CN103267527A - 一种实现杆塔稳固性监测和预警的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现杆塔稳固性监测和预警的系统，包括电源模块、数据采集及处理模块和远程终端；电源模块为数据采集及处理模块供电；数据采集及处理模块采集杆塔的旋转角速度数据和加速度数据，并对旋转角速度数据和加速度数据进行时间同步，再对已同步的数据进行数据滤波和融合处理，再对处理后的数据进行积分计算，得到杆塔的状态信息，并将状态信息传输至远程终端；远程终端存储和分析状态信息，并实现预警。对应该系统，本发明还给出了一种实现杆塔稳固性监测和预警的方法。本发明结构简单、成本低、适用范围广，其采用加速度计和陀螺仪的数据滤波与融合，有效抑制了加速度计和陀螺仪误差对测量精度的影响，拓展了惯性测量系统的应用领域。

Description

一种实现杆塔稳固性监测和预警的系统及方法

技术领域

本发明涉及输电、通信等领域的杆塔稳固性监测技术，特别是涉及一种基于陀螺仪和加速度计组成的惯性测量单元实现杆塔稳固性监测和预警的系统及方法。

背景技术

随着国民经济的发展，电力、通信网络的覆盖面积越来越广,输电线路和通信网络中都要大量使用铁杆/铁塔作支撑，才能保证人民群众对电能和通信的基本需求。而近年来，一些自然现象（如雨雪、大风等）以及煤矿开采、工程施工、地质灾害、人为破坏等原因，造成杆、塔发生物理状态的变化，例如水平位移、垂直度、扭曲度等发生变化，引起，杆、塔倾斜，铁杆/铁塔倾斜经常会造成电能和通信网络中断，严重的将引起倒杆、倒塔事件。这些情况都将影响国民的正常生活，严重影响着社会经济的发展，因此对于杆塔的实时监测显得尤为重要。由于输电杆塔、通信杆塔大都分布在野外，若采用传统人员巡视的方法监测将耗费大量人力物力，而且实施可靠程度难以保证。针对这一情况，采用基于陀螺仪和加速度计构成相应的惯性测量单元对杆塔的实时监测的是非常必要的。

陀螺仪是一种用来测量与维持方向的装置，它基于角动量守恒原理设计。陀螺仪旋转时，由于转子的角动量，陀螺仪抗拒方向改变，形成一个趋势，这个趋势就体现在各个方向上的量的变化。陀螺仪的作用是用来测量角速度信号，通过对角速度积分，便能得到角度值。加速度计是一种能够监测物体加速度的元件，能够监测常规结构的高频振动，它能够输出与加速度成正比的模拟电压信号，不仅可测量静态加速度，还可以测量动态加速度，不受环境、无线电干扰的影响，具有低功耗、高频率的特点。

当系统处于变速运动时，由于加速度计同时受到重力加速度和系统自身加速度的影响，其返回值是重力加速度同系统自身加速度的矢量和。出于对加速度计温度漂移及系统振动和机械噪声等方面的考虑，加速度计不能独立用于测量系统的姿态。陀螺仪能够提供瞬时的动态角度变化，由于其自身的固有特性、温度计积分过程的影响，它会随着工作时间的延长产生漂移误差。因此，单独使用陀螺仪或加速度计，都不能提供系统位置和姿态的可靠估计。加速度计和陀螺仪的噪声具有各自的特点，为了克服这一问题，本发明提出了一种使用数据融合算法对陀螺仪测量得到的角速度数据和加速度计测量得到的数据进行滤波和融合，从而实现对杆塔的稳固性监测和预警的系统及方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于陀螺仪和加速度计的实现杆塔稳固性监测和预警的系统及方法，用于解决现有技术中不易实现对杆塔稳固性进行实时监测与预警的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种实现杆塔稳固性监测和预警的系统，包括电源模块、数据采集及处理模块和远程终端；

