一種應(yīng)用RTLS與IMU的結(jié)構(gòu)健康在線監(jiān)測(cè)方法與流程
一種應(yīng)用rtls與imu的結(jié)構(gòu)健康在線監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域
1.本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用rtls與 imu的結(jié)構(gòu)健康在線監(jiān)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
2.結(jié)構(gòu)健康在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，目前測(cè)量沉降、滑坡的常規(guī)監(jiān)測(cè)方法有利用遙感衛(wèi)星定位系統(tǒng)的gnss，利用液位變化量的靜力水準(zhǔn)儀，利用光信號(hào)波長(zhǎng)變化的光纖光柵傳感器，利用相干光源的反射進(jìn)行測(cè)距的激光傳感器。其中利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)的gnss受天頂方向遮蓋影響極大，不能在室內(nèi)、隧道內(nèi)作業(yè)，同時(shí)單臺(tái)設(shè)備成本高。精力水準(zhǔn)儀以及光纖光柵測(cè)量準(zhǔn)確度受氣溫影響較大，溫差較大地方會(huì)帶來(lái)較大測(cè)量誤差，同時(shí)精力水準(zhǔn)儀需鋪設(shè)導(dǎo)通管，光纖光柵需鋪設(shè)光纜，不便于在復(fù)雜的環(huán)境中安裝建設(shè)，不便于大批量投入使用，建設(shè)成本可觀。激光測(cè)距來(lái)反饋監(jiān)測(cè)位置點(diǎn)的滑坡，本身測(cè)量穩(wěn)定性受天氣，空氣濕度的影響，并且要求視距測(cè)量完全無(wú)遮擋，此外存在響應(yīng)不及時(shí)的問(wèn)題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
3.本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題之一，提供一種應(yīng)用 rtls與imu的結(jié)構(gòu)健康在線監(jiān)測(cè)方法用于解決至少上述技術(shù)問(wèn)題之一。
4.根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種應(yīng)用rtls與imu的結(jié)構(gòu)健康在線監(jiān)測(cè)方法，其包括以下步驟：
5.s1、建立監(jiān)測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)站，監(jiān)測(cè)點(diǎn)固定在位置不穩(wěn)定的待監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)處的附著物上，基準(zhǔn)站固定在位置相對(duì)固定的附著物上，且基準(zhǔn)站作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的參考對(duì)象，并進(jìn)行批量數(shù)據(jù)處理，其中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)配置了 rtls和imu以及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)器件；
6.s2、通過(guò)配置了rtls和imu的監(jiān)測(cè)點(diǎn)向基準(zhǔn)站同步發(fā)送監(jiān)測(cè)點(diǎn)的姿態(tài)狀態(tài)數(shù)據(jù)以及測(cè)距請(qǐng)求，基于測(cè)距請(qǐng)求或姿態(tài)狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間結(jié)合光速獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)站之間的距離；
7.s3、基于卡爾曼濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)和補(bǔ)償；
8.s4、基于步驟s3校準(zhǔn)和補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行待監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)及安全性評(píng)估。
9.根據(jù)本發(fā)明的以上技術(shù)方案，還可以作出以下改進(jìn)：
10.可選的，所述監(jiān)測(cè)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)器件包括uwb接收機(jī)、陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)，以及若干用于采集結(jié)構(gòu)健康數(shù)據(jù)的傳感器，所述uwb接收機(jī)與傳感器雙向通信連接，所述陀螺儀、加速度計(jì)和磁力計(jì)集成在imu內(nèi)，所述imu與傳感器雙向通信連接。
11.可選的，所述步驟s2包括：
12.s21、監(jiān)測(cè)點(diǎn)首先向基準(zhǔn)站發(fā)出一個(gè)測(cè)距請(qǐng)求的數(shù)據(jù)包，并記錄下發(fā)包時(shí)刻t1，基準(zhǔn)站收到數(shù)據(jù)包后，記下收包時(shí)刻t2；
