一种针对橡胶坝的位移和姿态的分析方法与流程

本发明涉及一种针对橡胶坝的位移和姿态的分析方法。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种针对橡胶坝的位移和姿态的分析方法，本发明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，本发明采用如下技术方案：

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。

本发明的有益效果为：

本发明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，本发明采用递归算法消除测量误差。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

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*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)；

计算后的四元数表示初始的四元数。因为加速度计存在当载体加速度较大时测量不正确的缺点，所以必须对计算得到的四元数进行纠正。

步骤3：纠正采用的方式是梯度下降法。它通过循环迭代的方式使误差回归为0。

下面是梯度计算公式的计算过程，我们先定义误差函数为ef(x)。我们的工作就是令ef(x)＝0，我们这里的自变量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(ax，ay，az)求导得到以下公式：

最后得到梯度计算公式：

步骤4：下面要做的就是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。

γ步长是动态的，步长会角速度的变化而改变。因为陀螺仪对短时间的高速运动的测量更加精确，但是在采集较长时间则会有与漂移而存有误差，所以我们设置陀螺仪的采集时间为10ms，然后对瞬时角速度和10毫秒做积分。步长的计算公式如下：

γ＝系数*角速度与*10ms。

动态调整步长的原因是为了快速收敛，如果步长不能动态调整。造成的结果可能是计算的结果来回跳变。四元数始终不能收敛到最优值上，形成恶性循环。

步骤5：这一步是利用递归公式对初始的四元数进行迭代回归计算，使四元数收敛回归到稳定值，即我们认为的最优解。

递归收敛过程：t-1时刻的四元数[q0，q1，q2，q3]由第一个步骤得到。通过递归公式可以得到t时刻的四元数[q0，q1，q2，q3]。再继续把t时刻的四元数[q0，q1，q2，q3]代入到递归公式中qt-1中计算新的qt。循环上述步骤。直到为止。此时的四元数为稳定值。也是最后的最优解。

步骤6：利用最优的四元数计算出俯仰角和翻转角。设最优的四元数为(Q0，Q1，Q2，Q3)数学中四元数和欧拉角都是物体姿态的表达形式。利用四元数可以很容易计算得到物体姿态的俯仰角和翻转角。俯仰角表示绕X轴旋转的角度。翻转角表示绕Y轴旋转的角度。

俯仰角＝-ArcTan2(-2*Q0*Q2+2*Q1*Q3，-2*+1)*(180/π)；

翻转角＝Arcsin(2*(Q2*Q3+Q0*Q1))*(180/π)；

步骤7：橡胶坝起到对河道的泄洪和拦截作用，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。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。监控终端保持和橡胶坝的安装方向一致。监控终端的俯仰角的变化就直接反应了橡胶坝的姿态变化。

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产生的最大振幅。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。