本發(fā)明涉及一種泥石流模擬實(shí)驗(yàn)的滾石姿態(tài)采集裝置。
背景技術(shù)：
：泥石流是山區(qū)特有的一種攜帶大量泥砂、礫石和巨礫等固定物質(zhì)的快速運(yùn)移的特殊自然現(xiàn)象。粗砂顆粒在漿體浮力的作用下可以穩(wěn)定的懸浮于漿體之中，更加粗大的礫石因?yàn)榱胶唾|(zhì)量的懸殊，在快速泥石流中，會(huì)表現(xiàn)出不同的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。近年來(lái)泥石流災(zāi)害在我國(guó)相繼發(fā)生，嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)鼐用竦纳?cái)產(chǎn)安全。泥石流中的滾石(巨礫)不但對(duì)泥石流本身的運(yùn)動(dòng)過(guò)程有著直接的影響，并且也是泥石流破壞的主要因素之一，因此研究滾石在泥石流中的動(dòng)力學(xué)作用對(duì)于防災(zāi)減災(zāi)有著重大的意義。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于泥石流中大顆粒的運(yùn)移研究，主要集中于大顆粒的運(yùn)移特征的機(jī)理。采用數(shù)值仿真模型開(kāi)展研究是為了將來(lái)在野外情況下探究石塊是如何啟動(dòng)的，它的動(dòng)力因素是什么。研究泥石流崩塌過(guò)程中滾石的姿態(tài)，可以相對(duì)的了解滾石的撞擊力，從而為攔擋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。目前，已有研究者基于角動(dòng)量、動(dòng)量守恒原理建立了適用于模擬泥石流中大顆粒運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模型方程。也有科學(xué)家在水槽中進(jìn)行泥石流模擬試驗(yàn)，通過(guò)掃描和超聲設(shè)備測(cè)得流體的高度和速度，通過(guò)電阻應(yīng)變計(jì)采集泥石流的沖擊信號(hào)，但迄今為止尚無(wú)針對(duì)泥石流中滾石(巨礫)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的專用測(cè)量設(shè)備，對(duì)泥石流中滾石的研究仍采用數(shù)值模型仿真的方式進(jìn)行。近年來(lái)，在泥石流災(zāi)害研究中已使用傳感器，但主要是采用在流體的不同深度安裝三個(gè)傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泥石流的沖擊力。這種方式的缺點(diǎn)是只能宏觀的掌握泥石流的主要移運(yùn)規(guī)律，如果想要更加精確的了解泥石流中滾石的移運(yùn)規(guī)律，則需要獲得滾石的姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)滾石在泥石流中的動(dòng)態(tài)姿態(tài)數(shù)據(jù)，可以掌握在不同漿體濃度、不同粒度的泥石流中不同形狀和尺寸的滾石的移運(yùn)規(guī)律，從而可分析變量因子對(duì)滾石啟動(dòng)和搬運(yùn)規(guī)律的影響。由此產(chǎn)生本發(fā)明技術(shù)方案。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種用于泥石流模擬實(shí)驗(yàn)中的滾石姿態(tài)采集裝置，該系統(tǒng)能獲取泥石流中滾石在滑落過(guò)程中的姿態(tài)變化數(shù)據(jù)，從而通過(guò)對(duì)滾石姿態(tài)變化過(guò)程的還原，進(jìn)一步了解泥石流中滾石的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。本發(fā)明提供的用于泥石流模擬實(shí)驗(yàn)的滾石姿態(tài)采集裝置，包括電源模塊、姿態(tài)采集模塊、姿態(tài)解析模塊、控制模塊和存儲(chǔ)模塊，所述電源模塊用于向姿態(tài)采集模塊、姿態(tài)解析模塊、控制模塊和存儲(chǔ)模塊供電，控制模塊用于控制姿態(tài)采集模塊、姿態(tài)解析模塊和存儲(chǔ)模塊，所述姿態(tài)解析模塊分別與姿態(tài)采集模塊和存儲(chǔ)模塊連接，將姿態(tài)采集模塊采集到的滾石姿態(tài)數(shù)據(jù)解析后傳輸至存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)；上述電源模塊、姿態(tài)采集模塊、姿態(tài)解析模塊、控制模塊和存儲(chǔ)模塊封裝在殼體內(nèi)，殼體上設(shè)有充電接口和存儲(chǔ)模塊接口，使用時(shí)殼體與滾石固定連接。