CN108317999B - 一种基于惯性传感器的通信铁塔倾角测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于惯性传感器的通信铁塔倾角测量方法，通过建立传统的基于陀螺仪与加速度计构成的惯性传感器得到的姿态角与通信铁塔倾角之间的定量解析关系，将惯性传感器的输出直接转化为通信铁塔的倾角输出，从而实现通信铁塔倾角的测量。该方法解决了传统应用中无法直接获得通信铁塔与地垂线之间夹角即通信铁塔倾角解析关系的问题，使得基于惯性传感器输出的姿态角与通信铁塔倾角之间的坐标转换关系直观明了，精度可控。本发明可应用于采用惯性传感器器对通信铁塔等所有需要倾角测量的场合，是一种普适的转换方法。

Description

一种基于惯性传感器的通信铁塔倾角测量方法
技术领域
本发明属于通信铁塔维护技术领域，特别是涉及一种基于惯性传感器的通信铁塔倾角测量方法。
背景技术
目前的通信铁塔倾角测量，通常采用倾角传感器或惯性传感器，但用户单位并不完全清楚采用惯性传感器进行测量时，惯性传感器数据的精确定义，特别是惯性传感器输出的横滚角与俯仰角在物理定义上有先后次序并存在耦合关系，从而导致用户只是模糊的描述要采用惯性传感器测量倾角，但实际使用中得到的换算结果并不是要测量的物理量。
为解决上述问题，提出一种基于惯性传感器的通信铁塔倾角测量方法，该方法紧密结合通信铁塔应用的实际条件，充分利用惯性传感器位置到通信铁塔根部长度不变的原理，结合球面上几何变换的原理，实现通信铁塔倾角的精确测量。
发明内容
基于此，有必要针对传统技术忽略俯仰角与横滚角耦合的问题，结合通信铁塔的使用条件，提供一种基于惯性传感器的通信铁塔倾角测量方法，能够克服传统方法直接将惯性传感器输出直接拿来使用，而忽略其本质的物理定义及耦合关系，进而导致测量误差的缺点，使得本方法具有物理概念清晰，测量信息准确的特点，可用于测量通信铁塔及类似安装条件和杆塔的倾角测量。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于惯性传感器的通信铁塔倾角测量方法，所述方法包括：在通信铁塔上安置好惯性传感器并进行系统差标定；采集惯性传感器数据输出，并提取出俯仰角与横滚角；采用几何变换原理，得到通信铁塔的倾角。
在其中一个实施例中，所述在通信铁塔上安置好惯性传感器，为通过在通信铁塔和惯性传感器上均事先加工好安装基准面，用四个安装螺钉将惯性传感器与通信铁塔刚性固连，从而用机械加工精度确保扣除大部分安置误差而完成的，然后再进行系统差标定。
在其中一个实施例中，所述进行系统差标定，采用全站仪对通信铁塔上不同的位置点进行测量得到当地坐标系下的位置坐标，从而根据这些位置坐标精确计算出通信铁塔在东西或南北向的倾角，然后根据此时的惯性传感器输出与通信铁塔在东西或南北向的倾角，得到惯性传感器输出与通信铁塔实际倾角的误差关系，进而在正式应用中从惯性传感器输出中扣除残余安置误差实现高精度测量。
在其中一个实施例中，还包括：采集惯性传感器数据输出，并提取出俯仰角与横滚角，其中，所述采集惯性传感器数据输出是通过串行接口采集到前端数据处理芯片当中，然后根据通信协议进行数据解包，得到俯仰角与横滚角。
在其中一个实施例中，所述俯仰角与横滚角是两个相互耦合的角度，根据惯性传感器的基本工作原理，其输出的俯仰角是指惯性传感器的水平轴之一Y轴与当地水平面的夹角，所述横滚角是在Y轴与当地水平面夹角的基础上，绕Y轴转动的角度，而不是与惯性传感器Y轴垂直的X轴与水平面的夹角；
在其中一个实施例中，还包括：采用几何变换原理，得到通信铁塔的倾角，其中，所述几何变换原理，是根据惯性传感器俯仰角与横滚角之间的耦合关系，以及惯性传感器安装在通信铁塔上之后，该惯性传感器相对于通信铁塔的根部之距离基本不变的假设而得到的变换关系。
在其中一个实施例中，所述几何变换关系，是认为通信铁塔有倾角时，实际分两个步骤到达当前倾角，第一步是通信铁塔先南北方向运动，其幅度为惯性传感器输出的俯仰角，第二步是通信铁塔沿第一步结束时的惯性传感器X轴转动，转动幅度为惯性传感器输出的横滚角。
在其中一个实施例中，还包括：通过第一步与第二步的转动，以及惯性传感器在安装在通信铁塔上之后，其相对于通信铁塔根部的距离不变之假设，说明惯性传感器的实际运动轨迹是在一个球面上，该球的半径就是惯性传感器到通信铁塔根部的距离；