13.s22、收到數(shù)據(jù)包后，等待一段時(shí)間，記等待時(shí)間為treplyb，在t3時(shí)刻，向監(jiān)測(cè)
點(diǎn)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)數(shù)據(jù)包，監(jiān)測(cè)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包后記下時(shí)刻值t4，其中t3＝t2+treplyb；
14.s23、監(jiān)測(cè)點(diǎn)等待一段時(shí)間，記等待時(shí)間為treplya，在t5時(shí)刻，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)此時(shí)的姿態(tài)相關(guān)的狀態(tài)值，發(fā)送給基準(zhǔn)站，記該時(shí)刻為t6，其中t5＝t4+treplya；
15.s24、計(jì)算電磁波在空中的飛行時(shí)間tprop，
[0016][0017]
其中：
[0018]
rounda＝t4-t1；
[0019]
treplyb＝t3-t2；
[0020]
treplya＝t5-t4；
[0021]
roundb＝t6-t3。
[0022]
可選的，所述步驟s3包括將獲得的監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)站之間的距離值轉(zhuǎn)化為位置坐標(biāo)，將測(cè)得的狀態(tài)值中的偏移量作為狀態(tài)變量，將首次測(cè)距得到的位置坐標(biāo)和姿態(tài)信息作為初始值輸入到卡爾曼濾波算法中，并通過(guò)觀察距離的變化以及姿態(tài)變化來(lái)控制整個(gè)算法的誤差。
[0023]
可選的，所述步驟s3包括：
[0024]
s31、定義i時(shí)刻待測(cè)監(jiān)測(cè)站的狀態(tài)方程與觀測(cè)方程為：
[0025][0026][0027]
和分別表示i時(shí)刻和i-1時(shí)刻的后驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)值，是濾波的結(jié)果之一，即更新后的結(jié)果，也叫最優(yōu)估計(jì)。
[0028]
表示i時(shí)刻的先驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)值，是濾波的中間計(jì)算結(jié)果，即根據(jù)上一時(shí)刻(i-1時(shí)刻)的最優(yōu)估計(jì)預(yù)測(cè)的i時(shí)刻的結(jié)果，是預(yù)測(cè)方程的結(jié)果。
[0029]
pi和p
i-1
分別表示i時(shí)刻和i-1時(shí)刻的后驗(yàn)估計(jì)協(xié)方差(即的協(xié)方差，表示狀態(tài)的不確定度)，是濾波的結(jié)果之一。
[0030]
表示i時(shí)刻的先驗(yàn)估計(jì)協(xié)方差(的協(xié)方差)，是濾波的中間計(jì)算結(jié)果。
[0031]
a表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，實(shí)際上是對(duì)目標(biāo)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的一種猜想模型。例如在機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤中，狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣常常用來(lái)對(duì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)建模，其模型可能為勻速直線運(yùn)動(dòng)或者勻加速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣不符合目標(biāo)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型時(shí)，濾波會(huì)很快發(fā)散。
[0032]
q表示過(guò)程激勵(lì)噪聲協(xié)方差(系統(tǒng)過(guò)程的協(xié)方差)。該參數(shù)被用來(lái)表示狀態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣與實(shí)際過(guò)程之間的誤差。因?yàn)槲覀儫o(wú)法直接觀測(cè)到過(guò)程信號(hào)，所以q的取值是很難確定的。是卡爾曼濾波器用于估計(jì)離散時(shí)間過(guò)程的狀態(tài)變量，也叫預(yù)測(cè)模型本身帶來(lái)的噪聲。狀態(tài)轉(zhuǎn)移協(xié)方差矩陣。
[0033]
b表示將輸入轉(zhuǎn)換為狀態(tài)的矩陣，輸入的狀態(tài)參數(shù)有加速度值，角速度值，磁力傳感器值，速度值以及位移值
[0034]
s32、計(jì)算卡爾曼增益k，然后就可以得到距離的估計(jì)值，
[0035][0036][0037]ki
卡爾曼增益也稱濾波增益矩陣，是濾波的中間計(jì)算結(jié)果，或卡爾曼系數(shù)。
[0038]
h是狀態(tài)變量到測(cè)量(觀測(cè))的轉(zhuǎn)換矩陣，表示將狀態(tài)和觀測(cè)連接起來(lái)的關(guān)系，卡爾曼濾波里為線性關(guān)系，它負(fù)責(zé)將m維的測(cè)量值(角速度值，磁力傳感器值，速度值以及位移值)轉(zhuǎn)換到n維，使之符合狀態(tài)變量的數(shù)學(xué)形式，是濾波的前提條件之一。
