CN108318000B - 一种通信铁塔倾角测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种MEMS传感器与液位倾角传感器联合测量的通信铁塔倾角测量方法。该测量方法使用MEMS传感器和液位倾角传感器完成铁塔倾角测量。首先使用液位传感器进行通信铁塔的静态倾角测量；其次利用静态倾角测量数据对MEMS进行在线标定；最后铁塔动态条件下使用MEMS进行倾角测量，实现通信铁塔动静条件下的倾角测量。本发明通过使用MEMS和液位倾角传感器联合测量，利用液位倾角传感器静态测量精度高和MEMS动态测量精度高的优点，提高倾角测量精度，本发明具有精度高、抗干扰能力强的特点，可实现通信铁塔倾角较高精度测量。

Description

一种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多个传感器联合测量的通信铁塔倾角测量方法。
背景技术
目前通信铁塔主要由人工进行检测和维护，不能实时监测铁塔是否出现倾斜，为此提出一种通信铁塔倾角实时测量方法。
发明内容
本发明的技术解决问题是：实时检测通信铁塔是否出现倾斜的问题，提出一种实时测量通信铁塔的倾角方法和系统。
本发明技术解决方案是：MEMS传感器与液位倾角传感器联合测量的通信铁塔倾角测量方法，实现步骤如下：
(1)液位倾角传感器测量倾角模块，液位传感器实时测量静态条件下的铁塔倾角数据，并实时发送给倾角数据计算和存储模块。
(2)MEMS静态标定模块，利用液位传感器的测量数据，利用分段线性插值方法对MEMS进行标定，提高动态时MEMS的测量精度。
(3)MEMS测量倾角模块，利用MEMS传感器测量动态条件下铁塔倾角数据，并实时发送给倾角数据计算和存储模块。
(4)铁塔倾角计算及存储模块，连续存储系统采集的N个倾角数据，记为Q1-Qn，通过公式M＝(|Q2-Q1|+…+|QN-QN-1|+|Q1-QN|)/N，进而得到倾角平均值β＝(|Q1|+…+|QN|)/N。
所述步骤(2)中MEMS采用分段线性插值的方法完成标定，具体步骤如下：
MEMS陀螺误差简化模型为
Ng＝Df+Dx·ax+Dy·ay+Dz·az+kx·wx+ky·wy+Sg·η+εg
其中，Ng为陀螺输出值；Df为陀螺的常值漂移；ai(i＝x,y,z)为i轴加速度；Di 为陀螺与ai有关的漂移误差系数；η为敏感轴转速；Sg为陀螺实际转速下的标度因数；ωi为i轴角速度；ki为陀螺i轴的安装误差系数；εg为陀螺随机漂移误差。
Figure BDA0001553692610000021
其中,Sgt为MEMS陀螺理论标度因数；SgD为标度因数常值误差；
Figure BDA0001553692610000022
为标度因数非线性及不对称误差项；εS为标度因数随机误差。
分段插值法根据MEMS陀螺的动态范围、标度因数误差特性、实际工作环境及精度要求等设置分段密度及区间，分别计算各插值转速点的标度因数, 然后采用分段线性插值法分段计算陀螺标度因数：
分段插值法根据MEMS陀螺的动态范围、标度因数误差特性、实际工作环境及精度要求等设置分段密度及区间，分别计算各插值转速点的标度因数, 然后采用分段线性插值法分段计算陀螺标度因数：
Figure BDA0001553692610000023
其中，η为实时输入转速；ηi为第i插值点转速；Sg(η)为第n个插值转速点处陀螺标度因数；h为分段密度。分段插值法相当于在每个分段区间进行了二次拟合运算，逼近陀螺实际转速下的标度因数真实值，可以补偿高动态下MEMS陀螺标度因数常值、非线性以及不对称误差，不仅可以降低分段密度，减小标定工作量及计算机存储量，并且具有更高的补偿精度。
所述步骤(3)中MEMS测量倾角模块实现倾角测量，具体步骤如下：在重力加速度的作用下，当加速度计的敏感轴与水平方向成θ角时(0≤θ≤90°)，敏感轴上的重力加速度分量为gsinθ(g为重力加速度)。如环境中存在的加速度为a，则传感器的输出V为两者的线性叠加
V＝Vg×(g sinθ+a)+V0
Figure BDA0001553692610000031
