CN114739422A - 一种滚石运动过程数据监测设备及其使用方法 - Google Patents

一种滚石运动过程数据监测设备及其使用方法 Download PDF

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CN114739422A CN202210450024.1A CN202210450024A CN114739422A CN 114739422 A CN114739422 A CN 114739422A CN 202210450024 A CN202210450024 A CN 202210450024A CN 114739422 A CN114739422 A CN 114739422A
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梁风
丛俊宇
史文兵
卢彦丞
李佳蔚
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Abstract

本发明公开了一种滚石运动过程数据监测设备及其使用方法。本发明滚石运动过程数据监测设备包括外壳框架结构，外壳框架结构中设有电路板，电路板连接单片机，九轴姿态传感器、存储器、处理系统和电池；所述单片机连接GPS模块和无线传输模块；所述处理系统包括半工收发器和异步收发传输器。本发明能够安装在滚石上，通过所述三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、地磁传感器，能够记录滚石在高速运动时的运动参数，并转换为串口信号传输。通过计算机端数据解算程序，获取滚石特征参数，包括运动过程中的：加速度数据、角速度数据、位移数据、载体姿态数据，进而还原滚石运动轨迹获取滚石处于飞行、弹跳、翻滚、碰撞、滑移等运动状态时的运动特征参数。

Description

一种滚石运动过程数据监测设备及其使用方法
技术领域
本发明涉及山地滚石灾害防治领域，特别是一种滚石运动过程数据监测设备及其使用方法。
背景技术
滚石是一种在山区内极为常见的地质灾害。监测滚石实时运动数据，能够还原滚石的运动轨迹、获得其撞击强度、分析其运动特征，预测其最终滚动区域，为滚石灾害预警提供帮助。目前对于滚石运动数据的获取，是通过高速摄像机对滚石观测，或者运用数值模拟的方法获取所需数据。高速摄像机在拍摄过程中容易受到环境的影响，不能准确的反映每一时刻滚石运动的变化，而数值模拟的方法计算参数获取困难，又往往难以考虑到覆盖层变化及植被对滚石的影响。因此，将运动监测装置直接安装在滚石之中进行实时监测，能够快速获取滚石运动轨迹及滚石处于飞行、弹跳、翻滚、碰撞、滑移等运动状态时运动特征参数。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种滚石运动过程数据监测设备及其使用方法。其具有能够记录滚石运动全程数据，并还原滚石运动轨迹，提供飞行、弹跳、翻滚、碰撞、滑移等运动状态时的运动特征参数，本发明具有使用便捷，数据采集不受地形限制等优点。
本发明的技术方案：一种滚石运动过程数据监测设备及其使用方法，包括外壳框架结构，外壳框架结构中设有电路板，电路板连接单片机，九轴姿态传感器、存储器、处理系统和电池；所述单片机连接GPS模块和无线传输模块；所述处理系统包括半工收发器和异步收发传输器。
前述的滚石运动过程数据监测设备中，所述九轴姿态传感器包括连接电路板的三轴加速度传感器、三轴陀螺仪和地磁传感器。
前述的滚石运动过程数据监测设备中，所述外壳框架结构包括不锈钢保护外壳和不锈钢框架，不锈钢框架将不锈钢保护外壳内部分为上、中、下三层；所述上层设置GPS模块和无线传输模块；所述中层设置电路板，电路板包括支持数据传输和电源供给的电学互连电路，电路板上布置有三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、地磁传感器、存储器、单片机、处理系统；所述下层设有可拆卸更换式电池、电源开关和工作指示灯。