所述电源模块，其与所述数据采集及处理模块连接，用于为所述数据采集及处理模块供电；

所述数据采集及处理模块，其与所述远程终端相连，用于采集杆塔的旋转角速度数据和加速度数据，并对旋转角速度数据和加速度数据进行时间同步，再对已同步的旋转角速度数据和加速度数据进行数据滤波和融合处理，再对经滤波和融合后的旋转角速度数据和加速度数据进行积分计算，得到杆塔的状态信息，并将状态信息传输至所述远程终端；

所述远程终端，其用于存储和分析状态信息，并根据分析结果实现预警。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述数据采集及处理模块包括陀螺仪、加速度计、主控制模块和无线传输模块；

所述陀螺仪，其输出端与所述主控制模块的输入端相连，用于采集旋转角速度数据，并将旋转角速度数据传输至所述主控制模块；

所述加速度计，其输出端与所述主控制模块的输入端相连，用于采集加速度数据，并将所述加速度数据传输至所述主控制模块；

所述主控制模块，其输出端与所述无线传输模块相连，用于对加速度数据和旋转角速度数据进行时间同步，并对已同步的旋转角速度数据和加速度数据进行数据滤波和融合处理，再对经滤波和融合后的旋转角速度数据和加速度数据进行积分计算，得到并输出杆塔的状态信息；

所述无线传输模块，其用于将所述主控制模块输出的状态信息传送至所述远程终端。

进一步，所述陀螺仪为MEMS三轴陀螺仪，用于测量三个轴向的旋转角速度数据；所述加速度计为MEMS三轴加速度计，用于测量三个轴向的加速度数据。

进一步，所述主控制模块包括数据同步模块和数据滤波及融合模块；

所述数据同步模块，用于对旋转角速度数据和加速度数据进行时间同步，并将获得的同步数据传输给所述数据滤波及融合模块；

所述数据滤波及融合模块，用于根据数据滤波与融合算法处理已同步的旋转角速度数据和加速度数据，再对经滤波和融合后的旋转角速度数据和加速度数据进行积分计算，得到杆塔的状态信息。

同时，本发明还相应地给出了一种实现杆塔稳固性监测和预警的方法，具体包括：

步骤1，采集杆塔的加速度数据和旋转角速度数据；

步骤2，对旋转角速度数据和加速度数据进行时间同步，再对已同步的旋转角速度数据和加速度数据进行数据滤波和融合处理；

步骤3，对经滤波和融合后的旋转角速度数据和加速度数据进行积分计算，得到杆塔的状态信息，并将状态信息传输至远程终端；

步骤4，远程终端存储和分析状态信息，并根据分析结果实现预警。

对于该技术方案，本发明也还可以做如下改进。

进一步，所述步骤1中利用基于MEMS技术的三轴陀螺仪采集旋转角速度数据，且利用基于MEMS技术的三轴加速度计采集加速度数据。

进一步，所述步骤2中利用单片机技术对加速度数据和旋转角速度数据进行时间同步和对已同步的旋转角速度数据和加速度数据进行数据滤波和融合处理。

进一步，对已同步的旋转角速度数据和加速度数据进行数据融合处理具体包括：依据上一时刻的重力矢量方向的估计值，结合陀螺仪测得的旋转角速度值计算当前时刻的重力矢量方向，再与当前时刻加速度计返回的矢量方向进行加权平均，得到当前矢量方向的最优估计值。

进一步，所述步骤3中利用单片机技术对经滤波和融合后的旋转角速度数据和加速度数据进行积分计算，且通过无线传输的方式将状态信息传输至远程终端。

进一步，所述步骤3和步骤4中的状态信息包括杆塔的位置信息、速度信息和/或姿态信息。

本发明的有益效果是：主要有以下几个方面：

一、具有结构简单、成本低、适用范围广等优点。由于采用了加速度计和陀螺仪的数据滤波与融合，加速度计和陀螺仪误差对测量精度的影响被有效地抑制,拓展了惯性测量系统新的应用领域。

