跌落测试预埋传感器的六自由度运动轨迹数据处理方法与流程

本发明涉及运动轨迹数据处理系统，尤其涉及跌落测试预埋传感器的六自由度运动轨迹数据处理方法。

背景技术：

多自由度运动的轨迹复杂多变，运动过程中物体会发生多次碰撞，易导致测量数据具有极大随机性，因此，难以用相关仪器直接进行记录追踪，例如：落石沿山体的运动轨迹，难以直接记录追踪。

目前，为了研究多自由度的运动轨迹通常利用加速度推导物体全过程多自由度运动轨迹，但是由于存在多自由度运动参量的影响，运动参量为多自由度，非单一加速度，且多自由度运动在一定时间内数据采集的频率至少为20kHZ，要想得到物体的准确运动轨迹，需要研究多自由度参量之间的相互影响和制约关系，目前实现起来较为困难。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种具有科学性和普遍性的跌落测试预埋传感器的六自由度运动轨迹数据处理方法。

本发明的实施例提供跌落测试预埋传感器的六自由度运动轨迹数据处理方法，包括以下步骤：

(1)基于地面建立物体运动所相对的参考系，基于跌落测试预埋传感器建立物体运动所相对的坐标系，基于地面建立的参考系各轴的方向是固定的，坐标系在跌落测试预埋传感器上预先设定，坐标系随跌落测试预埋传感器的运动而动态变化；

(2)选取物体上任意点为监测点，收集物体运动时，物体上监测点在坐标系中的电压数据；

(3)将步骤(2)得到的电压数据转化为力学数据，所述力学数据包括物体上监测点在坐标系各轴的线加速度和角加速度，所述物体上监测点在坐标系各轴和参考系相应各轴的角加速度分别相同；

(4)将步骤(3)得到的物体上监测点在坐标系各轴的线加速度分别转换为物体上监测点在参考系各轴的线加速度分量，并分别对物体上监测点在参考系各轴的线加速度分量进行求和，得到物体上监测点在参考系各轴的线加速度；

(5)将步骤(4)得到的物体上监测点在参考系各轴的线加速度转化为物体质心在参考系各轴的线加速度；

(6)将步骤(5)得到的物体质心在参考系各轴的线加速度对时间进行积分，得到物体质心在参考系各轴的质心线速度和位移分量；

(7)通过终端分析上述计算结果，并绘制出物体运动的时程函数和位移函数。

进一步，所述步骤(3)中，电压数据通过电压参数与运动分量参数之间的函数关系转化为力学数据。

进一步，所述步骤(4)中，物体上监测点在坐标系各轴的线加速度分别转换为物体上监测点在参考系各轴的线加速度分量的计算方法为：

坐标系x’轴在参考系各轴的线加速度分量：

坐标系y’轴在参考系各轴的线加速度分量：

坐标系z’轴在参考系各轴的线加速度分量：

式中：x’轴是坐标系X轴，y’轴是坐标系Y轴，z’轴是坐标系Z轴；a_x’是监测点在坐标系X轴的线加速度，a_y’是监测点在坐标系Y轴的线加速度，a_z’是监测点在坐标系Z轴的线加速度；分别表示参考系X轴向角加速度单独影响下所引起的参考系Y轴和Z轴角度的改变量；分别表示参考系Y轴向角加速度单独影响下所引起的参考系X轴和Z轴角度的改变量；分别表示参考系Z轴向角加速度单独影响下所引起的参考系X轴和Y轴角度的改变量；分别表示物体上监测点在坐标系X轴线加速度转换为物体上监测点在参考系各轴的线加速度分量；分别表示物体上监测点在坐标系Y轴线加速度转换为物体上监测点在参考系各轴的线加速度分量；分别表示物体上监测点在坐标系Z轴线加速度转换为物体上监测点在参考系各轴的线加速度分量。

进一步，所述物体上监测点在参考系各轴的线加速度的计算方法为：

式中：a_x是监测点在参考系X轴的线加速度，a_y是监测点在参考系Y轴的线加速度；a_z是监测点在参考系Z轴的线加速度。

进一步，所述步骤(5)中，物体上监测点在参考系各轴的线加速度转化为物体质心在参考系各轴的线加速度的方法：

设物体质心为o点，物体上监测点为c点，c点在参考系xoy平面、yoz平面和zox平面的投影分别为c′、c″、c″′，得到c′o、c″o、c″′o，通过基点法分别计算c′o、c″o、c″′o的切线加速度与法向加速度，对应求和，得到物体质心在坐标系各轴的线加速度。

