CN112767668A - 基于加速度的简便位移监测预警系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于加速度的简便位移监测预警系统,包括:外壳,其中,所述外壳内安装有微控制处理模块,所述微控制处理模块上连接有数传模组、MEMS传感器,所述外壳内安装有电源供电模块,所述电源供电模块连接所述微控制处理模块、所述数传模组、所述MEMS传感器;所述电源供电模块上连接有开关。还公开了一种基于加速度的简便位移监测预警方法,其中,包括:步骤1:打开开关,上电及初始化;步骤2:MEMS传感器获取速度值;步骤3:微处理器获取短时间段内的速度值,通过加速度数值积分算法计算获取实时位移数据;步骤4:微控制处理模块唤醒数传模组发送实时位移数据。本发明可以获取位移数据并通过数传模组向外部传输。
Description
技术领域
本发明涉及一种位移监测预警系统及方法,尤其涉及一种基于加速度的简便位移监测预警系统及方法。
背景技术
位移测量方面,理论上已经有很多种测试位移和速度的设备和方法,一般采取的方式是雷达测试、光学测试和高速摄影等,但是在实际测试过程中,这些方法仍然遇到很多困难。比如由于结构的空间的限制,即使结构内部有足够的空间进行位移传感器的布置,位移传感器测试得到的也只是安装位置与待测点之间的相对位移,相对位移很难满足研究的需要,而研究真正需要的绝对位移信号仍然难以准确测量。实际中也很难找到的适合待测结构和待测工况的速度传感器。
硬件积电路方法的积分精度受到硬件器材的性能和积分电路本身的特性的限制,对待积分加速度信号的最低频率要求较高,且一般不能用来测量包含较多频率成分的运动状态信号。
通常物理运动可以看成曲线运动或者圆锥运动(绕地运动)等,这里只计算短时类直线(单轴)情况的位移变化探测。
加速度计作为位置传感器已有多年的历史,位移相对于已知参考点(或起点)的偏差通过各轴的加速度对时间的积分来确定,其数学计算公式非常直观:
Spos=S0+1/2*A*T2
然而,对于低速运动,这种系统在任何合理长度时间内的精度都很差.因为不断积累的各种小误差最终会变成非常大的误差。
假如设一个人以5km/h(1.39m/s)的速度步行5分钟,在他行走的416m距离中,则平均加速度约为0.92cm/s2,约等于0.94mg.那么对于模拟电路温度系数2mg/℃,变化0.5℃就可能超过正常信号,更不要说还有直流干扰。
因此,本发明致力于提供一种能够以现有数字加速度传感器精确获得运动载体加速度,再通过计算获取位移数据。
发明内容
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的:
一种基于加速度的简便位移监测预警系统,包括:外壳,其中,所述外壳内安装有微控制处理模块,所述微控制处理模块上连接有数传模组、MEMS传感器,所述外壳内安装有电源供电模块,所述电源供电模块连接所述微控制处理模块、所述数传模组、所述MEMS传感器;所述电源供电模块上连接有开关。
如上所述的基于加速度的简便位移监测预警系统,其中,数传模组采用NB-IoT技术,与网络运营商的基础设备通过无线电通信协议建立通信。
如上所述的基于加速度的简便位移监测预警系统,其中,所述数传模组集成有:BeiDou、GPS、GLONASS*定位和导航系统。
一种基于加速度的简便位移监测预警方法,其中,包括:
步骤1:打开开关,上电及初始化;
步骤2:MEMS传感器获取速度值;
步骤3:微处理器获取短时间段内的速度值,通过加速度数值积分算法计算获取实时位移数据;
步骤4:微控制处理模块唤醒数传模组发送实时位移数据。
如上所述的基于加速度的简便位移监测预警方法,其中,步骤5:微控制处理模块控制数传模组休眠。
如上所述的基于加速度的简便位移监测预警方法,其中,步骤1还包括:自动校准及滤波,包括:
步骤1.1:对原始数据进行线性校准;
步骤1.2:进行机械滤波;
步骤1.3:进行归一化运算。
如上所述的基于加速度的简便位移监测预警方法,其中,步骤2之后进行温度补偿、数据滤波,温度补偿包括:实时获取MEMS传感器温度数据进行温度补偿。
如上所述的基于加速度的简便位移监测预警方法,其中,步骤1.3包括:对N个样本进行平均处理,RMS=ND*sqrt(BW*c)。
如上所述的基于加速度的简便位移监测预警方法,其中,步骤3具体为:
速度在[a,b]短时区间内取值,其中分割数取N,最大迭代次数m,允许误差ε,区间长度H=b-a;则最小区间的长度h=H/N;时间轴变量xk,k为自变量;速度变量Vi,i为自变量;
xk=a+kh
Vi=Vi-1+CΔV
Vx=∫a bf(x)dx
得到:
对于迭代计算有:
则:
Vm,i=Vm,i-1+(Vm,i-1-Vm-1,i-1)/(4i-1-1)
若存在:
|Vm,i-Vm-1,i-1|<ε
那么Vm,i就为所求解;
再由位移公式:
得到物体的实时运动位移数据。
如上所述的基于加速度的简便位移监测预警方法,其中,步骤3还包括:多项式拟合算法减小误差:
设存在多项式Vm(t),使得Vi,Si之间的差值平方和最小,利用最小二乘法拟合出趋势项误差:
推导出:
变形得到:
得到:
Vact=Vi-Vm
代入位移公式。
综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明将微控制处理模块连接数传模组、MEMS传感器,使得获取的位移数据可以通过数传模组向外部传输,从而实现位移的监测和预警。本发明采用数字加速度传感器精确获得运动载体加速度,设计了加速度数值积分算法,并采用多项式拟合算法减小误差。
附图说明
图1是本发明基于加速度的简便位移监测预警系统的结构框图;
图2是本发明基于加速度的简便位移监测预警系统的数传模组的示意图;
图3是本发明基于加速度的简便位移监测预警方法的传感数据流程图;
图4是本发明基于加速度的简便位移监测预警方法的数据校准及滤波流程图;
图5是本发明基于加速度的简便位移监测预警方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述:
图1是本发明基于加速度的简便位移监测预警系统的结构框图,请参见图1,一种基于加速度的简便位移监测预警系统,包括:外壳1,其中,外壳1内安装有微控制处理模块3,微控制处理模块3上连接有数传模组2、MEMS传感器4,外壳1内安装有电源供电模块5,电源供电模块5连接微控制处理模块3、数传模组2、MEMS传感器4;电源供电模块5上连接有开关。将本发明的外壳1安装在待测物体上,打开开关上电,MEMS传感器4及微控制处理模块3工作,可实现该物体位移的监测。
进一步的,数传模组2采用NB-IoT技术,与网络运营商的基础设备通过无线电通信协议建立通信。
图2是本发明基于加速度的简便位移监测预警系统的数传模组的示意图,请参见图2,进一步的,数传模组2集成有:BeiDou、GPS、GLONASS*定位和导航系统。
本发明使用低功耗通信技术解决室内外场景下通信和定位难题,有以下优势:
1、高性能NB-IoT技术,通过无线电通信协议(3GPP Rel.13)与网络运营商的基础设备建立通信。覆盖范围是传统网络的100倍,收发效率提升20DB增益;支持长距离和海量的连接设备数量,并且具有超低的制造成本(国内低于5美元)。
2、本发明集成了BeiDou、GPS、GLONASS*定位和导航系统,可多系统联合定位,支持多种SBAS信号接收处理,向用户提供快速、准确的高性能定位体验。
3、超小尺寸,最小功耗实现工业级的收发灵敏度(23dBm±2dB)及高精确度。
图3是本发明基于加速度的简便位移监测预警方法的传感数据流程图,图5是本发明基于加速度的简便位移监测预警方法的流程图,请参见图3、图5,本发明还公开了一种基于加速度的简便位移监测预警方法,其中,包括:
步骤1:打开开关,上电及初始化;
步骤2:MEMS传感器4获取速度值;
步骤3:微处理器获取短时间段内的速度值,通过加速度数值积分算法计算获取实时位移数据;
步骤4:微控制处理模块3唤醒数传模组2发送实时位移数据。
进一步的,步骤5:微控制处理模块3控制数传模组2休眠。
图3是本发明基于加速度的简便位移监测预警方法的传感数据流程图,请参见图3,本发明在步骤2后进行数据滤波,完成数据滤波后进行步骤3,步骤3之后微控制处理模块3进行数据控制,对数据进行存储;之后进行步骤4,同时,可以通过外部连接的显示模块进行数据显示。
图4是本发明基于加速度的简便位移监测预警方法的数据校准及滤波流程图,请参见图4,进一步的,步骤1还包括:自动校准及滤波,包括:
步骤1.1:对原始数据进行线性校准;
步骤1.2:进行机械滤波;
步骤1.3:进行归一化运算。
进一步的,步骤2之后进行温度补偿、数据滤波,温度补偿包括:实时获取MEMS传感器4温度数据进行温度补偿。
进一步的,步骤1.3包括:对N个样本进行平均处理,RMS=ND*sqrt(BW*c)。
进一步的,步骤3具体为:
速度在[a,b]短时区间内取值,其中分割数取N,最大迭代次数m,允许误差ε,区间长度H=b-a;则最小区间的长度h=H/N;时间轴变量xk,k为自变量;速度变量Vi,i为自变量;
xk=a+kh
Vi=Vi-1+CΔV(C为常数,取决于加速度曲线变化率,比如做直线匀速就近似1)
Vx=∫a bf(×)dx
得到:
