一种涡旋波/IMU融合的建筑形变监测方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了基于涡旋波系统实时获取建筑物的形变参数信息；使用IMU系统实时采集陀螺仪及加速度信息，进行位置、速度、姿态解算；并基于涡旋波系统和IMU系统经分数阶卡尔曼滤波器模型计算监测建筑的位置形变信息并对涡旋波系统输出的位置信息进行校正。从而克服了传统采用GNSS信号定位时，在信号传输过程中受到大气延时误差以及多路径等误差影响，能够最大可能减少通信信息利用率的损耗及传输信号受外界因素的影响，较好的实现建筑形变监测。较好的实现建筑形变监测。较好的实现建筑形变监测。

【技术实现步骤摘要】
一种涡旋波/IMU融合的建筑形变监测方法及系统


[0001]本专利技术涉及变形监测领域，具体涉及一种涡旋波/IMU融合的建筑形变监测方法及系统。

技术介绍

[0002]惯性测量单元(Inertial measurement unit，简称IMU)是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。现有IMU用于建筑物的变形监测技术常用的与GNSS进行融合的变形监测一体化，由于GNSS信号在传输过程中受到大气延时误差以及多路径等误差影响，从而给融合监测结果受到影响。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于能够克服现有技术存在的基站资源利用率低，通信信息开销量大，传播信号受其他信号干扰等问题，提出了一种高精度的实时快速涡旋波与IMU融合变形监测方法。
[0004]根据本专利技术实施例的一个方面，提供一种涡旋波/IMU融合的建筑形变监测方法，包括，
[0005]S100基于涡旋波系统实时获取建筑物的位置信息；
[0006]S200使用IMU系统实时采集陀螺仪及加速度信息，进行位置、速度、姿态解算；
[0007]S300基于涡旋波系统和IMU系统经分数阶卡尔曼滤波器模型计算监测建筑的位置形变信息并对涡旋波定位系统输出的位置信息进行校正。
[0008]所述涡旋波系统包括涡旋波发射器和涡旋波接收器，所述涡旋波发射器发射涡旋波信号，所述涡旋波接收器用于接收多个携带反射相位信息的涡旋波反射回波信号，以获取所述涡旋波接收器的距离，并根据空间交会原理，实时获取涡旋波接收器的位置信息，以得到建筑物的形变参数信息。
[0009]在一些实施方案中，所述涡旋波系统至少包括4个涡旋波发射器，1个涡旋波接收器。
[0010]在一些实施方案中，所述涡旋波发射器数量大于4，所述IMU系统包括多个IMU组成的MEMS IMU阵列，有助于提高低成本IMU位姿测量精度。
[0011]通过所述IMU系统输出加速度和陀螺仪信息，使用误差补偿算法进行数据处理，建筑物模态因子进行约束，消除位姿估算误差，由姿态矩阵将建筑物的加速度和陀螺仪信息变换到地理坐标系，求取姿态角，利用最小二乘法进行多项式拟合，得到建筑物的变形曲线。
[0012]在一些实施方案中，所述IMU系统与所述涡旋波系统输出数据对应于同一时刻，两系统采用统一的时间坐标。
[0013]步骤S300包括：
[0014]S310根据IMU动态误差模型建立变形监测状态方程，利用涡旋波和IMU位置速度误
差建立量测方程；
[0015]S320根据所述涡旋波系统及IMU系统观测量及观测方程求取当前新息及量测残差值；
[0016]S330根据当前所述量测残差值求取滑动窗口长度；
[0017]S340依据所述滑动窗口长度大小计算新息均值，对所述涡旋波量测信号噪声协方差进行实时计算；
[0018]S350根据所述噪声协方差调节滤波增益，进行位移解算。
[0019]所述计算方法基于Grunwald
‑
Letnikov分数阶微分定义推导分数阶滤波器模型建立方程。
[0020]根据本专利技术实施例的另一方面，提供一种涡旋波/IMU融合的建筑形变监测系统，包括，涡旋波系统、IMU系统和控制单元，其中，所述涡旋波系统包括涡旋波发射器和涡旋波接收器，所述IMU系统实时采集陀螺仪及加速度信息，所述控制单元基于所述涡旋波系统和所述IMU系统所采集的信息进行前述涡旋波/IMU融合的建筑形变监测方法的解算，并基于计算结果反馈校正涡旋波系统结果得出建筑物变形信息。
[0021]所述涡旋波信号发射器包括电磁波源、透镜、同轴计算全息图和准光学望远镜，所述电磁波源置于所述透镜前焦平面，发出毫米波电磁波束，所述透镜实施对所述电磁波束进行傅立叶变换，所述同轴计算全息图放置于所述透镜的后焦平面之后，紧贴所述后焦平面的位置，由空间光调制器显示，所述准光学望远镜，对所述电磁波束进行扩束准直。