[0039]
r測(cè)量噪聲協(xié)方差。濾波器實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，測(cè)量噪聲協(xié)方差r一般可以觀測(cè)得到，是濾波器的已知條件。
[0040]
s33、計(jì)算估計(jì)值和真實(shí)值間的誤差協(xié)方差矩陣，為下一次遞歸做準(zhǔn)備，
[0041]
和后驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)值之間的比較結(jié)果，作為判斷結(jié)構(gòu)健康或不健康的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估依據(jù)。
[0042]
本發(fā)明提供一種應(yīng)用rtls與imu的結(jié)構(gòu)健康在線監(jiān)測(cè)方法，具有以下有益效果：該方法支持全天候作業(yè)，相比當(dāng)前的其他技術(shù)手段，本發(fā)明采用的方法所形成的產(chǎn)品在建設(shè)成本與維護(hù)成本上較其他技術(shù)方案都相對(duì)都較為明顯的成本優(yōu)勢(shì)，適合大批量產(chǎn)品投放。同時(shí)所形成的產(chǎn)品功耗低，特別是監(jiān)測(cè)站可以利用便攜式電池進(jìn)行供電驅(qū)動(dòng)，可用于維護(hù)難度較大安裝條件苛刻的區(qū)域投放，并長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作使用。同時(shí)通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，免于線纜管道鋪設(shè)，穩(wěn)定性較好。相比機(jī)械式拉繩傳感器，不受機(jī)械疲勞使用年限的影響，不受高低溫，溫濕度環(huán)境干擾等特點(diǎn)。
附圖說(shuō)明
[0043]
圖1為本發(fā)明提供的一種應(yīng)用rtls與imu的結(jié)構(gòu)健康在線監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)站之間的數(shù)據(jù)包發(fā)送及接收時(shí)刻示意圖。
[0044]
圖2為本發(fā)明提供的一種應(yīng)用rtls與imu的結(jié)構(gòu)健康在線監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)站之間的距離變化示意圖。
[0045]
圖3為本發(fā)明提供的一種應(yīng)用rtls與imu的結(jié)構(gòu)健康在線監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的原理框架示意圖。
具體實(shí)施方式
[0046]
下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0047]
在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0048]
在本發(fā)明的描述中，除非另有規(guī)定和限定，需要說(shuō)明的是，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是機(jī)械連接或電連接，也可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通，可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)的具體含義。
[0049]
如圖1和圖2所示：
[0050]
本實(shí)施例提供了一種應(yīng)用rtls與imu的結(jié)構(gòu)健康在線監(jiān)測(cè)方法，其包括以下步驟：s1、建立監(jiān)測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)站，監(jiān)測(cè)點(diǎn)固定在位置不穩(wěn)定的待監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)處的附著物上，基準(zhǔn)站固定在位置相對(duì)固定的附著物上，且基準(zhǔn)站作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的參考對(duì)象，并進(jìn)行批量數(shù)據(jù)處理，其中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)配置了rtls和imu以及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)器件；
[0051]
s2、通過(guò)配置了rtls和imu的監(jiān)測(cè)點(diǎn)向基準(zhǔn)站同步發(fā)送監(jiān)測(cè)點(diǎn)的姿態(tài)狀態(tài)數(shù)據(jù)以及測(cè)距請(qǐng)求，基于測(cè)距請(qǐng)求或姿態(tài)狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間結(jié)合光速獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)站之間的距離；
[0052]
s3、基于卡爾曼濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)和補(bǔ)償；
[0053]
