CN114396913A - 级联多节点空间任意姿态倾角形变监测装置及计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了级联多节点空间任意姿态倾角形变监测装置及计算方法,属于建筑安全检测技术领域,级联多节点空间任意姿态倾角形变监测装置包括无线采集器、倾角计及RS485连接线,倾角计通过RS485总线级联多个节点组网,总线被无线采集器轮询采集上传到云平台,每个倾角计节点有不同的寄存器物理地址来区分,本发明的有益效果为可在三维空间、多节点组网监测,应用在各种崩塌坠落等场景下监测物体倾斜形变安全,并及时预警预报,通过内置的嵌入式算法可灵活对任意安装姿态进行判决,并自动选择最佳的稳定性判断算法,对于突变的崩塌情况可以第一时间本地声光报警。
Description
技术领域
本发明涉及建筑安全监测,更具体地说,它涉及级联多节点空间任意姿态倾角形变监测装置及计算方法。
背景技术
市面上对建筑安全监测时,在进行布置监测安装点时,三维空间需要有不同方向的形变监测方法,缺乏一套设备可以兼顾各个方向形变的全面监控装置和嵌入式计算方法;而单节点倾角计监测的设备很难全面反应被监测体物形变特征,若在被监测体布置若干多个单体倾角计,每台设备均需要无线组网、供电、信号处理成本提高;
市面上倾角计对安装的初始姿态、放置方向有要求,缺乏一种可以兼顾任意安装监测的计算方法。
市面上倾角计大多通过无线传输到云平台进行分析、预警预报;有些危险物崩塌非常迅速,由于其加速破坏阶段时间短,传统方法很难达到早期预警的目的。如危岩坠落,只有数秒的时间,来不及传输到云平台处理,必须有本地嵌入式分析能力和及时警报躲避功能。
发明内容
针对现有技术存在的不足,本发明的目的在于提供一种解决背景技术中所述问题的级联多节点空间任意姿态倾角形变监测装置及计算方法。
为实现上述目的,本发明提供了如下技术方案:
级联多节点空间任意姿态倾角形变监测装置,包括无线采集器、倾角计及RS485连接线,倾角计通过RS485总线级联多个节点组网,总线被无线采集器轮询采集上传到云平台,每个倾角计节点有不同的寄存器物理地址来区分。
进一步的,监测装置还包括与倾角计电性连接的扬声器和报警灯,倾角计包括微处理器、灯光驱动电路模块、扬声器驱动电路模块、三轴的MEMS加速度计、无线通信模块及电源模块,当倾角计三轴角度与初始姿态角度有明显变化时,微处理器会唤醒无线通信模块向云平台报告并驱动扬声器、报警灯本地报警。
进一步的,倾角计由三轴的MEMS 加速度计构成,三维空间任意姿态可以通过倾角计的三个角度来表征:
R(Roll)表示水平面与加速度计x轴之间的夹角,也反映了设备沿y轴旋转的角度;
P(Pitch)表示水平面与加速度计y轴之间的夹角,也反映了设备沿x轴旋转的角度;
Y(Yaw)表示重力矢量与z轴之间的夹角,反映了重力因素产生的倾角;
当位于x和y轴的0 g以及z轴的1g初始位置时,所有计算的角度均为0°;
P,R,Y 三维角度的计算方法如下:
进一步的,对于地面不均匀沉降监测:当地面支撑的持力层发生不均匀的沉降或者塌陷时,可将倾角计固定在水平的平面上,z轴竖直;
对于垂直直立面的监测:挡土墙鼓起、岩体的倾倒,可将倾角计固定在垂直的岩土面上,y轴竖直;
对于旋转90°的垂直直立面的形变监测:当多点级联时,固定在垂直的平面上倾角计x轴竖直;
对于监测区域的不规则形态,倾角的初始安装姿态随着岩体土体的形状而固定,可能是任意倾斜的角度。
进一步的,根据多种情况的安装的姿态,监测方法选取如下的自动判断方法选出三轴中的两个主要变化的角度来判断形变,以消除不确定度,
