CN110514178B - 基于单轴加速度传感器的倾角测量方法和装置 - Google Patents

基于单轴加速度传感器的倾角测量方法和装置 Download PDF

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CN110514178B CN201910826561.XA CN201910826561A CN110514178B CN 110514178 B CN110514178 B CN 110514178B CN 201910826561 A CN201910826561 A CN 201910826561A CN 110514178 B CN110514178 B CN 110514178B
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Abstract

本申请涉及一种基于单轴加速度传感器的倾角测量方法和装置。该方法包括：获取第一传感器对应的第一单位向量、第二传感器对应的第二单位向量和目标物体对应的第三单位向量；接收在目标物体发生倾斜时第一传感器和第二传感器发送的第一倾斜夹角和第二倾斜夹角；根据第一单位向量、第二单位向量、第三单位向量、第一倾斜夹角、第二倾斜夹角、第一夹角、第二夹角和旋转公式，确定目标物体发生倾斜后第一传感器的第一z坐标对应的表达式和第二传感器的第二z坐标对应的表达式；根据第一z坐标表达式和第二z坐标表达式，确定第三倾斜夹角的近似解；如果第三倾斜夹角大于预设的倾斜角度阈值，则输出告警信息。采用本方法能够检测物体的倾斜程度。

Description

基于单轴加速度传感器的倾角测量方法和装置
技术领域
本申请涉及建筑工程风险检测技术领域，特别是涉及一种基于单轴加速度传感器的倾角测量方法和装置。
背景技术
倾角测量是几何测量的一个重要项目。在工业生产中，离不开对倾角的测量工作，如建筑行业对建筑物、工程设备的俯仰角和倾斜角的监控；铁道系统中对列车、轨道的监控；水利系统中对大坝的监测等。
目前倾角测量方法是用三轴加速传感器测量倾角，或者三个或以上单轴加速度传感器测量倾角。然而，三轴传感器的测量精度较低；高精度三轴传感器的价格比较高、能耗高、电池体积大(危害举例：用在木塔上面时容易发生火灾)；安装至少三个单轴加速度传感器进行测量既能保证高精度，又可以降低成本，但是若安装三个单轴加速度传感器保证高精度的倾角测量，则在安装传感器时，需要保证加速度传感器两两之间相互垂直，否则两两之间的夹角难以通过数学模型校正，最终无法实现精确倾角测量。安装难度大、占用空间大、不灵活。因此，亟需一种安装难度小、成本低、高精度的倾角测量方法。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于单轴加速度传感器的倾角测量方法和装置。
第一方面，提供了一种基于单轴加速度传感器的倾角测量方法，目标物体上设置有与水平面呈第一夹角的第一传感器和与水平面呈第二夹角的第二传感器，所述方法包括：
在第一坐标系中，获取所述第一传感器对应的第一单位向量、所述第二传感器对应的第二单位向量和所述目标物体对应的第三单位向量；
接收所述第一传感器在所述目标物体发生倾斜时发送的第一倾斜夹角和所述第二传感器在所述目标物体发生倾斜时发送的第二倾斜夹角；
根据所述第一单位向量、所述第二单位向量、所述第三单位向量、所述第一倾斜夹角、所述第二倾斜夹角、所述第一夹角、所述第二夹角和预设的旋转公式，确定所述目标物体发生倾斜后，所述第一传感器的第一z坐标对应的表达式和所述第二传感器的第二z坐标对应的表达式，所述第一z坐标对应的表达式和所述第二z坐标对应的表达式中包括所述目标物体的第三倾斜夹角；
根据所述第一z坐标对应的表达式和所述第二z坐标对应的表达式，确定所述第三倾斜夹角的近似解。
作为一种可选地实施方式，所述获取所述第一传感器对应的第一单位向量、所述第二传感器对应的第二单位向量和所述目标物体对应的第三单位向量，包括：
获取预先存储的所述第一传感器对应的所述第一夹角和第三夹角、所述第二传感器对应的所述第二夹角和第四夹角、以及所述目标物体对应的第五夹角和第六夹角，所述第三夹角为所述第一传感器在水平面上的投影与x轴的夹角，所述第四夹角为所述第二传感器在水平面上的投影与x轴的夹角，所述第五夹角为所述目标物体在水平面上的投影与x轴的夹角，所述第六夹角为所述目标物体与z轴的夹角；
根据所述第一夹角和所述第三夹角，确定所述第一传感器对应的第一单位向量，根据所述第二夹角和所述第四夹角，确定所述第二传感器对应的第二单位向量，根据所述第五夹角和所述第六夹角，确定所述目标物体的对应的第三单位向量。
作为一种可选地实施方式，所述第一z坐标对应的表达式和所述第二z坐标对应的表达式中还包括旋转轴与第二坐标系的x轴的第七夹角，所述根据所述第一单位向量、所述第二单位向量、所述第三单位向量、所述第一倾斜夹角、所述第二倾斜夹角、所述第一夹角、所述第二夹角和预设的旋转公式，确定所述目标物体发生倾斜后，所述第一传感器的第一z坐标对应的表达式和所述第二传感器的第二z坐标对应的表达式，包括：
旋转公式为：1＝tcosγ+(k×t)sinγ+(k·t)k(1-cosγ)
其中，t为所述目标物体在传感器刚部署未发生倾斜前的方向，k为所述旋转轴对应的第四单位向量，所述第四单位向量k＝icosω+(i×v)sinω，i为所述第二坐标系中的x轴，(i×v)为所述第二坐标系中的y轴，v为所述第三单位向量，ω为所述第四单位向量与所述第二坐标系的x轴的第七夹角；
