一种三维形变监测仪扭转角度实时计算及数据补偿的方法与流程
本发明涉及地质灾害预防领域，具体涉及一种三维形变监测仪扭转角度实时计算及数据补偿的方法。
背景技术：
1、在基础设施建设与地质灾害预防领域，重点地区周边的地下土体位移情况是监测的重要内容，为保证安全，一般需要组织人员定期进行监测，但存在效率低、人力成本高、工作安全性差等问题。随着自动化监测技术的不断发展，该类设备可自动测量监测区域的深层土体位移、沉降等参数，能提高测量结果的实时性，降低重点地区的安全风险，其应用场景与应用领域也在不断扩大。
2、阵列式位移计作为目前较为常用的自动化监测传感器，由多节段的刚性传感器节段以及柔性关节首尾相接组成，传感器节段内设置有加速度传感器，通过测量设备在静态放置环境下重力在传感器的三轴上的分量来计算设备当前姿态。由于传感器三轴上的分量的分量存在耦合，现有的阵列式位移计仅能测量当前节段的俯仰角与横滚角，缺少航向角的测量能力。
3、公开号为cn115046523a的专利中公开了一种三维形变监测仪，但是在将多节的三维形变监测仪沿重力方向布设在测量孔时，整条设备容易因安装等因素在柔性关节处产生轴向扭转，如图1所示；受其影响，部分节段传感器的测量结果会与实际情况存在角度偏差，严重影响测量结果的准确性。由于三维形变监测仪基于阵列式位移计研发，在传感器节段中添加了磁传感器来配合四元数等方案计算航向角，所以此方法求解速度慢，且对长期数据的解算效果差，在较大深度的测量时补偿效果较差，难以满足高精度监测需求。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种求解速度快、角度补偿结果精度高的三维形变监测仪扭转角度实时计算及数据补偿的方法。
2、为此，本发明采用以下技术方案：
3、一种三维形变监测仪扭转角度实时计算及数据补偿的方法，包括以下步骤：
4、s1，获取历史数据集：
5、所述历史数据集包括第节段第次的轴加速度、轴加速度、轴加速度、 x轴磁场矢量、 y轴磁场矢量和z轴磁场矢量；其中，，为三维形变监测仪的节段数；
6、s2，利用磁力计数据解算航向扭转角：
7、使用下式计算三维形变监测仪的第节段在第次测量时的航向角：
8、；
9、其中，俯仰角；横滚角；为重力加速度值；
10、通过所述航向角组成的数据集计算航向扭转角，有下式：
11、；
12、其中，为所述三维形变监测仪的第1节段在第次采集数据时的航向角；
13、解算所有的航向扭转角得到第一数据集；
14、s3，利用递推法解算递推扭转角：
15、使用下式计算三维形变监测仪的第节段在第次测量时的递推扭转角：
16、；
17、其中：；；
18、解算所有的递推扭转角，得到第二数据集；当时的和为所述三维形变监测仪各节段设置好后测得的初始加速度；
19、s4，筛选第一数据集中的异常数据：
20、遍历所述第一数据集，当航向扭转角出现、或时，则将其加入异常数据集；
21、s5，构建最终扭转角数据集，包括以下步骤：
22、s51，提取所述异常数据集中航向扭转角的节段数与采集次数，并在所述第二数据集中寻找对应的递推扭转角；
23、若所述对应的递推扭转角满足其与相邻的采集次数或相邻节段的递推扭转角的差值均＜5°，即满足，则进入s52，否则进入s53；
24、s52，使用所述对应的递推扭转角替换第一数据集中对应的航向扭转角，执行s54；
25、s53，解算扭转角偏离程度：
26、通过以下两式计算所述对应的递推扭转角的偏离程度和对应的航向扭转角偏离程度：
27、；
28、；，；
29、用和中的较小值对应的扭转角替换所述第一数据集中的对应的航向扭转角；
30、s54，当所述异常数据集中所有的元素都经步骤s51-s53筛选后，以得到最终扭转角数据集，其中最终扭转角数据集中的数据命名为；
31、s6，对加速度进行扭转角度修正：
32、根据步骤s5得到的最终扭转角数据集，利用下式进行角度补偿：
33、；
34、其中，为节段第次测量的轴加速度值进行角度补偿后的值；为节段第次测量的轴加速度值进行角度补偿后的值；
35、s7，计算形变情况：
36、利用s6得到的和通过多节段累积运算得到当前变形情况。
37、优选的是，步骤s1中所述历史数据集为三维形变监测仪在三到六个月的时间范围内采集的数据。
38、优选的是，步骤s1中所述三维形变监测仪每5分钟~1天采集一次数据。
39、优选的是，s1中的。
40、优选的是，所述三维形变监测仪中包括加速度传感器和磁传感器，所述加速度传感器使用市售的加速度计adxl203；所述磁传感器使用霍尼韦尔(中国)有限公司生产的电子罗盘hmc5983。
41、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
42、1. 本发明的方法通过加速度计数据对磁传感器数据进行复核，并使用递推法获得的扭转角对通过地磁传感器数据计算的扭转角进行补偿，降低了设备长期测量过程中地磁变化对磁传感器以及测量数据的干扰，增加了测量的准确性。
43、2. 本发明中数据推导部分的方法也可用于缺少磁传感器的监测设备，扩大了现有设备的应用范围，提高了测量精度与测量能力。
技术特征：
1.一种三维形变监测仪扭转角度实时计算及数据补偿的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的三维形变监测仪扭转角度实时计算及数据补偿的方法，其特征在于：步骤s1中所述历史数据集为三维形变监测仪在三到六个月的时间范围内采集的数据。
3.根据权利要求1所述的三维形变监测仪扭转角度实时计算及数据补偿的方法，其特征在于：步骤s1中所述三维形变监测仪每5分钟~1天采集一次数据。
4.根据权利要求1所述的三维形变监测仪扭转角度实时计算及数据补偿的方法，其特征在于：s1中的。
5.根据权利要求1所述的三维形变监测仪扭转角度实时计算及数据补偿的方法，其特征在于：所述三维形变监测仪中包括加速度传感器和磁传感器，所述加速度传感器为加速度传感器adxl203；所述磁传感器使用电子罗盘hmc5983。
技术总结
本发明公开了一种三维形变监测仪扭转角度实时计算及数据补偿的方法，包括以下步骤：S1，获取历史数据集；S2，利用磁力计数据解算航向扭转角，S3，利用递推法解算递推扭转角；S4，筛选航向扭转角数据集中的异常数据；S5，构建最终扭转角数据集；S6，对加速度进行扭转角度修正；S7，计算形变情况；本发明通过加速度计数据对磁传感器数据进行复核，并使用递推法获得的扭转角对通过地磁传感器数据计算的扭转角进行补偿，降低设备长期测量过程中地磁变化对磁传感器以及测量数据的干扰，增加了测量的准确性。
技术研发人员：杜杰,薛骐,王杰,洪江华,杨云洋,郭彬,马朝阳,楚灵伟,魏好,王磊,张鹏海,张海龙,欧阳全欢
受保护的技术使用者：中国铁路设计集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23