前述的滚石运动过程数据监测设备中，所述电路板上还布置有供电插头、LED指示灯和USB接口。
前述的滚石运动过程数据监测设备中，所述不锈钢保护外壳顶部设有无线信号传输口。
前述的滚石运动过程数据监测设备中，所述存储器旁不锈钢保护外壳上设有存储器开口。
一种滚石运动过程数据监测设备的使用方法，包括对滚石试样并打孔，在孔中安装滚石运动过程数据监测设备，进行滚石运动,滚石运动结束后通过回收的滚石运动过程数据监测设备或云端获取滚石运动数据，滚石运动数据通过计算机处理，生成滚石运动轨迹。
前述的滚石运动过程数据监测设备的使用方法中，所述滚石运动开始时，滚石运动过程数据监测设备也由待机转为工作，以滚石开始滚动位置作为起始位置作为地理坐标系原点，建立地理坐标系；滚石运动开始后，从释放点沿山坡向下运动，单片机记录滚石开始时间，并根据九轴姿态传感器采样频率记录每个时间点[t0—tn]的数据，其中三轴加速度传感器采集每个记录时间点内载体坐标系下的三轴相对加速度分量[abx，aby，abz]T，三轴陀螺仪采集每个记录时间点内载体坐标系下的三轴相对角速度分量[ωbx，ωby，ωbz]T；将载体坐标系下的三轴相对加速度分量和三轴相对角速度分量通过转换矩阵转换为地理坐标系下的三轴相对加速度分量和三轴相对角速度分量；所述转换矩阵为：
Figure BDA0003616882900000031
其中α、β、θ为载体姿态变化欧拉角分量，计算时，地理坐标系坐标X轴指东，Y轴指北，Z与地面垂直指天；α、β、θ计算公式为：
Figure BDA0003616882900000032
Figure BDA0003616882900000033
Figure BDA0003616882900000034
转换结果为：
Figure BDA0003616882900000035
和
Figure BDA0003616882900000036
通过卡尔曼滤波消除数据误差后，通过计算机对地理坐标系下的绝对加速度和绝对角速度进行积分，并根据地磁传感器每个时间点采集的磁场信息对运动方向进行矫正，即得滚石各时间点在地理坐标系中的运动速度、位移和姿态变化，将滚石在每个时间点的坐标连线后，即得滚石运动轨迹。
有益效果
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明能够安装在滚石上，通过所述三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、地磁传感器，能够记录滚石在高速运动时的运动参数，并转换为串口信号传输。通过计算机端数据解算程序，获取滚石特征参数，包括运动过程中的：加速度数据、角速度数据、位移数据、载体姿态数据，进而还原滚石运动轨迹获取滚石处于飞行、弹跳、翻滚、碰撞、滑移等运动状态时的运动特征参数。
2、本发明在滚石运动时间段内记录的数据，可以通过所述无线传输模块将记录数据通过5G网络上传至网络云端，可防止在复杂地形条件下使用设备无法回收导致数据丢失。
3、本发明滚石运动在碰撞过程中将承受较大冲击能量，滚石运动过程数据监测设备采用高强度不锈钢保护结构，在承受较大冲击力时，能够保护内部传感器不受破坏，并尽量保证传感器位置固定，不受冲击偏移而产生误差。
4、本发明用于监测滚石运动时，设备使用便捷，适用于各种地形条件，数据传输可通过远程传输至云端保存下载，也可通过设备回收后通过内存卡导入计算机，本发明可以通过计算机数值处理软件，快速输出滚石运动特征参数还原滚石运动轨迹。
5、本发明中的计算方式相较于传统滚石运动数据及运动轨迹计算方式，是通过对本发明传感器采集数据进行处理，能还原出滚石运动过程真实数据，通过该方法解算出来的数据为滚石运动过程真实参数，并且能够实时反映滚石运动状态。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例中滚石运动过程数据监测设备结构示意图；