根据所述第一单位向量、所述第三单位向量、所述第一倾斜夹角、所述第一夹角和预设的旋转公式，确定所述目标物体发生倾斜后，所述第一传感器的第一z坐标对应的表达式为：
qz＝sin(μ-ξ)＝sinμcosγ+[cosθsinωsin(α-φ)+cosωcos(φ-α)]sinγ+[sin2θsin2ωsinμ+sin2ωcosθsinθcos(φ-α)+sinωcosωsinθsin(φ-α)](1-cosγ)
其中，qz为所述第一传感器的第一z坐标，μ为所述第一夹角，ξ为所述第一倾斜夹角，γ为所述第三倾斜夹角，θ为所述第六夹角，α为所述第三夹角，φ为所述第五夹角；
根据所述第二单位向量、所述第三单位向量、所述第二倾斜夹角、所述第二夹角和预设的旋转公式，确定所述目标物体发生倾斜后，所述第二传感器的第二z坐标对应的表达式为：
nz＝sin(ρ-η)＝sinρcosγ+[cosθsinωsin(β-φ)+cosωcos(φ-β)]sinγ+[sin2θsin2ωsinρ+sin2ωcosθsinθcos(φ-β)+sinωcosωsinθsin(φ-β)](1-cosγ)
其中，nz为所述第二传感器的第二z坐标，ρ为所述第二夹角，η为所述第二倾斜夹角，β为所述第四夹角。
作为一种可选地实施方式，所述根据所述第一z坐标对应的表达式和所述第二传感器的第二z坐标对应的表达式，确定所述第三倾斜夹角的近似解，包括：
根据所述第一z坐标对应的表达式和所述第二z坐标对应的表达式，通过如下公式确定所述第三倾斜夹角和所述第七夹角的近似解：
Figure GDA0003316436040000041
其中，
Figure GDA0003316436040000042
为ω的近似解，
Figure GDA0003316436040000043
为γ的近似解。
第二方面，提供了一种基于单轴加速度传感器的倾角测量装置，其特征在于，目标物体上设置有与水平面呈第一夹角的第一传感器和与水平面呈第二夹角的第二传感器，所述装置包括：
获取模块，用于在第一坐标系中，获取所述第一传感器对应的第一单位向量、所述第二传感器对应的第二单位向量和所述目标物体对应的第三单位向量；
接收模块，用于接收所述第一传感器在所述目标物体发生倾斜时发送的第一倾斜夹角和所述第二传感器在所述目标物体发生倾斜时发送的第二倾斜夹角；
第一确定模块，用于根据所述第一单位向量、所述第二单位向量、所述第三单位向量、所述第一倾斜夹角、所述第二倾斜夹角、所述第一夹角、所述第二夹角和预设的旋转公式，确定所述目标物体发生倾斜后，所述第一传感器的第一z坐标对应的表达式和所述第二传感器的第二z坐标对应的表达式，所述第一z坐标对应的表达式和所述第二z坐标对应的表达式中包括所述目标物体的第三倾斜夹角；
第二确定模块，用于根据所述第一z坐标对应的表达式和所述第二z坐标对应的表达式，确定所述第三倾斜夹角的近似解。
作为一种可选地实施方式，所述获取模块，具体用于：
获取所述第一传感器对应的第一单位向量、所述第二传感器对应的第二单位向量和所述目标物体对应的第三单位向量；
所述获取模块，还用于获取预先存储的所述第一传感器对应的所述第一夹角和第三夹角、所述第二传感器对应的所述第二夹角和第四夹角、以及所述目标物体对应的第五夹角和第六夹角，所述第三夹角为所述第一传感器在水平面上的投影与x轴的夹角，所述第四夹角为所述第二传感器在水平面上的投影与x轴的夹角，所述第五夹角为所述目标物体在水平面上的投影与x轴的夹角，所述第六夹角为所述目标物体与z轴的夹角；
根据所述第一夹角和所述第三夹角，确定所述第一传感器对应的第一单位向量，根据所述第二夹角和所述第四夹角，确定所述第二传感器对应的第二单位向量，根据所述第五夹角和所述第六夹角，确定所述目标物体的对应的第三单位向量。
作为一种可选地实施方式，所述第一z坐标对应的表达式和所述第二z坐标对应的表达式中还包括旋转轴与第二坐标系的x轴的第七夹角，所述第一确定模块，具体用于：
旋转公式为：1＝tcosγ+(k×t)sinγ+(k·t)k(1-cosγ)
其中，t为所述目标物体在传感器刚部署未发生倾斜前的方向，k为所述旋转轴对应的第四单位向量，所述第四单位向量k＝icosω+(i×v)sinω，i为所述第二坐标系中的x轴，(i×v)为所述第二坐标系中的y轴，v为所述第三单位向量，ω为所述第四单位向量与所述第二坐标系的x轴的第七夹角；
根据所述第一单位向量、所述第三单位向量、所述第一倾斜夹角、所述第一夹角和预设的旋转公式，确定所述目标物体发生倾斜后，所述第一传感器的第一z坐标对应的表达式为：
qz＝sin(μ-ξ)＝sinμcosγ+[cosθsinωsin(α-φ)+cosωcos(φ-α)]sinγ+[sin2θsin2ωsinμ+sin2ωcosθsinθcos(φ-α)+sinωcosωsinθsin(φ-α)](1-cosγ)
其中，qz为所述第一传感器的第一z坐标，μ为所述第一夹角，ξ为所述第一倾斜夹角，γ为所述第三倾斜夹角，θ为所述第六夹角，α为所述第三夹角，φ为所述第五夹角；
根据所述第二单位向量、所述第三单位向量、所述第二倾斜夹角、所述第二夹角和预设的旋转公式，确定所述目标物体发生倾斜后，所述第二传感器的第二z坐标对应的表达式为：
