[發明專利]一種基于多傳感器融合技術的軟土勘測方法

有效

• 申請號: 202210705235.5
• 申請日: 2022-06-21
• 公開（公告）號: CN115031785B
• 公開（公告）日: 2023-05-16
• 發明（設計）人: 周一覽;趙帥;黃騰超
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02;G06F17/15
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 鄭海峰

1.一種基于多傳感器融合技術的軟土勘測方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：同步采集軟土貫入儀中的多傳感器的輸出數據，并使用卡爾曼濾波對傳感器數據進行預處理；所述的多傳感器包括MEMS慣性測量單元、三軸磁強計和壓力計；

步驟2：對MEMS慣性測量單元和三軸磁強計的輸出結果進行初始對準，得到貫入儀的載體坐標系到地理坐標系的姿態矩陣；

步驟3：將軟土貫入儀內的多傳感器與軟土貫入儀的重心重合，多傳感器的Z軸與重力方向平行，將軟土貫入儀懸掛在待測軟土表面上方的預設高度；

步驟4：釋放軟土貫入儀，使其做自由落體運動并貫入軟土中，直至進入靜止狀態；通過軟土貫入儀內的壓力計測量貫入儀周邊軟土的壓力情況，并根據MEMS慣性測量單元中的輸出結果解算出貫入儀在不同時刻的位置姿態信息；

所述的步驟4中，解算貫入儀在不同時刻的位置姿態信息包括實時更新姿態信息和位置信息兩部分，具體為：

步驟4-1：使用四元數表示載體坐標系轉換到地理坐標系的過程，即：

Q＝q₀+q₁i_b+q₂j_b+q₃k_b

其中，q₀、q₁、q₂、q₃為實數；i_b、j_b、k_b為單位向量且相互正交，Q為載體坐標系到地理坐標系的轉動角度；

步驟4-2：根據姿態角、姿態矩陣和四元數之間的關系，得到：

步驟4-3：根據MEMS慣性測量單元的三軸陀螺儀輸出的角增量信息，計算四元數微分方程：

其中，Q(t_k+1)表示k+1時刻的四元數，I表示單位矩陣，Q(t_k)表示k時刻的四元數，ΔΘ表示角增量信息；

步驟4-4：根據計算得到的k+1時刻的四元數Q(t_k+1)實時更新姿態矩陣并將姿態矩陣表示為：

步驟4-5：根據步驟4-4得到的姿態矩陣計算姿態角信息：

α_m＝sin^-1(T₃₂)

根據姿態角信息和姿態矩陣獲得實時姿態信息：

α＝α_m

其中，α_m、β_m、γ_m為計算得到的姿態角信息，α、β、γ為實時姿態信息；

步驟4-6：將MEMS慣性測量單元中原始輸出的三軸加速度信息通過更新后的姿態矩陣轉換到地理坐標系中：

其中，為貫入儀相對于地球坐標系的速度增量在地理坐標系下的投影，gⁿ為重力加速度在地理坐標系的投影，為地球自轉角度率在地理坐標系的投影，為貫入儀相對于地球坐標系的自轉角速率在地理坐標系的投影，為貫入儀相對于地球坐標系的速度在地理坐標系下的投影；

將上述公式展開，得到：

其中，f_E、f_N、f_U分別為由三軸加速度計測得的比力在地理坐標系下的三軸映射，隨著姿態矩陣而更新；分別為在x_n、y_n、z_n上的分量，即更新后的貫入儀在東向、北向、天向上的速度增量；ω_ie為地球自轉角度率，R_M、R_N分別為載體所在地沿地球子午圈和卯酉圈的曲率半徑，V_E、V_N、V_U分別為在x_n、y_n、z_n上的分量，即更新后的貫入儀在東向、北向、天向上的速度信息；L為緯度，g表示地球重力加速度；

步驟4-7：根據速度信息，實時更新位置，計算公式為：

其中，表示貫入儀的位置增量，X表示貫入儀的位置，λ、h表示經度和高度；

步驟5：根據貫入儀在不同時刻的位置姿態信息反演軟土強度。