[发明专利]基于惯性测量单元的边坡变形测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及地质测量领域，具体涉及一种基于惯性测量单元的边坡变形测量方法。

背景技术

现有技术中对于边坡变形的测量方案分为非接触式监测和接触式监测两大类，其中非接触式监测方案有：大地测量方法、GNSS(即全球卫星导航系统)监测方法、LiDAR(激光雷达)、InSAR(合成孔径雷达干涉测量)等。

大地测量方法通过全站仪等测量设备对点与点间距离和方位进行测量，建立地面控制网，是变形监测的传统方法；GNSS则通过接收卫星发送的导航定位信号，进行空间后方交会测量后确定地面待测点的三维坐标，再根据坐标值在不同时间的变化来获取绝对位移的变化情况；LiDAR利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面点的三维坐标、反射率和纹理等信息，经内部数据处理，快速重构出被测目标的三维模型及点、线、面、体等几何数据，多期测量将对应的点云数据比较分析后，得到边坡变形情况；InSAR结合合成孔径雷达(SAR)和射电天文干涉技术，通过求取同一地区两幅SAR图像的相位差，获得干涉图像，再根据干涉图的相位值，得出两次成像中微波的路程差，从而计算出目标地区的地形、地貌及表面微小变化。随着监测水平的提升，以上方法的测量精度、自动化程度等方面已大幅提高，但是由于采用非接触观测的方式，受外部因素干扰较大，且时间分辨率有限，若用来作为实时监测手段，具有一定局限性。

除非接触监测方法以外，对边坡的变形监测还包括钻孔倾斜法、多点位移计测量法、光纤传感等接触式变形测量手段，通过探头或光纤等传感元件，感知测点位置位移的变化。此类方法虽不易受外部天气、信号等外部因素干扰，却只能提供一维变形信息，无法全面掌握监测点的空间变化信息。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种基于惯性测量单元的边坡变形测量方法，解决传统技术中的非接触式测量方案受外部因素干扰较大，时间分辨率有限，若用作实时监控手段具有局限性，而接触式测量方案存在的无法全面掌握监测点空间变化信息的问题。

本发明解决上述技术问题所采用的方案是：

基于惯性测量单元的边坡变形测量方法，包括：通过与边坡固定连接的加速度计和陀螺仪测量边坡上的监测点，将测得的加速度和角速度信息解算为边坡的变形速率、位置以及姿态信息，并进行迭代更新，以反映边坡的变形情况，具体为：

a.导入加速度计和陀螺仪测量的实时数据；

b.进行姿态更新，并解得姿态角即各轴向的旋转角θ、φ；若达到预设速度更新时间，则进行速度更新，否则返回继续更新姿态；

c.速度更新后，得到t_m时刻的变形速率v_m；若达到预设位置更新时间，则进行位置更新，否则返回继续更新姿态；

d.位置更新后，得到t_m时刻的变形位置P_m，将所述变形位置P_m与、变形速率v_m以及姿态角θ、φ作为输出结果。

作为进一步优化，步骤a之前还包括步骤：

a0.测量的初始化设置：定义初始变形速率v₀，初始位置P₀，初始姿态矩阵C₀。

作为进一步优化，所述进行姿态更新的方法为：

根据陀螺仪的输出ω求解t_m时刻的姿态矩阵C_m。

作为进一步优化，步骤b中，所述进行速度更新的方法为：

利用姿态矩阵C_m、加速度计输出f及陀螺仪输出ω，求解t_m时刻的变形速率v_m。

作为进一步优化，步骤c中，所述进行位置更新的方法为：

基于t_m-1时刻的位置P_m-1，通过t_m时刻的变形速率v_m和t_m-1时刻的变形速率v_m-1估计发生变化后的监测点位置P_m。

本发明的有益效果是：

采用与边坡直接固定相连的测量传感器作为测量设备，可实时感知边坡上测点的运动姿态、速度、及位置变化，实现对边坡变形情况的完全掌握。甚至在边坡失稳后，仍能继续追踪边坡破坏后的运动情况，有助于进行对滑坡运动规律的后续研究，尤其适用于边坡快速变形阶段，与其他方法相比，具有显著优势。

附图说明

图1为本发明中基于惯性测量单元的边坡变形测量方法流程图；