图2为本发明实施例中保护结构内部电路板示意图；
图3为本发明实施例中的滚动试验示意图；
图4为本发明实施例中的运动轨迹示意图；
图5为本发明实施例中的实测滚石原始数据示意图；
图6为本发明实施例中的实测滚石速度示意图；
图7为本发明实施例中的实测运动轨迹示意图；
图8为实验例中滚石试样设置示意图(a为滚石试样；b为滚石试样开槽；c为放入滚石运动过程数据监测设备并用填缝剂填充凹槽；d为将泡沫填缝剂抹平并用油漆刷红)。
附图中的标记为：1、外壳框架结构；2、无线信号传输口；3、GPS模块；4、三轴加速度计；5、三轴陀螺仪；6、存储器；7、存储器开口；8、工作指示灯；9、电源开关；10、可更换电池；11、电路板；12、单片机；13、无线传输模块；14、双半工收发器；15、异步收发传输器；16、USB接口；17、处理系统；18、LED指示灯；19、地磁传感器；20、供电插头；21、危岩体山体；22、滚石起始方位；23、滚石运动轨迹；24、滚石停积位置；25、监测滚石；26、滚石运动过程数据监测设备；27、山体坡面形态；28、滚石运动姿态。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
实施例。一种滚石运动过程数据监测设备，如图1-2所示，包括外壳框架结构1，外壳框架结构1中设有电路板11，电路板11连接单片机12，九轴姿态传感器、存储器6、处理系统17和电池10；所述单片机12连接GPS模块3和无线传输模块13；所述处理系统17包括半工收发器14和异步收发传输器15。
所述九轴姿态传感器包括连接电路板11的三轴加速度传感器4、三轴陀螺仪5和地磁传感器19。
所述三轴加速度传感器4用于采集滚石在运动过程中载体坐标系下X、Y、Z轴三个方向的加速度信息，并能够承受运动过程中的高速冲击，运动加速度采集量程可达0～±400g,采样频率100～1000Hz。三轴加速度传感器4优选型号ST H3LIS331DL。
所述三轴陀螺仪5用于记录滚石转动时角度变化情况，能够记录滚石高速转动过程角速度，滚石角速度采集量程达00～±4000°/s，采样频率1000～1000Hz。三轴陀螺仪5优选型号InvenSense ITG-3701。
所述地磁传感器19用于记录滚石在运动过程中磁场变化情况。
所述处理系统17用于将采集数据转换为串口信号。
所述GPS模块3能够接收卫星信号，定位滚石所处位置，用于记录滚石运动时地理坐标信息。
所述无线传输模块13用于将运动信息和GPS信息上传。
所述存储器6用于将所有采集数据保存在存储卡中。
所述单片机12为控制单元，用于控制滚石运动过程数据监测设备内部三轴加速度传感器4、三轴陀螺仪5、地磁传感器19、处理系17、GPS模块3、无线传输模块13等。单片机12优选型号STM32 F407VET6。
所述半工收发器14用于接收九轴姿态角度传感器获取的相对加速度分量、相对角度、相对磁场及相对时间点数据，并将数据传输至所述异步收发传输器。
所述异步收发传输器15接收所述半工收发器14的传输数据，转换串行输出信号后通过内置无线传输模块13传输进行传输。
所述外壳框架结构1包括不锈钢保护外壳和不锈钢框架，不锈钢框架将不锈钢保护外壳内部分为上、中、下三层；所述上层设置GPS模块3和无线传输模块13；所述中层设置电路板11，电路板11包括支持数据传输和电源供给的电学互连电路，电路板11上布置有三轴加速度传感器4、三轴陀螺仪5、地磁传感器19、存储器6、单片机12、处理系统17；所述下层设有可拆卸更换式电池10、电源开关9和工作指示灯8。
可拆卸更换式电池10为设备提供工作所需电源。
所述外壳框架结构1由高强度不锈钢制成，可承受滚石运动时高速碰撞。
所述电路板11上还布置有供电插头20、LED指示灯18和USB接口16。