nz＝sin(ρ-η)＝sinρcosγ+[cosθsinωsin(β-φ)+cosωcos(φ-β)]sinγ+[sin2θsin2ωsinρ+sin2ωcosθsinθcos(φ-β)+sinωcosωsinθsin(φ-β)](1-cosγ)
其中，nz为所述第二传感器的第二z坐标，ρ为所述第二夹角，η为所述第二倾斜夹角，β为所述第四夹角。
作为一种可选地实施方式，所述第二确定模块，具体用于：
根据所述第一z坐标对应的表达式和所述第二z坐标对应的表达式，通过如下公式确定所述第三倾斜夹角和所述第七夹角的近似解：
Figure GDA0003316436040000061
其中，
Figure GDA0003316436040000071
为ω的近似解，
Figure GDA0003316436040000072
为γ的近似解。
第三方面，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
在第一坐标系中，获取所述第一传感器对应的第一单位向量、所述第二传感器对应的第二单位向量和所述目标物体对应的第三单位向量；
接收所述第一传感器在所述目标物体发生倾斜时发送的第一倾斜夹角和所述第二传感器在所述目标物体发生倾斜时发送的第二倾斜夹角；
根据所述第一单位向量、所述第二单位向量、所述第三单位向量、所述第一倾斜夹角、所述第二倾斜夹角、所述第一夹角、所述第二夹角和预设的旋转公式，确定所述目标物体发生倾斜后，所述第一传感器的第一z坐标对应的表达式和所述第二传感器的第二z坐标对应的表达式，所述第一z坐标对应的表达式和所述第二z坐标对应的表达式中包括所述目标物体的第三倾斜夹角；
根据所述第一z坐标对应的表达式和所述第二z坐标对应的表达式，确定所述第三倾斜夹角的近似解。
第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
在第一坐标系中，获取所述第一传感器对应的第一单位向量、所述第二传感器对应的第二单位向量和所述目标物体对应的第三单位向量；
接收所述第一传感器在所述目标物体发生倾斜时发送的第一倾斜夹角和所述第二传感器在所述目标物体发生倾斜时发送的第二倾斜夹角；
根据所述第一单位向量、所述第二单位向量、所述第三单位向量、所述第一倾斜夹角、所述第二倾斜夹角、所述第一夹角、所述第二夹角和预设的旋转公式，确定所述目标物体发生倾斜后，所述第一传感器的第一z坐标对应的表达式和所述第二传感器的第二z坐标对应的表达式，所述第一z坐标对应的表达式和所述第二z坐标对应的表达式中包括所述目标物体的第三倾斜夹角；
根据所述第一z坐标对应的表达式和所述第二z坐标对应的表达式，确定所述第三倾斜夹角的近似解。
本申请实施例提供了一种基于单轴加速度传感器的倾角测量方法和装置。倾斜检测设备在第一坐标系中，获取第一传感器对应的第一单位向量、第二传感器对应的第二单位向量和目标物体对应的第三单位向量。然后，倾斜检测设备接收在目标物体发生倾斜时第一传感器发送的第一倾斜夹角和第二传感器发送的第二倾斜夹角，并根据第一单位向量、第二单位向量、第三单位向量、第一倾斜夹角、第二倾斜夹角、第一夹角、第二夹角和预设的旋转公式，确定目标物体发生倾斜后，第一传感器的第一z坐标对应的表达式和第二传感器的第二z坐标对应的表达式。之后，倾斜检测设备根据第一z坐标表达式和第二z坐标表达式，确定第三倾斜夹角的近似解。应用本方法可以只使用两个单轴加速度传感器对物体倾角进行测量，安装时不需要两传感器互相垂直，成本低、安装难度低，并且采用的数学计算方法可以提高倾角测量精度。
附图说明
图1A为本申请实施例提供的一种目标物体初始状态的示意图；
图1B为本申请实施例提供的一种目标物体倾斜的示意图；
图2为本申请实施例提供的一种基于单轴加速度传感器的倾角测量方法的流程示意图；
图3为本申请实施例提供的另一种目标物体倾斜的示意图；
图4为本申请实施例提供的一种基于单轴加速度传感器的倾角测量装置的结构框图；
图5为本申请实施例提供的一种计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请实施例提供了一种基于单轴加速度传感器的倾角测量方法，可应用于倾斜检测系统，该倾斜检测系统包括：倾斜检测设备、设置于目标物体上与水平面呈第一夹角的第一传感器和与水平面呈第二夹角的第二传感器。其中，第一传感器和第二传感器为单轴加速度传感器，倾斜检测设备可以为服务器、主机、用户终端等设备。第一传感器和第二传感器，用于当目标物体发生倾斜时，传感器检测自身对应的运动方向的加速度，并根据该加速度确定自身倾斜角度。倾斜检测设备，用于接收第一传感器和第二传感器输出的自身倾斜角度，并根据接收到的倾斜角度及预先存储的第一传感器、第二传感器、目标物体初始状态的夹角，利用旋转公式确定目标物体倾斜角度。
本申请实施例提供了一种基于单轴加速度传感器的倾角测量方法，如图2所示，具体处理过程如下：
步骤201，在第一坐标系中，获取第一传感器对应的第一单位向量、第二传感器对应的第二单位向量和目标物体对应的第三单位向量。
在实施中，如图1A所示，当倾斜检测设备需要检测目标物体的倾斜角度(也即倾斜检测设备接收到第一传感器和第二传感器发送的第一倾斜夹角、第二倾斜夹角)时，可以获取第一传感器对应的第一单位向量p、第二传感器对应的第二单位向量m和目标物体对应的第三单位向量v
倾斜检测设备获取第一单位向量、第二单位向量和第三单位向量的具体处理过程如下：