当|z|为max最大时,主要表征形变的P和R的两维角度,
当|y|为max最大时,主要表征形变的Y和P的两维角度,
当|x|为max最大时,主要表征形变的R和Y的两维角度,
安装完毕后,处理器按照(1)-(3)式,记录并存储设备的初始姿态 P0, R0, Y0,
安装后,微处理器周期性判断上述P(t), R(t),Y(t) 角度的变化,如每1min 计算一次,然后在三个角度中选取的2个主要形变的角度作为判断依据,
当 | P(t) – P0 | , | R(t) – R0 |, | Y(t) – Y0 | 的绝对值差大于判定阈值时,说明蠕变达到一定程度,监测装置通过无线通信模块向云平台报警。
进一步的,对于发生错断式坠落时,三轴加速度计内置的加速度平方根失重计算,会通过中断信号以最高优先级通知处理器,并触发报警灯及扬声器本地报警。
通过采用上述技术方案,本发明的有益效果为:
1、可在三维空间、多节点组网监测,应用在各种崩塌坠落等场景下监测物体倾斜形变安全,并及时预警预报。
2、通过内置的嵌入式算法可灵活对任意安装姿态进行判决,并自动选择最佳的稳定性判断算法。
3、对于突变的崩塌情况可以第一时间本地声光报警。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为监测计算方法的矢量图。
图3为地面不均匀沉降示意图。
图4为地面不均匀时监测装置的安装结构示意图。
图5为土墙鼓起、岩体倾倒时监测装置的安装结构示意图。
图6为对于旋转90度的垂直直立面的形变监测时监测设备安装结构示意图。
图7为岩土为倾倒式的结构示意图。
图8为岩土为鼓胀式的结构示意图。
图9为岩土为滑移式的结构示意图。
图10为岩土为错断式的结构示意图。
具体实施方式
参照图1至图10对本发明实施例做进一步说明。
发明中所述的倾角计基于高精度微机电(MEMS)传感器测量重力加速度在空间三轴的投影来测量物体的倾角变化。通过布置可级联、多节点倾角计,可以全面监测建筑体的各个方向的潜在形变,比如在山体滑坡、落石崩塌、地基沉降、地基塌陷等地质灾害监测领域,可多点级联安装在陡坡、危岩、挡土墙、边坡等监测隐患点周围,通过无线或者有线系统将多节点的传感数据传输到中央监控平台,实时预警预报隐患点状态。本发明的监测方法也可应用在危房、桥梁、大坝等建筑物,以及电塔、灯杆、古树、护栏等危险物的监测。
可级联多节点倾角计结构及组网方式:
如图1所示,倾角计1可以通过RS485总线级联多个节点组网,总线最终被无线采集器2轮询采集上传到云平台,每个倾角计1节点有不同的寄存器物理地址来区分;
四芯线的RS485接口定义如下:
电源VDD,地线 GND,信号正 RS485A,信号负 RS485B;
上述芯线焊接到倾角计电路板上,为了便于级联,一端为母头端子3,另一端为公头端子4,两个倾角计1节点之间可根据实际需要串联不同长度的RS485导线。
三维空间任意姿态监测的计算方法:
倾角计由三轴的MEMS 加速度计构成,三维空间任意姿态可以通过倾角计的三个角度来表征:R(Roll)表示水平面与加速度计x轴之间的夹角,也反映了设备沿y轴旋转的角度;P(Pitch)表示水平面与加速度计y轴之间的夹角,也反映了设备沿x轴旋转的角度; Y(Yaw)表示重力矢量与z轴之间的夹角,反映了重力因素产生的倾角。当位于x和y轴的0 g以及z轴的1g初始位置时,所有计算的角度均为0°;结合图2,关于P,R,Y 三维角度的计算方法如下:
在实际应用中,多点级联的倾角计可以根据实际形变监测的需求,按照不同的初始姿态来安装,有下面几类典型的场景:
①地面不均匀沉降监测
如图3,当地面支撑的持力层发生不均匀的沉降或者塌陷时,可将倾角计固定在水平的平面上,z轴竖直;如图4所示,为设备于该情况下固定安装的姿态;
②垂直直立面的形变监测
如挡土墙鼓起、岩体的倾倒等,可将倾角计固定在垂直的岩土面上,y轴竖直;如图5所示,为设备于该情况下固定安装的姿态;
③ 旋转90度的垂直直立面的形变监测
当多点级联时,固定在垂直的平面上倾角计也可能x轴竖直,如图6所示,为设备于该情况下固定安装的姿态;
④倾斜角度安装
倾角的初始安装姿态随着岩体土体的形状而固定,可能是任意倾斜的角度。
任意安装姿态的形变监测预警的算法
由上所述,倾角计在实际应用中,安装的姿态有多种情况,由于三维空间中有一维度的角度通过地球的重力加速度测量存在不确定模糊度,本发明的监测方法选取如下的自动判断方法选出三轴中的两个主要变化的角度来判断形变,以消除不确定度,
当|z|为max最大时,主要表征形变的P和R的两维角度,
当|y|为max最大时,主要表征形变的Y和P的两维角度,
当|x|为max最大时,主要表征形变的R和Y的两维角度,
其中P,R,Y的计算方法如上文(1)-(3)式所述,
安装完毕后,处理器按照(1)-(3)式,记录并存储设备的初始姿态 P0, R0, Y0;
安装后,系统周期性判断上述P(t), R(t),Y(t) 角度的变化,如每1min 计算一次,然后在三个角度中选取的2个主要形变的角度作为判断依据;
当 | P(t) – P0 | , | R(t) – R0 |, | Y(t) – Y0 | 的绝对值差大于判定阈值时,说明蠕变达到一定程度,监测装置通过无线通信模块向云平台报警。
下面就常见的几种岩土崩塌说明算法的应用情况:
倾倒式
如图7,垂直的岩层面在长期自重应力作用下, 向临空方向的弯曲倾倒破坏;
这种情况下符合垂直直立面的形变监测。此时,绕x轴旋转的P角度变化最明显,R,Y 角度变化和实际翻滚情况有关,按照该发明所述计算方法选取更明显变化的角度作为稳定性判决依据。
鼓胀式
如图8所示,下部软岩受垂直挤压, 引起鼓胀, 伴有下沉, 引起滑移、倾斜;
这种情况下比较符合旋转90度的垂直直立面的形变监测;此时, 绕y轴旋转的R角度变化最明显,P,Y 角度变化和实际翻滚情况有关,按照本发明所述的计算方法选取更明显变化的角度作为稳定性判决依据。
滑移式
如图9所示,斜坡前缘形成倾向临空面结构面, 在重力作用下产生滑移-崩塌,
这种情况下随着落石的倾斜、晃动,三轴角度都有一定程度的变化,可以根据本发明所述的计算方法选取最明显的两轴形变作为稳定性判据。
错断式
垂直裂隙发育, 通常无倾向临空面的结构面, 通过岩体的自重引起剪切力, 产生错断;
这种情况比较突然, 一般在数十秒塌落,除了上述的角度判断外,需要补充快速判断物体坠落状态的算法。三轴加速度在1s的平均读数为ax,ay,az。当发生坠落时,倾角计会发生失重,三轴加速度的平方和根A比静止稳定时小;
当A<c*9.8时,c 为可以调整的失重因子,一般选0.5-0.9,说明有坠落发生,触发报警。
被监测的建筑体,如岩体崩塌在破坏前一般需要经历两个阶段:一是缓慢分离阶段,二是加速破坏阶段。按照本发明所述的安全监测计算算法,当倾角计三轴角度与初始姿态角度有明显变化时,倾角计内置的微处理器会唤醒无线通信模块向云平台报告并驱动扬声器、报警灯警报器本地报警。