所述不锈钢保护外壳顶部设有无线信号传输口2。无线信号传输口2用于传输GPS信号及无线信号。
所述存储器6安装于电路板11边缘；所述存储器6旁不锈钢保护外壳上设有存储器开口7。
所述电源开关9开启后，观察工作指示灯8亮起后即可正常使用。
所述供电插头20可外接电线为可更换电池10供电，保证所述电路板11正常工作，供电后，所述LED指示灯亮起，表示电路板开始正常工作。
在上述方案基础上，所述单片机12应用于控制半工收发器14接收九轴姿态角度传感器获得的相对加速度分量、相对角度、相对磁场及相对时间点数据，控制半工收发器14传输数据至异步收发传输器15，控制异步收发传输器15转换串口信号传输至存储器16及无线传输模块13，并向接收端传输。
记录数据可由所述存储器16保存至存储卡中通过上位机解算，或通过所述无线传输模块传输至云端存储；
本设备通过常规电路设计，各模块可通过电池10独立工作，采集滚石运动数据并通过无线传输模块13使用5G网络上传数据至云端，在无通讯信号的情况下，滚石运动数据也可通过存储器16保存数据至存储卡内，在运动结束后，回收滚石将数据通过计算机上位机解算，实现滚石运动特征参数提取和运动轨迹还原。
所述滚石运动过程数据监测设备的使用方法：
选择合适的危岩体或自制滚石试样，进行打孔并安装滚石运动过程数据监测设备，在云端采集到数据后，即表示设备正常运行，运动结束后回收设备，并从所述存储卡中取得滚石运动数据，对于无法回收的滚石能够通过云端保存有效数据。
滚石开始运动时，所述滚石运动过程数据监测设备由待机转为正常工作，以滚石开始滚动位置作为起始位置作为地理坐标系原点，建立地理坐标系。滚石开始运动后，GPS模块会记录开始位置，并通过单片机记录开始时间，滚石从释放点沿山坡向下运动，内部计时器将记录滚石开始运动时间，并根据所述九轴姿态传感器采样频率记录每个时间点[t0—tn]的数据；三轴加速度传感器，用于采集每个记录时间点内载体坐标系下的三轴相对加速度分量[abx，aby，abz]T；三轴陀螺仪，用于采集每个记录时间点内载体坐标系下的三轴相对角速度分量[ωbx，ωby，ωbz]T；地磁传感器，用于采集每个记录时间点内磁场变化情况，对滚石运动方向进行校正；
对采集到的角速度进行积分
Figure BDA0003616882900000091
Figure BDA0003616882900000092
Figure BDA0003616882900000093
通过对每个时间内载体坐标系下的角速度进行一次积分解算，得到滚石在载体坐标系下运动姿态角度变化分量。
在进行计算前，需要将所述九轴传感器采集的载体坐标系下的相对数据通过转换矩阵转换为地理坐标系下的绝对数据，转换矩阵表达为：
所述转换矩阵为：
Figure BDA0003616882900000101
其中α、β、θ为载体姿态变化欧拉角分量，计算时，地理坐标系坐标X轴指东，Y轴指北，Z与地面垂直指天；α、β、θ计算公式为：
Figure BDA0003616882900000102
Figure BDA0003616882900000103
Figure BDA0003616882900000104
转换结果为：
Figure BDA0003616882900000105
和
Figure BDA0003616882900000106
通过计算机对地理坐标系下的绝对加速度分别进行一次和二次积分，得到滚石每一时刻在地理坐标系中的运动速度和位移，结合地磁传感器校正后的角度数据，在卡尔曼滤波后消除数据误差，最终表现出滚石在运动过程中每一时刻运动速度、运动姿态，在三维空间坐标中，根据每个时间点记录位置坐标，将坐标连线后即可得到滚石在三维空间中的运动轨迹，根据解算结果，判断滚石飞行、弹跳、翻滚、碰撞、滑移等运动状态及最终运动距离。
积分方式如：根据积分原理，对三轴绝对加速度进行积分：
Figure BDA0003616882900000111