步骤一，获取预先存储的第一传感器对应的第一夹角和第三夹角、第二传感器对应的第二夹角和第四夹角、以及目标物体对应的第五夹角和第六夹角。
其中，第三夹角为第一传感器在水平面上的投影与x轴的夹角，第四夹角为第二传感器在水平面上的投影与x轴的夹角，第五夹角为目标物体在水平面上的投影与x轴的夹角，第六夹角为目标物体与z轴的夹角。
在实施中，如图1A所示，以目标物体与水平面的交点为原点，建立第一直角坐标系(即第一坐标系)，获取预先存储的第一传感器对应的第一夹角和第三夹角、第二传感器对应的第二夹角和第四夹角、以及目标物体对应的第五夹角和第六夹角。该第一传感器对应的第一夹角和第三夹角、第二传感器对应的第二夹角和第四夹角、以及目标物体对应的第五夹角和第六夹角可以由技术人员进行测量，并存储至倾斜检测设备中。其中，第一夹角为第一传感器与水平面的夹角(如图1A中的角μ)、第二夹角为第二传感器与水平面的夹角(如图1A中的角ρ)，第三夹角为第一传感器在水平面上的投影与x轴的夹角(如图1A中的角α)，第四夹角为第二传感器在水平面上的投影与x轴的夹角(如图1A中的角β)，第五夹角为目标物体在水平面上的投影与x轴的夹角(如图1A中的角φ)，第六夹角为目标物体与z轴的夹角(如图1A中的角θ)。
步骤二，根据第一夹角和第三夹角，确定第一传感器对应的第一单位向量，根据第二夹角和第四夹角，确定第二传感器对应的第二单位向量，根据第五夹角和第六夹角，确定目标物体的对应的第三单位向量。
在实施中，如图1A所示，倾斜检测设备获取到第一夹角μ和第三夹角α后，可以根据第一夹角μ和第三夹角α，确定第一单位向量p＝(cosα,sinα,sinμ)。同理，倾斜检测设备获取到第二夹角ρ和第四夹角β后，可以确定第二单位向量m＝(cosβ,sinβ,sinρ)。倾斜检测设备获取到第五夹角φ和第六夹角θ后，可以确定第三单位向量v＝(sinθcosφ,sinθsinφ,cosθ)。
步骤202，接收第一传感器在目标物体发生倾斜时发送的第一倾斜夹角和第二传感器在目标物体发生倾斜时发送的第二倾斜夹角。
在实施中，当目标物体发生倾斜时，如图1B所示，由第三单位向量v倾斜为单位向量u，相应的，第一传感器与第二传感器也会随之发生倾斜，第一传感器对应的第一单位向量p倾斜到单位向量q，第二传感器对应的第二单位向量m倾斜到单位向量n。第一传感器和第二传感器获得倾斜方向对应的加速度，根据获取到的加速度得到各自的倾斜夹角，并发送该倾斜夹角给倾斜检测设备，此时，倾斜检测设备可以接收到第一传感器与第二传感器输出的第一倾斜夹角ξ、第二倾斜夹角η。
步骤203，根据第一单位向量、第二单位向量、第三单位向量、第一倾斜夹角、第二倾斜夹角、第一夹角、第二夹角和预设的旋转公式，确定目标物体发生倾斜后，第一传感器的第一z坐标对应的表达式和第二传感器的第二z坐标对应的表达式，第一z坐标对应的表达式和第二z坐标对应的表达式中包括目标物体的第三倾斜夹角。
在实施中，倾斜检测设备根据第一单位向量、第二单位向量、第三单位向量、第一倾斜夹角、第二倾斜夹角、第一夹角、第二夹角，结合旋转公式，可以确定出目标物体发生倾斜后，第一传感器与第二传感器倾斜后对应单位向量中向量坐标中第一z坐标和第二z坐标对应的表达式。由于第一z坐标、第二z坐标的表达式中包含有第三倾斜夹角，因此可以根据得到的z坐标表达式后续计算待求解的第三倾斜夹角。
具体的，旋转公式为：1＝tcosγ+(k×t)sinγ+(k·t)k(1-cosγ)
其中，t为所述目标物体在传感器刚部署未发生倾斜前的方向，k为旋转轴对应的第四单位向量，第四单位向量k＝icosω+(i×v)sinω，i为第二坐标系中的x轴，(i×v)为第二坐标系中的y轴，v为第三单位向量，ω为第四单位向量与第二坐标系的x轴的第七夹角。
旋转公式中旋转轴k对应的单位向量的表达式可以通过与第一坐标系中z轴的夹角、以及在水平面的投影与x轴的夹角来确定，由于旋转公式中的旋转角为待求夹角，则此时需要求解三个未知数，仅由第一传感器和第二传感器输出的两个倾斜角度构建的两个方程等式，无法求解。
在本方案实施例中，如图1B所示，根据目标物体对应的第三单位向量v，假设一个与第三单位向量v垂直的平面，该平面与第一坐标系水平面的相交向量为单位向量i。其中，i＝(sinφ,-cosφ,0)，以单位向量i所在方向为第二坐标系的x轴，以目标物体对应的第三单位向量v所在方向为第二坐标系的z轴，以与第三单位向量v和单位向量i垂直的向量(i×v)所在方向为第二坐标系的y轴，建立第二坐标系，通过单位向量i，以及旋转轴k与第二坐标系中x轴所在的第七夹角ω，可以减少旋转轴k的未知角度，确定旋转轴k对应的第四单位向量k＝icosω+(i×v)sinω。
步骤一，根据第一单位向量、第三单位向量、第一倾斜夹角、第一夹角和预设的旋转公式，确定目标物体发生倾斜后，第一传感器的第一z坐标对应的表达式。
qz＝sin(μ-ξ)＝sinμcosγ+[cosθsinωsin(α-φ)+cosωcos(φ-α)]sinγ+[sin2θsin2ωsinμ+sin2ωcosθsinθcos(φ-α)+sinωcosωsinθsin(φ-α)](1-cosγ)
其中，qz为第一传感器的第一z坐标，μ为第一夹角，ξ为第一倾斜夹角，γ为第三倾斜夹角，θ为第六夹角，α为第三夹角，φ为第五夹角；
步骤二，根据第二单位向量、第三单位向量、第二倾斜夹角、第二夹角和预设的旋转公式，确定目标物体发生倾斜后，第二传感器的第二z坐标对应的表达式。
