CN115218860A - 一种基于Mems加速度传感器的道路形变预测方法 - Google Patents
一种基于Mems加速度传感器的道路形变预测方法 Download PDFInfo
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及到道路监测技术领域,尤其涉及一种基于Mems加速度传感器的道路形变预测方法。
背景技术
路基作为道路的承重主体,其是否稳定坚固关系着行车是否安全。路面沉降作为道路使用过程中的一种常见问题,影响道路整体结构的稳定性,受环境各方面因素的影响,部分道路的修建会不可避免的经过软土地基。虽在地基施工中对其进行了加固处理,但由于软土本身的高含水量及高孔隙比的问题,因此仍然可能会发生沉降。缓慢的沉降变化是无法用肉眼所观测出来的,因此,对道路特别是软基地段进行沉降监测是十分必要的。
目前常用的沉降测量方法主要是通过GPS、水准仪或全站仪的方式。对于重复水准测量方法,观测前,首先要选择稳定的区域进行多基点埋设,根据各点位的布置设计合理的观测路线,通过测量监测点与基点的高程差得到各监测点的高程,并与上次测得高程做差即可得到该测点的沉降值。但该方法依托于基点值,一旦基点埋设区域不稳定,结果将出现较大的偏差。对于全站仪测量沉降值,只需测量监测点不同时间段的高程,高程之间做差就是该段时间的沉降值。但该方式监测的要求高,需要测量员有较好的专业知识,严格调试仪器;并且不能全时段实时测量,只有当测量员测量后才能得到结果,人工成本大。GPS作为一种全新的空间定位技术,从静态定位发展到动态定位,并具有很高的相对定位精度,因此,在越来越多的领域取代了常规的光学仪器和电子仪器。应用GPS进行建筑物的沉降监测,可以实现全天候和实时连续的高精度自动监测。但该方式成本较高,且由GPS卫星及GPS接收端多方面原因将带来相关误差,会不定时影响结果的准确性。
公开号为CN111768620A,公开日为2020年10月13日的中国专利文献公开了一种基于窗口划分以及形变聚类的道路异常检测方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、移动端对z轴加速度数据进行阈值检测和滑动窗口处理,筛选待确定的片段;
步骤2、移动端通过随机森林算法判断道路片段是否为异常片段,若是异常片段则将该片段传到云端:以一些标准样本作为训练集训练随机森林模型,保存随机森林模型参数并移植至移动端,移动端将待确定片段输入随机森林模型进行判断;
步骤3、云端通过形变聚类的方法将道路异常片段的数据变形至统一长度:
步骤4、云端比较与标准片段的距离判断片段类型:对所有训练集和移动端传输的数据应用形变分类;对移动端的不平整情况数据,将计算得到形变之后的序列与所有训练集形变序列计算欧几里得距离,确定该不平整情况的类型;
步骤5、云端将片段类型返回移动端。
该专利文献公开的基于窗口划分以及形变聚类的道路异常检测方法,能够较为完整地截取道路异常段落,在不同的数据集上可以检测出道路的异常状况。但是,判断道路是否发生形变是被动的,即只有当车辆经过道路异常区域时,通过采集此段区域的加速度数据,再经过算法分析才能确定道路是否发生形变,不能实时主动发现道路的异常,预警滞后,预警效果欠佳。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术的缺陷,提供一种基于Mems加速度传感器的道路形变预测方法,本发明能够全面的对三轴加速度数据进行处理及分析,通过将得到的刚体相对于水平地面的偏移角度与设置的道路形变阈值进行比较就能够发现异常,具有实时主动预测道路是否发生形变的特点,从而达到提前预警的良好效果。
本发明通过下述技术方案实现:
一种基于Mems加速度传感器的道路形变预测方法,其特征在于,包括以下步骤:
b、建立偏移角度与加速度之间的几何关系,通过式1-式3将三轴加速度值转化为三轴偏移角度值;
c、以刚体初始安装后的结果为基准值,对偏移角度进行标定;
还包括计算刚体沉降值L和计算路面沉降值S。
所述路面沉降值S根据路面沉降值S与刚体沉降值L成正比的关系,通过式6进行计算;
其中,S为路面沉降值,k为正比例系数,L为刚体沉降值。