s4、基于步驟s3校準(zhǔn)和補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行待監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)及安全性評(píng)估。
[0054]
可以理解的是，在本實(shí)施例中，該方法支持全天候作業(yè)，相比當(dāng)前的其他技術(shù)手段，本發(fā)明采用的方法所形成的產(chǎn)品在建設(shè)成本與維護(hù)成本上較其他技術(shù)方案都相對(duì)都較為明顯的成本優(yōu)勢(shì)，適合大批量產(chǎn)品投放。同時(shí)所形成的產(chǎn)品功耗低，特別是監(jiān)測(cè)站可以利用便攜式電池進(jìn)行供電驅(qū)動(dòng)，可用于維護(hù)難度較大安裝條件苛刻的區(qū)域投放，并長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作使用。同時(shí)通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，免于線纜管道鋪設(shè)，穩(wěn)定性較好。相比機(jī)械式拉繩傳感器，不受機(jī)械疲勞使用年限的影響，不受高低溫，溫濕度環(huán)境干擾等特點(diǎn)。
[0055]
具體的，實(shí)施例利用了超寬帶rtls實(shí)時(shí)時(shí)定位系統(tǒng)以及imu 慣性導(dǎo)航技術(shù)的融合方法。該方法用于實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)健康安全。利用超寬帶脈沖無(wú)線信號(hào)對(duì)信道衰落不敏感、發(fā)射信號(hào)功率譜密度低、低截獲能力、系統(tǒng)復(fù)雜度低等特點(diǎn)，不斷的通過(guò)皮秒級(jí)超窄無(wú)線脈沖，在基準(zhǔn)站與監(jiān)測(cè)站之間的空間相對(duì)位置進(jìn)行精確測(cè)量。監(jiān)測(cè)站與基準(zhǔn)站之間，通過(guò)各自內(nèi)置的mems高精度加速度計(jì)陀螺儀以及磁力計(jì)，利用無(wú)線脈沖建立的數(shù)據(jù)傳輸通道，脈沖信號(hào)將攜帶監(jiān)測(cè)站的空間姿態(tài)參數(shù)值同步到該時(shí)刻基準(zhǔn)站上，對(duì)比基準(zhǔn)站與與監(jiān)測(cè)站的姿態(tài)的變化，有效動(dòng)態(tài)反饋了監(jiān)測(cè)點(diǎn)的移動(dòng)軌跡與姿態(tài)。利用監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)站之間的相對(duì)距離與加速度、角速度以及磁力變化規(guī)律，以及后期數(shù)據(jù)處理以及趨勢(shì)分析，可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)滑坡形變的安全性能評(píng)估。
[0056]
利用空間實(shí)時(shí)定位以及姿態(tài)的數(shù)據(jù)融合遞歸分析校準(zhǔn)分析，數(shù)據(jù)建模，更大程度地提取了可用信息，通過(guò)卡爾曼濾波，逐步減少高斯誤差，實(shí)現(xiàn)位置與狀態(tài)的估計(jì)，從而獲得各個(gè)方向上的趨勢(shì)位移。得到準(zhǔn)確的滑坡、形變、位移與幅度變化。
[0057]
作為一種可選的實(shí)施例方式，所述監(jiān)測(cè)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)器件包括uwb接收機(jī)、陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)，以及若干用于采集結(jié)構(gòu)健康數(shù)據(jù)的傳感器，所述uwb接收機(jī)與傳感器雙向通信連接，所述陀螺儀、加速度計(jì)和磁力計(jì)集成在imu內(nèi)，所述imu與傳感器雙向通信連接。
[0058]
可以理解的是，如圖3所示，傳感器融合表示多傳感器融合在一起，用于通過(guò)傳感器采集各類型的所需數(shù)據(jù)，主要用于采集環(huán)境參數(shù)，以及結(jié)構(gòu)健康所需的其他數(shù)據(jù)信息。
[0059]
作為一種可選的實(shí)施例方式，所述步驟s2包括：
[0060]
s21、監(jiān)測(cè)點(diǎn)首先向基準(zhǔn)站發(fā)出一個(gè)測(cè)距請(qǐng)求的數(shù)據(jù)包，并記錄下發(fā)包時(shí)刻t1，基準(zhǔn)站收到數(shù)據(jù)包后，記下收包時(shí)刻t2；
[0061]
s22、收到數(shù)據(jù)包后，等待一段時(shí)間，記等待時(shí)間為treplyb，在t3時(shí)刻，向監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)數(shù)據(jù)包，監(jiān)測(cè)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包后記下時(shí)刻值t4，其中t3＝t2+treplyb；
[0062]
s23、監(jiān)測(cè)點(diǎn)等待一段時(shí)間，記等待時(shí)間為treplya，在t5時(shí)刻，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)此時(shí)的姿態(tài)相關(guān)的狀態(tài)值，發(fā)送給基準(zhǔn)站，記該時(shí)刻為t6，其中t5＝t4+treplya；
