1、第 54 卷 第 2 期2 0 2 3 年 2 月人民长江YangtzeiverVol 54，No 2Feb，2023收稿日期:2021 12 02基金项目:贵州省科技计划项目(黔科合基础 ZK 2022 一般 075);国家自然科学基金项目(42067046，42007271)作者简介:丛俊宇，男，硕士研究生，研究方向为滚石灾害防治。E mail:CJYGZU163 com通信作者:梁风，男，讲师，硕士，主要从事地质灾害防治研究工作。E mail:fliang gzu edu cn文章编号:1001 4179(2023)02 0184 07引用本文:丛俊宇，梁风，史文兵，等 基于惯性导航技术
2、的滚石运动特征参数提取研究 J 人民长江，2023，54(2):184 190基于惯性导航技术的滚石运动特征参数提取研究丛 俊 宇1，2，梁风1，2，3，史 文 兵1，2，3，江 兴 元1，2，邹 洪 波4(1 贵州大学 资源与环境工程学院，贵州 贵阳 550025;2 贵州省山地地质灾害防治工程技术研究中心，贵州 贵阳 550025;3 贵州大学 教育部喀斯特地质资源与环境重点实验室，贵州 贵阳 550025;4 贵州省六盘水市自然资源局，贵州 六盘水 553000)摘要:现有研究滚石运动的手段存在设备布设复杂、获取数据单一等不足，在计算时普遍采用滚石轨迹随机分布的计算方法进行模糊化处理，精
3、度较低。为快速准确获取滚石运动特征参数，提出利用惯性导航技术进行研究。介绍了惯性导航技术的基本原理，并通过室内试验对滚石试样运动速度及运动姿态进行解算，将解算结果与高速摄像机拍摄图像进行比较，验证了惯性导航技术的准确性。结果表明:采用惯性导航技术，可快速准确获取滚石在运动过程中的加速度、速度、角速度等特征参数，并能够进一步解算滚石运动姿态及能量变化;碰撞姿态对滚石碰撞过程具有明显影响，碰撞姿态将决定滚石后续运动方向、运动速度及冲击能量的大小。关键词:滚石运动;特征参数;惯性导航技术;运动姿态中图法分类号:TU45文献标志码:ADOI:10 16232/j cnki 1001 4179 2023
4、 02 0280引 言斜坡滚石灾害是山区主要的地质灾害类型之一，具有点多、面广、规模小、暴发性强和致灾严重的特点，且具有极强的随机性，难以准确预测1。在西南山区，受地层岩性和地形地貌的影响，存在大量位于陡立斜坡上的危岩体，极易形成崩塌滚石等地质灾害，严重威胁了公路、隧道、房屋的安全，影响了人民的生产和生活。因此，正确认识滚石运动过程，快速提取运动过程中的相关运动参数，对于预测滚石致灾范围，保障人民生命财产安全有着重要的指导意义。滚石与坡面碰撞过程决定了滚石运动的轨迹及能量变化，但碰撞过程机制复杂2，涉及众多影响因素。为获取较为精确的滚石运动数据，国内外学者针对滚石碰撞开展了一系列的研究。早期赵
5、旭3、杨海清4 等基于运动学原理，提出了滚石运动 4 种模式的运动速度计算公式，并根据经验取值，将相应公式用于实际滚石轨迹的预测，计算得到了滚石最终的运动范围和能量。近年来，越来越多的设备用于滚石运动特征参数的获取，章广成5、叶四桥6 等通过高速摄像机获取的滚石运动过程影像，得到了滚石运动过程中速度变化情况，并分析了不同条件对滚石碰撞恢复系数的影响，为各种条件下恢复系数的取值提供了参考区间。王东坡等7 使用加速度计开展滚石试验，获取滚石下落全程的加速度值，通过计算得到滚石碰撞时冲击力的大小。王壮壮8 则基于双目高速相机的方法，通过视频提取滚石在整个运动中的加速度、速度、位移等变化规律。传统滚石
6、监测方法，要求提前布设监测设备，且对于滚石滚动距离，运动范围有着一定限制。惯性导航技术的民用发展，为地质工作提供了新第 2 期丛俊宇，等:基于惯性导航技术的滚石运动特征参数提取研究的方法，该技术通过采集运动物体运动时加速度和角速度，结合磁场数据校准，获得运动时间段内较为精确的运动特征参数。在滚石地质灾害防治领域，仅有Caviezel 等9 10 进行了初步的研究，设计了适用于滚石运动的惯性导航传感装置并开展了现场试验，获取滚石运动全程的运动特征数据。惯性导航技术在地质或岩土领域的应用目前处于探索阶段，研究成果很少。相较于现有技术设备对滚石运动数据获取的局限性，惯性导航技术能够不受场地条件限制，
