三轴地磁分量数据或者所述姿态信息传送至云端平台；
所述云端平台用于根据接收到的数据信息，进行适应性预警操作；
和/或，
所述阵列式多维度测斜仪还包括自动预警模块；
所述自动预警模块用于分析来自所述测斜阵列的水平位移数据、并判断在后续预设时间内发生的潜在水平位移，以此执行相应的提前预警操作；
所述自动预警模块执行所述提前预警操作具体包括，
S1、获取所述测斜阵列最近P次测量时对应的水平位移数据，其中P大于或者等于20，根据所述P次测量对应的水平位移数据构建向量B，同时定义判别向量A，所述判别向量A的初始值为向量B，并定义参数稳定度检测次数n、且n的初始值为0；
S2、利用下面公式(5)，计算所述水平位移数据的稳定度
Figure GDA0002970588920000061
Figure GDA0002970588920000062
n＝n+1 (5)
在上述公式(5)中，qh为中间参数，pw为待求解的稳定度，Ai为所述判别向量A的第i个值，i＝1、2、…、P，sum()为对括号内的数据进行求和运算；
S3、判断所述稳定度pw是否小于0.1，若是，则执行下面的步骤S4，若否，则利用下面公式(6)对所述判别向量A进行调整处理
Figure GDA0002970588920000063
在上述公式(6)中，
Figure GDA0002970588920000064
为向量A中第i个值Ai经所述调整处理后得到的值，然后对经过所述调整处理后得到的新的判断向量A重复执行上述步骤S2和S3；
S4，利用ARMA(n，n)模型求解出所述向量B的滑动平均系数φ1,φ2…φn和自回归系数θ1,θ2…θn；
S5、将求解得到滑动平均系数φ1,φ2…φn和自回归系数θ1,θ2…θn的代入下面公式(7)中，计算出所述潜在水平位移
ut＝Xt-1-θ1Xt-2+θ2Xt-3+…θnXt-n-1
Figure GDA0002970588920000071
在上述公式(7)中，
Figure GDA0002970588920000072
为在后续t时刻中对应的潜在水平位移，t为任意时刻值，Xt-1为t-1时刻中对应的潜在水平位移，Xt-2为t-2时刻中对应的潜在水平位移，Xt-3为t-3时刻中对应的潜在水平位移，Xt-n为t-n时刻对应的潜在水平位移，Xt-n-1为t-n-1时刻对应的潜在水平位移，ut为t时刻对应的中间变量，ut-1为t-1时刻对应的中间变量，ut-2为t-2时刻对应的中间变量，ut-n为t-n时刻对应的中间变量；
S5、将步骤S4计算得到的潜在水平位移与预设水平位移值进行对比处理，若所述潜在水平位移匹配于所述预设水平位移值，则所述自动预警模块执行所述提前预警操作。
相比于现有技术，该阵列式多维度测斜仪包括两两相互依次连接的若干节传感器模块共同组成一个测斜阵列，每一节传感器模块均包括三轴重力加速度数据采集单元、三轴地磁数据采集单元和处理器单元，该三轴重力加速度数据采集单元用于采集其对应的传感器模块的三轴重力加速度分量数据，该三轴地磁数据采集单元用于采集其对应的传感器模块的三轴地磁分量数据，该处理器单元用于根据三轴重力加速度分量数据和三轴地磁分量数据，通过预设姿态解算算法计算其对应的传感器模块的姿态信息。首先，该阵列式多维度测斜仪通过一种新的姿态解算方法直接求解出每节传感器模块中上端点相对于下端点的相对空间坐标，该姿态解算方法还可以根据实际需要灵活选择是否将三轴地磁数据采集单元采集到的三轴地磁分量数据融合到计算过程中；其次，该阵列式多维度测斜仪将三轴重力加速度数据采集单元和三轴地磁数据采集单元相互结合，并利用三轴地磁数据采集单元采集到的三轴地磁分量数据对该阵列式多维度测斜仪由于发生扭转情况而导致的计算误差进行修正，从而保证测量数据的准确性和有效性；最后，该阵列式多维度测斜仪还可以灵活应用于2D或者3D等不同空间姿态位置测量场景中。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要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发明的一些实施例，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为本发明提供的一种阵列式多维度测斜仪的结构示意图；