[0063]
s24、計(jì)算電磁波在空中的飛行時(shí)間tprop，
[0064][0065]
其中：
[0066]
rounda＝t4-t1；
[0067]
treplyb＝t3-t2；
[0068]
treplya＝t5-t4；
[0069]
roundb＝t6-t3。
[0070]
可以理解的是，本實(shí)施例涉及的方法，有如下兩個(gè)角，監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)站。監(jiān)測(cè)點(diǎn)是安裝在不穩(wěn)定段的配備了rtls與imu融合方法的產(chǎn)品；基準(zhǔn)站是安裝在相對(duì)固定不動(dòng)的產(chǎn)品，作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的參考，以及作為批量數(shù)據(jù)的處理單元。具體方法如下：
[0071]
利用超寬帶實(shí)現(xiàn)rtls實(shí)時(shí)時(shí)定位系統(tǒng)，也就是計(jì)算無(wú)線電磁波傳輸時(shí)間，通過(guò)傳輸?shù)臅r(shí)間換算成距離。
[0072]
ask for ranging
[0073]
監(jiān)測(cè)點(diǎn)首先向基準(zhǔn)站發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)包請(qǐng)求測(cè)距，并記錄下發(fā)包時(shí)刻t1，基準(zhǔn)站收到數(shù)據(jù)包后，記下收包時(shí)刻t2；
[0074]
respond for ask
[0075]
之后基準(zhǔn)站等待treplyb時(shí)刻，在t3(t3＝t2+treplyb)時(shí)刻，向監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)數(shù)據(jù)包，監(jiān)測(cè)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包后記下時(shí)刻值t4；
[0076]
my status
[0077]
監(jiān)測(cè)點(diǎn)等待treplya時(shí)刻，在t5(t5＝t4+treplya)時(shí)刻，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)此時(shí)的mems姿態(tài)相關(guān)的狀態(tài)值，發(fā)送給基準(zhǔn)站，幾下時(shí)刻t6。
[0078]
然后可以算出電磁波在空中的飛行時(shí)間tprop，飛行時(shí)間乘以光速即為兩個(gè)設(shè)備間的距離。
[0079][0080]
其中：
[0081]
rounda＝t4-t1；
[0082]
treplyb＝t3-t2；
[0083]
treplya＝t5-t4；
[0084]
roundb＝t6-t3。
[0085]
作為一種可選的實(shí)施例方式，所述步驟s3包括將獲得的監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)站之間的距
離值轉(zhuǎn)化為位置坐標(biāo)，將測(cè)得的狀態(tài)值中的偏移量作為狀態(tài)變量，將首次測(cè)距得到的位置坐標(biāo)和姿態(tài)信息作為初始值輸入到卡爾曼濾波算法中，并通過(guò)觀察距離的變化以及姿態(tài)變化來(lái)控制整個(gè)算法的誤差。
[0086]
所述步驟s3包括：
[0087]
s31、定義i時(shí)刻待測(cè)監(jiān)測(cè)站的狀態(tài)方程與觀測(cè)方程為：
[0088][0089][0090]
和分別表示i時(shí)刻和i-1時(shí)刻的后驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)值，是濾波的結(jié)果之一，即更新后的結(jié)果，也叫最優(yōu)估計(jì)。
[0091]
表示i時(shí)刻的先驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)值，是濾波的中間計(jì)算結(jié)果，即根據(jù)上一時(shí)刻(i-1時(shí)刻)的最優(yōu)估計(jì)預(yù)測(cè)的i時(shí)刻的結(jié)果，是預(yù)測(cè)方程的結(jié)果。
[0092]
pi和p
i-1
分別表示i時(shí)刻和i-1時(shí)刻的后驗(yàn)估計(jì)協(xié)方差(即的協(xié)方差，表示狀態(tài)的不確定度)，是濾波的結(jié)果之一。
[0093]
表示i時(shí)刻的先驗(yàn)估計(jì)協(xié)方差(的協(xié)方差)，是濾波的中間計(jì)算結(jié)果。
[0094]
a表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，實(shí)際上是對(duì)目標(biāo)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的一種猜想模型。例如在機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤中，狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣常常用來(lái)對(duì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)建模，其模型可能為勻速直線運(yùn)動(dòng)或者勻加速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣不符合目標(biāo)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型時(shí)，濾波會(huì)很快發(fā)散。
