一种高精度计算抛石块体在水中漂移路径的方法技术

本发明专利技术公开了一种高精度计算抛石块体在水中漂移路径的方法，包括：获取抛石块体入水前的初始位置坐标；将抛石块体移至水面，使其以自由落体运动落入水下，获取抛石块体入水后至着床过程中的粗略位置坐标；采用流速、水深双约束算法对粗略位置坐标进行优化，得到高精度位置坐标；判断抛石块体是否着床；根据高精度位置坐标绘制抛石块体在水中漂移路径。本发明专利技术能够准确计算抛石块体入水后的漂移路径，进一步计算抛石块体着床位置，提高抛石护岸施工技术的效率以及精确度。技术的效率以及精确度。技术的效率以及精确度。

【技术实现步骤摘要】
一种高精度计算抛石块体在水中漂移路径的方法


[0001]本专利技术涉及河道整治工程、航道整治工程领域，具体涉及一种高精度计算抛石块体在水中漂移路径的方法。

技术介绍

[0002]长江易发生崩岸，对于崩岸的防治，一般是采取直接的防护措施.这就是护岸工程。抛石护岸历史悠久，在世界各条大江大河护岸工程中应用最为普遍。抛石护岸应用最多，积累经验较丰富，具有就地取材，施工和维护简单，可分期施工、逐年加固，造价低，在坡面变形(沉降或水、浪冲刷所致)时能自动调整和自动弥合等优点，且具有一定的抗水流、波浪和船行波冲刷的能力。以往在各种水流、边界条件下均使用过，护岸效果较好。
[0003]抛石护岸技术也有其不足之处，即抛石块体落点不易掌握，造成浪费，且经常达不到预期的护岸效果，故抛石块体漂移是影响抛石护岸实际工程效果的关键因素之一。抛石块体漂移是一个多因素影响的复杂问题，其受环境影响较为明显，既有一定的规律性，又呈现一定的随机性，目前虽有各种理论公式，但各类理论公式均基于水槽试验推导，没有实际工程抛石块体漂移数据支撑，尚难得到精确漂距估算公式，导致抛石护岸效果达不到预期。此外，现有的检测设备分辨率较低，功能单一，抛石在水流作用下着床位置不易确定，抛石过程中无法获取抛石的着床形态并及时修复。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种高精度计算抛石块体在水中漂移路径的方法，该方法能够准确计算抛石块体入水后的漂移路径，进一步计算抛石块体着床位置，提高抛石护岸施工技术的效率以及精确度。
>[0005]本专利技术方法包括如下步骤：
[0006]步骤1：获取抛石块体入水前的初始位置坐标；
[0007]步骤2：将抛石块体移至水面，使其以自由落体运动落入水下，获取抛石块体入水后至着床过程中的粗略位置坐标；
[0008]步骤3：采用流速、水深双约束算法对粗略位置坐标进行优化，得到高精度位置坐标；
[0009]步骤4：判断抛石块体是否着床(判断抛石块体的着床位置，为抛石施工船的精确定位提供指导)；
[0010]步骤5：根据高精度位置坐标绘制抛石块体在水中漂移路径。
[0011]步骤1中，采用RTK方式获取抛石块体入水前的初始位置坐标为S0＝(X0,Y0,Z0)
T
，
[0012]其中，S0为抛石块体初始位置在WGS84坐标系中的坐标值，X0为抛石块体初始位置在WGS84坐标系中的X轴坐标值(X轴指向国际时间服务机构定义的零度子午面和协议地球极赤道的交点)，Z0为抛石块体初始位置在WGS84坐标系中的Z轴坐标值(Z轴指向国际协议原点)，Y0为抛石块体初始位置在WGS84坐标系中的Y轴坐标值(Y轴与X、Z轴构成右手坐标
系)；RTK为实时差分定位，采用RTK方式获取抛石块体入水前的初始位置坐标时，船体和抛石块体保持静止，且抛石块体要置于船舱外，六轴传感器与抛石块体固定相连，并将六轴传感器的X轴指向地球东方向，Y轴指向地球北方向，Z轴指向竖直向上方向。
[0013]所述六轴传感器与抛石块体固定相连，是指将六轴传感器与单块石固定连接，或者将六轴传感器与网兜块石整体固定连接。
[0014]步骤2中，获取抛石块体入水后至着床过程中的粗略位置坐标S
′
由初始位置S0与相对于初始位置的粗略位移变化量ΔS之和得到，ΔS包括三个轴方向上的粗略位移变化量(ΔX,ΔY,ΔZ)
T
。T表示矩阵转置。
[0015]进一步的，粗略位移变化量ΔS可采用六轴传感器采集的数据解算，包括如下步骤：将六轴传感器与抛石块体固定连接，抛石块体入水后，六轴传感器按照固定频率持续采集传感器三轴加速度a
′
＝(a
′
x
,a
′
y
,a
′
z
,)
T
和角速度ω
′
＝(ω
′
x
,ω
′
y
,ω
′
z,)
T
；T表示矩阵转置。
[0016]其中a
′
x
为六轴传感器X轴线加速度，a
′
y
为六轴传感器Y轴线加速度，a
′
z
为六轴传感器Z轴线加速度；ω
′
x
为六轴传感器X轴角速度，ω
′
y
为六轴传感器Y轴角速度，ω
′
z
为六轴传感器Z轴角速度；
