[發明專利]一種可實時監測落石運動軌跡的物理模型試驗系統與方法

在審

• 申請號: 202210604939.3
• 申請日: 2022-05-31
• 公開（公告）號: CN115015941A
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 繆明昊;唐輝明;魯莎;谷一嘯;王倩蕓;唐春燕;陶征濤
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（武漢）
• 主分類號: G01S15/58
• 分類號: G01S15/58;G01S15/06;G01S15/87;G01S15/88;G01S7/54;G09B23/10
• 代理公司: 武漢知產時代知識產權代理有限公司 42238
• 代理人: 胡青

本發明公開一種可實時監測落石運動軌跡的物理模型試驗系統與方法，包括落石模型、邊坡模型、落石夾持裝置、目標標識聲吶單元、長方體框架、聲吶發射接收單元和分析儀；落石模型采用吸聲材料制作并且密度分布均勻；邊坡模型用于形成坡面，采用吸聲材料制作；落石夾持裝置用于將落石模型固定于坡面的上方或釋放落石模型；分析儀用于計算得到目標標識聲吶單元的三維坐標和落石模型的重心的三維坐標隨時間的變化。本發明的落石運動軌跡的物理模型試驗系統和方法可以計算得到落石運動過程中不同時刻的重心坐標和目標標識聲吶單元的坐標，可以對落石模型的三維運動軌跡進行實時監測，并且精度高、可以分析落石模型復雜的運動軌跡。

技術領域

本發明涉及落石運動物理模型試驗技術領域，尤其涉及一種可實時監測落石運動軌跡的物理模型試驗系統與方法。

背景技術

我國地域遼闊,地形和地貌條件復雜多變。尤其是在山嶺地區,復雜的地形和地貌常會導致危巖落石，雖然其規模不如滑坡巨大,但落石發生往往很突然,同樣能造成巨大的損失。在落石的防治和研究中，一項重要的工作即為監測和計算落石運動軌跡，但是落石運動是一種極其復雜的運動，要實現落石運動軌跡的精確計算存在很大的困難。目前對落石的研究主要是通過以下兩方面進行的:一方面要借助理論分析或數值模擬進行計算；另一方面是借助物理模型試驗模擬落石的發生和運動過程。物理模型試驗是模擬落石運動軌跡和揭示落石運動規律的重要手段之一，但是受限于物理模型試驗系統的缺陷與框架設計的原因，存在以下難點需要攻克：

(1)現有危巖落石物理模型試驗系統一般通過數字影像技術進行分析，即通過對落石運動影像的圖片后處理得到其完整的運動軌跡，但是難以做到實時監測并計算運動軌跡。

(2)現有研究往往針對落石二維平面下的運動而很少針對落石的三維運動軌跡進行分析，并且數字影像技術生成的三維點云圖誤差較大，比較依賴高速攝影機的高分辨率和高幀數。

發明內容

為了解決以上問題，本發明實施例提供一種可實時監測落石運動軌跡的物理模型試驗系統，包括落石模型、邊坡模型、落石夾持裝置、固定布置在所述落石模型表面的四個不共面的目標標識聲吶單元、長方體框架、固定在所述長方體框架的不同角上的八個聲吶發射接收單元和分析儀；所述落石模型采用吸聲材料制作并且密度分布均勻；所述邊坡模型用于形成坡面并且至少部分位于所述長方體框架內；所述落石夾持裝置用于將所述落石模型固定于所述坡面的上方或釋放所述落石模型，所述落石模型被固定時位于所述長方體框架內；所述分析儀用于控制所述八個聲吶發射接收單元間隔地同時發射聲吶信號，四個所述目標標識聲吶單元用于在接收到面向所述目標標識聲吶單元的聲吶發射接收單元所發射的聲吶信號后發射聲吶信號，四個所述目標標識聲吶單元發射聲吶信號的頻率不同，所述分析儀還用于根據所述八個聲吶發射接收單元接收到面向所述聲吶發射接收單元的目標標識聲吶單元所發射的聲吶信號與所述八個聲吶發射接收單元發射聲吶信號之間的時間差，計算得到四個所述目標標識聲吶單元的三維坐標和所述落石模型的重心的三維坐標隨時間的變化。

優選地，所述落石模型和所述邊坡模型的材質為多層復合聚乳酸型材料。

優選地，所述落石模型和所述邊坡模型采用3D打印制作。

優選地，所述落石夾持裝置包括支架和設置在所述支架上的機械手臂夾，所述機械手臂夾用于固定于或釋放所述落石模型。

優選地，所述分析儀包括系統控制單元和數據處理單元，所述系統控制單元用于控制所述八個聲吶發射接收單元間隔地同時發射聲吶信號，所述數據處理單元用于根據所述八個聲吶發射接收單元接收到不同頻率的反射聲吶信號與所述八個聲吶發射接收單元發射聲吶信號之間的時間差，計算得到四個所述目標標識聲吶單元的三維坐標和所述落石模型的重心的三維坐標隨時間的變化。

優選地，所述分析儀還包括顯示單元，所述顯示單元用于對根據四個所述目標標識聲吶單元的三維坐標和所述落石模型的重心的三維坐標隨時間的變化對所述落石模型的運動軌跡進行可視化顯示。