[0095]
q表示過(guò)程激勵(lì)噪聲協(xié)方差(系統(tǒng)過(guò)程的協(xié)方差)。該參數(shù)被用來(lái)表示狀態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣與實(shí)際過(guò)程之間的誤差。因?yàn)槲覀儫o(wú)法直接觀測(cè)到過(guò)程信號(hào)，所以q的取值是很難確定的。是卡爾曼濾波器用于估計(jì)離散時(shí)間過(guò)程的狀態(tài)變量，也叫預(yù)測(cè)模型本身帶來(lái)的噪聲。狀態(tài)轉(zhuǎn)移協(xié)方差矩陣。
[0096]
b表示將輸入轉(zhuǎn)換為狀態(tài)的矩陣，輸入的狀態(tài)參數(shù)有加速度值，角速度值，磁力傳感器值，速度值以及位移值。
[0097]
s32、計(jì)算卡爾曼增益k，然后就可以得到距離的估計(jì)值，
[0098][0099][0100]ki
卡爾曼增益也稱濾波增益矩陣，是濾波的中間計(jì)算結(jié)果，或卡爾曼系數(shù)。
[0101]
h是狀態(tài)變量到測(cè)量(觀測(cè))的轉(zhuǎn)換矩陣，表示將狀態(tài)和觀測(cè)連接起來(lái)的關(guān)系，卡爾曼濾波里為線性關(guān)系，它負(fù)責(zé)將m維的測(cè)量值 (角速度值，磁力傳感器值，速度值以及位移值)轉(zhuǎn)換到n維，使之符合狀態(tài)變量的數(shù)學(xué)形式，是濾波的前提條件之一。
[0102]
r測(cè)量噪聲協(xié)方差。濾波器實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，測(cè)量噪聲協(xié)方差r一般可以觀測(cè)得到，是濾波器的已知條件。
[0103]
s33、計(jì)算估計(jì)值和真實(shí)值間的誤差協(xié)方差矩陣，為下一次遞歸做準(zhǔn)備，
[0104]
和后驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)值之間的比較結(jié)果，作為判斷結(jié)構(gòu)健康或不健康的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估依據(jù)。
[0105]
本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)明白，本發(fā)明的實(shí)施例可提供為方法、系統(tǒng)、或計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。因此，本發(fā)明可采用完全硬件實(shí)施例、完全軟件實(shí)施例、或結(jié)合軟件和硬件方面的實(shí)施例的形式。而且，本發(fā)明可采用在一個(gè)或多個(gè)其中包含有計(jì)算機(jī)可用程序代碼的計(jì)算機(jī)可用存儲(chǔ)介質(zhì)(包括但不限于磁盤存儲(chǔ)器、cd-rom、光學(xué)存儲(chǔ)器等)上實(shí)施的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的形式。
[0106]
本發(fā)明是參照根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法、設(shè)備(系統(tǒng))、和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的流程圖和/或方框圖來(lái)描述。應(yīng)理解可由計(jì)算機(jī)程序指令實(shí)現(xiàn)流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結(jié)合。可提供這些計(jì)算機(jī)程序指令到通用計(jì)算機(jī)、專用計(jì)算機(jī)、嵌入式計(jì)算機(jī)或者其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器以產(chǎn)生一個(gè)機(jī)器，使得通過(guò)計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器執(zhí)行的指令產(chǎn)生用于實(shí)現(xiàn)在流程圖一個(gè)流程或多個(gè)流程和/或方框圖一個(gè)方框或多個(gè)方框中指定的功能的裝置。
[0107]
這些計(jì)算機(jī)程序指令也可存儲(chǔ)在能引導(dǎo)計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備以特定方式工作的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器中，使得存儲(chǔ)在該計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器中的指令產(chǎn)生包括指令裝置的制造品，該指令裝置實(shí)現(xiàn)在流程圖一個(gè)流程或多個(gè)流程和/或方框圖一個(gè)方框或多個(gè)方框中指定的功能。
[0108]