在其中一个实施例中，还包括：获得通信铁塔倾角的方法，其操作步骤为，通信铁塔的倾角即通信铁塔纵向相对于地垂线的夹角，而该角度在球面上，实际是惯性传感器输出的俯仰角与横滚角构成的直角边，由通信铁塔倾角构成的斜边形成的闭合球面三角。因此，其计算方法为：α＝cos-1(cosθ·cosγ)。
其中，θ为惯性传感器输出的俯仰角，γ为惯性传感器输出的横滚角，α为通信铁塔的倾角，cos-1表示反余弦。
第二方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面的基于惯性传感器的通信铁塔倾角测量方法。
第三方面，本发明实施例提供了一种包含指令的计算机程序产品，当该计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行上述第一方面所述的方法。
本发明提供的一种基于惯性传感器的通信铁塔倾角测量方法，通过从物理原理上分析惯性传感器输出的俯仰角与横滚角定义及其耦合关系，然后基于通信铁塔倾角测量的实际安装条件，即认为惯性传感器到通信铁塔根部的长度不变，无论通信铁塔有多大的倾角这一实际特点，得出待测量通信铁塔倾角与惯性传感器输出的姿态角之间的变换关系。该方法解决了传统利用惯性传感器进行倾角测量过程中，忽略惯性传感器输出的俯仰角与横滚角两个量之间存在耦合的缺点，本方法充分利用了惯性传感器的实际使用条件，使得具有物理概念清晰，测量方法准确的特点，可用于测量通信铁塔及类似安装条件和杆塔的倾角测量。
附图说明
图1为基于惯性传感器的通信铁塔倾角测量方法的流程示意图
图2本发明的应用场景示意图
图3为采用全站仪标校系统差的示意图
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图及实施例对本发明基于惯性传感器的通信铁塔倾角测量方法进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，为一个实施例中的一种基于惯性传感器的通信铁塔倾角测量方法的流程示意图。
本实施例中，通信铁塔的倾角测量包括：在通信铁塔上安置好惯性传感器并进行系统差标定；采集惯性传感器输出并提出俯仰角与横滚角；采用几何变换原理，得到通信铁塔的倾角。
进一步地，本发明提出的一种基于惯性传感器的通信铁塔倾角测量方法，一个实施例中，还包括：在通信铁塔上安置好惯性传感器，通过在通信铁塔和惯性传感器上均事先加工好安装基准面，用四个安装螺钉将惯性传感器与通信铁塔刚性固连，从而用机械加工精度确保扣除大部分安置误差，然后采用全站仪对通信铁塔上不同的位置点进行测量得到当地坐标系下的位置坐标，从而根据这些位置坐标精确计算出通信铁塔在东西或南北向的倾角，然后根据此时的惯性传感器输出与通信铁塔在东西或南北向的倾角，得到惯性传感器输出与通信铁塔实际倾角的误差关系，即完成系统差的标定。
更进一步地，在一个实施例中，还包括：采集惯性传感器数据输出，并提取出俯仰角与横滚角，采集惯性传感器数据输出是通过串行接口采集到前端数据处理芯片当中，然后根据通信协议进行数据解包，得到俯仰角与横滚角。
更进一步地，在一个实施例中，还包括：采用几何变换原理，得到通信铁塔的倾角，其中的几何变换原理，是根据惯性传感器俯仰角与横滚角之间的耦合关系，以及惯性传感器安装在通信铁塔上之后，该惯性传感器相对于通信铁塔的根部之距离基本不变的假设而得到的变换关系，认为通信铁塔有倾角时，实际分两个步骤到达当前倾角，第一步是通信铁塔先南北方向运动，其幅度为惯性传感器输出的俯仰角，第二步是通信铁塔沿第一步结束时的惯性传感器X轴转动，转动幅度为惯性传感器输出的横滚角，说明惯性传感器的实际运动轨迹是在一个球面上，该球的半径就是惯性传感器到通信铁塔根部的距离；
需要说明的是，几何变换过程的操作步骤为，通信铁塔的倾角即通信铁塔纵向相对于地垂线的夹角，而该角度在球面上，实际是惯性传感器输出的俯仰角与横滚角构成的直角边，由通信铁塔倾角构成的斜边形成的闭合球面三角。因此，通信铁塔倾角的计算方法为：α＝cos-1(cosθ·cosγ)。
其中，θ为惯性传感器输出的俯仰角，γ为惯性传感器输出的横滚角，α为通信铁塔的倾角，cos-1表示反余弦。