所述步骤a中,刚体为圆柱体,刚体的直径为140mm,高为65mm,刚体为多个,多个刚体在软基路面均匀布置,任意两个相邻刚体之间的距离为15米。
所述步骤c中,对偏移角度进行标定具体是指对初始的前m条偏移角度数据求平均得到基准值,将后m+1条偏移角度数据与基准值相减得到标定结果,通过式7计算x轴方向与水平面夹角的标定值,通过式8计算y轴方向与水平面夹角的标定值,通过式9计算z轴方向与竖直方向夹角的标定值;
其中,为x轴方向与水平面夹角的标定值,为y轴方向与水平面夹角的标定值,为z轴方向与竖直方向夹角的标定值,为第条x轴与水平面的偏移角度,为第条x轴与水平面的偏移角度,为第条y轴与水平面的偏移角度,为第条y轴与水平面的偏移角度,为第条z轴与竖直方向的偏移角度,为第条z轴与竖直方向的偏移角度。
本发明所述Mems是指微电子机械系统。
本发明的有益效果主要表现在以下方面:
1、本发明,较现有技术而言,能够全面的对三轴加速度数据进行处理及分析,通过将得到的刚体相对于水平地面的偏移角度与设置的道路形变阈值进行比较就能够发现异常,具有实时主动预测道路是否发生形变的特点,从而达到提前预警的良好效果。
2、本发明,还包括计算刚体沉降值L和计算路面沉降值S,不仅对道路形变预测具有较高的准确度,而且能够精确的计算出路面沉降值。
3、本发明,步骤a中,x轴方向的加速度、y轴方向的加速度和z轴方向的加速度通过Mems加速度传感器将数据按每分钟一次的频率传送至云平台,经云平台解析得到,由于沉降是缓慢进行的,并且在一段时间内,路基沉降周围的姿态会保持相对稳定,因此将数据按每分钟一次的频率传送至云平台,不仅节省了数据存储空间,还降低了Mems加速度传感器的能耗,保障监测稳定性。
4、本发明,步骤a中,刚体为圆柱体,刚体的直径为140mm,高为65mm,刚体为多个,多个刚体在软基路面均匀布置,任意两个相邻刚体之间的距离为15米,能够对软基路面进行均匀全面的监测。
5、本发明,步骤c中,对偏移角度进行标定具体是指对初始的前m条偏移角度数据求平均得到基准值,将后m+1条偏移角度数据与基准值相减得到标定结果,考虑到刚体在安装过程中可能不是完全水平放置或Mems加速度传感器本身存在的零漂误差,从而导致计算结果偏差的情况,通过以刚体初始安装后的结果为基准值,对偏移角度进行标定,能够保障后续计算刚体沉降值更加准确。
6、本发明,较现有技术基于Mems倾角传感器,将其附着于刚性连接杆上,再将刚性连接杆埋设于监测区域,通过监测刚性连接杆的倾角变化情况,从而得到监测区域的路基沉降信息而言,不需要较多的刚性连接杆,从而不会对路面造成较大的破坏,且布设更加方便。
7、本发明,较Mems倾角传感器监测的结果是多轴倾角,如何利用这些倾角从而计算沉降值并没有具体可行的方法而言,通过获取Mems加速度传感器的三轴加速度值,就能够计算出刚体沉降值,进而精确的计算出路面偏移角度。
8、本发明,在实际应用过程中,基于路面沉降值与路面所嵌入刚体沉降值成正比关系,从而通过对刚体的沉降结果设置道路形变阈值就能够对道路形变进行预警,预警操作简单可行。
附图说明
下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的具体说明:
图1为本发明的流程框图。
具体实施方式
实施例1
参见图1,一种基于Mems加速度传感器的道路形变预测方法,包括以下步骤:
b、建立偏移角度与加速度之间的几何关系,通过式1-式3将三轴加速度值转化为三轴偏移角度值;
c、以刚体初始安装后的结果为基准值,对偏移角度进行标定;
本实施例为最基本的实施方式,较现有技术而言,能够全面的对三轴加速度数据进行处理及分析,通过将得到的刚体相对于水平地面的偏移角度与设置的道路形变阈值进行比较就能够发现异常,具有实时主动预测道路是否发生形变的特点,从而达到提前预警的良好效果。
实施例2
参见图1,一种基于Mems加速度传感器的道路形变预测方法,包括以下步骤:
b、建立偏移角度与加速度之间的几何关系,通过式1-式3将三轴加速度值转化为三轴偏移角度值;
c、以刚体初始安装后的结果为基准值,对偏移角度进行标定;
还包括计算刚体沉降值L和计算路面沉降值S。