這些計(jì)算機(jī)程序指令也可裝載到計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備上，使得在計(jì)算機(jī)或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行一系列操作步驟以產(chǎn)生計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的處理，從而在計(jì)算機(jī)或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行的指令提供用于實(shí)現(xiàn)在流程圖一個(gè)流程或多個(gè)流程和/或方框圖一個(gè)方框或多個(gè)方框中指定的功能的步驟。
[0109]
盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造概念，則可對(duì)這些實(shí)施例作出另外的變更和修改。所以，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實(shí)施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。
[0110]
顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本實(shí)用新型也意圖包括這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
技術(shù)特征：
1.一種應(yīng)用rtls與imu的結(jié)構(gòu)健康在線監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，其包括以下步驟：s1、建立監(jiān)測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)站，監(jiān)測(cè)點(diǎn)固定在位置不穩(wěn)定的待監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)處的附著物上，基準(zhǔn)站固定在位置相對(duì)固定的附著物上，且基準(zhǔn)站作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的參考對(duì)象，并進(jìn)行批量數(shù)據(jù)處理，其中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)配置了rtls和imu以及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)器件；s2、通過(guò)配置了rtls和imu的監(jiān)測(cè)點(diǎn)向基準(zhǔn)站同步發(fā)送監(jiān)測(cè)點(diǎn)的姿態(tài)狀態(tài)數(shù)據(jù)以及測(cè)距請(qǐng)求，基于測(cè)距請(qǐng)求或姿態(tài)狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間結(jié)合光速獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)站之間的距離；s3、基于卡爾曼濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)和補(bǔ)償；s4、基于步驟s3校準(zhǔn)和補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行待監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)及安全性評(píng)估。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用rtsl和imu的結(jié)構(gòu)健康在線監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述監(jiān)測(cè)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)器件包括uwb接收機(jī)、陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)，以及若干用于采集結(jié)構(gòu)健康數(shù)據(jù)的傳感器，所述uwb接收機(jī)與傳感器雙向通信連接，所述陀螺儀、加速度計(jì)和磁力計(jì)集成在imu內(nèi)，所述imu與傳感器雙向通信連接。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種應(yīng)用rtsl和imu的結(jié)構(gòu)健康在線監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟s2包括：s21、監(jiān)測(cè)點(diǎn)首先向基準(zhǔn)站發(fā)出一個(gè)測(cè)距請(qǐng)求的數(shù)據(jù)包，并記錄下發(fā)包時(shí)刻t1，基準(zhǔn)站收到數(shù)據(jù)包后，記下收包時(shí)刻t2；s22、收到數(shù)據(jù)包后，等待一段時(shí)間，記等待時(shí)間為treplyb，在t3時(shí)刻，向監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)數(shù)據(jù)包，監(jiān)測(cè)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包后記下時(shí)刻值t4，其中t3＝t2+treplyb；s23、監(jiān)測(cè)點(diǎn)等待一段時(shí)間，記等待時(shí)間為treplya，在t5時(shí)刻，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)此時(shí)的姿態(tài)相關(guān)的狀態(tài)值，發(fā)送給基準(zhǔn)站，記該時(shí)刻為t6，其中t5＝t4+treplya；s24、計(jì)算電磁波在空中的飛行時(shí)間tprop，其中：rounda＝t4-t1；treplyb＝t3-t2；treplya＝t5-t4；roundb＝t6-t3。