二、陀螺仪用于测量方向，加速度计用于测量位移，两者结合起来就可以直接测量物体运动的矢量，再利用单片机技术将陀螺仪数据和加速度计数据进行时间同步，并对数据进行滤波和融合计算获得高精度的稳固性监测信息，克服了使用单一传感器时各自的缺陷，并利用现代无线通信技术进行数据传输，实现电力、通信杆塔远程实时监控。

三、基于MEMS技术的陀螺仪和加速度计结合的杆塔稳固性监测和预警系统具有成本低、耗能低、体积小、自动化程度高的特点，能够应用在地形复杂、自然条件恶劣、常规手段难以到达、难以维护的地方。

四、由陀螺仪和加速度计组成的惯性测量单元，不需要从杆塔中传送信号或者从外部接收信号，不受环境及无线电干扰的影响，能连续地提供杆塔位置、速度和姿态等状态参数，其数据更新效率快、量程较大，且具有较高的精度。

附图说明

图1为本发明所述实现杆塔稳固性监测和预警的系统的结构示意图；

图2为本发明实施例一所述系统的工作流程图；

图3为本发明所述实现杆塔稳固性监测和预警的方法的流程示意图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、电源模块，2、数据采集及处理模块，3、远程终端，4、陀螺仪，5、加速度计，6、主控制模块，7、无线传输模块，8、数据同步模块，9、数据滤波及融合模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，本实施例给出了一种基于陀螺仪和加速度计组成的惯性测量单元的杆塔稳固性监测和预警系统，包括电源模块1、数据采集及处理模块2和远程终端3；

所述电源模块1，其与所述数据采集及处理模块2连接，用于为所述数据采集及处理模块2供电；

所述数据采集及处理模块2，其与所述远程终端3相连，用于采集杆塔的旋转角速度数据和加速度数据，并对旋转角速度数据和加速度数据进行时间同步，再对已同步的旋转角速度数据和加速度数据进行数据滤波和融合处理，再对经滤波和融合后的旋转角速度数据和加速度数据进行积分计算，得到杆塔的状态信息，并将状态信息传输至所述远程终端3；

所述远程终端3，其用于存储和分析状态信息，并根据分析结果实现预警。

可知，所述数据采集及处理模块2为本系统的核心，其包括陀螺仪4、加速度计5、主控制模块6和无线传输模块7；

所述陀螺仪4，其输出端与所述主控制模块6的输入端相连，用于采集旋转角速度数据，并将旋转角速度数据传输至所述主控制模块6；

所述加速度计5，其输出端与所述主控制模块6的输入端相连，用于采集加速度数据，并将所述加速度数据传输至所述主控制模块6；

所述主控制模块6，其输出端与所述无线传输模块7相连，用于对加速度数据和旋转角速度数据进行时间同步，并对已同步的旋转角速度数据和加速度数据进行数据滤波和融合处理，再对经滤波和融合后的旋转角速度数据和加速度数据进行积分计算，得到并输出杆塔的状态信息；

所述无线传输模块7，其用于将所述主控制模块6输出的状态信息传送至所述远程终端3。

所述陀螺仪4为MEMS三轴陀螺仪，可测量三个轴向的旋转角速度。所述加速度计5为MEMS三轴加速度计，可测量三个轴向的加速度。所述主控制模块6采用单片机技术开发，其包括数据同步模块8和数据滤波及融合模块9；

所述数据同步模块8，用于对旋转角速度数据和加速度数据进行时间同步，并将获得的同步数据传输给所述数据滤波及融合模块；

所述数据滤波及融合模块9，用于根据数据滤波与融合算法处理已同步的旋转角速度数据和加速度数据，再对经滤波和融合后的旋转角速度数据和加速度数据进行积分计算，得到杆塔的状态信息。