[0022]从而，本专利技术应用涡旋波/IMU融合的建筑形变监测方法，极大地改善了传统GNSS与IMU融合方法中的GNSS信号传输误差带来的问题，能够最大可能减少通信信息利用率的损耗及传输信号受外界因素的影响，较好的实现建筑形变监测。
附图说明
[0023]为了更清楚地说明本专利技术的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
[0024]图1为本专利技术一种涡旋波/IMU融合建筑形变监测方法示意图；
[0025]图2为一种IMU系统进行位置、速度、姿态解算方法示意图；
[0026]图3为本专利技术一种涡旋波/IMU分数阶卡尔曼滤波融合方法示意图；
[0027]图4为本专利技术一种涡旋波/IMU融合的建筑形变监测方法计算反馈关系示意图。
具体实施方式
[0028]下面将结合本专利技术实施例中附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0029]根据本专利技术实施例的一个方面，提供一种涡旋波/IMU融合的建筑形变监测方法，如图1所示，主要包括如下步骤：
[0030]S100基于涡旋波系统实时获取建筑物的位置信息。
[0031]涡旋波系统包括涡旋波发射器和涡旋波接收器，涡旋波接收器用于接收多个携带
反射相位信息的涡旋波信号，以获取涡旋波接收器的距离，根据空间交会原理，实时获取涡旋波接收器的位置信息，即得到建筑物的形变参数信息。
[0032]以高层建筑物为例，涡旋波/IMU融合变形监测设备布设在建筑物顶部，即涡旋波接收器亦布设在建筑物顶部，在距离建筑物100
‑
300m水平距离的位置布设多台涡旋波发射器基站，实时测得每一个涡旋波发射器与涡旋波接收器之间的距离，并记录传输的时间，计算时间差，利用空间交会原理，计算布设建筑物顶部的涡旋波接收器位置变化情况。
[0033]其中，涡旋波系统主要由涡旋波发射器和涡旋波接收器组成，涡旋波发射器的位置已知，涡旋波接收器位于建筑物的变形观测节点上，在建筑物变形监测中属于位置未知状态。涡旋波发射器向涡旋波接收器依照某频率发射具有初始相位信息的毫米波涡旋波信号，涡旋波接收器获取携带反射相位信息的涡旋波信号，进行移相处理，并对多个移相结果信息求和得到信号幅值，获得每一个涡旋波发射器与涡旋波接收器之间的距离，利用空间交会原理，获取位置信息。
[0034]由于涡旋波发射器的位置精确可知，在观测中，我们可得到涡旋波发射器到涡旋波接收器的距离，利用空间交会原理，利用3个涡旋波发射器，就可以组成3个方程式，解出涡旋波接收器的位置(X,Y,Z)，即建筑物的形变参数信息。考虑到涡旋波发射器的时钟与涡旋波接收器之间的误差，实际上有4个未知本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种涡旋波/IMU融合的建筑形变监测方法，其特征在于，包括，S100基于涡旋波系统实时获取建筑物的位置信息；S200使用IMU系统实时采集陀螺仪及加速度信息，进行位置、速度、姿态解算；S300基于涡旋波系统和IMU系统经分数阶卡尔曼滤波器模型计算监测建筑的位置形变信息并对涡旋波定位系统输出的位置信息进行校正。2.如权利要求1所述的涡旋波/IMU融合的建筑形变监测方法，其特征在于，所述涡旋波系统包括涡旋波发射器和涡旋波接收器，所述涡旋波发射器发射涡旋波信号，所述涡旋波接收器用于接收多个携带反射相位信息的涡旋波信号，以获取所述涡旋波接收器的距离，并根据空间交会原理，实时获取涡旋波接收器的位置信息，以得到建筑物的形变参数信息。3.如权利要求2所述的涡旋波/IMU融合的建筑形变监测方法，其特征在于，所述涡旋波系统至少包括4个涡旋波发射器，1个涡旋波接收器。4.如权利要求2所述的涡旋波/IMU融合的建筑形变监测方法，其特征在于，所述涡旋波发射器数量大于4，所述IMU系统包括多个IMU组成的MEMSIMU阵列。5.如权利要求1所述的涡旋波/IMU融合的建筑形变监测方法，其特征在于，通过所述IMU系统输出加速度和陀螺仪信息，使用误差补偿算法进行数据处理，建筑物模态因子进行约束，消除位姿估算误差，由姿态矩阵将建筑物的加速度和陀螺仪信息变换到地理坐标系，求取姿态角，利用最小二乘法进行多项式拟合，得到建筑物的变形曲线。6.如权利要求1所述的涡旋波/IMU融合的建筑形变监测方法，其特征在于，所述IMU系统与所述涡旋波系统输出数据对应于同一时刻，两系统采用统一的时间坐标。7.如权利要求1
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6任一项所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王坚，赵佳星，黎芳，韩厚增，
申请(专利权)人：北京建筑大学，
类型：发明
国别省市：