[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

本發明公開了一種基于多傳感器融合技術的軟土勘測方法，屬于巖土工程和慣性傳感領域。同步采集軟土貫入儀中的多傳感器的輸出數據并預處理；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；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；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；通過壓力計測量貫入儀周邊軟土的壓力情況，并根據慣性測量單元中的輸出結果解算貫入儀在不同時刻的位置姿態信息；根據獲得的不同時刻位置姿態信息反演軟土強度。本發明可以實現更高精度的位姿解算，進而獲得更加精度的海洋軟土強度特性。

技術領域

本發明涉及巖土工程和慣性傳感領域，具體涉及一種基于多傳感器融合技術的軟土勘測方法。

技術背景

隨著海上油氣等資源的戰略意義不斷提高，世界各國也越發重視對海洋的開發。海洋基礎設施建設相關的巖土工程通常涉及到復雜的土壤性質評估,實現軟土強度準確而又便捷的測量對海洋基礎設施項目建設有重要的意義。

貫入法通過將測量裝置以恒定的速度壓入土中，通過測得的土體阻力以及其他數據，分析得到土體的相關參數，可以直接進行現場的測量實驗，相比于傳統方法更加方便快捷，目前常見的基于貫入法的儀器包括錐形貫入儀、T形貫入儀、球形貫入儀和自由落體貫入儀。圓形貫入儀可以避免上覆土壓力較大所產生的測量誤差，而自由落體貫入儀則是通過側有裸體方式貫入軟土進行測量，相比于傳統方法無需額外的加載裝置，操作便捷。因此目前自由落體球形貫入儀憑借著其獨特的優勢，成為目前研究應用的熱點。而傳統的自由落體球形貫入儀通常采用加速度傳感器，實現貫入阻力的測量，由于貫入阻力與剪切強度之間具有嚴格的塑性解，進而可以實現軟土強度參數的反演。但由于球形貫入儀在貫入土中的過程中會產生旋轉，導致傳統基于加速度傳感器的測量方案效果并不理想。

綜上所述，目前現有的測量方法無法同時滿足海洋軟體勘測領域所需要的高高精度與高適應性。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種基于多傳感器融合技術的軟土強度勘測方法，利用MEMS慣性測量單元、三軸磁強計和壓力計等多傳感器，可以獲得不同時刻貫入儀的位置姿態和表面的壓力信息，進而實現軟土參數的解算。

為達到上述目的，本發明的技術方案如下：

一種基于多傳感器融合技術的軟土勘測方法，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；

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。

進一步地，所述的MEMS慣性測量單元包括三軸加速度計和三軸陀螺儀。

進一步地，所述的步驟2包括：

步驟2-1：利用MEMS慣性測量單元中的三軸加速度信息，計算初始俯仰角a₀和初始橫滾角β₀：

式中：和分別是MEMS慣性測量單元的x、y軸的加速度，g表示地球重力加速度；