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種應(yīng)用rtsl和imu的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟s3包括將獲得的監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)站之間的距離值轉(zhuǎn)化為位置坐標(biāo)，將測(cè)得的狀態(tài)值中的偏移量作為狀態(tài)變量，將首次測(cè)距得到的位置坐標(biāo)和姿態(tài)信息作為初始值輸入到卡爾曼濾波算法中，并通過(guò)觀察距離的變化以及姿態(tài)變化來(lái)控制整個(gè)算法的誤差。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述逇一種應(yīng)用rtsl和imu的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟s3包括：s31、定義i時(shí)刻待測(cè)監(jiān)測(cè)站的狀態(tài)方程與觀測(cè)方程為：s31、定義i時(shí)刻待測(cè)監(jiān)測(cè)站的狀態(tài)方程與觀測(cè)方程為：
和分別表示i時(shí)刻和i-1時(shí)刻的后驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)值；表示i時(shí)刻的先驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)值，即根據(jù)上一時(shí)刻的最優(yōu)估計(jì)預(yù)測(cè)的i時(shí)刻的結(jié)果；p
i
和p
i-1
分別表示i時(shí)刻和i-1時(shí)刻的后驗(yàn)估計(jì)協(xié)方差；p
i
表示i時(shí)刻的先驗(yàn)估計(jì)協(xié)方差；a表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，q表示過(guò)程激勵(lì)噪聲協(xié)方差，b表示將輸入轉(zhuǎn)換為狀態(tài)的矩陣；s32、計(jì)算卡爾曼增益k，然后就可以得到距離的估計(jì)值，s32、計(jì)算卡爾曼增益k，然后就可以得到距離的估計(jì)值，k
i
卡爾曼增益也稱濾波增益矩陣；h是狀態(tài)變量到測(cè)量的轉(zhuǎn)換矩陣，表示將狀態(tài)和觀測(cè)連接起來(lái)的關(guān)系，卡爾曼濾波里為線性關(guān)系；r測(cè)量噪聲協(xié)方差；s33、計(jì)算估計(jì)值和真實(shí)值間的誤差協(xié)方差矩陣，為下一次遞歸做準(zhǔn)備，將和后驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)值之間的比較結(jié)果，作為判斷結(jié)構(gòu)健康或不健康的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估依據(jù)。
技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種應(yīng)用RTLS與IMU的結(jié)構(gòu)健康在線監(jiān)測(cè)方法，其包括以下步驟：S1、建立監(jiān)測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)站，監(jiān)測(cè)點(diǎn)配置了RTLS和IMU以及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)器件；S2、通過(guò)配置了RTLS和IMU的監(jiān)測(cè)點(diǎn)向基準(zhǔn)站同步發(fā)送監(jiān)測(cè)點(diǎn)的姿態(tài)狀態(tài)數(shù)據(jù)以及測(cè)距請(qǐng)求，基于測(cè)距請(qǐng)求或姿態(tài)狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間結(jié)合光速獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)站之間的距離；S3、基于卡爾曼濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)和補(bǔ)償；S4、基于步驟S3校準(zhǔn)和補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行待監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)及安全性評(píng)估。本發(fā)明采用的方法適合大批量產(chǎn)品投放，可用于維護(hù)難度較大安裝條件苛刻的區(qū)域投放，并長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作使用。同時(shí)通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，免于線纜管道鋪設(shè)，穩(wěn)定性較好。穩(wěn)定性較好。穩(wěn)定性較好。