nz＝sin(ρ-η)＝sinρcosγ+[cosθsinωsin(β-φ)+cosωcos(φ-β)]sinγ+[sin2θsin2ωsinρ+sin2ωcosθsinθcos(φ-β)+sinωcosωsinθsin(φ-β)](1-cosγ)
其中，nz为所述第二传感器的第二z坐标，ρ为所述第二夹角，η为所述第二倾斜夹角，β为所述第四夹角。
步骤204，根据第一z坐标对应的表达式和第二z坐标对应的表达式，确定第三倾斜夹角的近似解。
根据第一z坐标对应的表达式和第二z坐标对应的表达式，通过如下公式确定第三倾斜夹角和第七夹角的近似解：
Figure GDA0003316436040000131
其中，
Figure GDA0003316436040000132
为ω的近似解，
Figure GDA0003316436040000133
为γ的近似解。
在实施中，由于在确定第一传感器对应的第一z坐标和第二传感器对应的第二z坐标时，利用旋转公式引入了绕旋转轴旋转的假设，因此在确定第三倾斜夹角和第七夹角的时候可能无解，因此求解第三倾斜夹角和第七夹角的近似解，以近似解作为所需结果。
可选的，倾斜检测设备中可以预先存储有目标物体的倾斜角度阈值，该倾斜角度阈值可以由技术人员根据经验进行设置。倾斜检测设备将通过近似解公式确定出的第三倾斜夹角的角度与倾斜角度阈值进行比较，如果第三倾斜夹角的角度大于预设的倾斜角度阈值，则倾斜检测设备输出告警信息。如果第三倾斜夹角的角度小于或等于预设的倾斜角度阈值，则倾斜检测设备无需输出告警信息。
可选的，倾斜检测设备根据接收到的第三倾斜夹角和第七夹角的近似解、第三单位向量和预设的旋转公式，确定目标物体发生倾斜后的第四单位向量，根据预先存储的目标物体倾斜后的位置向量各坐标阈值，对目标物体进行风险判断。针对每一坐标轴的坐标，如果目标物体倾斜后的第四单位向量某坐标大于技术人员预设的该坐标的坐标阈值，则倾斜检测设备输出告警信息。
本申请实施例提供了一种基于单轴加速度传感器的倾角测量方法。倾斜检测设备在第一坐标系中，获取第一传感器对应的第一单位向量、第二传感器对应的第二单位向量和目标物体对应的第三单位向量。然后，倾斜检测设备接收在目标物体发生倾斜时第一传感器发送的第一倾斜夹角和第二传感器发送的第二倾斜夹角，并根据第一单位向量、第二单位向量、第三单位向量、第一倾斜夹角、第二倾斜夹角、第一夹角、第二夹角和预设的旋转公式，确定目标物体发生倾斜后，第一传感器的第一z坐标对应的表达式和第二传感器的第二z坐标对应的表达式。之后，倾斜检测设备根据第一z坐标表达式和第二z坐标表达式，确定第三倾斜夹角的近似解。应用本方法可以只使用两个单轴加速度传感器对物体倾角进行测量，安装时不需要两传感器互相垂直，成本低、安装难度低，并且采用的数学计算方法可以提高倾角测量精度。
本申请实施例还提供了一种基于单轴加速度传感器的倾角测量方法的示例，如图3所示，具体处理过程如下：
在本实施例中，当需要测量目标物体倾角时，可在每根目标物体上分别部署两个单轴倾角传感器，如图3所示，传感器部署时的方向是水平的，但一般情况下两个传感器的方向既不是正地理方向也不互相正交，并且目标物体也有一定的初始倾角。以正南、正东、竖直向上三个方向建立x-y-z右手直角坐标系，原点为目标物体的固定位置。
v和u分别为目标物体在传感器刚部署时(倾斜前)与当前(倾斜后)的方向，p和q分别为一个单轴倾角传感器在刚部署时与倾斜后的方向，m和n为另一个传感器传感器在刚部署时与倾斜后的方向。目标物体在初始时水平方向上的投影与x轴夹角为φ，与z轴的夹角(即倾角)为θ，故v＝(sinθcosφ,sinθsinφ,cosθ)；在刚部署时两个传感器与x轴的夹角分别为α和β，则有p＝(cosα,sinα,sinμ)，m＝(cosβ,sinβ,sinρ)。
在目标物体发生倾斜之后，两个传感器也随之发生倾斜，根据倾斜获得的加速度，两个传感器分别输出倾斜角度ξ与η。由于倾角变化很微小，可将倾斜过程转化为绕轴旋转过程，可设目标物体是从v绕着某根过原点的轴k旋转一个角度直接到u的。此时需要求解三个未知数，包括k的两个角度与旋转角度，而传感器只有两个，故无法求解。由于目标物体在应用时不会发生自转这种现象，因此假设k处于与v垂直并过原点的平面内以消除一个未知数。k所在的平面与水平面相交于i＝(sinφ,-cosφ,0)，故可设k＝icosω+(i×v)sinω，并设目标物体的旋转角度为γ，根据Rodrigues旋转公式，可得：
q＝(qx,qy,qz)＝pcosγ+(k×p)sinγ+(k·p)k(1-cosγ)
代入v＝(sinθcosφ,sinθsinφ,cosθ)、i＝(sinφ,-cosφ,0)、p＝(cosα,sinα,sinμ)，可得：
qz＝[cos(φ-α)cosω+sin(φ-α)cosθsinω]sinγ+[sin(φ-α)sinθsinωcosω-cos(φ-α)sinθcosθsin2ω](1-cosγ)
nz＝[cos(φ-β)cosω+sin(φ-β)cosθsinω]sinγ+
[sin(φ-β)sinθsinωcosω-cos(φ-β)sinθcosθsin2ω](1-cosγ)
根据倾角传感器的测量原理，有：
sinξ＝qz
sinη＝nz
由于引入了一系列假设，该方程组可能无解，因此转化为求解如下优化问题求ω与γ的近似解，分别记为