Figure BDA0003616882900000112
通过计算机数值计算软件处理，将每一时间点内运动速度和运动姿态与解算三维空间运动轨迹对应，反映明确滚石处于飞行、弹跳、翻滚、碰撞、滑移等运动状态时运动特征参数。
通过上述图1-2的装置和方实施步骤是：
步骤1，在陡立斜坡21选取滚石安装设备，通过外部测量方式确定滚石起始方位22，滚石在山体上滚动后，留下运动轨迹23并最终在停积位置24处停止运动。
步骤2在所述滚石运动过程数据监测设备正常工作时间点内，三轴加速度传感器会记录滚石运动加速度数据，三轴陀螺仪会记录滚石角速度数据，地磁传感器探测滚石运动时磁场变化情况，GPS模块记录在运动时滚石地理坐标信息。采集数据通过所述处理系统转换后由所述单片机控制保存至存储器或通过无线传输模块传输至运动，并通过内存卡或云端下载的方式，将所述滚石运动过程数据监测设备采集到的数据保存至计算机。
步骤3为还原所述滚石运动轨迹23，需建立转换坐标系，将所述滚石运动监测设备记录载体坐标系下的相对数据转换为地理坐标系下的绝对数据。
步骤4通过所述转换矩阵转换的地理坐标系下的绝对运动数据进行滤波、每一时间点积分的方式，可以在数值处理软件中重构滚石运动轨迹。
如图5所示，为本实施例中滚石运动过程数据监测设备采集获取的原始数据，包括三轴加速度变化曲线和三轴角速度变化曲线。在滚石静置时间段内，所述滚石运动过程数据监测设备采集三轴合加速度保持在1g左右，为当地重力加速度，三轴角速度均为0deg/s；随后时间段内，三轴加速度变化曲线和三轴角速度变化曲线不断变化，表明此时滚石开始运动。
如图6所示，为本实施例解算得到的滚石运动速度变化曲线。对所述滚石运动过程数据监测设备采集到的原始数据滤波并通过所述数据处理方法，将三轴加速度进行解算后，即可得到滚石在任意时间点运动速度。运动速度变化曲线表示了运动开始至运动结束的过程中，滚石运动速度变化情况。
如图7所示，为本实施例中解算的到的滚石运动轨迹。通过对所述滚石运动过程数据监测设备采集的三轴加速度进行二次积分，三轴角速度积分，并将数据进行融合解算，即可获取滚石在任意时间点内运动位移及运动方向。所述运动轨迹在进行释放后，与坡面发生碰撞，以碰撞弹跳的方式29在坡面进行运动，后续由于地形变化，在运动至斜坡陡崖处，滚石以飞跃的形式30跃出陡崖并进行自由落体运动，最终在停积位置31处停止运动。所述运动轨迹可能够反映滚石运动过程中包括飞行、弹跳、翻滚、碰撞、滑移等运动特征，达到滚石运动数据获取及灾害防治的目的。
如图8所示，为本实施例中设备安装至滚石内部方法。
实验例。
1、九轴传感器改良
对我国市面上已有九轴传感器进行调研(表1)，并用于滚石运动监测。监测过程中发现，碰撞时瞬时加速度极大，但市场上可购买的产品采样率和量程普遍偏低，无法同时满足长远距离运动数据采集，在复杂的现场条件下可能会存在数据无法回收的情况，因此需要重新开发一款适用于滚石运动数据监测的设备。
表1
Figure BDA0003616882900000131
滚石运动过程数据监测设备开发时主要克服传感器量程和采样频率的限制，为满足监测滚石运动的要求，所用传感器需能够承受高冲击，同时满足采样频率高，量程广的要求。
基于上述要求，滚石运动监测设备主要元器件的选型包括三轴加速度计和三轴陀螺仪：加速度计选择型号ST H3LIS331DL技术指标：采样量程0—±400g，最大采样频率1kHz。陀螺仪型号InvenSense ITG-3701技术指标：采样量程0—±4000°/s,最大采样频率32kHz。单片机型号：STM32F407VET6。
2、实验设备
为了能够获取滚石运动全程轨迹，并测量每一时刻滚石运动加速度、速度、角速度、运动姿态等相关参数，本次试验中采用惯性导航设备作为内部监测系统。