7、获取滚石运动全过程精确的运动特征参数和姿态数据，为深入探讨滚石运动机制及影响因素提供了新的研究手段。本文基于惯性导航技术，进行了室内模型试验，初步分析了滚石碰撞姿态对运动过程的影响。1滚石斜坡运动模型试验1 1试验装置采用室内试验，将惯导解算结果与高速摄像机采集结果进行比较，验证惯性导航技术在滚石运动特征参数获取中的可行性。搭建如 1 图所示的试验场地，试验场地包括滚石运动平台，内部数据采集系统和外部数据采集系统。滚石试验平台由斜坡、黏土垫层、挡板 3 部分组成。斜坡为不锈钢板搭设的单面斜坡，高 1 5 m、长 2 6 m，斜面总长3 m，表面光滑，使滚石试样在下滑至斜坡底部时具有一定速度与垫
8、层进行多角度碰撞。黏土垫层取风干后具有一定硬度的黏土，装载于与水平地面成10的木箱中，木箱与斜坡底部呈 40夹角。挡板位于坡面2 m 处，用于在试验开始前阻挡滚石试样下滑。图 1滚石试验装置示意Fig 1Schematic diagram of simulated rockfall test立方体由高强度水泥制样，长、宽为 7 cm，高度为5 cm，重量为 487 5 g。试样上部预留空间，放置惯导传感器，内部数据采集系统由惯性导航装置与立方体滚石试样组成(见图 2)。滚石试样用黑色 PVC 胶带包裹，用于加固惯性导航装置，且黑色利于后期在高速摄像机中成像中识别，准确捕捉滚石试样。图 2内部采
9、集系统Fig 2Internal acquisition system模型试验所用惯性导航传感器由三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、磁力计组成九轴传感器。加速度计能够采集到物体在运动时各方向上的加速度，通过获取的加速度信息，即可初步判定任意时刻物体运动方向及在该方向上的运动速度。陀螺仪是目前常见的用于测量角速度变化的装置，其采集数据多反映物体在运动时自身姿态信息，物体在运动过程中，受科里奥利力的影响，位于陀螺仪中金属片将会在三维坐标系中偏移，后经过计算，表现为各个轴向上的角速度变化。磁力计则是通过获取磁场信息，定位物体所处地理坐标系方位，用于对加速度计和陀螺所取得的数据进行误差修正补偿，以期望获取
10、精确的运动方向。传感器相关参数见表 1。外部数据采集系统采用千眼狼2F04 高速摄像机，可以获得高达 2 000 FPS 帧率的视频影像，用于与传感器获取数据相验证。表 1惯性导航传感器参数Tab 1Parameters of inertial navigation sensor主要模块型号相关参数九轴传感模块JY901采样频率:01 200 Hz加速度量程:16g角速度量程:2000/s蓝牙模块BC307Bluetooth 20传输速率:2 3 Mbps1 2试验设计为初步研究滚石碰撞过程中不同撞击姿态角度对滚石试样后续运动的影响，通过改变初始释放条件，使滚石试样在滑动后，以不同姿态与下部垫
11、层碰撞、弹跳、翻转。由于滚石碰撞过程是其动能损失的主要形式，本文研究包括滚石下滑后与垫层碰撞弹跳及其后581人民长江2023 年续运动全过程。以传感器 y 轴方向指向下滑方向，使滚石在重力作用下滑动并与下方垫层进行碰撞。共完成试验 50次，有效数据 44 组(6 组由于在碰撞后未对传感器校准而没有被有效采集)。选取采集质量较好的 30 组数据进行分析，解算传感器获取的运动数据，提取滚石全程运动速度、滑动阶段摩擦系数、碰撞时角速度及姿态变化情况，分析以不同姿态碰撞后滚石的能量变化，与高速摄像机采集数据进行比较，验证通过惯性导航技术取得数据的合理性及准确性。1 3初始试验数据验证在进行试验之前，需
