CN114964241B - 一种带有运动轨迹与姿态监测的人造危岩体及其构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带有运动轨迹与姿态监测的人造危岩体及其构建方法，人造岩块通过预制结构面及胶合物组成人造危岩体；人造岩块的质心处安装有数据标签，数据标签与外部基站共同构成轨迹姿态定位模组；人造岩块通过预制槽孔容纳数据标签，预制槽孔由人造顶盖进行封装；人造岩块、预制槽孔和人造顶盖之间采用逆向工程技术进行模型间的布尔运算。本发明采用上述人造危岩体，可用于研究崩塌落石的块体形状、质量大小、坡角、坡形、坡面覆盖层条件等因素对运动特性的影响，分析监测数据可得出危岩体运动轨迹、运动速度、运动加速度等运动特性指标，具备条件真实可靠、针对性强、数据可信度高的特点。

Description

一种带有运动轨迹与姿态监测的人造危岩体及其构建方法
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种带有运动轨迹与姿态监测的人造危岩体及其构建方法。
背景技术
随着我国国民经济建设的快速持续发展，高速、高铁等基础设施不断向西南山区推进。在西南特殊区域环境条件下，线路沿线的陡峭山体往往存在大量的危岩落石。当列车通过时，不良地质体受列车震动及速度影响，产生较大幅度的扰动，进而使危岩落石发生失稳崩塌。落石是危岩体在不同运动形式间不停转换及结合的一个复杂过程，其运动速度快，运动形式复杂，冲击能量大，给影响区内的基础设施带来巨大破坏，危及影响区域内人民的生命财产安全。
在实际勘察过程中，研究危岩运动这一动态过程具有一定的危险性，也没有具体的勘察设备进行观察和记录，给研究带来极大不便。在这方面，现场原位试验和室内模型试验是研究危岩体运动的重要手段。危岩落石运动特性主要包括落石的水平运动特征和横向偏移特征，运动特性指标主要包括水平运动距离、横向偏移距离、弹跳高度、动能、碰撞恢复系数、冲击力等。随着现代监测技术和定位技术的发展，动作捕捉技术、UWB超宽带无线载波通信技术、超声波定位技术、红外定位技术、惯性导航技术、WiFi定位技术等日益成熟，给危岩落石上述运动过程轨迹和姿态的监测带来了可能。
发明内容
基于上述背景，本申请公开了如下技术方案：
一种带有运动轨迹与姿态监测的人造危岩体，包括若干块人造岩块，人造岩块通过预制结构面及胶合物组成人造危岩体；人造岩块的质心处安装有数据标签，数据标签与外部基站共同构成轨迹姿态定位模组；
人造岩块通过预制槽孔容纳数据标签，预制槽孔由人造顶盖进行封装；人造岩块、预制槽孔和人造顶盖之间采用逆向工程技术进行模型间的布尔运算。
优选的，基站通过UWB超宽带无线载波通信技术为数据标签提供测距服务；数据标签通过IMU惯性导航技术计算岩块姿态，并通过标准串口外接433或4g无线传输进行通信。
相应的，本发明还提出了关于上述人造危岩体的构建方法，包括：
S1，在无人机近景摄影测量技术框架内进行贴壁摄影测量航线规划，开展危岩体的影像采集工作，在内业开展基于影像的三维重建工作；采用逆向工程技术进行岩块表面模型的降噪和封装，得到危岩体模型；
S2，在危岩体模型上对露头结构面的产状进行测量，获取结构面的倾向倾角和位置信息；然后利用结构面的产状信息对危岩体模型进行切割，从而得到带有结构面信息的岩块模型；
S3，采用逆向工程技术进行岩块模型与预制槽孔模型间的布尔运算，在岩块模型质心处预留长方体尺寸的空间，以容纳轨迹姿态定位模组；以同样方法制作封闭预制槽孔所用的顶盖模型，以实现预制槽孔的灵活开闭；
S4，通过3D打印技术制备岩块模型和顶盖模型的表面模型，并通过栅格网对表面模型内部进行支撑；
S5，通过表面模型制备岩块模型及顶盖模型的硅胶模具；
S6，通过硅胶模具制备人造岩块及人造顶盖；
S7，在人造岩块的预制槽孔中安装轨迹姿态定位模组，并通过人造顶盖封闭；
S8，在人造岩块的预制结构面上涂抹胶合物，将人造岩块组合成人造危岩体。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、人造危岩体采用摄影测量技术、逆向工程技术、3D打印技术和硅胶倒模等技术构建，具有复杂的几何形貌特征，贴近工程实际，可用于研究崩塌落石的块体形状、质量大小、坡角、坡形、坡面覆盖层条件等因素对运动特性的影响，分析监测数据可得出危岩体运动轨迹、运动速度、运动加速度等运动特性指标，条件真实可靠、针对性强、数据可信度高。
2、轨迹姿态定位模组不仅可以监测室内危岩体运动全过程的轨迹和姿态数据，通过升级设备发射功率，还可在野外进行大规模危岩体崩解运动过程、滑坡过程、泥石流过程的轨迹与姿态数据监测，应用场景广泛。而且，相对于以往的六自由度惯性导航传感器，轨迹监测和姿态监测精度更高，更具工程应用价值。
附图说明
图1是本发明实施例中人造危岩体的六视图；
图2是本发明实施例中轨迹姿态定位模组的三视图；
图3是本发明实施例中轨迹姿态定位装置的安装三视图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例一