Figure GDA0003316436040000161
与
Figure GDA0003316436040000162
Figure GDA0003316436040000163
再次利用旋转公式，可得此目标物体此时的方向为
Figure GDA0003316436040000164
Figure GDA0003316436040000165
Figure GDA0003316436040000166
本申请实施例还提供了一种基于单轴加速度传感器的倾角测量装置，如图4所示，该装置包括：
获取模块410，用于在第一坐标系中，获取第一传感器对应的第一单位向量、第二传感器对应的第二单位向量和目标物体对应的第三单位向量；
接收模块420，用于接收第一传感器在目标物体发生倾斜时发送的第一倾斜夹角和第二传感器在目标物体发生倾斜时发送的第二倾斜夹角；
第一确定模块430，用于根据第一单位向量、第二单位向量、第三单位向量、第一倾斜夹角、第二倾斜夹角、第一夹角、第二夹角和预设的旋转公式，确定目标物体发生倾斜后，第一传感器的第一z坐标对应的表达式和第二传感器的第二z坐标对应的表达式，第一z坐标对应的表达式和第二z坐标对应的表达式中包括目标物体的第三倾斜夹角；
第二确定模块440，用于根据第一z坐标对应的表达式和第二z坐标对应的表达式，确定第三倾斜夹角的近似解；
作为一种可选地实施方式，获取模块410，具体用于：
获取预先存储的第一传感器对应的第一夹角和第三夹角、第二传感器对应的第二夹角和第四夹角、以及目标物体对应的第五夹角和第六夹角，第三夹角为第一传感器在水平面上的投影与x轴的夹角，第四夹角为第二传感器在水平面上的投影与x轴的夹角，第五夹角为目标物体在水平面上的投影与x轴的夹角，第六夹角为目标物体与z轴的夹角；
根据第一夹角和第三夹角，确定第一传感器对应的第一单位向量，根据第二夹角和第四夹角，确定第二传感器对应的第二单位向量，根据第五夹角和第六夹角，确定目标物体的对应的第三单位向量。
作为一种可选地实施方式，第一z坐标对应的表达式和第二z坐标对应的表达式中还包括旋转轴与第二坐标系的x轴的第七夹角，第一确定模块430，具体用于：
旋转公式为：1＝tcosγ+(k×t)sinγ+(k·t)k(1-cosγ)
其中，t为所述目标物体在传感器刚部署未发生倾斜前的方向，k为旋转轴对应的第四单位向量，第四单位向量k＝icosω+(i×v)sinω，i为第二坐标系中的x轴，(i×v)为第二坐标系中的y轴，v为第三单位向量，ω为第四单位向量与第二坐标系的y轴的第七夹角；
第一确定模块430，用于根据第一单位向量、第二单位向量、第一倾斜夹角、第一夹角和预设的旋转公式，确定目标物体发生倾斜后，第一传感器的第一z坐标对应的表达式为：
qz＝sin(μ-ξ)＝sinμcosγ+[cosθsinωsin(α-φ)+cosωcos(φ-α)]sinγ+[sin2θsin2ωsinμ+sin2ωcosθsinθcos(φ-α)+sinωcosωsinθsin(φ-α)](1-cosγ)
其中，qz为第一传感器的第一z坐标，μ为第一夹角，ξ为第一倾斜夹角，γ为第三倾斜夹角，θ为第六夹角，α为第三夹角，φ为第五夹角；
第一确定模块430，用于根据第二单位向量、第三单位向量、第二倾斜夹角、第二夹角和预设的旋转公式，确定目标物体发生倾斜后，第二传感器的第二z坐标对应的表达式为：
nz＝sin(ρ-η)＝sinρcosγ+[cosθsinωsin(β-φ)+cosωcos(φ-β)]sinγ+[sin2θsin2ωsinρ+sin2ωcosθsinθcos(φ-β)+sinωcosωsinθsin(φ-β)](1-cosγ)
其中，nz为第二传感器的第二z坐标，ρ为第二夹角，η为第二倾斜夹角，β为第四夹角。
作为一种可选地实施方式，第二确定模块440，具体用于：
根据第一z坐标对应的表达式和第二z坐标对应的表达式，通过如下公式确定第三倾斜夹角和第七夹角的近似解：
Figure GDA0003316436040000181
其中，
Figure GDA0003316436040000182
为ω的近似解，
Figure GDA0003316436040000183
为γ的近似解。
本申请实施例提供了一种装置。倾斜检测设备在第一坐标系中，获取第一传感器对应的第一单位向量、第二传感器对应的第二单位向量和目标物体对应的第三单位向量。然后，倾斜检测设备接收在目标物体发生倾斜时第一传感器发送的第一倾斜夹角和第二传感器发送的第二倾斜夹角，并根据第一单位向量、第二单位向量、第三单位向量、第一倾斜夹角、第二倾斜夹角、第一夹角、第二夹角和预设的旋转公式，确定目标物体发生倾斜后，第一传感器的第一z坐标对应的表达式和第二传感器的第二z坐标对应的表达式。之后，检测设备根据第一z坐标表达式和第二z坐标表达式，确定第三倾斜夹角的近似解。应用本装置可以只使用两个单轴加速度传感器对物体倾角进行测量，安装时不需要两传感器互相垂直，成本低、安装难度低，并且采用的数学计算方法可以提高倾角测量精度。
在一个实施例中，一种计算机设备，如图5所示，包括存储器及处理器，存储器上存储有可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述任一项基于单轴加速度传感器的倾角测量的的方法步骤。