通过内置的陀螺仪、加速度传感器和磁力计，获取物体的运动状态，包括运动的方向、速度、距离。本次使用的惯性导航装置为自主研制，适用于监测滚石运动的设备，如图所示。设备由大量程，高频率的加速度计、陀螺仪、磁力计组成，内置微处理器，能够将获取的试验滚石在斜坡运动过程中运动时间、加速度、角速度、磁场变化量等参数并存储至SD卡保存。
1)加速度计量程为0～±400g，能够记录运动全程的加速度及野外滚石试验中高速运动的滚石与坡面、基岩、堆积物等碰撞时的瞬时加速度；
2)陀螺仪量程为0～±4000deg/s，能够记录运动全程滚石绕各轴旋转速度；
3)磁力计能够记录滚石在运动过程中磁场实时变化情况，在后续数据解算时对陀螺仪产生的累计误差进行校正；
4)处理器能够将采集数据实时保存至SD卡中，最大存储频率可达1000Hz，所采集数据以常用格式进行保存；
5)供电电源为外接锂离子电池，设备在启动状态下工作时间可达10小时。
在本次试验中，滚石运动过程较短且与坡面碰撞时运动速度较低，因此设置设备采频率为200Hz。
3、试验流程
1)布设外部监测系统
选定坡面后，在合适位置架设高速摄影机，改变焦距获取最佳拍摄画面，利用三脚架调节镜头姿态，使得相机成像基本与坡面方向平行，通过数据传输线连接电脑，进行功能调试。并通过无人机航测获取各场地高精度点云数据模型。
2)试验加工及惯性导航设备安装
对选取的试块拍照，测量滚石试样的详细尺寸并对几何特征，破损情况进行描述，称量质量后对每块试样进行编号，选取不同形状的灰岩岩块进行加工处理，通过对岩块开槽，在选区的灰岩试样上切割出一个长13cm，宽8cm的长方形凹槽，惯性导航设备通电后，将惯性导航设备以z轴朝上固定于凹槽内部，之后利用聚氨酯泡沫填缝剂填充凹槽与惯性导航设备之间的缝隙，并起到保护惯性导航设备的作用。在上述加工过程结束后，将泡沫填缝剂抹平。用红色油漆将所有试样试样刷红，保证在滚石颜色与坡面颜色相异，以便在后期图像分析时准确识别滚石试样。
3)将试验用滚石试块通过人工的方式搬运至斜坡坡顶，以平稳状态保持一段时间的静置，并记录静置时摆放方式，以保证后期处理惯性导航传感器采集数据时对惯性导航传感器的初校准。
4)外部监测系统采集数据
无人机起飞至能够完全拍摄斜坡场地的高度，与坡面垂直的角度进行俯拍，将准备好的滚石试样根据试验方案以一定高度依次释放，根据滚石运动使用高速摄影机进行拍摄并记录数据。在试验开始前进行预实验，保证高速摄影系统拍摄效果。
4)实验数据分析
获取的滚石运动原始数据，数据变化曲线为板状滚石在1号斜坡全程加速度及角速度变化曲线，通过原始数据，可以对滚石在1号斜坡上的运动过程进行初步解析。在试验开始前，板状试样在初始高度下呈静止状态，加速度和角速度均保持在0附近，在1.1s时，试验开始，滚石试样被释放并进行自由落体运动，与坡面碰撞后产生一定高度的弹跳，在该阶段，可以明显的观察到加速度和角速度的突变现象，随后在2.3s时，滚石试样与坡面基岩碰撞飞跃，表现为加速度增加。在飞跃至与地面碰撞的过程中，角速度明显加快，地面接触后，旋转方向由沿z轴方向的滚动变为随y轴方向的翻转运动，随后滚石在1号斜坡以小距离跳动和滚动的方式开展运动。在6.3s，加速度呈缓慢增加趋势，滚石在这一时刻冲出陡崖，由于在运动至陡崖上端时与坡面发生碰撞，导致滚石在冲出陡崖时保持着较低的角速度，从下坠时间段内加速度和角速度波动可以看出，滚石试样是沿陡崖坠落，且坠落过程中与坡面发生碰撞。下坠过程持续1.6s，滚石试样在坠落过程中与陡崖基岩发生碰撞并弹跳，碰撞瞬时加速度达90g，在短暂的弹跳后，与下部松散堆积物发生第二次碰撞，瞬时加速度为60g，随后沿坡面滚动，直至最终停止。
涉及到电路和电子元器件和模块均为现有技术，本领域技术人员完全可以实现，无需赘言，本申请保护的内容也不涉及对于软件和方法的改进。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种滚石运动过程数据监测设备，其特征在于：包括外壳框架结构(1)，外壳框架结构(1)中设有电路板(11)，电路板(11)连接单片机(12)，九轴姿态传感器、存储器(6)、处理系统(17)和电池(10)；所述单片机(12)连接GPS模块(3)和无线传输模块(13)；所述处理系统(17)包括半工收发器(14)和异步收发传输器(15)。
