[发明专利]一种引流线舞动监测装置和方法

权利要求书

1.一种引流线舞动在线监测装置，其特征在于，所述的在线监测装置包括：舞动在线监测前端、Zigbee通信模块、通信控制主机、GPRS通信模块、远程监控中心及电源模块等，

所述的舞动在线监测前端，用于对引流线的三维舞动加速度和三维舞动角速度进行实时在线监测；

所述的Zigbee通信模块，用于舞动在线监测前端和通信控制主机之间数据的双向无线传输；

所述的通信控制主机，用于接收周围各监测点的舞动监测数据，并进行现场数据存储，同时根据远程监控中心下发的控制指令，通过GPRS通信模块将所需监测点的监测数据上传至远程监控中心；

所述的GPRS通信模块，用于通信控制主机和远程监控中心之间数据的双向无线传输；

所述的远程监控中心，用于接收舞动监测数据，进行分析计算后，实时显示引流线舞动幅度、舞动速度和舞动频率等参数，并动态再现引流线三维空间中的舞动轨迹；

所述的电源模块选用太阳能取电方式，用于提供舞动在线监测前端、Zigbee通信模块、通信控制主机和GPRS通信模块工作所需电能。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的舞动在线监测前端包括：控制器单元、加速度计和陀螺仪，

所述的控制器单元用于采集并处理各传感器监测数据；

所述的加速度计用于对引流线舞动监测点的三维舞动加速度进行监测；

所述的陀螺仪用于对引流线舞动监测点的三维舞动角速度进行监测。

3.一种引流线舞动在线监测方法，其特征在于，所述的方法包括：舞动起停时刻的确定、漂移误差修正和参数分析计算三个步骤。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，采用最小角速度向量法确定舞动起停时刻，根据大量数据采样、分析获取最小角速度向ω_min＝(ω_x，min，ω_y，min，ω_z，min)，设定角速度向量阈值为K＝1.05ω_min，如果ω_i≤K，且至少持续两个采样周期，则认为i时刻为前一舞动停止时刻，当ω_j＞K时，则认为j时刻为当前舞动起始时刻，每监测出一次舞动起停时刻，计为一次舞动，每相邻两次舞动时间间隔计为舞动周期，其倒数为舞动频率。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，选用ZUPT算法对漂移误差进行修正，即每次舞动起始时刻，如果V不为零，则强制置为零，将因传感器信号漂移等原因引起的误差限制在单次采样周期内，不会随着积分的进行被连续放大。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的参数分析计算如下：

首先建立基坐标系和舞动坐标系，其中，基坐标系以大地作为参考，舞动坐标系以引流线上的传感器测量轴作为参考，通过加速度计测得舞动坐标系中的加速度值，再根据旋转变换矩阵计算得到基坐标系中的舞动加速度a_x，a_y，a_z，计算式为：

axayaz1=Rot(z,γ)Rot(y,β)Rot(x,α)axrawayrawazraw1]]>

=cγcβ-sγcα+cγsβsαsγsα+cγsβcα0sγcβcγcα+sγsβsα-cγsα+sγsβcα0-sβcβsαcβcα00001axrawayrawazraw1]]>

式中Rot(z，γ)、Rot(y，β)、Rot(x，α)分别表示绕Z轴旋转γ角度、绕Y轴旋转β角度、绕X轴旋转α角度，a_x，a_y，a_z为基坐标系中X、Y、Z三个方向上加速度分量，a_xraw，a_yraw，a_zraw为舞动坐标系中X、Y、Z三个方向上加速度分量，可由加速度计测得，s表示正弦公式，c表示余弦公式；

α、β、γ可由以下公式求得：

α=Σi=0n∫0Tωx(i)dt,]]>β=Σi=0n∫0Tωy(i)dt,]]>γ=Σi=0n∫0Tωz(i)dt]]>

式中，ω_x、ω_y、ω_z分别为绕X轴、Y轴、Z轴的旋转角速度，可由陀螺仪测得，n为采样周期的个数，T为采样周期；

换算后，a_x、a_y、a_z可用α、β、γ、a_xraw、a_yraw、a_zraw表示如下：

a_x＝a_xrawcγcβ-a_yrawsγcα+a_yrawcγsβsα+a_zrawsγsα+a_zrawcγsβcα

a_y＝a_xrawsγcβ+a_yrawcγcα+a_yrawsγsβsα-a_zrawcγsα+a_zrawsγsβcα

a_z＝-a_xrawsβ+a_yrawcβsα+a_zrawcβcα

消除重力加速度影响后：

az0=-axrawsβ+ayrawcβsα+azrawcβcα-(-1)]]>

X、Y、Z三个方向上第n个采样时刻舞动速度分量为：

vx(n)=vx(n-1)+∫0Tax(n)dt=vx(n-1)+ax(n)T]]>

vy(n)=vy(n-1)+∫0Tay(n)dt=vy(n-1)+ay(n)T]]>

vz(n)=vz(n-1)+∫0Taz(n)dt=vz(n-1)+az(n)T]]>

X、Y、Z三个方向上第n个采样时刻舞动位移分量为：

dx(n)=dx(n-1)+∫0Tvx(n)dt=dx(n-1)+12ax(n)T2]]>

dy(n)=dy(n-1)+∫0Tvy(n)dt=dy(n-1)+12ay(n)T2]]>

dz(n)=dz(n-1)+∫0Tvz(n)dt=dz(n-1)+12az(n)T2]]>

式中，T为采样时间间隔，d_x(i)、d_y(i)、d_z(i)为第i个采样周期时X、Y、Z三个方向上的舞动幅度，v_y(i)、v_y(i)、v_z(i)为第i个采样周期时X、Y、Z三个方向上的舞动速度，由d_x、d_y、d_z合成相对于地面的舞动轨迹。