进一步，所述c′o的切线加速度和法向加速度的计算方法为：

所述c″o的切线加速度和法向加速度的计算方法为：

所述c″′o的切线加速度和法向加速度的计算方法为：

式中：分别表示在参考系中质心o与监测点c的连线oc与参考系xoy平面、yoz平面、zox平面的夹角；α₁、α₂、α₃分别表示c′o与参考系X轴的夹角、c″o与参考系Y轴的夹角、c″′o与参考系Z轴的夹角；分别表示a_c′在参考系X轴和Y轴的加速度分量；分别表示a_c″在参考系Y轴和Z轴的加速度分量；分别表示a_c″′在参考系Z轴和X轴的加速度分量；a_c′o是c′点与o点之间的相对加速度，a_c″o是c″点与o点之间的相对加速度，a_c″′o是c″′点与o点之间的相对加速度；是分别是a_c′o在法向n和切向τ方向上的加速度分量；是分别是a_c″o在法向n和切向τ方向上的加速度分量；是分别是a_c″′o在法向n和切向τ方向上的加速度分量；ω_x、ω_y、ω_z是参考系X轴、Y轴和Z轴方向的角速度；β′_x、β′_y、β′_z分别是参考系X轴、Y轴和Z轴方向的角加速度；r是质心o与监测点c之间的距离。

进一步，所述物体质心在坐标系各轴的线加速度的计算方法为：

式中：a″_x是质心在参考系X轴的线加速度，a″_y是质心在参考系Y轴的线加速度，a″_z是质心在参考系Z轴的线加速度。

进一步，所述步骤(6)中，物体质心在参考系各轴的质心线速度的计算方法为：

式中：v_x是质心在参考系X轴的质心线速度，v_y是质心在参考系Y轴的质心线速度，v_z是质心在参考系Z轴的质心线速度。

进一步，所述步骤(6)中，物体质心在参考系各轴的位移分量的计算方法为：

式中：X是质心在参考系X轴的位移分量，Y是质心在参考系Y轴的位移分量，Z是质心在参考系Z轴的位移分量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：具有科学性和普遍性，能广泛应用于落石灾害研究，与监测仪配套进行数据处理和分析，通过拆分和整合的思想建立物体内部测量点运动状态与物体质心点运动状态的转换方程以及对各点运动状态对时间的积分得到物体的运动状态分量的时程曲线，精确绘制落石运动的所有参量时程函数，帮助科研人员准确的得到跌落测试预埋传感器的六自由度运动轨迹并绘制出轨迹图像，解决了科研人员研究过程中不能完全获取落石运动状态的问题，为科学研究提供可靠运动参数的综合测量和数据分析，节省大量科研经费，并极大的推进了落石灾害的研究进度和技术发展。

附图说明

图1是本发明一实施例的流程图；

图2是本发明一实施例的坐标系和参考系的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本发明的实施例提供了跌落测试预埋传感器的六自由度运动轨迹数据处理方法，包括以下步骤：

(1)基于地面建立物体运动所相对的参考系，基于跌落测试预埋传感器建立物体运动所相对的坐标系，基于地面建立的参考系各轴的方向是固定的，坐标系在跌落测试预埋传感器上预先设定，坐标系随跌落测试预埋传感器的运动而动态变化；(如图2所示)

(2)选取物体上任意点为监测点，收集物体运动时，物体上监测点在坐标系中的电压数据；

(3)将步骤(2)得到的电压数据通过电压参数与运动分量参数之间的函数关系转化为力学数据，所述力学数据包括物体上监测点在坐标系各轴的线加速度和角加速度，所述物体上监测点在坐标系各轴和参考系相应各轴的角加速度分别相同；

(4)将步骤(3)得到的物体上监测点在坐标系各轴的线加速度分别转换为物体上监测点在参考系各轴的线加速度分量，并分别对物体上监测点在参考系各轴的线加速度分量进行求和，得到物体上监测点在参考系各轴的线加速度；