也可以采用Vi≈h*(f(×a)+f(×b))/2)
对于迭代计算有:
则:
Vm,i=Vm,i-1+(Vm,i-1-Vm-1,i-1)/(4i-1-1)
若存在:
|Vm,i-Vm-1,j-1|<ε(接近认可极限值)
前后时刻速度差值小于误差就是我们的解,那么Vm,i就为所求解;
再由位移公式:
得到物体的实时运动位移数据。
在位置公式中,VN可以采用Vm,i,进行带入运算,而在有精确测量要求的情况下,进行如下多项式拟合算法的运算,求出误差,然后减少误差,VN采用下列公式中的Vact。
具体的,以上算式中参数具体为:
Xk:时间轴变量,k为自变量取值为k>0代表传感最小计时间段;
Vi:速度变量,i为自变量,代表时间段i>0;
Vi-1:上一时间段的速度变量;
Vm,i:i为时间等分数值取值[a,b],m为第i时间段内迭代有效次数,小于传感的取值频率;
Si:位移变量,i为自变量,代表时间段i>0。
t:时间变量。
进一步的,步骤3还包括:多项式拟合算法减小误差:
Vm,i=Vi;设存在多项式Vm(t),使得Vi,Si之间的差值平方和最小,利用最小二乘法拟合出趋势项误差:
推导出:
变形得到:
可以证明,上述方程,存在唯一解求得系数Pi,从而求得Vm,进而得到:
Vact=Vi-Vm
代入位移公式。Vact为实际值。
具体的,Pi、Pk均为设定值。j为取值。j取值就是0到N-1,N就是分割数。
进一步的,初始化包括:设备初始化的自校准操作。有效消除安装误差与器件的偏移噪声误差。
AOUT[g]=AOFF+(Gain×AACTU)(AACTU原始值,Gain常数,AOFF自校准获取值)。
具体的,误差补偿与修正是有效提高系统测量精度的方法,确定系统测量误差的来源主要有如下三个方面,其一系统安装误差,其二温度环境造成误差,其三传感本身性能及噪声对测量线性度的影响造成误差。因此,本发明采用了以上多种方式有效减少了误差。
图5是本发明基于加速度的简便位移监测预警方法的流程图,在本发明的具体实施过程中,可以按照图5示出的步骤进行操作,上电后初始化,之后进行数据解算(步骤2、步骤3)完成数据解算后,微控制处理模块3唤醒通信外设(数传模组2),发送数据,完成数据发送后,微控制处理模块3控制系统休眠。
在本发明的具体使用中,可以应用在以下领域:
1、固定资产挪动监测及预警;
2、高空作业平台的安全(位移、倾斜)监测及预警;
3、水库大坝安全(位移、倾斜)监测及预警;
4、无人售货柜位移监测及预警;
5、设备的挪动监测及预警;
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术人员可以无需创造性劳动或者通过软件编程就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于加速度的简便位移监测预警系统,包括:外壳,其特征在于,所述外壳内安装有微控制处理模块,所述微控制处理模块上连接有数传模组、MEMS传感器,所述外壳内安装有电源供电模块,所述电源供电模块连接所述微控制处理模块、所述数传模组、所述MEMS传感器;所述电源供电模块上连接有开关。
2.根据权利要求1所述的基于加速度的简便位移监测预警系统,其特征在于,所述数传模组采用NB-IoT技术,与网络运营商的基础设备通过无线电通信协议建立通信。
3.根据权利要求1所述的基于加速度的简便位移监测预警系统,其特征在于,所述数传模组集成有:BeiDou、GPS、GLONASS*定位和导航系统。
4.一种基于加速度的简便位移监测预警方法,其特征在于,包括:
步骤1:打开开关,上电及初始化;
步骤2:MEMS传感器获取速度值;
步骤3:微处理器获取短时间段内的速度值,通过加速度数值积分算法计算获取实时位移数据;
步骤4:微控制处理模块唤醒数传模组发送实时位移数据。
5.根据权利要求4所述的基于加速度的简便位移监测预警方法,其特征在于,步骤5:微控制处理模块控制数传模组休眠。
6.根据权利要求4所述的基于加速度的简便位移监测预警方法,其特征在于,步骤1还包括:自动校准及滤波,包括:
步骤1.1:对原始数据进行线性校准;
步骤1.2:进行机械滤波;
步骤1.3:进行归一化运算。
7.根据权利要求4所述的基于加速度的简便位移监测预警方法,其特征在于,步骤2之后进行温度补偿、数据滤波,温度补偿包括:实时获取MEMS传感器温度数据进行温度补偿。
8.根据权利要求6所述的基于加速度的简便位移监测预警方法,其特征在于,步骤1.3包括:对N个样本进行平均处理,RMS=ND*sqrt(BW*c)。
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