2.根据权利要求1所述的滚石运动过程数据监测设备，其特征在于：所述九轴姿态传感器包括连接电路板(11)的三轴加速度传感器(4)、三轴陀螺仪(5)和地磁传感器(19)。
3.根据权利要求2所述的滚石运动过程数据监测设备，其特征在于：所述外壳框架结构(1)包括不锈钢保护外壳和不锈钢框架，不锈钢框架将不锈钢保护外壳内部分为上、中、下三层；所述上层设置GPS模块(3)和无线传输模块(13)；所述中层设置电路板(11)，电路板(11)包括支持数据传输和电源供给的电学互连电路，电路板(11)上布置有三轴加速度传感器(4)、三轴陀螺仪(5)、地磁传感器(19)、存储器(6)、单片机(12)、处理系统(17)；所述下层设有可拆卸更换式电池(10)、电源开关(9)和工作指示灯(8)。
4.根据权利要求3所述的滚石运动过程数据监测设备，其特征在于：所述电路板(11)上还布置有供电插头(20)、LED指示灯(18)和USB接口(16)。
5.根据权利要求3所述的滚石运动过程数据监测设备，其特征在于：所述不锈钢保护外壳顶部设有无线信号传输口(2)。
6.根据权利要求6所述的滚石运动过程数据监测设备，其特征在于：所述存储器(6)旁不锈钢保护外壳上设有存储器开口(7)。
7.一种如权利要求2-6任一项所述的滚石运动过程数据监测设备的使用方法，其特征在于：包括对滚石试样并打孔，在孔中安装滚石运动过程数据监测设备，进行滚石运动,滚石运动结束后通过回收的滚石运动过程数据监测设备或云端获取滚石运动数据，滚石运动数据通过计算机处理，生成滚石运动轨迹。
8.根据权利要求7所述的滚石运动过程数据监测设备的使用方法，其特征在于：所述滚石运动开始时，滚石运动过程数据监测设备也由待机转为工作，以滚石开始滚动位置作为起始位置作为地理坐标系原点，建立地理坐标系；滚石运动开始后，从释放点沿山坡向下运动，单片机(12)记录滚石开始时间，并根据九轴姿态传感器采样频率记录每个时间点[t0—tn]的数据，其中三轴加速度传感器(4)采集每个记录时间点内载体坐标系下的三轴相对加速度分量[abx，aby，abz]T，三轴陀螺仪(5)采集每个记录时间点内载体坐标系下的三轴相对角速度分量[ωbx，ωby，ωbz]T；将载体坐标系下的三轴相对加速度分量和三轴相对角速度分量通过转换矩阵转换为地理坐标系下的三轴相对加速度分量和三轴相对角速度分量；所述转换矩阵为：
Figure FDA0003616882890000021
其中α、β、θ为载体姿态变化欧拉角分量，计算时，地理坐标系坐标X轴指东，Y轴指北，Z与地面垂直指天；α、β、θ计算公式为：
Figure FDA0003616882890000031
Figure FDA0003616882890000032
Figure FDA0003616882890000033
转换结果为：
Figure FDA0003616882890000034
和
Figure FDA0003616882890000035
通过卡尔曼滤波消除数据误差后，通过计算机对地理坐标系下的绝对加速度和绝对角速度进行积分，并根据地磁传感器(19)每个时间点采集的磁场信息对运动方向进行矫正，即得滚石各时间点在地理坐标系中的运动速度、位移和姿态变化，将滚石在每个时间点的坐标连线后，即得滚石运动轨迹。
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CN115146541A (zh) * 2022-07-25 2022-10-04 三峡大学 一种滚石监测方法与装置

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