如图2所示，上述系统的具体工作流程如下：

1）向数据采集及处理模块供电后，系统首先进行自检，并初始化；

2）系统正常运行后，三轴陀螺仪开始测量测站点处三轴的旋转角速度，并将测量数据传输至主控制模块；与此同时，三轴加速度计开始测量测站点处的三轴加速度，并将测量数据传输至主控制模块；

3）主控制模块接收到陀螺仪和加速度计的测量数据后，通过其数据同步模块得到同一时间标记的角速度测量数据和加速度测量数据，并传输至数据滤波及融合模块；

4）数据滤波及融合模块接收到数据同步模块输出的同步数据后，对观测数据进行滤波，再对数据进行融合并通过积分计算获取杆塔高精度的位置、速度、姿态等状态信息，并传输至远程终端；系统还需根据计算结果对塔杆偏离状态进行判定，当回到塔杆初始位置及陀螺仪转速归零时，系统初始化重新开始积分计算。

5）远程终端获取各时刻杆塔的位置信息后，对各类数据进行入库存储，计算获得杆塔高精度的空间位置变化信息，对监测结果进行统计分析，并根据阈值判断是否播发预警信息。

如图3所示，对应上述系统，本实施例还给出了一种实现杆塔稳固性监测和预警的方法，具体包括：

步骤1，采集杆塔的加速度数据和旋转角速度数据；

步骤2，对旋转角速度数据和加速度数据进行时间同步，再对已同步的旋转角速度数据和加速度数据进行数据滤波和融合处理；

步骤3，对经滤波和融合后的旋转角速度数据和加速度数据进行积分计算，得到杆塔的状态信息，并将状态信息传输至远程终端；

步骤4，远程终端存储和分析状态信息，并根据分析结果实现预警。

其中，所述步骤1中利用基于MEMS技术的三轴陀螺仪采集旋转角速度数据，且利用基于MEMS技术的三轴加速度计采集加速度数据；所述步骤2中利用单片机技术对加速度数据和旋转角速度数据进行时间同步和对已同步的旋转角速度数据和加速度数据进行数据滤波和融合处理；所述步骤3中利用单片机技术对经滤波和融合后的旋转角速度数据和加速度数据进行积分计算，且通过无线传输的方式将状态信息传输至远程终端。

另外，所述步骤3和步骤4中的状态信息包括杆塔的位置信息、速度信息和/或姿态信息。

可知，对加速度计与陀螺仪采集的数据进行融合计算是本实施例的核心，目前在现有技术中相关的融合算法比较多，适用于本发明的融合算法也较多，本实施例中选择其中一种算法，并列出相应公式进行说明。本实施例采用的融合算法的具体方法为依据上一时刻的重力矢量方向的估计值，结合陀螺仪测得的角度值计算当前时刻的重力矢量方向，再与当前时刻加速度计返回的矢量方向进行加权平均，得到当前矢量方向的最优估计值。具体流程如下：

1）加速度数据处理

主控制模块从加速度计获得三轴加速度分别为G_x,G_y,G_z，静止时，系统三轴加速度值的矢量和为重力矢量

可得:

$G^2=G_x^2+G_y^2+G_z^2---\left(1\right)$

对矢量

进行归一化：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_x=G_x/\left|G\right|\\ R_y=G_y/\left|G\right|\\ \mathrm{Rz}=G_Z/\left|G\right|\end{array}\right\}---\left(2\right)$

得到当前时刻的归一化重力方向矢量

$\left|{\stackrel{\→}{R}}_{\mathrm{acc}}\right|=\sqrt{R_x^2+R_y^2+R_z^2}=1---\left(3\right)$

由归一化矢量方向可得到重力矢量同坐标轴的夹角θ_x,θ_y,θ_z:

$\sin {\mathrm{\θ}}_x=\frac{R_y}{\sqrt{R_y^2+R_z^2}},\sin {\mathrm{\θ}}_y=\frac{R_x}{\sqrt{R_x^2+R_z^2}},\sin {\mathrm{\θ}}_z=\frac{R_z}{\sqrt{R_x^2+R_y^2}}---\left(4\right)$