物体上监测点在坐标系各轴的线加速度分别转换为物体上监测点在参考系各轴的线加速度分量的计算方法为：

设定：x’轴是坐标系X轴，y’轴是坐标系Y轴，z’轴是坐标系Z轴；a_x’是监测点在坐标系X轴的线加速度，a_y’是监测点在坐标系Y轴的线加速度，a_z’是监测点在坐标系Z轴的线加速度；分别表示参考系X轴向角加速度单独影响下所引起的参考系Y轴和Z轴角度的改变量；分别表示参考系Y轴向角加速度单独影响下所引起的参考系X轴和Z轴角度的改变量；分别表示参考系Z轴向角加速度单独影响下所引起的参考系X轴和Y轴角度的改变量；分别表示物体上监测点在坐标系X轴线加速度转换为物体上监测点在参考系各轴的线加速度分量；分别表示物体上监测点在坐标系Y轴线加速度转换为物体上监测点在参考系各轴的线加速度分量；分别表示物体上监测点在坐标系Z轴线加速度转换为物体上监测点在参考系各轴的线加速度分量；a_x是监测点在参考系X轴的线加速度，a_y是监测点在参考系Y轴的线加速度；a_z是监测点在参考系Z轴的线加速度；

坐标系x’轴在参考系各轴的线加速度分量：

坐标系y’轴在参考系各轴的线加速度分量：

坐标系z’轴在参考系各轴的线加速度分量：

物体上监测点在参考系各轴的线加速度的计算方法为：

(5)将步骤(4)得到的物体上监测点在参考系各轴的线加速度转化为物体质心在参考系各轴的线加速度；

物体上监测点在参考系各轴的线加速度转化为物体质心在参考系各轴的线加速度的方法：

设物体质心为o点，物体上监测点为c点，c点在参考系xoy平面、yoz平面和zox平面的投影分别为c′、c″、c″′，得到c′o、c″o、c″′o，通过基点法分别计算c′o、c″o、c″′o的切线加速度与法向加速度，对应求和，得到物体质心在坐标系各轴的线加速度；

设定：分别表示在参考系中质心o与监测点c的连线oc与参考系xoy平面、yoz平面、zox平面的夹角；α₁、α₂、α₃分别表示c′o与参考系X轴的夹角、c″o与参考系Y轴的夹角、c″′o与参考系Z轴的夹角；分别表示a_c′在参考系X轴和Y轴的加速度分量；分别表示a_c″在参考系Y轴和Z轴的加速度分量；分别表示a_c″′在参考系Z轴和X轴的加速度分量；a_c′o是c′点与o点之间的相对加速度，a_c′′o是c″点与o点之间的相对加速度，a_c″′o是c″′点与o点之间的相对加速度；是分别是a_c′o在法向n和切向τ方向上的加速度分量；是分别是a_c″o在法向n和切向τ方向上的加速度分量；是分别是a_c″′o在法向n和切向τ方向上的加速度分量；ω_x、ω_y、ω_z是参考系X轴、Y轴和Z轴方向的角速度；β′_x、β′_y、β′_z分别是参考系X轴、Y轴和Z轴方向的角加速度；r是质心o与监测点c之间的距离；a″_x是质心在参考系X轴的线加速度，a″_y是质心在参考系Y轴的线加速度，a″_z是质心在参考系Z轴的线加速度；

c′o的切线加速度和法向加速度的计算方法为：

c″o的切线加速度和法向加速度的计算方法为：

c″′o的切线加速度和法向加速度的计算方法为：

物体质心在坐标系各轴的线加速度的计算方法为：

(6)将步骤(5)得到的物体质心在参考系各轴的线加速度对时间进行积分，得到物体质心在参考系各轴的质心线速度和位移分量；

设定：v_x是质心在参考系X轴的质心线速度，v_y是质心在参考系Y轴的质心线速度，v_z是质心在参考系Z轴的质心线速度；式中：X是质心在参考系X轴的位移分量，Y是质心在参考系Y轴的位移分量，Z是质心在参考系Z轴的位移分量；

物体质心在参考系各轴的质心线速度的计算方法为：

物体质心在参考系各轴的位移分量的计算方法为：

(7)通过终端分析上述计算结果，并绘制出物体运动的时程函数和位移函数。

本实施例通过拆分和整合的思想建立物体内部测量点运动状态与物体质心点运动状态的转换方程以及对各点运动状态对时间的积分得到物体的运动状态分量的时程曲线，精确绘制落石运动的所有参量时程函数，帮助科研人员准确的得到跌落测试预埋传感器的六自由度运动轨迹并绘制出轨迹图像，解决了科研人员研究过程中不能完全获取落石运动状态的问题，为科学研究提供可靠运动参数的综合测量和数据分析，节省大量科研经费，并极大的推进了落石灾害的研究进度和技术发展，具有科学性和普遍性，能广泛应用于落石灾害研究。