所述路面沉降值S根据路面沉降值S与刚体沉降值L成正比的关系,通过式6进行计算;
其中,S为路面沉降值,k为正比例系数,L为刚体沉降值。
本实施例为一较佳实施方式,还包括计算刚体沉降值L和计算路面沉降值S,不仅对道路形变预测具有较高的准确度,而且能够精确的计算出路面沉降值。
实施例3
参见图1,一种基于Mems加速度传感器的道路形变预测方法,包括以下步骤:
b、建立偏移角度与加速度之间的几何关系,通过式1-式3将三轴加速度值转化为三轴偏移角度值;
c、以刚体初始安装后的结果为基准值,对偏移角度进行标定;
还包括计算刚体沉降值L和计算路面沉降值S。
所述路面沉降值S根据路面沉降值S与刚体沉降值L成正比的关系,通过式6进行计算;
其中,S为路面沉降值,k为正比例系数,L为刚体沉降值。
本实施例为又一较佳实施方式,步骤a中,x轴方向的加速度、y轴方向的加速度和z轴方向的加速度通过Mems加速度传感器将数据按每分钟一次的频率传送至云平台,经云平台解析得到,由于沉降是缓慢进行的,并且在一段时间内,路基沉降周围的姿态会保持相对稳定,因此将数据按每分钟一次的频率传送至云平台,不仅节省了数据存储空间,还降低了Mems加速度传感器的能耗,保障监测稳定性。
实施例4
参见图1,一种基于Mems加速度传感器的道路形变预测方法,包括以下步骤:
b、建立偏移角度与加速度之间的几何关系,通过式1-式3将三轴加速度值转化为三轴偏移角度值;
c、以刚体初始安装后的结果为基准值,对偏移角度进行标定;
还包括计算刚体沉降值L和计算路面沉降值S。
所述路面沉降值S根据路面沉降值S与刚体沉降值L成正比的关系,通过式6进行计算;
其中,S为路面沉降值,k为正比例系数,L为刚体沉降值。
进一步的,所述步骤a中,刚体为圆柱体,刚体的直径为140mm,高为65mm,刚体为多个,多个刚体在软基路面均匀布置,任意两个相邻刚体之间的距离为15米。
本实施例为又一较佳实施方式,步骤a中,刚体为圆柱体,刚体的直径为140mm,高为65mm,刚体为多个,多个刚体在软基路面均匀布置,任意两个相邻刚体之间的距离为15米,能够对软基路面进行均匀全面的监测。
实施例5
参见图1,一种基于Mems加速度传感器的道路形变预测方法,包括以下步骤:
b、建立偏移角度与加速度之间的几何关系,通过式1-式3将三轴加速度值转化为三轴偏移角度值;
c、以刚体初始安装后的结果为基准值,对偏移角度进行标定;
还包括计算刚体沉降值L和计算路面沉降值S。
所述路面沉降值S根据路面沉降值S与刚体沉降值L成正比的关系,通过式6进行计算;
其中,S为路面沉降值,k为正比例系数,L为刚体沉降值。
所述步骤a中,刚体为圆柱体,刚体的直径为140mm,高为65mm,刚体为多个,多个刚体在软基路面均匀布置,任意两个相邻刚体之间的距离为15米。
进一步的,所述步骤c中,对偏移角度进行标定具体是指对初始的前m条偏移角度数据求平均得到基准值,将后m+1条偏移角度数据与基准值相减得到标定结果,通过式7计算x轴方向与水平面夹角的标定值,通过式8计算y轴方向与水平面夹角的标定值,通过式9计算z轴方向与竖直方向夹角的标定值;
其中,为x轴方向与水平面夹角的标定值,为y轴方向与水平面夹角的标定值,为z轴方向与竖直方向夹角的标定值,为第条x轴与水平面的偏移角度,为第条x轴与水平面的偏移角度,为第条y轴与水平面的偏移角度,为第条y轴与水平面的偏移角度,为第条z轴与竖直方向的偏移角度,为第条z轴与竖直方向的偏移角度。
本实施例为最佳实施方式,步骤c中,对偏移角度进行标定具体是指对初始的前m条偏移角度数据求平均得到基准值,将后m+1条偏移角度数据与基准值相减得到标定结果,考虑到刚体在安装过程中可能不是完全水平放置或Mems加速度传感器本身存在的零漂误差,从而导致计算结果偏差的情况,通过以刚体初始安装后的结果为基准值,对偏移角度进行标定,能够保障后续计算刚体沉降值更加准确。
较现有技术基于Mems倾角传感器,将其附着于刚性连接杆上,再将刚性连接杆埋设于监测区域,通过监测刚性连接杆的倾角变化情况,从而得到监测区域的路基沉降信息而言,不需要较多的刚性连接杆,从而不会对路面造成较大的破坏,且布设更加方便。