图2为本发明提供的一种阵列式多维度测斜仪中每节传感器模块的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1，为本发明实施例提供的一种阵列式多维度测斜仪的结构示意图。该阵列式多维度测斜仪包括两两相互依次连接的若干节传感器模块。
优选地，该若干节传感器模块共同组成一个测斜阵列；
优选地，每一节传感器模块均包括三轴重力加速度数据采集单元、三轴地磁数据采集单元和处理器单元；
优选地，该三轴重力加速度数据采集单元用于采集其对应的传感器模块的三轴重力加速度分量数据；
优选地，该三轴地磁数据采集单元用于采集其对应的传感器模块的三轴地磁分量数据；
优选地，该处理器单元用于根据该三轴重力加速度分量数据和该三轴地磁分量数据，通过预设姿态解算算法计算其对应的传感器模块的姿态信息。
优选地，该处理器单元包括传感器模块扭转判断子单元和姿态解算算法运行子单元；
优选地，该传感器模块扭转判断子单元用于判断其对应的传感器模块整体是否发生扭转；
优选地，该姿态解算算法运行子单元用于根据该传感器模块扭转判断子单元的扭转判断结果，对应地运行不同类型的姿态解算算法；
优选地，该姿态解算算法运行子单元根据该扭转判断结果，对应地运行不同类型的姿态解算算法具体包括，
若该扭转判断结果指示该传感器模块整体未发生扭转，则该姿态解算算法运行子单元运行第一姿态解算算法计算该传感器模块的姿态信息，
若该扭转判断结果指示该传感器模块整体发生扭转，则该姿态计算算法运行子单元运行第二姿态解算算法计算该传感器模块的姿态信息；
优选地，该姿态解算算法运行子单元运行该第一姿态解算算法时，直接根据该三轴重力加速度分量数据计算出该姿态信息；
优选地，该姿态解算算法运行子单元运行该第二姿态解算算法时，根据该三轴重力加速度分量数据和该三轴地磁分量数据计算出该姿态信息；
优选地，该姿态解算算法运行子单元运行该第一姿态解算算法计算出该传感器模块的姿态信息具体包括，
该姿态解算算法运行子单元根据该三轴重力加速度分量数据中的X轴、Y轴和Z轴各自的加速度分量Gpx、Gpy和Gpz，并根据下面公式(1)和(2)计算出该传感器模块的横滚角
Figure GDA0002970588920000091
和俯仰角θ，
Figure GDA0002970588920000101
Figure GDA0002970588920000102
该姿态解算算法运行子单元还根据该三轴地磁分量数据中X轴和Y轴各自的地磁分量Bpx和Bpy，并根据下面公式(3)计算出该传感器模块的方位角γ，
Figure GDA0002970588920000103
优选地，该姿态解算算法运行子单元运行该第二姿态解算算法计算出该传感器模块的姿态信息具体包括，
该姿态解算算法运行子单元根据该三轴重力加速度分量数据中的X轴、Y轴和Z轴各自的加速度分量Gpx、Gpy和Gpz，并根据下面公式(1)和(2)计算出该传感器模块的横滚角
Figure GDA0002970588920000108
和俯仰角θ，
Figure GDA0002970588920000104
Figure GDA0002970588920000105
该姿态解算算法运行子单元还根据该三轴地磁分量数据中X轴、Y轴和Z轴各自的地磁分量Bpx、Bpy和Bpz，以及该横滚角
Figure GDA0002970588920000109
与该俯仰角θ，并根据下面公式(4)对该传感器模块的方位角γ进行倾斜修正计算，以得到该方位角γ
Figure GDA0002970588920000106
优选地，该处理器单元还包括姿态信息计算子单元；
优选地，该姿态信息计算子单元用于根据该传感器模块的等效长度L、该横滚角
Figure GDA0002970588920000107
该俯仰角θ和该方位角γ，计算出该传感器模块的上端点相对于该传感器模块下端点的相对空间坐标P；
优选地，该姿态信息计算子单元计算该相对空间坐标具体包括，
S1、确定该上端点相对于该下端点的初始空间坐标矩阵PA，其中PA＝[0，0，-L]；
S2、按照从Z轴到Y轴再到X轴的坐标轴旋转顺序，确定三维旋转矩阵M；
S3、根据公式P＝M·PA，计算得到该相对空间坐标P；
