水槽泥石流实验巨石运移姿态检测系统设计

发布时间：2020-05-15 04:00

【摘要】：泥石流爆发过程中,由浆体裹挟的巨石所引发的冲撞是其强大破坏力的主要来源。许多地质学家通过水槽实验对巨石启动和运移进行观察,认为巨石的启动和运移形式与泥石流浆体有直接关系。虽然这些研究有相应的理论模型,但缺乏巨石姿态实测数据的支撑。受四川省国土资源厅科学研究计划项目资助,本文旨在借鉴航姿参考系统设计,开发一套用于水槽泥石流实验的巨石姿态检测系统。首先,调研了巨石运动规律研究的主要方法和国内外航姿参考系统产品的性能指标。基于巨石运动理论研究,通过巨石姿态描述、姿态更新方法对比以及数据融合算法研究,为后续姿态解算奠定基础。此外,从巨石姿态检测的需求出发,提出了巨石姿态检测系统设计指标和总体设计方案。其次,开展元器件选型并基于MEMS低成本姿态传感器设计了具有多冗余、无线收发和本地存储功等功能的姿态板。同时建立MEMS姿态传感器误差模型,以提高传感器测量精度。再次,基于ARM微控制器完成FreeRTOS操作系统移植,继而开发了芯片驱动、传感器数据同步采集、传感器冗余故障检测隔离、姿态解算算法、无线通信和Micro SD卡存储的程序;基于PC机开发了具备巨石模型3D实时可视化、姿态传感器故障报告、姿态数据显示等功能的上位机软件。最后,通过姿态传感器标定补偿实验,实现了传感器测量精度的提升;通过三轴转台测试,巨石姿态检测系统静态精度满足横滚角、俯仰角误差均方根小于0.2°,航向角小于0.5°的设计指标;通过飞行对比试验,巨石姿态检测系统动态精度达到了俯仰角、横滚角误差均方根小于2.5°的设计指标,具备良好的姿态跟随性。水槽实验中,通过巨石姿态检测系统获取的姿态数据和摄像机录像多位置比对,表明设计的巨石姿态检测系统能够较为准确地反映巨石运移中真实姿态变化过程。本文结尾对所做的研究工作进行归纳总结,提出了下一步的改进方向。
【图文】：

泥石流,破坏形式,冲击破坏

成都理工大学专业硕士学位论文环境研究所和成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室等单位。为保障人民群众财产和生命安全，973 计划还在 2011 年启动了“中国西部特大山洪泥石流灾害形成机理与风险分析的项目研究”。1.1.2 选题来源及研究意义泥石流是不透明的固液两相流，它的破坏性主要表现形式有淤埋破坏、摩擦破坏和冲击破坏。其中淤埋破坏和冲击破坏这两种破坏方式最为严重，如图 1-1：

工业级,硬件

1.2.2 国内外航姿参考系统研发现状不同应用场合对 AHRS 的精度和可靠性要求不同。精度和可靠性越高的AHRS 性能就越好，相应的售价也越高。针对用途和售价，一般市场上能接触到的 AHRS 可大致分为工业级和商业级。在工业级 AHRS 产品中，国际知名度较高的有 XSENS 公司 MTi 系列（荷兰）、iMAR 公司的 iNAT 系列（德国）、SBG公司 Ellipse/Ekinox 系列（法国）、Sensonor 公司 STIM 系列（挪威）以及 inertiallabs 公司的 AHRS-10 系列（美国）。当然，在国内也有一些同类型产品。比如无锡北微 BW-AH 系列、深圳瑞芬科技 AH 系列、北京耐威时代公司 NVAH 系列。但是国内 AHRS 产品没有一个统一的行业标准，很难对精度指标和可靠性做出定性的判断。因此在需要高精度姿态测量的场合，，使用国产 AHRS 的相对较少。本文调研并选择四款具有代表性的工业级 AHRS 产品来对比。这四款产品单价均在两万元以上，硬件外观和型号如图 1-2 所示：
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P642.23

【参考文献】