特别地,对于发生错断式坠落时,三轴加速度计内置的加速度平方根失重计算,会通过中断信号以最高优先级通知处理器,并触发报警灯及扬声器本地报警。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行通常的变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.级联多节点空间任意姿态倾角形变监测装置,其特征在于,包括无线采集器、倾角计及RS485连接线,倾角计通过RS485总线级联多个节点组网,总线被无线采集器轮询采集上传到云平台,每个倾角计节点有不同的寄存器物理地址来区分。
2.根据权利要求1所述的级联多节点空间任意姿态倾角形变监测装置,其特征在于,所述监测装置还包括与倾角计电性连接的扬声器和报警灯,倾角计包括微处理器、灯光驱动电路模块、扬声器驱动电路模块、三轴的MEMS加速度计、无线通信模块及电源模块,当倾角计三轴角度与初始姿态角度有明显变化时,微处理器会唤醒无线通信模块向云平台报告并驱动扬声器、报警灯本地报警。
3.根据权利要求1所述级联多节点空间任意姿态倾角形变监测装置的计算方法,其特征在于,倾角计由三轴的MEMS 加速度计构成,三维空间任意姿态可以通过倾角计的三个角度来表征:
R(Roll)表示水平面与加速度计x轴之间的夹角,也反映了设备沿y轴旋转的角度;
P(Pitch)表示水平面与加速度计y轴之间的夹角,也反映了设备沿x轴旋转的角度;
Y(Yaw)表示重力矢量与z轴之间的夹角,反映了重力因素产生的倾角;
当位于x和y轴的0 g以及z轴的1g初始位置时,所有计算的角度均为0°;
P,R,Y 三维角度的计算方法如下:
4.根据权利要求3所述级联多节点空间任意姿态倾角形变监测装置的计算方法,其特征在于,
对于地面不均匀沉降监测:当地面支撑的持力层发生不均匀的沉降或者塌陷时,可将倾角计固定在水平的平面上,z轴竖直;
对于垂直直立面的监测:挡土墙鼓起、岩体的倾倒,可将倾角计固定在垂直的岩土面上,y轴竖直;
对于旋转90°的垂直直立面的形变监测:当多点级联时,固定在垂直的平面上倾角计x轴竖直;
对于监测区域的不规则形态,倾角的初始安装姿态随着岩体土体的形状而固定,可能是任意倾斜的角度。
5.根据权利要求4所述级联多节点空间任意姿态倾角形变监测装置的计算方法,其特征在于,
根据多种情况的安装的姿态,监测方法选取如下的自动判断方法选出三轴中的两个主要变化的角度来判断形变,以消除不确定度,
当|z|为max最大时,主要表征形变的P和R的两维角度,
当|y|为max最大时,主要表征形变的Y和P的两维角度,
当|x|为max最大时,主要表征形变的R和Y的两维角度,
安装完毕后,处理器按照(1)-(3)式,记录并存储设备的初始姿态 P0, R0, Y0,
安装后,微处理器周期性判断上述P(t), R(t),Y(t) 角度的变化,如每1min 计算一次,然后在三个角度中选取的2个主要形变的角度作为判断依据,
当 | P(t) – P0 | , | R(t) – R0 |, | Y(t) – Y0 | 的绝对值差大于判定阈值时,说明蠕变达到一定程度,监测装置通过无线通信模块向云平台报警。
6.根据权利要求5所述级联多节点空间任意姿态倾角形变监测装置的计算方法,其特征在于,对于发生错断式坠落时,三轴加速度计内置的加速度平方根失重计算,会通过中断信号以最高优先级通知处理器,并触发报警灯及扬声器本地报警。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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