优选地，该若干节传感器模块中的每一节传感器模块分别设置在筒型外壳中，相邻的两节传感器模块对应的筒型外壳通过柔性关节或者螺栓硬连接的方式进行相互连接；
优选地，该处理器单元还用于根据该测斜阵列安装时对应的X轴方向与期望监测方向之间的相对位置关系，来确定是否采用该三轴地磁分量数据对该姿态信息进行修正处理，其具体为，
若该测斜阵列安装时对应的X轴方向与期望监测方向相互重合，则不采用该三轴地磁分量数据对该姿态信息进行修正处理，
若该测斜阵列安装时对应的X轴方向与期望监测方向不相互重合，则采用该三轴地磁分量数据对该姿态信息进行修正处理和/或采用人为测量不重合角以对该姿态信息进行修正处理；
优选地，该阵列式多维度测斜仪还包括位移监测模块；
优选地，该位移监测模块用于获取所述若干节传感器模块中每该一节传感器模块各自的该姿态信息；
优选地，该位移监测模块还用于根据该若干节传感器模块相互之间的连接顺序和该姿态信息，确定该若干节传感器模块中不同位置监测节点对应的位移变化信息；
优选地，该位移监测模块确定该若干节传感器模块中不同位置监测节点对应的位移变化信息是通过对不同该位置监测节点在X轴、Y轴和Z轴上各自的位移分量进行叠加来实现；
优选地，该每一节传感器模块还均包括温度数据采集单元；
优选地，该温度数据采集单元用于采集其对应的传感器模块所在位置处的温度值；
根据采集得到的该温度值进行温漂修正处理；
优选地，该阵列式多维度测斜仪还包括无线数据传输模块；
优选地，该无线数据传输模块用于将每该一节传感器模块采集的该三轴重力加速度分量数据、该三轴地磁分量数据或者该姿态信息传送至云端平台；
优选地，该云端平台用于根据接收到的数据信息，进行适应性预警操作，其中，该适应性预警操作可包括但不限于通过图像或者声音等形式来对该数据信息指示的异常情况进行报警处理；
优选地，该阵列式多维度测斜仪还包括自动预警模块；
优选地，该自动预警模块用于分析来自该测斜阵列的水平位移数据、并判断在后续预设时间内发生的潜在水平位移，以此执行相应的提前预警操作；
优选地，该自动预警模块执行该提前预警操作具体包括，
S1、获取该测斜阵列最近P次测量时对应的水平位移数据，其中P大于或者等于20，根据该P次测量对应的水平位移数据构建向量B，同时定义判别向量A，该判别向量A的初始值为向量B，并定义参数稳定度检测次数n、且n的初始值为0；
S2、利用下面公式(5)，计算该水平位移数据的稳定度
Figure GDA0002970588920000121
Figure GDA0002970588920000122
n＝n+1 (5)
在上述公式(5)中，qh为中间参数，pw为待求解的稳定度，Ai为该判别向量A的第i个值，i＝1、2、…、P，sum()为对括号内的数据进行求和运算；
S3、判断该稳定度pw是否小于0.1，若是，则执行下面的步骤S4，若否，则利用下面公式(6)对该判别向量A进行调整处理
Figure GDA0002970588920000131
在上述公式(6)中，
Figure GDA0002970588920000132
为向量A中第i个值Ai经该调整处理后得到的值，然后对经过该调整处理后得到的新的判断向量A重复执行上述步骤S2和S3；
S4，利用ARMA(n，n)模型求解出该向量B的滑动平均系数φ1,φ2…φn和自回归系数θ1,θ2…θn；
S5、将求解得到滑动平均系数φ1,φ2…φn和自回归系数θ1,θ2…θn的代入下面公式(7)中，计算出该潜在水平位移
ut＝Xt-1-θ1Xt-2+θ2Xt-3+…θnXt-n-1
Figure GDA0002970588920000133
在上述公式(7)中，
Figure GDA0002970588920000134
为在后续t时刻中对应的潜在水平位移，t为任意时刻值，Xt-1为t-1时刻中对应的潜在水平位移，Xt-2为t-2时刻中对应的潜在水平位移，Xt-3为t-3时刻中对应的潜在水平位移，Xt-n为t-n时刻对应的潜在水平位移，Xt-n-1为t-n-1时刻对应的潜在水平位移，ut为t时刻对应的中间变量，ut-1为t-1时刻对应的中间变量，ut-2为t-2时刻对应的中间变量，ut-n为t-n时刻对应的中间变量；
