CN116625335A - 基于北斗与惯导的山体变形检测设备、方法和电子装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于北斗与惯导的山体变形检测设备、方法和电子装置，属于惯性器件应用、山体检测领域，采用北斗接收机定位山体表面监测点位移，陀螺仪、加速度计及磁传感器等器件进行山体内孔的角度监测，通过钢丝绳及线缆连接外部拉线式位移传感器获得安装位置的位移变化，控制端根据位移及角度信息拟合出山体变形量。本发明可以获得山体表面及内部变形的实时数据，并拟合出准确的山体内部变形，以此判断各测量点位置上的滑坡发生概率及时间。
Description
技术领域
本发明属于惯性器件应用、山体检测领域，具体涉及基于北斗与惯导的山体变形检测设备、方法和电子装置。
背景技术
山体滑坡是山体结构受到外界环境的影响，沿着本身的不稳定结构面滑动的一种自然现象。滑坡在产生前会伴随长时间的能量累积，内部结构会随着时间产生结构的前兆性变化，通过安装传感器进行检测科有效的获取当前的山体变形量，基于变形量对山体进行特征数据的分析和处理，进而预测滑坡发生的时间和发生概率，建立滑坡预警系统可以一定程度上保护人民生命财产的安全。因此建立山体滑坡监测预警系统的意义重大。
目前国内外对山体检测的研究主要集中于无线传感器网络体系的布置，但山体环境监测需要布置大量的传感器节点，每个节点的功耗问题导致一个节点能源耗尽后，会影响周围节点的测量精度，进而影响整个网络的性能。而用测斜仪设备进行测量监测的方案可用测斜设备钻孔后进行测量，但此类方法需要设备在孔内反复运动，操作过程复杂且孔内环境容易受到山体变形影响，造成测量困难。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了基于北斗与惯导的山体变形检测设备、方法和电子装置，采用陀螺仪、加速度计及磁传感器等器件进行山体内孔的角度监测，通过钢丝绳及线缆连接外部拉线式位移传感器获得安装位置的唯一，控制端根据位移及角度信息拟合出山体变形量。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于北斗与惯导的山体变形检测设备，其特征在于：包括拉线式位移传感器、钢丝线绳缆、数据AD采集模块、AD转换器和控制端；所述拉线式位移传感器为AHRS传感器，通过陀螺仪、加速度计及磁传感器进行山体内孔的角度监测，钢丝线绳缆连接拉线式位移传感器获得安装位置的位移，所述山体内孔内等距离安装三个AHRS传感器；所述数据AD采集模块通过AD转换器采集每个AHRS传感器对应的位移变化；所述控制端根据位移及角度拟合出山体内孔的变形量。
本发明还提供一种基于北斗与惯导的山体变形检测设备的检测方法，包括如下步骤：
步骤（1）AHRS传感器通过外壳锚爪安装在山体内孔内固定位置；
步骤（2）所述AHRS传感器采集陀螺仪的数据，进行姿态更新后作为状态量，将磁传感器的原始数据进行模值判断后与加速度计的数据作为量测输入，进行卡尔曼滤波姿态更新及矫正；
步骤（3）多个孔山体内孔内的AHRS传感器的数据通过钢丝绳线缆上传到孔山体内孔外的数据AD采集模块；
步骤（4）所述孔山体内孔外的数据AD采集模块通过AD转换器采集每个AHRS传感器对应的位移变化，并将位移及角度数据通过4G上传到控制端；
步骤（5）控制端的软件接收位移及角度数据，结合北斗RTK接收机获取的地表点位的位移变化量，拟合出山体内孔的变形量，给出山体变形检测设备安装位置的外部位移及内部结构的变化情况。
本发明还提供一种电子装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现上述的基于北斗与惯导的山体变形检测设备的检测方法的步骤。
有益效果：
与传统检测系统相比，本发明的优点在于单个设备安装位置测量精度不受其他节点影响，且可以通过地表位移变化及山体内部变形结合，更直观准确的预测形变趋势进行预警。
附图说明
图1为本发明的基于北斗与惯导的山体变形检测设备安装示意图；
图2为本发明的基于北斗与惯导的山体变形检测方法流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明的基于北斗与惯导的山体变形检测设备采用陀螺仪、加速度计及磁传感器等器件进行山体内孔的角度监测，通过钢丝线绳缆连接外部拉线式位移传感器获得安装位置的唯一，控制端根据位移及角度信息拟合出山体变形量。所述位移传感器为AHRS传感器。所述山体内孔内共需要按照等距离安装三个AHRS传感器，分别为图1中的AHRS_1、AHRS_2、AHRS_3，AHRS传感器主要功能为通过陀螺仪、加速度计及磁强计等传感器数据计算传感器整体的角度变化。为保证磁传感器受干扰情况下角度输出准确，增加慢动态下加速度计算倾角值作为约束，每个AHRS传感器计算角度上传到孔外的数据AD采集模块后，结合与数据发送模块封装在同一结构内的北斗RTK接收机位置数据，计算出设备安装点地表位移变化量与对应孔内各位移传感器的位移变化，最终位移数据通过数据发送模块发送至控制端，控制端接收后拟合多个传感器数据获得整体所述山体内孔内的变形情况。
如图2所示，本发明的基于北斗与惯导的山体变形检测方法包括如下步骤：
步骤（1）AHRS传感器通过外壳锚爪安装在山体内孔内固定位置；
步骤（2）所述AHRS传感器采集陀螺仪数据进行姿态更新后作为状态量，磁传感器原始数据进行模值判断后与加速度计数据作为量测输入，进行卡尔曼滤波姿态更新及矫正；
步骤（3）多个孔内的传感器数据通过钢丝绳线缆上传到孔外的数据AD采集模块；
