一种针对橡胶坝的位移和姿态的分析方法与流程

技术特征：

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；

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；

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，即最后的最优解。

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)。

4.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(3)中，将最后求解得到的四元数换算得到俯仰角，俯仰角的换算方法为：

俯仰角：-ArcTan2(-2*q0*q2+2*q1*q3，-2*q1*q1-2*q2*q2+1)*(180/π)。

5.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(3)中，将最后求解得到的四元数换算得到翻转角，翻转角的换算方法为：

翻转角：Arcsin(2*(q2*q3+q0*q1))*(180/π)

q0，q1，q2，q3为最优四元数。

6.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(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。