[發明專利]一種針對橡膠壩的位移和姿態的分析方法

有效

• 申請號: 201611039107.2
• 申請日: 2016-11-21
• 公開（公告）號: CN106595566B
• 公開（公告）日: 2019-04-09
• 發明（設計）人: 楊震威;李沁
• 申請（專利權）人: 山東康威通信技術股份有限公司
• 主分類號: G01C1/00
• 分類號: G01C1/00
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 張勇

本發明公開了一種針對橡膠壩的位移和姿態的分析方法，通過對橡膠壩的實時的加速度和角速度信息采集，將加速度值從三軸坐標轉換為四元數；利用梯度下降法對四元數和三軸角速度進行姿態融合，確定最優四元數；利用最優四元數計算俯仰角和翻轉角，確定俯仰角和翻轉角的平均值和最大值；根據俯仰角的平均值確定橡膠壩的傾斜角度，根據俯仰角的最大值確定橡膠壩受到河浪拍打后傾斜的最大幅度，判斷最大幅度是否超過閾值，如果超過閾值，進行預警。本發明可以有效反映河道的水位變化。當河道的水位上升，橡膠壩的傾斜角度會增大。可以有效監控是否發生泄洪。

技術領域

本發明涉及一種針對橡膠壩的位移和姿態的分析方法。

背景技術

小橡膠壩是一種柔性水工建筑物，它用高強度合成纖維或鋼絲作受力骨架，涂敷橡膠制成膠布，錨固在基礎上形成封閉式袋裝。橡膠壩相對于傳統水壩具有造價低、施工周期短、抵抗地震波浪沖擊、維護少、管理方便等優點。

目前，我國在橡膠壩設計、施工、維護方面的技術已經成熟，但是在實時監控壩袋安全方面還比較欠缺。橡膠壩的狀態監控目前主要以人工巡視為主，具有實時性差、初期安全隱患不易被發現、占用較多的人力資源等缺點。為了提高橡膠壩的安全，推進橡膠壩監控技術的發展，通過計算機和監控終端來對橡膠壩工作狀態進行實時有效的監控。

在以前的監測系統中，常用卡爾曼濾波對陀螺儀和由加速度計的測量值進行融合出物體的姿態。卡爾曼濾波是一種遞推反饋算法。通過反饋值和實際值的差去優化調整系數。因為陀螺儀本身測量的加速度誤差會產生漂移，所以卡爾曼濾波算法的反饋值測量精度也相應不高。

發明內容

本發明為了解決上述問題，提出了一種針對橡膠壩的位移和姿態的分析方法，本發明可以有效反映河道的水位變化。當河道的水位上升，橡膠壩的傾斜角度會增大。可以有效監控是否發生泄洪。警戒河面的水位情況。通過橡膠壩的整體姿態變化監控數據實時對泄堤的危險進行了預警。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種針對橡膠壩的位移和姿態的分析方法，包括以下步驟：

(1)對橡膠壩的實時的加速度和角速度信息采集，將加速度值從三軸坐標轉換為四元數；

(2)利用梯度下降法對四元數和三軸角速度進行姿態融合，確定最優四元數；

(3)利用最優四元數計算俯仰角和翻轉角，確定俯仰角和翻轉角的平均值和最大值；

(4)根據俯仰角的平均值確定橡膠壩的傾斜角度，根據俯仰角的最大值確定橡膠壩受到河浪拍打后傾斜的最大幅度，判斷最大幅度是否超過閾值，如果超過閾值，進行預警。

所述步驟(1)中，利用陀螺儀和加速度傳感器采集橡膠壩的實時的加速度和角速度信息，其中，陀螺儀和加速度傳感器的X軸方向和河道方向保持垂直，以計算采集設備的俯仰角就能直接反映橡膠壩的俯仰角變化。

所述步驟(1)中，橡膠壩在水流沖擊的作用下產生的振動，振動的過程中。X軸、Y軸、Z軸的重力加速度會發生變化，對X軸、Y軸、Z軸的三個方向瞬時加速度值進行運算得到四元數[q0，q1，q2，q3]，運算公式如下表示，其中：X、Y、Z表示X軸、Y軸、Z軸三個方向的加速度值。

q0:＝cos(X*0.5)*cos(Y*0.5)*cos(Z*0.5)+sin(X*0.5)*sin(Y*0.5)*sin(Z*0.5)；

q1:＝sin(X*0.5)*cos(Y*0.5)*cos(Z*0.5)-cos(X*0.5)*sin(Y*0.5)*sin(Z*0.5)；

q2:＝cos(X*0.5)*sin(Y*0.5)*cos(Z*0.5)+sin(X*0.5)*cos(Y*0.5)*sin(Z*0.5)；