较Mems倾角传感器监测的结果是多轴倾角,如何利用这些倾角从而计算沉降值并没有具体可行的方法而言,通过获取Mems加速度传感器的三轴加速度值,就能够计算出刚体沉降值,进而精确的计算出路面偏移角度。
在实际应用过程中,基于路面沉降值与路面所嵌入刚体沉降值成正比关系,从而通过对刚体的沉降结果设置道路形变阈值就能够对道路形变进行预警,预警操作简单可行。
本发明的原理如下:
静止状态下Mems加速度传感器主要测量的是物体重力加速度值。根据矢量分解原理,通过获得重力加速度值在加速度计轴上的投影,即可获得各轴的偏移角度。
当Mems加速度传感器水平静置时,x轴和y轴方向加速度值为0,重力加速度分量为0;z轴方向的加速度值为重力加速度值g。此时x轴和y轴与水平面重合,夹角为0°;z轴与竖直方向重合,夹角为0°。当Mems加速度传感器发生偏移时,Mems加速度传感器的xoy平面将与水平面形成夹角,假设x轴与水平面的偏移角度为,y轴与水平面的偏移角度为, z轴与竖直方向的偏移角度为,通过建立角度与加速度之间的几何关系,即可完成从加速度值到偏移角度的转换。基于几何学原理,计算两平面之间的夹角,可转化为计算两平面的法向量之间的夹角。基于刚体与路面之间的关系,通过计算刚体相对于水平地面的偏移角度,结合道路形变阈值τ,即可推断刚体所埋设软基路面的形变情况。
内嵌Mems加速度传感器的刚体的工作原理如下:
在待检测软基地面埋设内嵌有Mems加速度传感器的刚体,待检测软基地面在初始状态下,Mems加速度传感器的初始角度为零或者为某一固定值;当被测点发生沉降形变时,被测点端的刚体将随之发生位置变化,对应角度值将随Mems加速度传感器的加速度值的变化而变化。由于刚体的长度固定,因此对刚体的长度和角度变化值进行三角函数计算,就能够得到刚体沉降值L。
下面采用道钉作为刚体对本发明进行详细说明:
采用精密电动角位台作为测试设备,将道钉放置于角位台上,变化角位台以模拟水平地面形变时的偏移角度。根据获取道钉内Mems加速度传感器的三轴加速度值,预测路面的形变及沉降情况。
将Mems加速度传感器的采样频率设置为1HZ,取道钉静置后的25条数据计算基准值。x轴基准值为-1.1656°,y轴基准值为-0.6936°,z轴基准值为1.3740°,参见表1,表1为道钉检测结果对比。
表1
表1展示了通过设置精密电动角位台发生不同角度偏移时,道钉对应的检测数据。其中、和为道钉内置Mems加速度传感器采集到的三轴加速度,经式1-式3的转换后得到对应的偏移角度值。由于Mems加速度传感器本身存在零漂误差,因此,对计算的偏移角度值采用式7-式9进行标定,结果见表1中的三轴标定角度。标定完成后,结合式4计算得到道钉相对于水平地面的偏移角度,通过式5计算得到道钉的沉降值L。采用绝对误差对比分析道钉偏移角度和精密电动角位台角度,从表1中可知,道钉偏移角度与角位台的绝对误差在0.5°内,平均绝对误差在0.2°内。
可见,采用本发明对道路形变预测具有较高的准确度。
Claims (7)
1.一种基于Mems加速度传感器的道路形变预测方法,其特征在于,包括以下步骤:
b、建立偏移角度与加速度之间的几何关系,通过式1-式3将三轴加速度值转化为三轴偏移角度值;
c、以刚体初始安装后的结果为基准值,对偏移角度进行标定;
2.根据权利要求1所述的一种基于Mems加速度传感器的道路形变预测方法,其特征在于:还包括计算刚体沉降值L和计算路面沉降值S。
6.根据权利要求1所述的一种基于Mems加速度传感器的道路形变预测方法,其特征在于:所述步骤a中,刚体为圆柱体,刚体的直径为140mm,高为65mm,刚体为多个,多个刚体在软基路面均匀布置,任意两个相邻刚体之间的距离为15米。
7.根据权利要求1所述的一种基于Mems加速度传感器的道路形变预测方法,其特征在于:所述步骤c中,对偏移角度进行标定具体是指对初始的前m条偏移角度数据求平均得到基准值,将后m+1条偏移角度数据与基准值相减得到标定结果,通过式7计算x轴方向与水平面夹角的标定值,通过式8计算y轴方向与水平面夹角的标定值,通过式9计算z轴方向与竖直方向夹角的标定值;
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