在一个实施例中，一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述任一项基于单轴加速度传感器的倾角测量的方法的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，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，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于单轴加速度传感器的倾角测量方法，其特征在于，目标物体上设置有与水平面呈第一夹角的第一传感器和与水平面呈第二夹角的第二传感器，所述方法包括：
在第一坐标系中，获取所述第一传感器对应的第一单位向量、所述第二传感器对应的第二单位向量和所述目标物体对应的第三单位向量；
接收所述第一传感器在所述目标物体发生倾斜时发送的第一倾斜夹角和所述第二传感器在所述目标物体发生倾斜时发送的第二倾斜夹角；
根据所述第一单位向量、所述第二单位向量、所述第三单位向量、所述第一倾斜夹角、所述第二倾斜夹角、所述第一夹角、所述第二夹角和预设的旋转公式，确定所述目标物体发生倾斜后，所述第一传感器的第一z坐标对应的表达式和所述第二传感器的第二z坐标对应的表达式，所述第一z坐标对应的表达式和所述第二z坐标对应的表达式中包括所述目标物体的第三倾斜夹角；所述第一z坐标对应的表达式和所述第二z坐标对应的表达式中还包括旋转轴与第二坐标系的x轴的第七夹角；所述第一单位向量为所述第一传感器对应的所述第一夹角和第三夹角确定出的单位向量，所述第二单位向量为所述第二传感器对应的所述第二夹角和第四夹角确定出的单位向量，所述第三单位向量为所述目标物体对应的第五夹角和第六夹角确定出的所述目标物体对应的单位向量；所述第三夹角为所述第一传感器在水平面上的投影与x轴的夹角，所述第四夹角为所述第二传感器在水平面上的投影与x轴的夹角，所述第五夹角为所述目标物体在水平面上的投影与x轴的夹角，所述第六夹角为所述目标物体与z轴的夹角；
旋转公式为：1＝tcosγ+(k×t)sinγ+(k·t)k(1-cosγ)
其中，t为所述目标物体在传感器刚部署未发生倾斜前的方向，k为所述旋转轴对应的第四单位向量，所述第四单位向量k＝icosω+(i×v)sinω，i为所述第二坐标系中的x轴，(i×v)为所述第二坐标系中的y轴，v为所述第三单位向量，ω为所述第四单位向量与所述第二坐标系的x轴的第七夹角；γ为所述第三倾斜夹角；
根据所述第一z坐标对应的表达式和所述第二z坐标对应的表达式，确定所述第三倾斜夹角的近似解。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取所述第一传感器对应的第一单位向量、所述第二传感器对应的第二单位向量和所述目标物体对应的第三单位向量，包括：
获取预先存储的所述第一传感器对应的所述第一夹角和第三夹角、所述第二传感器对应的所述第二夹角和第四夹角、以及所述目标物体对应的第五夹角和第六夹角；
根据所述第一夹角和所述第三夹角，确定所述第一传感器对应的第一单位向量，根据所述第二夹角和所述第四夹角，确定所述第二传感器对应的第二单位向量，根据所述第五夹角和所述第六夹角，确定所述目标物体的对应的第三单位向量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一z坐标对应的表达式和所述第二z坐标对应的表达式中还包括旋转轴与第二坐标系的x轴的第七夹角，所述根据所述第一单位向量、所述第二单位向量、所述第三单位向量、所述第一倾斜夹角、所述第二倾斜夹角、所述第一夹角、所述第二夹角和预设的旋转公式，确定所述目标物体发生倾斜后，所述第一传感器的第一z坐标对应的表达式和所述第二传感器的第二z坐标对应的表达式，包括：
根据所述第一单位向量、所述第三单位向量、所述第一倾斜夹角、所述第一夹角和预设的旋转公式，确定所述目标物体发生倾斜后，所述第一传感器的第一z坐标对应的表达式为：
qz＝sin(μ-ξ)＝sinμcosγ+[cosθsinωsin(α-φ)+cosωcos(φ-α)]sinγ+[sin2θsin2ωsinμ+sin2ωcosθsinθcos(φ-α)+sinωcosωsinθsin(φ-α)](1-cosγ)
其中，qz为所述第一传感器的第一z坐标，μ为所述第一夹角，ξ为所述第一倾斜夹角，θ为所述第六夹角，α为所述第三夹角，φ为所述第五夹角；
根据所述第二单位向量、所述第三单位向量、所述第二倾斜夹角、所述第二夹角和预设的旋转公式，确定所述目标物体发生倾斜后，所述第二传感器的第二z坐标对应的表达式为：
nz＝sin(ρ-η)＝sinρcosγ+[cosθsinωsin(β-φ)+cosωcos(φ-β)]sinγ+[sin2θsin2ωsinρ+sin2ωcosθsinθcos(φ-β)+sinωcosωsinθsin(φ-β)](1-cosγ)
其中，nz为所述第二传感器的第二z坐标，ρ为所述第二夹角，η为所述第二倾斜夹角，β为所述第四夹角。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一z坐标对应的表达式和所述第二z坐标对应的表达式，确定所述第三倾斜夹角的近似解，包括：
根据所述第一z坐标对应的表达式和所述第二z坐标对应的表达式，通过如下公式确定所述第三倾斜夹角和所述第七夹角的近似解：
