[发明专利]一种针对橡胶坝的位移和姿态的分析方法

说明书

本发明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。

技术领域

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。

发明内容

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)；