12、验证传感器获取的原始数据可靠性，保证传感器正常工作。原始数据要满足:传感器获取原始数据需要在其最大量程之内;在水平地面静置时，传感器角速度记录值为零，加速度记录值为 1g(对应重力加速度)。滚石试样在水平地面和斜坡斜面上静置时原始参数如表 2 3 所列。静置时的原始数据表明，传感器所获取数据与实际情况相符，传感器正常工作。表 2水平静置时传感器原始数据Tab 2aw sensor data while put into horizon轴向初始加速度/g初始角速度/(s1)x00y0 010z1 000表 3斜面静置时传感器原始数据Tab 3aw sensor data while put in
13、to incline轴向初始加速度/g初始角速度/(s1)x0 0480y0 6450z0 7680滚石试样静置于水平地面时，在 z 轴方向受 1g 的加速度，与实际重力加速度大小相符。由于所用传感器精度较高，在水平静置时周围轻微震动将会引起微小的加速度变动，表现为记录数据时 y 轴方向具有0 01g的加速度。该加速度较小，在处理数据时可通过滤波处理，对试验结果无影响。由于斜坡与黏土垫层呈 40夹角，滚石试样静置在斜坡斜面上时，其重力加速度将会沿三轴方向分解。沿 y 轴方向，理论计算值应为ay=gsin(1)沿 z 方向:az=gcos(2)式中:g 为重力加速度，ay为 y 方向重力加速度分
14、量，az为 z 方向重力加速度分量，为斜坡与垫层夹角。与理论计算值对比，传感器获取的原始三轴加速度与实际情况相符，能够用于试验。1 4惯性导航数据解算原理及处理流程滚石运动数据处理的基本思路遵循“加速度 速度 位移”的处理流程11，如图 3 所示。图 3惯性导航数据处理流程Fig 3Inertial navigation data processing process惯性导航装置自身坐标系为载体坐标系，在进行数据处理时，首先应通过空间转换矩阵，将传感器获取的载体坐标系下三轴相对数据转换为统一地理坐标系下的三轴绝对数据。进行坐标转换时的转换矩阵可表示为Ctb=p20+p21+p22+p232(p
15、1p2 p0p3)2(p1p3+p0p2)2(p1p2+p0p3)p20 p21+p22 p232(p2p3 p0p1)2(p1p3 p0p2)2(p2p3+p0p1)p20 p21 p22 p23(3)式中:p0、p1、p2、p3为陀螺仪中获取的空间四元数。在三维空间中，载体坐标系下的三轴相对加速度与地理坐标系下的三轴绝对加速度满足:ab=abxabyabz(4)at=ctbab(5)atxatyatz=ctbabxabyabz(6)式中:ab为载体坐标系下的相对加速度，at为地理坐标系下的绝对加速度。以地理坐标系下的绝对加速度对每个采样时间点分别做一次积分和二次积分，即可得到在采样时间段内
16、，滚石在地理坐标系下运动的绝对速度和绝对位移。vtx(t+t)vty(t+t)vtz(t+t)=vtx(t)vty(t)vtz(t)+vtx(t)vty(t)vtz(t)=vtx(t)vty(t)vtz(t)+atxtatytatzt(7)式中:vt为地理坐标系下的绝对速度;t 为惯性导航装置采样时间间隔，传感器采样间隔为 0 005 s。681第 2 期丛俊宇，等:基于惯性导航技术的滚石运动特征参数提取研究根据上述数据解算原理，利用 Matlab 编译解算程序对内部采集系统获取的原始加速度进行解算，并对解算结果进行滤波，获取较为平滑的数据结果，解算所得速度如图 4 所示。图 4滚石运动速度变化过程曲线Fig 4ockfall movement speed change process curve采用相同方法，利用陀螺仪测量得到载体坐标系下的相对角速度，通过转换矩阵转换为地理坐标系下的绝对角速度，即可计算得到采样时间段内三轴空间坐标系中的角度变化量，以此推算滚石在每个采样时间段内的运动姿态情况。2初步试验与数据分析2 1运动姿态及运动特征参数的提取根据统计结果，选取了 3 次不同释放条