步骤（4）所述孔外的数据AD采集模块通过AD转换器采集每个AHRS传感器对应的位移变化，并将位移及角度数据通过4G上传到控制端；
步骤（5）控制端的软件接收位移及角度数据，结合北斗RTK接收机获取的地表检测打孔位置变化量，拟合出山体内孔的变形量，给出各点位变化情况。
具体地，陀螺仪姿态更新采用四元数法，四元数的微分方程如下所示：
，
式中为四元数，/>为导航系下载体角速率输出的四元数形式；
上式展开形式如下：
，
其中，，/>为角速率，/>，为四元数，/>；
求解微分方程后，进行四元数归一化获得姿态四元数；
AHRS传感器的系统状态变量X选择四元数、陀螺零偏/>和加速度零偏/>，即：
，
系统连续时间状态方程建立如下：
，
式中，
状态转移矩阵，
过程噪声矩阵，
状态噪声方差阵，/>为四元数噪声方差，/>为陀螺仪噪声方差，/>为加速度计噪声方差。
系统量测选择加速度计输出和磁强计输出/>作为量测输入，因此系统量测方程如下：
，
，
观测矩阵离散化后，计算由雅可比矩阵代替：
，
，
，
式中，为重力加速度，/> 为磁强计传感器的传感器噪声，/>为加速度，其数值大小根据加速度动态判定及磁强计模值自适应变化，如果当前系统存在磁干扰或扰动，则将对应的噪声矩阵增加，减少量测干扰。
角度计算完成后，控制端根据同一时间上传的对应的位移分解为对应方向上的位移变化，拉线式位移传感器测量的位移变化为，由北斗RTK接收机计算地表点位位移变化量为/>，因此孔内传感器安装位置相对于地表位移变化量/>，由俯仰角、横滚角及航向角/>计算出测量点各方向位移量/>如下：
，
以此判断各测量点位置上的滑坡发生概率及时间。
本发明还提供一种电子装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现上述的基于北斗与惯性器件组合的山体变形检测方法的步骤。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于北斗与惯导的山体变形检测设备，其特征在于：包括拉线式位移传感器、钢丝线绳缆、数据AD采集模块、AD转换器和控制端；所述拉线式位移传感器为AHRS传感器，通过陀螺仪、加速度计及磁传感器进行山体内孔的角度监测，钢丝线绳缆连接拉线式位移传感器获得安装位置的位移，所述山体内孔内等距离安装三个AHRS传感器；所述数据AD采集模块通过AD转换器采集每个AHRS传感器对应的位移变化；所述控制端根据位移及角度拟合出山体内孔的变形量。
2.根据权利要求1所述的基于北斗与惯导的山体变形检测设备的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤（1）AHRS传感器通过外壳锚爪安装在山体内孔内固定位置；
步骤（2）所述AHRS传感器采集陀螺仪的数据，进行姿态更新后作为状态量，将磁传感器的原始数据进行模值判断后与加速度计的数据作为量测输入，进行卡尔曼滤波姿态更新及矫正；
步骤（3）多个孔山体内孔内的AHRS传感器的数据通过钢丝绳线缆上传到孔山体内孔外的数据AD采集模块；
步骤（4）所述孔山体内孔外的数据AD采集模块通过AD转换器采集每个AHRS传感器对应的位移变化，并将位移及角度数据通过4G上传到控制端；
步骤（5）控制端的软件接收位移及角度数据，结合北斗RTK接收机获取的地表点位的位移变化量，拟合出山体内孔的变形量，给出山体变形检测设备安装位置的外部位移及内部结构的变化情况。
3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述步骤（2）包括：
陀螺仪的姿态更新采用四元数法，姿态四元数的微分方程如下所示：
,
式中，为姿态四元数，/>为导航系下载体角速率输出的四元数形式；/>表示矩阵相乘；
上式展开形式如下：
,
其中，，/>为x，y，z向角速率，/>，为四元数，/>；
求解微分方程后，进行四元数归一化获得姿态四元数；
AHRS传感器的系统状态变量X选择四元数、陀螺零偏/>和加速度零偏/>，即：
,
系统连续时间状态方程建立如下：
,
式中，表示系统连续时间状态；
状态转移矩阵,
过程噪声矩阵,
状态噪声方差阵，/>为四元数噪声方差，/>为陀螺仪噪声方差，/>为加速度计噪声方差；I表示单位矩阵；
选择加速度计输出和磁传感器输出/>作为量测输入，因此系统量测方程如下：
,
量测矩阵；
观测矩阵离散化后，计算由雅可比矩阵代替：
,
,
,
式中，为重力加速度，/>为加速度；/> 为磁强计传感器的传感器噪声，其数值大小根据加速度动态判定及磁传感器模值自适应变化。
4.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述步骤（5）包括：
控制端根据同一时间上传的对应的位移分解为对应方向上的位移变化，拉线式位移传感器测量的位移变化为，由北斗RTK接收机计算地表点位的位移变化量为/>，因此山体内孔内的拉线式位移传感器的安装位置相对于地表位移变化量/>，由俯仰角、横滚角及航向角/>计算出测量点各方向位移量/>如下：
,
以此判断山体变形检测设备安装位置上的滑坡发生概率及时间。
5.一种电子装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求2至4中任一项所述的基于北斗与惯导的山体变形检测设备的检测方法的步骤。
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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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