一种针对橡胶坝的位移和姿态的分析方法技术

本发明专利技术公开了一种针对橡胶坝的位移和姿态的分析方法，通过对橡胶坝的实时的加速度和角速度信息采集，将加速度值从三轴坐标转换为四元数；利用梯度下降法对四元数和三轴角速度进行姿态融合，确定最优四元数；利用最优四元数计算俯仰角和翻转角，确定俯仰角和翻转角的平均值和最大值；根据俯仰角的平均值确定橡胶坝的倾斜角度，根据俯仰角的最大值确定橡胶坝受到河浪拍打后倾斜的最大幅度，判断最大幅度是否超过阈值，如果超过阈值，进行预警。本发明专利技术可以有效反映河道的水位变化。当河道的水位上升，橡胶坝的倾斜角度会增大。可以有效监控是否发生泄洪。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种针对橡胶坝的位移和姿态的分析方法。
技术介绍
小橡胶坝是一种柔性水工建筑物，它用高强度合成纤维或钢丝作受力骨架，涂敷橡胶制成胶布，锚固在基础上形成封闭式袋装。橡胶坝相对于传统水坝具有造价低、施工周期短、抵抗地震波浪冲击、维护少、管理方便等优点。目前，我国在橡胶坝设计、施工、维护方面的技术已经成熟，但是在实时监控坝袋安全方面还比较欠缺。橡胶坝的状态监控目前主要以人工巡视为主，具有实时性差、初期安全隐患不易被发现、占用较多的人力资源等缺点。为了提高橡胶坝的安全，推进橡胶坝监控技术的发展，通过计算机和监控终端来对橡胶坝工作状态进行实时有效的监控。在以前的监测系统中，常用卡尔曼滤波对陀螺仪和由加速度计的测量值进行融合出物体的姿态。卡尔曼滤波是一种递推反馈算法。通过反馈值和实际值的差去优化调整系数。因为陀螺仪本身测量的加速度误差会产生漂移，所以卡尔曼滤波算法的反馈值测量精度也相应不高。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种针对橡胶坝的位移和姿态的分析方法，本专利技术可以有效反映河道的水位变化。当河道的水位上升，橡胶坝的倾斜角度会增大。可以有效监控是否发生泄洪。警戒河面的水位情况。通过橡胶坝的整体姿态变化监控数据实时对泄堤的危险进行了预警。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种针对橡胶坝的位移和姿态的分析方法，包括以下步骤：(1)对橡胶坝的实时的加速度和角速度信息采集，将加速度值从三轴坐标转换为四元数；(2)利用梯度下降法对四元数和三轴角速度进行姿态融合，确定最优四元数；(3)利用最优四元数计算俯仰角和翻转角，确定俯仰角和翻转角的平均值和最大值；(4)根据俯仰角的平均值确定橡胶坝的倾斜角度，根据俯仰角的最大值确定橡胶坝受到河浪拍打后倾斜的最大幅度，判断最大幅度是否超过阈值，如果超过阈值，进行预警。所述步骤(1)中，利用陀螺仪和加速度传感器采集橡胶坝的实时的加速度和角速度信息，其中，陀螺仪和加速度传感器的X轴方向和河道方向保持垂直，以计算采集设备的俯仰角就能直接反映橡胶坝的俯仰角变化。所述步骤(1)中，橡胶坝在水流冲击的作用下产生的振动，振动的过程中。X轴、Y轴、Z轴的重力加速度会发生变化，对X轴、Y轴、Z轴的三个方向瞬时加速度值进行运算得到四元数[q0，q1，q2，q3]，运算公式如下表示，其中：X、Y、Z表示X轴、Y轴、Z轴三个方向的加速度值。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)；q3:＝cos(X*0.5)*cos(Y*0.5)*sin(Z*0.5)-sin(X*0.5)*sin(Y*0.5)*cos(Z*0.5)。所述步骤(2)中，利用梯度下降法通过三轴角速度对四元数进行递归循环修正，将四元数和三轴角速度进行姿态融合得出姿态数据。所述步骤(2)中，利用梯度下降法，通过循环迭代的方式使误差回归为0，定义误差函数为ef(x)，令ef(x)＝0，自变量x由三轴重力加速度ax、ay、az和四元数(q1、q2、q3、q4)组成，误差方程如下所示：上述误差公式就是重力加速度g在地理坐标系中的值通过四元数法旋转到载体坐标系中的值，然后减去当前加速度计测得的值作差，上述误差公式对变量(q1，q2，q3，q4)求导得到以下矩阵：然后梯度计算公式就表示为：对梯度公式计算的代入到以下递归公式中进行计算，递归公式如下所示：qt为t时刻的四元数[q0，q1，q2，q3]，qt-1为t-1时刻的四元数[q0，q1，q2，q3]，γ为收敛的步长。迭代的目的是为了收敛回归，是收敛的误差，当误差->0时，此时的四元数递归收敛过程：t-1时刻的四元数由第一个步骤计算得出。通过递归公式可以得到t时刻的四元数qt。qt的值再继续代入到公式中的qt-1变量中计算新的qt。直到为止。此时的四元数为稳定值。所述步骤(3)中，将最后求解得到的四元数换算得到俯仰角和翻转角，其中：俯仰角的换算公式如下：俯仰角：-ArcTan2(-2*q0*q2+2*q1*q3，-2*q1*q1-2*q2*q2+1)*(180/π)；翻转角的换算公式如下：翻转角：Arcsin(2*(q2*q3+q0*q1))*(180/π)q0，q1，q2，q3为最优四元数。