S5、将步骤S4计算得到的潜在水平位移与预设水平位移值进行对比处理，若该潜在水平位移匹配于该预设水平位移值，则该自动预警模块执行该提前预警操作；
通过上述方式，能够得到后续任意时刻的潜在水平位移，从而到达提前对被测物可能发生的位移风险进行预警的功能，并且还能够在潜在水平位移达到预设水平位移值的情况，提醒监测人员及时采取相应的措施进行风险排除。此外，由于在进行潜在水平位移的预测计算过程中，其仅仅需要利用该测斜阵列最近P次测量时对应的水平位移数据，而并不需要其他数据进行融合计算，这提高了该潜在水平位移预测计算的简便性和高效性，而在计算过程中引入对向量稳定性的判断处理和利用ARMA(n，n)模型进行选择，这使得该计算过程更具科学性以及其计算结果也更加准确。
从上述实施例可以看出，该阵列式多维度测斜仪包括两两相互依次连接的若干节传感器模块共同组成一个测斜阵列，每一节传感器模块均包括三轴重力加速度数据采集单元、三轴地磁数据采集单元和处理器单元，该三轴重力加速度数据采集单元用于采集其对应的传感器模块的三轴重力加速度分量数据，该三轴地磁数据采集单元用于采集其对应的传感器模块的三轴地磁分量数据，该处理器单元用于根据三轴重力加速度分量数据和三轴地磁分量数据，通过预设姿态解算算法计算其对应的传感器模块的姿态信息。首先，该阵列式多维度测斜仪通过一种新的姿态解算方法直接求解出每节传感器模块中上端点相对于下端点的相对空间坐标，该姿态解算方法还可以根据实际需要灵活选择是否将三轴地磁数据采集单元采集到的三轴地磁分量数据融合到计算过程中；其次，该阵列式多维度测斜仪将三轴重力加速度数据采集单元和三轴地磁数据采集单元相互结合，并利用三轴地磁数据采集单元采集到的三轴地磁分量数据对该阵列式多维度测斜仪由于发生扭转情况而导致的计算误差进行修正，从而保证测量数据的准确性和有效性；最后，该阵列式多维度测斜仪还可以灵活应用于2D或者3D等不同空间姿态位置测量场景中。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种阵列式多维度测斜仪，其特征在于：
所述阵列式多维度测斜仪包括两两相互依次连接的若干节传感器模块；
所述若干节传感器模块共同组成一个测斜阵列；
每一节传感器模块均包括三轴重力加速度数据采集单元、三轴地磁数据采集单元和处理器单元；其中，
所述三轴重力加速度数据采集单元用于采集其对应的传感器模块的三轴重力加速度分量数据；
所述三轴地磁数据采集单元用于采集其对应的传感器模块的三轴地磁分量数据；
所述处理器单元用于根据所述三轴重力加速度分量数据和所述三轴地磁分量数据，通过预设姿态解算算法计算其对应的传感器模块的姿态信息；
所述阵列式多维度测斜仪还包括自动预警模块；
所述自动预警模块用于分析来自所述测斜阵列的水平位移数据、并判断在后续预设时间内发生的潜在水平位移，以此执行相应的提前预警操作；所述自动预警模块执行所述提前预警操作具体包括，
S1、获取所述测斜阵列最近P次测量时对应的水平位移数据，其中P大于或者等于20，根据所述P次测量对应的水平位移数据构建向量B，同时定义判别向量A，所述判别向量A的初始值为向量B，并定义参数稳定度检测次数n、且n的初始值为0；
S2、利用下面公式(5)，计算所述水平位移数据的稳定度
Figure FDA0003108466800000021
在上述公式(5)中，qh为中间参数，pw为待求解的稳定度，Ai为所述判别向量A的第i个值，i＝1、2、…、P，sum()为对括号内的数据进行求和运算；
S3、判断所述稳定度pw是否小于0.1，若是，则执行下面的步骤S4，若否，则利用下面公式(6)对所述判别向量A进行调整处理
Figure FDA0003108466800000022
在上述公式(6)中，
Figure FDA0003108466800000023
为向量A中第i个值Ai经所述调整处理后得到的值，然后对经过所述调整处理后得到的新的判断向量A重复执行上述步骤S2和S3；
S4，利用ARMA(n，n)模型求解出所述向量B的滑动平均系数φ1,φ2…φn和自回归系数θ1,θ2…θn；
S5、将求解得到滑动平均系数φ1,φ2…φn和自回归系数θ1,θ2…θn的代入下面公式(7)中，计算出所述潜在水平位移
Figure FDA0003108466800000024