[0017]采用方向余弦矩阵将六轴传感器三轴加速度变换到大地坐标系，方向余弦矩阵如下式所示：
[0018][0019]六轴传感器三轴加速度变化值转换至WGS84坐标系中后的值记为a：
[0020][0021]其中，a
x
为六轴传感器加速度值变换至WGS84坐标系中X轴上的线加速度，a
y
为六轴传感器加速度值变换至WGS84坐标系中Y轴上的线加速度，a
z
为六轴传感器加速度值变换至WGS84坐标系中Z轴上的线加速度；
[0022]抛石块体粗略位置坐标S
′
即为：
[0023][0024][0025]其中，X
′
t
表示t时刻抛石块体在WGS84坐标系中的X坐标值，Y
′
t
表示t时刻抛石块体在WGS84坐标系中的Y坐标值，Z
′
t
表示t时刻抛石块体在WGS84坐标系的Z坐标值，ΔS表示粗略位移变化量。
[0026]传感器采集的数据所在坐标系为传感器自身坐标系，将传感器数据转换到WGS84坐标下，通过航位推算算法，解算粗略位移变化量ΔS。
[0027]所述固定采集频率可设置为1Hz、10Hz、50Hz等，优选地，采集频率设置为10Hz。
[0028]所述传感器数据由传感器自身坐标系转换到WGS84坐标系可采用方向余弦矩阵进行变换，方向余弦矩阵由ω计算而得，即：变换后
[0029]步骤3中，流速、水深双约束是指用流速数据、抛石在水中漂移过程各时刻的水深数据对块石粗略位置坐标进行优化。水压传感器、河流流速测量设备与六轴传感器固定连接。入水后水压传感器不断采集水压数据，水压数据通过解算得到水深数据。同时，河流流速测量设备进行实时流速测量。水深数据与流速数据与粗略位置坐标S
′
进行算法融合滤波处理，得到高精度位置坐标S＝(X,Y,Z)
T
。
[0030]优选的，所述河流流速测量设备可采用ADCP；
[0031]所述ADCP为声学多普勒流速剖面仪。
[0032]所述水压采集频率应与上述六轴传感器数据采集频率保持一致。若频率无法保持一致，可采用反距离加权对水深数据进行插值，以实现时间配准；
[0033]所述算法融合滤波处理可以是卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波、无本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高精度计算抛石块体在水中漂移路径的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，获取抛石块体入水前的初始位置坐标；步骤2，将抛石块体移至水面，使其以自由落体运动落入水下，获取抛石块体入水后至着床过程中的粗略位置坐标；步骤3，采用流速、水深双约束算法对粗略位置坐标进行优化，得到高精度位置坐标；步骤4，判断抛石块体是否着床；步骤5，根据高精度位置坐标绘制抛石块体在水中漂移路径。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，采用RTK方式获取抛石块体入水前的初始位置坐标为S0＝(X0,Y0,Z0)
T
，其中，S0为抛石块体初始位置在WGS84坐标系中的坐标值，X0为抛石块体初始位置在WGS84坐标系中的X轴坐标值，Z0为抛石块体初始位置在WGS84坐标系中的Z轴坐标值，Y0为抛石块体初始位置在WGS84坐标系中的Y轴坐标值；RTK为实时差分定位，采用RTK方式获取抛石块体入水前的初始位置坐标时，船体和抛石块体保持静止，且抛石块体要置于船舱外，六轴传感器与抛石块体固定相连，并将六轴传感器的X轴指向地球东方向，Y轴指向地球北方向，Z轴指向竖直向上方向。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述六轴传感器与抛石块体固定相连，是指将六轴传感器与单块石固定连接，或者将六轴传感器与网兜块石整体固定连接。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤2包括：抛石块体入水后，六轴传感器按照固定频率持续采集传感器三轴加速度a
′
＝(a
′
x
,a
′
y
,a
′
z
,)
T
和角速度ω
′
＝(ω
′
x
,ω
′
y
,ω
′
z
,)
T
；其中a
′
x
为六轴传感器X轴线加速度，a
′
y
为六轴传感器Y轴线加速度，a
′
z
为六轴传感器Z轴线加速度；ω
′
x
为六轴传感器X轴角速度，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王茂枚，赵钢，徐毅，高业何敏，陆美凝，纪小敏，袁文秀，陈海峰，朱昊，王刘宇，蔡军，陈楠，
申请(专利权)人：江苏省水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：