2）陀螺仪数据处理

陀螺仪能够提供瞬间的动态角度变化，但是由于其本身的固有特征、温度及积分过程的影响，它会随着工作时间的延长产生漂移误差。为了克服这些影响，对陀螺仪数据建立低通数字滤波器，设置陀螺仪的滤波器截频和采样率，后续数据为已经过低通滤波的数据。

主控制模块从陀螺仪获得当前系统滤波后的转动角速度ω_x,ω_y,ω_z得到系统的转动角度，其中T为采样间隔。

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\θ}}_X={\mathrm{\ω}}_x\×\mathrm{\ΔT}\\ \mathrm{\Δ\θY}={\mathrm{\ω}}_y\×\mathrm{\ΔT}\\ {\mathrm{\Δ\θ}}_Z={\mathrm{\ω}}_z\×\mathrm{\ΔT}\end{array}\right.---\left(5\right)$

由上一时刻的加速度矢量估计值

和当前转动角度可得到当前时刻重力矢量的另一个估计值

利用式（3）得：

$R_x=\frac{R_x}{\sqrt{R_x^2+R_y^2+R_z^2}}=\frac{R_x/\sqrt{R_x^2+R_y^2}}{\sqrt{R_x^2+R_y^2+R_z^2}/\sqrt{R_x^2+R_y^2}}$

$=\frac{R_x/\sqrt{R_x^2+R_y^2}}{\sqrt{1+\frac{R_y^2}{R_x^2+R_z^{\text{2}}}}}=\frac{R_x/\sqrt{R_x^2+R_y^2}}{\sqrt{1+\frac{R_y^2\·R_z^2}{(R_x^2+R_z^2)\·R_z^2}}}---\left(6\right)$

由 $\sin {\mathrm{\θ}}_y=\frac{R_x}{\sqrt{R_x^2+R_z^2}},{\tan \mathrm{\θ}}_y=\frac{R_y}{R_x},$ 可得

$R_x=\frac{{\sin \mathrm{\θ}}_Y}{1+{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_y\·{\tan }^2{\mathrm{\θ}}_z}---\left(7\right)$

同理可得：

$R_y=\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_x}{1+{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_x\·{\cot }^2{\mathrm{\θ}}_z}---\left(8\right)$

$R_z=\sqrt{1-R_x^2-R_y^2}---\left(9\right)$

其中θ_x,θ_y,θ_z为当前时刻重力矢量同坐标轴的夹角与系统转动角度Δθ_x,Δθ_y,Δθ_z之和，此时重力矢量的估计值为：

${\stackrel{\→}{R}}_{\mathrm{gyro}}\left(n\right)=(R_x,R_y,R_z)---\left(10\right)$

3）传感器数据加权融合

当前时刻的重力矢量估计由从加速度计测得的当前重力加速度矢量与

加权平均得到：

${\stackrel{\→}{R}}_{\mathrm{est}}\left(n\right)=\frac{{\stackrel{\→}{R}}_{\mathrm{acc}}\left(n\right)+W\·{\stackrel{\→}{R}}_{\mathrm{gyno}}\left(n\right)}{1+W}---\left(11\right)$

其中，W为陀螺仪权值：

$W=120-\frac{1}{{\left(\right|G|-1)}^2+0.01}---\left(12\right)$

当加速度矢量绝对值接近1g，系统不受其他外力作用时，陀螺仪的权值最小，此时系统的重力矢量估计值以加速度计返回值为准；当加速度矢量绝对值偏离1g时，此时系统受到外力作用，加速度计返回值偏离重力矢量方向，此时陀螺仪权值增加，系统以陀螺仪估值为准。