如图所示，由七块人造岩块1通过预制结构面2及胶合物组成人造危岩体。每块人造岩块1的质心处均设置有预制槽孔3，预制槽孔3内固定数据标签4并通过人造顶盖5进行封闭。人造岩块1、预制槽孔3和人造顶盖5间采用逆向工程技术进行模型间的布尔运算，以实现模型精确对接。
数据标签4与外部三个基站共同构成轨迹姿态定位模组。基站通过UWB超宽带无线载波通信技术为数据标签4提供测距服务，通过求解三元二次非线性方程组方程以得到岩块的三维坐标。UWB精度达到国际标准，电磁波测距误差控制在10cm左右。数据标签4通过IMU惯性导航技术计算岩块姿态，并通过标准串口外接433或4g无线传输进行通信。IMU惯性导航为十轴传感器，精度取决是否启用磁力计，磁力计可测量地球磁场，不启用磁力计只能输出横滚角与俯仰角，同点多次测量，精度可达0.1度。
在本实施例中，数据标签4与基站均可通过手机充电器、充电宝或5v电池进行供电。在进行野外大规模危岩体崩解运动过程、滑坡过程、泥石流过程的轨迹与姿态数据监测时，可升级设备发射功率，硬件仍封装在危岩体内部，通过馈线在危岩体表面引出天线以增强信号，从而减小设备封装的尺寸。
实施例二
本实施例公开了带有运动轨迹与姿态监测的人造危岩体的构建方法，包括：
S1，在无人机近景摄影测量技术框架内进行贴壁摄影测量航线规划，开展野外危岩体的影像采集工作，在内业开展基于影像的三维重建工作；采用逆向工程技术进行岩块表面模型的降噪和封装，得到危岩体模型，还原接近工程实际的几何形貌特征。；
S2，在危岩体模型上对危岩体露头结构面的产状进行测量，获取结构面的倾向倾角和位置信息，并利用结构面产状信息对危岩体模型进行切割，还原接近工程实际的裂隙网络结构特征，从而得到带有结构面信息的岩块模型(图1)；
S3，采用逆向工程技术进行岩块模型与槽孔模型间的布尔运算，在岩块模型质心处预留长方体尺寸的空间(图2)，以容纳轨迹姿态定位模组，并以同样的方法制作封闭预制槽孔3所用的顶盖模型，以实现预制槽孔3的灵活开闭；
S4，基于岩块模型和顶盖模型，通过3D打印技术制备一定厚度的表面模型，并通过栅格网对模型内部进行支撑，避免打印过程中悬空表面的塌陷，七个岩块的体积如下(1#体积:272495mm3、2#体积:998745mm3、3#体积:2823509mm3、4#体积:9598651mm3、5#体积:732963mm3、6#体积:4313058mm3、7#体积:1487139mm3)；
S5，将打印好的岩块表面模型分别置于长方体的木质模型箱中，并注入硅胶，直至完全淹没岩块，待硅胶凝固后拆模，形成岩块的硅胶模具，并以同样的方法制备7个顶盖的硅胶模具；
S6，向各个制备好的硅胶模具中注入诸如石膏、环氧树脂、类岩石材料浆液等人造材料，待形成强度后脱模，完成硅胶倒模的过程，得到7个人造岩块1、7个人造顶盖5；
S7，在各个人造岩块1的预制槽孔3中安装轨迹姿态定位模组(图3)，并通过人造顶盖5封闭，尽可能的避免人造顶盖5表面与人造岩块1接缝处不平整；
S8，在各个人造岩块1的预制结构面2上涂抹胶合物，将人造岩块1组合成人造危岩体；
以上是本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不应局限于此。任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此本发明的保护范围应以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种带有运动轨迹与姿态监测的人造危岩体，其特征在于，包括若干块人造岩块，人造岩块通过预制结构面及胶合物组成人造危岩体；人造岩块的质心处安装有数据标签，数据标签与外部基站共同构成轨迹姿态定位模组；
人造岩块通过预制槽孔容纳数据标签，预制槽孔由人造顶盖进行封装；人造岩块、预制槽孔和人造顶盖之间采用逆向工程技术进行模型间的布尔运算。
2.根据权利要求1所述的人造危岩体，其特征在于，基站通过UWB超宽带无线载波通信技术为数据标签提供测距服务；数据标签通过IMU惯性导航技术计算岩块姿态，并通过标准串口外接433或4g无线传输进行通信。
3.根据权利要求1所述的人造危岩体的构建方法，其特征在于，包括：
S1，在无人机近景摄影测量技术框架内进行贴壁摄影测量航线规划，开展危岩体的影像采集工作，在内业开展基于影像的三维重建工作；采用逆向工程技术进行岩块表面模型的降噪和封装，得到危岩体模型；
S2，在危岩体模型上对露头结构面的产状进行测量，获取结构面的倾向倾角和位置信息；然后利用结构面的产状信息对危岩体模型进行切割，从而得到带有结构面信息的岩块模型；
S3，采用逆向工程技术进行岩块模型与预制槽孔模型间的布尔运算，在岩块模型质心处预留长方体尺寸的空间，以容纳轨迹姿态定位模组；以同样方法制作封闭预制槽孔所用的顶盖模型，以实现预制槽孔的灵活开闭；
S4，通过3D打印技术制备岩块模型和顶盖模型的表面模型，并通过栅格网对表面模型内部进行支撑；
S5，通过表面模型制备岩块模型及顶盖模型的硅胶模具；
S6，通过硅胶模具制备人造岩块及人造顶盖；
S7，在人造岩块的预制槽孔中安装轨迹姿态定位模组，并通过人造顶盖封闭；
S8，在人造岩块的预制结构面上涂抹胶合物，将人造岩块组合成人造危岩体。
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