上述電源模塊包括可充電鋰電池、充電電壓轉(zhuǎn)換部分和供電電壓轉(zhuǎn)換部分，充電電壓轉(zhuǎn)換部分實(shí)現(xiàn)外部直流電對(duì)內(nèi)置鋰電池的充電，充電接口采用USB接口；供電電壓轉(zhuǎn)換電路可將內(nèi)置鋰電池電壓轉(zhuǎn)換為3.3v標(biāo)準(zhǔn)電壓供其它模塊使用。上述姿態(tài)采集模塊包括三軸陀螺儀傳感器和三軸重力加速度傳感器，或集成了三軸陀螺儀傳感器和三軸重力加速度傳感器的MPU6050芯片。三軸陀螺儀傳感器測(cè)量滾石在三維坐標(biāo)軸各軸方向上的角速度分量，三軸重力加速度傳感器測(cè)量滾石在三維坐標(biāo)軸各軸方向上的重力加速度分量。通過(guò)對(duì)重力加速度各分量的計(jì)算可獲得滾石靜態(tài)的姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)滾石角速度各分量的積分可得到滾石各時(shí)刻沿各軸的姿態(tài)角數(shù)據(jù)。由于陀螺儀傳感器長(zhǎng)時(shí)間工作后有較大的漂移，無(wú)法正確的確定滾石姿態(tài)，而重力加速度傳感器無(wú)法對(duì)動(dòng)態(tài)滾石的姿態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，所以本發(fā)明還包括姿態(tài)解析模塊，姿態(tài)解析模塊通過(guò)燒寫(xiě)在芯片上的程序?qū)θS陀螺儀傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，并根據(jù)三軸陀螺儀傳感器和三軸重力加速度傳感器的數(shù)據(jù)解算出滾石的實(shí)時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)。上述控制模塊包括主控芯片、按鍵控制部分和工作狀態(tài)指示部分。控制芯片獲取按鍵輸入的采集、暫停、停止等相關(guān)電平脈沖指令，并控制姿態(tài)采集模塊進(jìn)行采集，將采集到的姿態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)解析模塊解析后以二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳輸至存儲(chǔ)模塊，并通過(guò)LED燈對(duì)采集、暫停、停止三種工作狀態(tài)進(jìn)行指示。上述存儲(chǔ)模塊采用FAT32存儲(chǔ)系統(tǒng)的存儲(chǔ)卡。FAT32存儲(chǔ)系統(tǒng)能將獲取的二進(jìn)制姿態(tài)數(shù)據(jù)以FAT32格式實(shí)時(shí)的存入至存儲(chǔ)卡進(jìn)行保存，并同時(shí)存儲(chǔ)角速度信息和重力加速度信息。采集工作結(jié)束后，通過(guò)普通的讀卡器就能對(duì)存儲(chǔ)卡中包含的姿態(tài)、角速度、重力加速信息的文件進(jìn)行讀取。本發(fā)明的工作過(guò)程如下：(1)泥石流模擬實(shí)驗(yàn)前，先將已充電的姿態(tài)采集裝置用螺釘固定在滾石模型腔體內(nèi)，并通過(guò)按鍵啟動(dòng)姿態(tài)采集裝置。姿態(tài)采集裝置上電后需先保持靜止約10秒鐘，然后姿態(tài)采集裝置進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)(消除陀螺零漂)，通過(guò)工作指示燈確認(rèn)姿態(tài)采集裝置是否正常工作，工作正常后密封滾石模型；(2)泥石流從水槽上方沿著水槽往下傾瀉，滾石模型受到?jīng)_擊開(kāi)始沿著水槽向下移動(dòng)并轉(zhuǎn)動(dòng),姿態(tài)采集裝置自動(dòng)記錄滾石姿態(tài)數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)于姿態(tài)采集裝置的存儲(chǔ)卡中；(3)泥石流模擬實(shí)驗(yàn)完成后，開(kāi)啟滾石模型，通過(guò)指示燈觀察采集裝置是否正常工作，然后通過(guò)按鍵停止采集，用讀卡器將存儲(chǔ)卡中的對(duì)應(yīng)文件拷貝至計(jì)算機(jī)；(4)通過(guò)計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件將包含滾石姿態(tài)的二進(jìn)制原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為字符型的固定格式數(shù)據(jù)，再將轉(zhuǎn)化后的姿態(tài)數(shù)據(jù)導(dǎo)入姿態(tài)動(dòng)態(tài)展示軟件完成對(duì)滾石運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的動(dòng)畫(huà)展示。