所述步骤(3)中，计算额定时间内多组俯仰角和翻转角的平均值，得到橡胶坝额定时间内的范围内的平均姿态角度，它反映了橡胶坝在水位上升影响造成的倾斜幅度水平。翻转角是指沿着x轴翻转的角度，俯仰角值沿着y轴翻转的角度，筛选出最大的姿态角度，即得到橡胶坝的最大位移。最大位移反映的是橡胶坝的瞬时的姿态。如果瞬时的角度大于阈值。说明水流拍打橡胶坝比较激烈，坝体的周围环境风浪很大，坝体有溢水的风险。橡胶坝起到对河道的泄洪和拦截作用，因为橡胶坝的两端固定在基座上，所以橡胶坝的翻转角几乎没有变化。当河浪拍打橡胶坝或者水位上升时，直接受到变化的角度是橡胶坝的俯仰角，计算出俯仰角就直接反应出橡胶坝的姿态。计算上报的一组俯仰角的平均值可以反映出橡胶坝的倾斜角度。计算上报的一组俯仰角的最大值可以反映出橡胶坝受到河浪拍打后倾斜的最大幅度。本专利技术的有益效果为：本专利技术可以有效反映河道的水位变化。当河道的水位上升，橡胶坝的倾斜角度会增大。可以有效监控是否发生泄洪。警戒河面的水位情况。通过橡胶坝的整体姿态变化监控数据实时对泄堤的危险进行了预警，本专利技术采用递归算法消除测量误差。附图说明图1为本专利技术的流程示意图。具体实施方式：下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。如图1所示，一种针对橡胶坝的位移和姿态的分析方法，包括：步骤1：监控终端上报三轴加速度和角速度。监控终端的加速度传感器和陀螺仪分别监控橡胶坝的加速度和角速度。陀螺仪所测量的载体姿态角误差会随着时间快速累积(漂移)，当其长时间工作时漂移会无限增大，导致系统无法正常工作，但是陀螺仪测量高速运动状态比加速度计更加准确。加速度计测量误差不随时间累积，它静态性能好，但是适用于测量缓慢变化的信息，但当载体加速度较大时这种方法则无法使用。为了结合加速度计和传感器的优点。实施了步骤2到步骤4。橡胶坝在运行过程中，在需要挡水的时候就像坝体内注入一定量的水将其充胀，形成一个挡水坝，由于橡胶坝在水流冲击的作用下会产生一定幅度的位移和摆动。橡胶坝上安装的采集器可以实时采集橡胶坝运动状态的加速度和角速度。计算机算法中把三轴加速度值转换为四元数。步骤2：三轴加速度先转换为四元数，四元数是一种对物理姿态的一种表示形式。它能够很方便的刻画刚体绕任意轴的旋转。先将三轴加速度转换为四元数。如下公式为换算公式：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*本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种针对橡胶坝的位移和姿态的分析方法，其特征是：包括以下步骤：(1)对橡胶坝的实时的加速度和角速度信息采集，将加速度值从三轴坐标转换为四元数；(2)利用梯度下降法对四元数和三轴角速度进行姿态融合，确定最优四元数；(3)利用最优四元数计算俯仰角和翻转角，确定俯仰角和翻转角的平均值和最大值；(4)根据俯仰角的平均值确定橡胶坝的倾斜角度，根据俯仰角的最大值确定橡胶坝受到河浪拍打后倾斜的最大幅度，判断最大幅度是否超过阈值，如果超过阈值，进行预警。

【技术特征摘要】
1.一种针对橡胶坝的位移和姿态的分析方法，其特征是：包括以下步骤：(1)对橡胶坝的实时的加速度和角速度信息采集，将加速度值从三轴坐标转换为四元数；(2)利用梯度下降法对四元数和三轴角速度进行姿态融合，确定最优四元数；(3)利用最优四元数计算俯仰角和翻转角，确定俯仰角和翻转角的平均值和最大值；(4)根据俯仰角的平均值确定橡胶坝的倾斜角度，根据俯仰角的最大值确定橡胶坝受到河浪拍打后倾斜的最大幅度，判断最大幅度是否超过阈值，如果超过阈值，进行预警。2.如权利要求1所述的一种针对橡胶坝的位移和姿态的分析方法，其特征是：所述步骤(1)中，利用陀螺仪和加速度传感器采集橡胶坝的实时的加速度和角速度信息，其中，陀螺仪和加速度传感器的X轴方向和河道方向保持垂直，以计算采集设备的俯仰角就能直接反映橡胶坝的俯仰角变化。3.如权利要求1所述的一种针对橡胶坝的位移和姿态的分析方法，其特征是：所述步骤(1)中，橡胶坝在水流冲击的作用下产生的振动，振动的过程中，X轴、Y轴、Z轴的重力加速度会发生变化，对X轴、Y轴、Z轴的三个方向瞬时加速度值进行运算得到四元数[q0，q1，q2，q3]，运算公式如下表示，其中：X、Y、Z表示X轴、Y轴、Z轴三个方向的加速度值。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)；q3:＝cos(X*0.5)*cos(Y*0.5)*sin(Z*0.5)-sin(X*0.5)*sin(Y*0.5)*cos(Z*0.5...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨震威，李沁，
申请(专利权)人：山东康威通信技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37