基于地磁场和重力场感知的姿态角传感装置及监测方法

1.本发明涉及工程监测领域，尤其涉及一种基于地磁场和重力场感知的姿态角传感装置及监测方法。


背景技术：

2.工程监测是工程施工过程中必不可少的程序之一，工程监测的准确性、实时性直接影响工程施工过程中的安全性，其中工程变形监测尤为重要。以隧道工程为例，在隧道施工过程中，当发生较大变形时，需要及时采取措施来进行治理，如果变形监测不及时，就有可能引起隧道的垮塌，影响施工进度，甚至造成人员伤亡。目前隧道变形监测方法主要是通过人工进行监测，利用收敛尺、全站仪等设备对隧道断面的“监测点”进行测量，这种传统的监测方法设备操作不便，监测数据间断，依赖人工，具有众多的局限性，无法进行长期自动化的监测。
3.随着传感器技术的发展，人们开始尝试将倾角传感器这类角度传感器应用于工程变形监测中，出现了以巴塞特系统为代表的基于倾角传感器的隧道变形监测方法，但其所用倾角传感器的体积较大，结构复杂，造价高，安装不便，占用的工作面积大，无法大规模推广使用。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明设计了一种基于地磁场和重力场感知的姿态角传感装置及监测方法。
5.本发明采用如下技术方案：
6.一种基于地磁场和重力场感知的姿态角传感装置，包括外壳，外壳内设置有三轴磁场传感器、三轴加速度传感器、温度传感器、mcu、can收发器和电源模块，mcu为传感装置的主控芯片和计算芯片；三轴加速度传感器、三轴磁场传感器和温度传感器与mcu相连，温度传感器用于实时感应环境温度，三轴加速度传感器和三轴磁场传感器用于感应装置的加速度和所在位置的地磁场在x、y、z三个方向上的分量；电源模块与mcu和can收发器相连，为电路元件进行供电，姿态角传感装置上还包括有激光测距系统。
7.作为优选，所述姿态角传感装置的姿态角解算方法是基于数学空间几何中的三维坐标转换原理；首先，定义传感器坐标系和地理坐标系，通过有限次转动实现两个三维空间坐标的变换，根据转动的角度即可计算出姿态角传感装置的姿态角变化；传感器坐标系和地理坐标系之间变换矩阵r可由下式表述：
[0008][0009]
式中：θ，φ，分别代表三个方向上转动的角度。
[0010]
设三轴加速度传感器在x、y、z三个方向上的测量值为a
x
、ay、az；三轴磁场传感器在
x、y、z三个方向上的测量值为b
x
、by、bz；地磁场矢量在地理坐标系三轴上的分量为b
0x
、b
0y
、b
0z
；根据坐标装换原理求解可得姿态角的计算公式为：
[0011][0012][0013][0014]
作为优选，所述各个姿态角传感装置的can收发器组成can总线，各个姿态角传感装置之间通过can总线进行通讯。
[0015]
作为优选，所述外壳由高强度树脂进行灌封形成。
[0016]
作为优选，所述激光测距系统主要由激光收发模块和反射板组成，激光收发模块用于激光的发射和反射激光的接收，并采用串口通信。
[0017]
作为优选，所述姿态角传感装置上预留有外接口可以根据需要外接其它传感器。
[0018]
该基于地磁场和重力场感知的姿态角传感装置的监测方法为：
[0019]
s1、以隧道的两个拱脚作为起点和终点，在隧道断面上设置分段点，将隧道断面等分为n段；
[0020]
s2、利用全站仪对分段点进行一次测量得到各分段点的坐标数据，记为x
i0
，y
i0
；
[0021]
s3、根据各分段点的坐标数据计算相邻分段点之间的直线距离，以直代曲，将相邻分段点之间的直线距离作为每个分段的计算长度，记为li，则：
[0022][0023]
s4、在每个分段中间位置采用表贴的方式安装姿态角传感装置，以姿态角传感装置的测量数据作为其所在分段的姿态角数据，记为θ
it
；
[0024]
s5、隧道发生变形时，引起姿态角传感装置姿态角改变，姿态角数据通过有线或者无线方式传输出隧道；
[0025]
s6、根据姿态角数据计算各分段点在t时刻的坐标，记为x
it
、y
it
，计算方法为：
[0026][0027][0028]
s7、利用激光测距系统测得的两个端点的水平距离进行误差修正：
[0029]
按照步骤s6计算方法计算出两个端点的水平坐标，并把两个坐标相减得到两个端点间的水平距离，记为测量距离sc；将激光测距系统得到的端点水平距离看作实际距离，记为ss，由此可以得到测量总误差为：
[0030]
e＝s
s-sc；
[0031]
将误差平均分配到各个分段点对测量坐标进行修正，得到修正后的水平坐标：
[0032][0033]
将修正后的坐标带入步骤s6所述x坐标公式，得到修正后的姿态角θ
it
'，将修正后的姿态角带入过程6所述y坐标公式即可得到修正后的y坐标y
it
'；
[0034]
s8、利用各分段点的坐标随时间的变化数据对隧道的整体变形情况进行监测和预警。
[0035]