本發(fā)明能獲取泥石流中滾石在滑落過(guò)程中的姿態(tài)變化數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)滾石姿態(tài)變化過(guò)程的還原，可進(jìn)一步了解泥石流中滾石的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和沖擊破壞強(qiáng)度，從而為滾石攔擋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明的外觀結(jié)構(gòu)主視圖。圖2為本發(fā)明的外觀結(jié)構(gòu)俯視圖圖3為本發(fā)明的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。圖4為本發(fā)明分析處理軟件的執(zhí)行流程框圖。圖中：1—外殼2—電源模塊3—姿態(tài)采集模塊4—姿態(tài)解析模塊5—控制模塊6—存儲(chǔ)模塊11—USB充電接口12—TF卡接口13—工作狀態(tài)指示燈14—開(kāi)關(guān)15—按鍵16—安裝孔具體實(shí)施方式如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明包括外殼1及安裝在外殼1內(nèi)的電源模塊2、姿態(tài)采集模塊3、姿態(tài)解析模塊4、控制模塊5和存儲(chǔ)模塊6，外殼1上設(shè)有USB充電接口11、TIF卡接口12、工作狀態(tài)指示燈13、開(kāi)關(guān)14、按鍵15和安裝孔16，使用時(shí)外殼1通過(guò)螺釘固定在滾石的凹腔內(nèi)。所述電源模塊2包括可充電鋰電池、充電電壓轉(zhuǎn)換部分和供電電壓轉(zhuǎn)換部分，本實(shí)施例中可充電鋰電池采用可充電單芯鋰電池，標(biāo)稱電壓是3.7v，終止充電電壓是4.2v，標(biāo)稱容量2000mAh，并具有電源保護(hù)功能。充電部分采用TP4056-1A鋰電池專用充電板，該充電板充電精度高，充電電流可達(dá)1A，能進(jìn)行快速充電并具備過(guò)充保護(hù)。供電電壓轉(zhuǎn)換部分通過(guò)電容與IN4148并聯(lián)電路進(jìn)行穩(wěn)壓、降壓輸出3.3v標(biāo)準(zhǔn)電壓，以供姿態(tài)采集裝置內(nèi)的各模塊使用。電源模塊2通過(guò)殼體1上的USB充電接口11與外部通用充電器進(jìn)行連接。本實(shí)施例中姿態(tài)采集模塊采用的傳感器為集成了三軸MEMS陀螺儀和三軸MEMS重力加速度計(jì)的六軸陀螺加速度MPU6050芯片，MPU-6050芯片將采集的角速度和重力加速度模擬量數(shù)據(jù)通過(guò)16位的ADC轉(zhuǎn)化為數(shù)字量數(shù)據(jù)，并通過(guò)IIC接口傳輸給姿態(tài)解析模塊4。姿態(tài)解析模塊4采用嵌入式STM32F051芯片，芯片上燒寫(xiě)有動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波算法程序和捷聯(lián)慣導(dǎo)算法程序，動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波算法程序?qū)撬俣群椭亓铀俣葦?shù)據(jù)進(jìn)行降噪和校正(消除漂移)處理，捷聯(lián)慣導(dǎo)算法程序根據(jù)角速度與重力加速度數(shù)據(jù)解算出滾石的實(shí)時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)(姿態(tài)角)，所述控制模塊5包括主控芯片、按鍵控制部分和工作狀態(tài)指示部分，主控芯片采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32位微控制器STM32F103，主控芯片通過(guò)串行接口與姿態(tài)采集模塊3、姿態(tài)解析模塊4和存儲(chǔ)模塊6連接。按鍵控制部分為設(shè)于外殼1上的開(kāi)關(guān)14和按鍵15。工作狀態(tài)指示部分為設(shè)于外殼1上的工作狀態(tài)指示燈13，指示燈13采用LED發(fā)光二極管。工作時(shí)，控制模塊5響應(yīng)外部按鍵觸發(fā)指令，控制姿態(tài)采集模塊3以每秒100次的采樣速率獲取滾石角速度與重力加速度數(shù)據(jù)，并控制姿態(tài)解析模塊4解算出實(shí)時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)后將獲取的姿態(tài)數(shù)據(jù)以二進(jìn)制FAT32文件格式存儲(chǔ)至TF卡內(nèi)。