4）积分计算位置

实施步骤3），经陀螺仪校正后，加速度计中包含的噪声被有效地平滑，系统因受外力而出现的重力矢量偏移被有效地减小。对经过融合校正过的加速度数据进行积分计算，即可获取各时刻的位置和姿态。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种实现杆塔稳固性监测和预警的系统，其特征在于，包括电源模块、数据采集及处理模块和远程终端；

所述电源模块，其与所述数据采集及处理模块连接，用于为所述数据采集及处理模块供电；

所述数据采集及处理模块，其与所述远程终端相连，用于采集杆塔的旋转角速度数据和加速度数据，并对旋转角速度数据和加速度数据进行时间同步，再对已同步的旋转角速度数据和加速度数据进行数据滤波和融合处理，再对经滤波和融合后的旋转角速度数据和加速度数据进行积分计算，得到杆塔的状态信息，并将状态信息传输至所述远程终端；

所述远程终端，其用于存储和分析状态信息，并根据分析结果实现预警。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据采集及处理模块包括陀螺仪、加速度计、主控制模块和无线传输模块；

所述陀螺仪，其输出端与所述主控制模块的输入端相连，用于采集旋转角速度数据，并将旋转角速度数据传输至所述主控制模块；

所述加速度计，其输出端与所述主控制模块的输入端相连，用于采集加速度数据，并将所述加速度数据传输至所述主控制模块；

所述主控制模块，其输出端与所述无线传输模块相连，用于对加速度数据和旋转角速度数据进行时间同步，并对已同步的旋转角速度数据和加速度数据进行数据滤波和融合处理，再对经滤波和融合后的旋转角速度数据和加速度数据进行积分计算，得到并输出杆塔的状态信息；

所述无线传输模块，其用于将所述主控制模块输出的状态信息传送至所述远程终端。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述陀螺仪为MEMS三轴陀螺仪，用于测量三个轴向的旋转角速度数据；所述加速度计为MEMS三轴加速度计，用于测量三个轴向的加速度数据。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述主控制模块包括数据同步模块和数据滤波及融合模块；

所述数据同步模块，用于对旋转角速度数据和加速度数据进行时间同步，并将获得的同步数据传输给所述数据滤波及融合模块；

所述数据滤波及融合模块，用于根据数据滤波与融合算法处理已同步的旋转角速度数据和加速度数据，再对经滤波和融合后的旋转角速度数据和加速度数据进行积分计算，得到杆塔的状态信息。

5.一种实现杆塔稳固性监测和预警的方法，其特征在于，具体包括：

步骤1，采集杆塔的加速度数据和旋转角速度数据；

步骤2，对旋转角速度数据和加速度数据进行时间同步，再对已同步的旋转角速度数据和加速度数据进行数据滤波和融合处理；

步骤3，对经滤波和融合后的旋转角速度数据和加速度数据进行积分计算，得到杆塔的状态信息，并将状态信息传输至远程终端；

步骤4，远程终端存储和分析状态信息，并根据分析结果实现预警。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤1中利用基于MEMS技术的三轴陀螺仪采集旋转角速度数据，且利用基于MEMS技术的三轴加速度计采集加速度数据。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤2中利用单片机技术对加速度数据和旋转角速度数据进行时间同步和对已同步的旋转角速度数据和加速度数据进行数据滤波和融合处理。

8.根据权利要求5或7所述的方法，其特征在于，对已同步的旋转角速度数据和加速度数据进行数据融合处理具体包括：依据上一时刻的重力矢量方向的估计值，结合陀螺仪测得的旋转角速度值计算当前时刻的重力矢量方向，再与当前时刻加速度计返回的矢量方向进行加权平均，得到当前矢量方向的最优估计值。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤3中利用单片机技术对经滤波和融合后的旋转角速度数据和加速度数据进行积分计算，且通过无线传输的方式将状态信息传输至远程终端。

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤3和步骤4中的状态信息包括杆塔的位置信息、速度信息和/或姿态信息。

Images