本发明的有益效果是：(1)、本发明提出的监测方法可以对隧道变形情况进行全天候自动化监测，借助gprs通讯技术和云服务器技术可以实现远程监测。(2)、本发明所用的姿态角传感装置构造简单、体积小、造价低、安装方便，可以实时监测隧道衬砌的姿态角和温度数据，同时装置电路上预留了外接口，可以根据需要添加其它传感器，如湿度传感器、振动传感器等，克服了以往基于姿态角传感器进行隧道监测时，装置结构复杂、体积大、安装不便、占用空间大等问题；(3)、本发明增加了基于端点水平距离的坐标修正方法，利用激光测距系统测得的两个端点的水平距离进行误差修正，使隧道变形监测得到的数据更为准确，更为精确的对隧道的整体变形情况进行监测和预警。
附图说明
[0036]
图1是本发明的一种结构示意图；
[0037]
图2是本发明中姿态角传感装置的一种结构示意图；
[0038]
图3是本发明中姿态角传感装置的一种内部控制流程图；
[0039]
图中：1、隧道，2、姿态角传感装置，3、分段点，4、激光测距模块。
具体实施方式
[0040]
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：
[0041]
实施例：如图2所示，一种基于地磁场和重力场感知的姿态角传感装置，主要由高强度树脂外壳和内部的三轴磁场传感器、三轴加速度传感器、温度传感器、mcu、can收发器、电源模块等组成。如图3所示，mcu为传感装置的主控芯片和计算芯片；三轴加速度传感器、三轴磁场传感器和温度传感器与mcu相连，温度传感器用于实时感应环境温度，三轴加速度传感器和三轴磁场传感器用于感应装置的加速度和所在位置的地磁场在x、y、z三个方向上的分量；电源模块与mcu和can收发器相连，为电路元件进行供电；can收发器是组成can总线的必要元件，各个传感装置之间通过can总线进行通讯。传感装置电路采用高强度树脂进行灌封形成外壳，可以有效防水、隔热、抗冲击，从而提高装置的耐久性。姿态角传感装置上预留有接口可以外接，可以根据需要添加其它传感器，如湿度传感器、振动传感器等。
[0042]
位于端点的姿态角传感装置结构与其它的有所不同，除了上述组成外，位于端点的姿态角传感装置还带有激光测距系统，激光测距系统采用激光测距模块4，用于实时测量并输出两个端点之间的距离。激光测距模块主要由激光收发模块和反射板组成，分别安装在两个位于端点的姿态角传感装置上。激光收发模块主要用于激光的发射和反射激光的接收，与上述三轴加速度传感器和三轴磁场传感器一样与mcu相连，采用串口通信；反射板用于提高激光的反射率，从而提高测量的精度，安装在姿态角传感装置的外壳上。
[0043]
姿态角传感装置的姿态角解算方法是基于数学空间几何中的三维坐标转换原理；首先，定义传感器坐标系和地理坐标系，通过有限次转动实现两个三维空间坐标的变换，根据转动的角度即可计算出姿态角传感装置的姿态角变化；仪器坐标系和地理坐标系之间变换矩阵r可由下式表述：
[0044][0045]
式中：θ，φ，分别代表三个方向上转动的角度。
[0046]
设三轴角速度传感器在x、y、z三个方向上的测量值为a
x
、ay、az；三轴磁场传感器在x、y、z三个方向上的测量值为b
x
、by、bz；地磁场矢量在地理坐标系三轴上的分量为b
0x
、b
0y
、b
0z
；根据坐标装换原理求解可得姿态角的计算公式为：
[0047][0048][0049][0050]
该基于地磁场和重力场感知的姿态角传感装置的监测方法为：
[0051]
1、如图1所示，以隧道1的两个拱脚作为起点和终点(或其它预设设好的起点和终点)，在隧道断面上设置分段点3，将隧道断面近似等分为n段。
[0052]
2、利用全站仪对分段点进行一次测量得到各分段点的坐标数据，记为x
i0
，y
i0
。
[0053]
3、根据各分段点的坐标数据计算相邻分段点之间的直线距离，以直代曲，将相邻分段点之间的直线距离作为每个分段的计算长度，记为li，则：
[0054][0055]
4、在每个分段中间位置采用表贴的方式安装姿态角传感装置2，以姿态角传感装置的测量数据作为其所在分段的姿态角数据，记为θ
it
。
[0056]
5、隧道发生变形时，引起姿态角传感装置姿态角改变，姿态角数据通过有线或者无线方式传输出隧道。
[0057]
6、根据姿态角数据计算各分段点在t时刻的坐标，记为x
it
、y
it
，计算方法为：
[0058][0059][0060]
7、基于端点的水平距离进行坐标修正。由于计算过程中的长度和姿态角均为近似值，计算方法也会产生累计误差，因此需要对计算结果进行修正。利用激光测距系统测得的
两个端点的水平距离进行误差修正，具体方法如下：
[0061]
按照前述计算方法计算出两个端点的水平坐标，并把两个坐标相减得到两个端点间的水平距离，记为测量距离sc；将激光测距系统得到的端点水平距离看作实际距离，记为ss。由此可以得到测量总误差为：
[0062]
e＝s
s-sc；
[0063]
将误差平均分配到各个分段点对测量坐标进行修正，得到修正后的水平坐标：
[0064][0065]
将修正后的坐标带入过程6所述x坐标公式，得到修正后的姿态角θ
it
'，将修正后的姿态角带入过程6所述y坐标公式即可得到修正后的y坐标y
it
'。
[0066]
8、利用各分段点的坐标随时间的变化数据对隧道的整体变形情况进行监测和预警。
[0067]
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。