本发明提供的一种基于惯性传感器的通信铁塔倾角测量方法，通过在通信铁塔上安置好惯性传感器并进行系统差标定；采集惯性传感器输出并提出俯仰角与横滚角；采用几何变换原理，得到通信铁塔的倾角。该方法解决了传统利用惯性传感器进行倾角测量过程中，忽略惯性传感器输出的俯仰角与横滚角之间存在耦合的缺点，充分利用了惯性传感器的实际使用条件，使得具有物理概念清晰，测量方法准确的特点，可用于测量通信铁塔及类似安装条件和杆塔的倾角测量。
本发明涉及的通信铁塔应用场景示意图，如图2所示，在通信铁塔的顶部安装惯性传感器及其供电设备，惯性传感器里包含陀螺仪、加速度计及其核心处理器，核心处理器为常用的单片机或DSP等常用嵌入式处理器，核心处理器的功能是利用陀螺仪与加速度计数据进行解算，得到惯性传感器的俯仰角与横滚角，然后执行本发明提出的，进行扣除系统差以及执行几何变换得到通信铁塔倾角数值的过程。在具体实施中，在具体实施过程中，通信链路可以为蓝牙、Zigbee等，将数据传输给铁塔下方的机房服务器，再通过有线网络传输给远方的服务器，也可以直接采用当地移动网络传输给远方的服务器。
本发明涉及的采用全站仪标校系统差的示意图如图3所示，其中安装上惯性传感器的通信铁塔是客观存在的，而全站仪安放在通信铁塔附近，并以全站仪位置为原点，建立当地水平面与初始方位，从而得到以全站仪回转中心为原点的当地坐标系，全站仪采用光学瞄准与激光测距的方法去测量通信铁塔上任意一点相对于当地坐标系的原点之方位与距离，进而变换成当地坐标系下的三个方向位置坐标值。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种基于惯性传感器的通信铁塔倾角测量方法，其特征在于所述方法包括：
在通信铁塔上安置好惯性传感器并进行系统差标定；
采集惯性传感器数据输出，并提取出俯仰角与横滚角；
采用几何变换原理，得到通信铁塔的倾角；
所述采集惯性传感器数据输出是通过串行接口采集到前端数据处理芯片当中，然后根据通信协议进行数据解包，得到俯仰角与横滚角；
定义的俯仰角与横滚角是两个相互耦合的角度，根据惯性传感器的工作原理，其输出的俯仰角是指惯性传感器的水平轴之一Y轴与当地水平面的夹角，所述横滚角是在Y轴与当地水平面夹角的基础上，绕Y轴转动的角度，而不是与惯性传感器Y轴垂直的X轴与水平面的夹角；
所述几何变换原理，是根据惯性传感器俯仰角与横滚角之间的耦合关系，以及惯性传感器安装在通信铁塔上之后，该惯性传感器相对于通信铁塔的根部之距离不变的假设而得到的变换关系；
所述几何变换原理，是认为通信铁塔有倾角时，实际分两个步骤到达当前倾角，第一步是通信铁塔先南北方向运动，其幅度为惯性传感器输出的俯仰角，第二步是通信铁塔绕第一步结束时的惯性传感器Y轴转动，转动幅度为惯性传感器输出的横滚角；
还包括：通过第一步与第二步的转动，以及惯性传感器在安装在通信铁塔上之后，其相对于通信铁塔根部的距离不变之假设，说明惯性传感器的实际运动轨迹是在一个球面上，该球的半径就是惯性传感器到通信铁塔根部的距离；
还包括得到通信铁塔倾角的方法，其操作步骤为，通信铁塔的倾角即通信铁塔纵向相对于地垂线的夹角，而该角度在球面上，实际是惯性传感器输出的俯仰角与横滚角构成的直角边，由通信铁塔倾角构成的斜边形成的闭合球面三角因此，其计算方法为：α＝cos-1(cosθ·cosγ)；
其中，θ为惯性传感器输出的俯仰角，γ为惯性传感器输出的横滚角，α为通信铁塔的倾角，cos-1表示反余弦。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在通信铁塔上安置好惯性传感器，为通过在通信铁塔和惯性传感器上均事先加工好安装基准面，用四个安装螺钉将惯性传感器与通信铁塔刚性固连，从而用机械加工精度确保扣除大部分安置误差而完成的，然后再进行系统差标定。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述进行系统差标定，采用全站仪对通信铁塔上不同的位置点进行测量得到当地坐标系下的位置坐标，从而根据这些位置坐标精确计算出通信铁塔在东西或南北向的倾角，然后根据此时的惯性传感器输出与通信铁塔在东西或南北向的倾角，得到惯性传感器输出与通信铁塔实际倾角的误差关系，进而在正式应用中从惯性传感器输出中扣除残余安置误差实现高精度测量。
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