在上述公式(7)中，
Figure FDA0003108466800000025
为在后续t时刻中对应的潜在水平位移，t为任意时刻值，Xt-1为t-1时刻中对应的潜在水平位移，Xt-2为t-2时刻中对应的潜在水平位移，Xt-3为t-3时刻中对应的潜在水平位移，Xt-n为t-n时刻对应的潜在水平位移，Xt-n-1为t-n-1时刻对应的潜在水平位移，ut为t时刻对应的中间变量，ut-1为t-1时刻对应的中间变量，ut-2为t-2时刻对应的中间变量，ut-n为t-n时刻对应的中间变量；
S6、将步骤S5计算得到的潜在水平位移与预设水平位移值进行对比处理，若所述潜在水平位移匹配于所述预设水平位移值，则所述自动预警模块执行所述提前预警操作。
2.如权利要求1所述的阵列式多维度测斜仪，其特征在于：
所述处理器单元包括传感器模块扭转判断子单元和姿态解算算法运行子单元；其中，
所述传感器模块扭转判断子单元用于判断其对应的传感器模块整体是否发生扭转；
所述姿态解算算法运行子单元用于根据所述传感器模块扭转判断子单元的扭转判断结果，对应地运行不同类型的姿态解算算法。
3.如权利要求2所述的阵列式多维度测斜仪，其特征在于：
所述姿态解算算法运行子单元根据所述扭转判断结果，对应地运行不同类型的姿态解算算法具体包括，
若所述扭转判断结果指示所述传感器模块整体未发生扭转，则所述姿态解算算法运行子单元运行第一姿态解算算法计算所述传感器模块的姿态信息，
若所述扭转判断结果指示所述传感器模块整体发生扭转，则所述姿态计算算法运行子单元运行第二姿态解算算法计算所述传感器模块的姿态信息；
其中，所述姿态解算算法运行子单元运行所述第一姿态解算算法时，根据所述三轴重力加速度分量数据和所述三轴地磁分量数据计算出所述姿态信息，
所述姿态解算算法运行子单元运行所述第二姿态解算算法时，根据所述三轴重力加速度分量数据和所述三轴地磁分量数据计算出所述姿态信息。
4.如权利要求3所述的阵列式多维度测斜仪，其特征在于：
所述姿态解算算法运行子单元运行所述第一姿态解算算法计算出所述传感器模块的姿态信息具体包括，
所述姿态解算算法运行子单元根据所述三轴重力加速度分量数据中的X轴、Y轴和Z轴各自的加速度分量Gpx、Gpy和Gpz，并根据下面公式(1)和(2)计算出所述传感器模块的横滚角
Figure FDA0003108466800000041
和俯仰角θ，
Figure FDA0003108466800000042
Figure FDA0003108466800000043
所述姿态解算算法运行子单元还根据所述三轴地磁分量数据中X轴和Y轴各自的地磁分量Bpx和Bpy，并根据下面公式(3)计算出所述传感器模块的方位角γ，
Figure FDA0003108466800000044
5.如权利要求3所述的阵列式多维度测斜仪，其特征在于：
所述姿态解算算法运行子单元运行所述第二姿态解算算法计算出所述传感器模块的姿态信息具体包括，
所述姿态解算算法运行子单元根据所述三轴重力加速度分量数据中的X轴、Y轴和Z轴各自的加速度分量Gpx、Gpy和Gpz，并根据下面公式(1)和(2)计算出所述传感器模块的横滚角
Figure FDA0003108466800000045
和俯仰角θ，
Figure FDA0003108466800000046
Figure FDA0003108466800000047
所述姿态解算算法运行子单元还根据所述三轴地磁分量数据中X轴、Y轴和Z轴各自的地磁分量Bpx、Bpy和Bpz，以及所述横滚角
Figure FDA0003108466800000051
与所述俯仰角θ，并根据下面公式(4)对所述传感器模块的方位角γ进行倾斜修正计算，以得到所述方位角γ
Figure FDA0003108466800000052
6.如权利要求4或5所述的阵列式多维度测斜仪，其特征在于：
所述处理器单元还包括姿态信息计算子单元；
所述姿态信息计算子单元用于根据所述传感器模块的等效长度L、所述横滚角
Figure FDA0003108466800000053
所述俯仰角θ和所述方位角γ，计算出所述传感器模块的上端点相对于所述传感器模块下端点的相对空间坐标P；
其中，所述姿态信息计算子单元计算所述相对空间坐标具体包括，