本實(shí)施例中存儲(chǔ)模塊6采用TF卡，TF卡的讀寫(xiě)可采用SDIO或SPI兩種操作模式，本發(fā)明采用SDIO模式，SDIO模式采用4線連接，能獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。數(shù)據(jù)儲(chǔ)存格式采用二進(jìn)制格式，能有效減少數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量，模塊6采用FAT32標(biāo)準(zhǔn)文件格式保存數(shù)據(jù)，F(xiàn)AT32格式的文件能直接被計(jì)算機(jī)讀取，方便數(shù)據(jù)的提取。實(shí)驗(yàn)完成后，用讀卡器將存儲(chǔ)卡中的對(duì)應(yīng)文件拷貝至計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)內(nèi)置有包括數(shù)據(jù)預(yù)處理部分和姿態(tài)動(dòng)態(tài)展示部分的分析處理軟件，軟件的執(zhí)行過(guò)程如圖4所示，其中數(shù)據(jù)預(yù)處理部分采用C#語(yǔ)言編寫(xiě)，軟件采用windows窗體結(jié)構(gòu)使用圖形化界面導(dǎo)入原始數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)的二進(jìn)制存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如下表所示：二進(jìn)制采用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)圖0x550x51AxLAxHAyLAyHAzLAzHTLTHCrc10x550x52WxLWxHWyLWyHWzLWzHTLTHCrc20x550x53RLRHPLPHYLYHTLTHCrc3其中第一行為代表加速度的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、第二行為角速度的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、第三行為姿態(tài)角的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。將原始二進(jìn)制格式數(shù)據(jù)以時(shí)間軸為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行逐行轉(zhuǎn)化，通過(guò)程序?qū)⒍M(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為字符型數(shù)據(jù)代碼，其中采集數(shù)據(jù)以字符型的浮點(diǎn)數(shù)表示，獲取字符型格式的姿態(tài)數(shù)據(jù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)流的形式將字符型數(shù)據(jù)導(dǎo)出至指定的文本文件。導(dǎo)出文件的具體格式如下表所示：原始二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)姿態(tài)動(dòng)態(tài)展示部分采用MATLAB語(yǔ)言編寫(xiě)，該部分讀取數(shù)據(jù)中的時(shí)間序號(hào)和姿態(tài)角數(shù)據(jù)，通過(guò)程序建立虛擬三維空間，同時(shí)在虛擬三維空間內(nèi)建立標(biāo)準(zhǔn)的立方體滾石模型，虛擬的立方體基于時(shí)間軸數(shù)據(jù)以不同的姿態(tài)角進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，由此實(shí)現(xiàn)滾石姿態(tài)變換的動(dòng)態(tài)展示，動(dòng)畫(huà)導(dǎo)出部分實(shí)現(xiàn)將單獨(dú)的幀動(dòng)畫(huà)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的視頻AVI格式文件輸出。以上所述僅是本發(fā)明較好的實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何基于本發(fā)明的方案和構(gòu)思進(jìn)行的改進(jìn)和替換都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3