Figure FDA0003276233060000031
其中，
Figure FDA0003276233060000032
为ω的近似解，
Figure FDA0003276233060000033
为γ的近似解。
5.一种基于单轴加速度传感器的倾角测量装置，其特征在于，目标物体上设置有与水平面呈第一夹角的第一传感器和与水平面呈第二夹角的第二传感器，所述装置包括：
获取模块，用于在第一坐标系中，获取所述第一传感器对应的第一单位向量、所述第二传感器对应的第二单位向量和所述目标物体对应的第三单位向量；
接收模块，用于接收所述第一传感器在所述目标物体发生倾斜时发送的第一倾斜夹角和所述第二传感器在所述目标物体发生倾斜时发送的第二倾斜夹角；
第一确定模块，用于根据所述第一单位向量、所述第二单位向量、所述第三单位向量、所述第一倾斜夹角、所述第二倾斜夹角、所述第一夹角、所述第二夹角和预设的旋转公式，确定所述目标物体发生倾斜后，所述第一传感器的第一z坐标对应的表达式和所述第二传感器的第二z坐标对应的表达式，所述第一z坐标对应的表达式和所述第二z坐标对应的表达式中包括所述目标物体的第三倾斜夹角；所述第一z坐标对应的表达式和所述第二z坐标对应的表达式中还包括旋转轴与第二坐标系的x轴的第七夹角；所述第一单位向量为所述第一传感器对应的所述第一夹角和第三夹角确定出的单位向量，所述第二单位向量为所述第二传感器对应的所述第二夹角和第四夹角确定出的单位向量，所述第三单位向量为所述目标物体对应的第五夹角和第六夹角确定出的所述目标物体对应的单位向量；所述第三夹角为所述第一传感器在水平面上的投影与x轴的夹角，所述第四夹角为所述第二传感器在水平面上的投影与x轴的夹角，所述第五夹角为所述目标物体在水平面上的投影与x轴的夹角，所述第六夹角为所述目标物体与z轴的夹角；
旋转公式为：1＝tcosγ+(k×t)sinγ+(k·t)k(1-cosγ)
其中，t为所述目标物体在传感器刚部署未发生倾斜前的方向，k为所述旋转轴对应的第四单位向量，所述第四单位向量k＝icosω+(i×v)sinω，i为所述第二坐标系中的x轴，(i×v)为所述第二坐标系中的y轴，v为所述第三单位向量，ω为所述第四单位向量与所述第二坐标系的x轴的第七夹角；γ为所述第三倾斜夹角；
第二确定模块，用于根据所述第一z坐标对应的表达式和所述第二z坐标对应的表达式，确定所述第三倾斜夹角的近似解。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述获取模块，具体用于：
获取预先存储的所述第一传感器对应的所述第一夹角和第三夹角、所述第二传感器对应的所述第二夹角和第四夹角、以及所述目标物体对应的第五夹角和第六夹角；
根据所述第一夹角和所述第三夹角，确定所述第一传感器对应的第一单位向量，根据所述第二夹角和所述第四夹角，确定所述第二传感器对应的第二单位向量，根据所述第五夹角和所述第六夹角，确定所述目标物体的对应的第三单位向量。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一z坐标对应的表达式和所述第二z坐标对应的表达式中还包括旋转轴与第二坐标系的x轴的第七夹角，所述第一确定模块，具体用于：
根据所述第一单位向量、所述第三单位向量、所述第一倾斜夹角、所述第一夹角和预设的旋转公式，确定所述目标物体发生倾斜后，所述第一传感器的第一z坐标对应的表达式为：
qz＝sin(μ-ξ)＝sinμcosγ+[cosθsinωsin(α-φ)+cosωcos(φ-α)]sinγ+[sin2θsin2ωsinμ+sin2ωcosθsinθcos(φ-α)+sinωcosωsinθsin(φ-α)](1-cosγ)
其中，qz为所述第一传感器的第一z坐标，μ为所述第一夹角，ξ为所述第一倾斜夹角，θ为所述第六夹角，α为所述第三夹角，φ为所述第五夹角；
根据所述第二单位向量、所述第三单位向量、所述第二倾斜夹角、所述第二夹角和预设的旋转公式，确定所述目标物体发生倾斜后，所述第二传感器的第二z坐标对应的表达式为：
nz＝sin(ρ-η)＝sinρcosγ+[cosθsinωsin(β-φ)+cosωcos(φ-β)]sinγ+[sin2θsin2ωsinρ+sin2ωcosθsinθcos(φ-β)+sinωcosωsinθsin(φ-β)](1-cosγ)
其中，nz为所述第二传感器的第二z坐标，ρ为所述第二夹角，η为所述第二倾斜夹角，β为所述第四夹角。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第二确定模块，具体用于：
根据所述第一z坐标对应的表达式和所述第二z坐标对应的表达式，通过如下公式确定所述第三倾斜夹角和所述第七夹角的近似解：
Figure FDA0003276233060000061
其中，
Figure FDA0003276233060000062
为ω的近似解，
Figure FDA0003276233060000063
为γ的近似解。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至4中任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述的方法的步骤。
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