S1、确定所述上端点相对于所述下端点的初始空间坐标矩阵PA，其中PA＝[0，0，-L]；
S2、按照从Z轴到Y轴再到X轴的坐标轴旋转顺序，确定三维旋转矩阵M；
S3、根据公式P＝M·PA，计算得到所述相对空间坐标P。
7.如权利要求1所述的阵列式多维度测斜仪，其特征在于：
所述若干节传感器模块中的每一节传感器模块分别设置在筒型外壳中，相邻的两节传感器模块对应的筒型外壳通过柔性关节或者螺栓硬连接的方式进行相互连接；
所述处理器单元还用于根据所述测斜阵列安装时对应的X轴方向与期望监测方向之间的相对位置关系，来确定是否采用所述三轴地磁分量数据对所述姿态信息进行修正处理，其具体为，
若所述测斜阵列安装时对应的X轴方向与期望监测方向相互重合，则不采用所述三轴地磁分量数据对所述姿态信息进行修正处理，
若所述测斜阵列安装时对应的X轴方向与期望监测方向不相互重合，则采用所述三轴地磁分量数据对所述姿态信息进行修正处理和/或采用人为测量不重合角以对所述姿态信息进行修正处理。
8.如权利要求1所述的阵列式多维度测斜仪，其特征在于：
所述阵列式多维度测斜仪还包括位移监测模块；
所述位移监测模块用于获取所述若干节传感器模块中每所述一节传感器模块各自的所述姿态信息；
所述位移监测模块还用于根据所述若干节传感器模块相互之间的连接顺序和所述姿态信息，确定所述若干节传感器模块中不同位置监测节点对应的位移变化信息；
其中，所述位移监测模块确定所述若干节传感器模块中不同位置监测节点对应的位移变化信息是通过对不同所述位置监测节点在X轴、Y轴和Z轴上各自的位移分量进行叠加来实现。
9.如权利要求1所述的阵列式多维度测斜仪，其特征在于：
所述每一节传感器模块还均包括温度数据采集单元；
所述温度数据采集单元用于采集其对应的传感器模块所在位置处的温度值；
根据采集得到的所述温度值进行温漂修正处理。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111829481B (zh) * 2020-06-19 2021-11-30 北京源清慧虹信息科技有限公司 一种阵列式测斜仪及扭转角修正方法
CN113074692B (zh) * 2021-03-03 2023-04-07 蔡德所 阵列式位移监测系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104931040A (zh) * 2014-11-25 2015-09-23 国家电网公司 基于机器学习的北斗ⅱ代导航系统电力铁塔变形监测设备安装和调试方法
CN106767671A (zh) * 2016-11-14 2017-05-31 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 基于三维电子罗盘的地质结构面产状计算方法
CN207036113U (zh) * 2017-08-18 2018-02-23 北京北科安地科技发展有限公司 一种线阵测量仪
CN109668540A (zh) * 2018-09-13 2019-04-23 广东得友鑫物流系统设备有限公司 一种货架倾斜监测报警装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104931040A (zh) * 2014-11-25 2015-09-23 国家电网公司 基于机器学习的北斗ⅱ代导航系统电力铁塔变形监测设备安装和调试方法
CN106767671A (zh) * 2016-11-14 2017-05-31 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 基于三维电子罗盘的地质结构面产状计算方法
CN207036113U (zh) * 2017-08-18 2018-02-23 北京北科安地科技发展有限公司 一种线阵测量仪
CN109668540A (zh) * 2018-09-13 2019-04-23 广东得友鑫物流系统设备有限公司 一种货架倾斜监测报警装置

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