其中，Vg为传感器的灵敏度(V/g)V0是水平放置时的偏置电压(V)。通过滤波等措施减少干扰加速度的影响，从而
Figure BDA0001553692610000032
本发明的方法和系统具有以下两个优点：
(1)采用液位传感器，在测量静态铁塔倾角的同时可以对MEMS传感器进行标定。
(2)采用MEMS传感器联合测量铁塔倾角，可以获取动态下较高精度的铁塔倾角。实现铁塔任意环境下倾角的实时测量。
附图说明
图1为本发明的应用场景示意图；
图2为本发明的应用场景整体构架图；
图3为本发明的方法流程图；
具体实施方式
本发明涉及的基于物联网的铁塔系统应用场景，如图1所示。在通信铁塔固定位置安装液位传感器设备和MEMS传感器设备，传感器采集铁塔相关参数进行测量，同时两个设备之间保持通信，传感器联合测量结果传输至系统倾角计算和存储模块，系统对传感数据进行保存和处理，客户端与系统交互获得所需信息。
基于物联网的铁塔系统的整体系统架构如图2所示。系统硬件部分包括通信铁塔本身、安装在塔身上的传感设备，传感设备的通信模块与系统进行实时通信；系统软件部分包括系统数据库、数据处理平台、数据管理发布平台，其中系统数据库接收来自传感设备的传感数据并保存所有系统日志，数据处理平台调取系统数据库中的数据进行处理和分析，数据管理发布平台接收数据处理平台的数据处理结果和系统数据库中的相应记录进行管理和发布；系统应用平台包括管理设备和客户端，管理设备包括但不限于工作站、电脑等设施，客户端包括但不限于APP、微信、Html网页等形式；本系统的应用人员包括但不限于管理人员和维护人员，其接口分别为管理设备和客户端。
本发明提出的MEMS传感器与液位倾角传感器联合测量的通信铁塔倾角测量方法，包括液位倾角传感器测量倾角模块，MEMS静态标定模块， MEMS测量倾角模块，铁塔倾角计算及存储模块。
1、液位倾角传感器测量倾角模块。液位传感器实时测量静态条件下的铁塔倾角数据，并实时发送给倾角数据计算和存储模块。
2、MEMS静态标定模块。利用液位传感器的测量数据，利用分段线性插值方法对MEMS进行标定，提高动态时MEMS的测量精度。
MEMS陀螺误差简化模型为
Ng＝Df+Dx·ax+Dy·ay+Dz·az+kx·wx+ky·wy+Sg·η+εg
其中，Ng为陀螺输出值；Df为陀螺的常值漂移；ai(i＝x,y,z)为i轴加速度；Di 为陀螺与ai有关的漂移误差系数；η为敏感轴转速；Sg为陀螺实际转速下的标度因数；ωi为i轴角速度；ki为陀螺i轴的安装误差系数；εg为陀螺随机漂移误差。
Figure BDA0001553692610000051
其中,Sgt为MEMS陀螺理论标度因数；SgD为标度因数常值误差；
Figure BDA0001553692610000052
为标度因数非线性及不对称误差项；εS为标度因数随机误差。
分段插值法根据MEMS陀螺的动态范围、标度因数误差特性、实际工作环境及精度要求等设置分段密度及区间，分别计算各插值转速点的标度因数, 然后采用分段线性插值法分段计算陀螺标度因数：
分段插值法根据MEMS陀螺的动态范围、标度因数误差特性、实际工作环境及精度要求等设置分段密度及区间，分别计算各插值转速点的标度因数, 然后采用分段线性插值法分段计算陀螺标度因数：
Figure BDA0001553692610000053
其中，η为实时输入转速；ηi为第i插值点转速；Sg(η)为第n个插值转速点处陀螺标度因数；h为分段密度。分段插值法相当于在每个分段区间进行了二次拟合运算，逼近陀螺实际转速下的标度因数真实值，可以补偿高动态下MEMS陀螺标度因数常值、非线性以及不对称误差，不仅可以降低分段密度，减小标定工作量及计算机存储量，并且具有更高的补偿精度。
3、MEMS测量倾角模块。利用MEMS传感器测量动态条件下铁塔倾角数据，并实时发送给倾角数据计算和存储模块。
MEMS传感器在重力加速度的作用下，当加速度计的敏感轴与水平方向成θ角时(0≤θ≤90°)，敏感轴上的重力加速度分量为gsinθ(g为重力加速度)。如环境中存在的加速度为a，则传感器的输出V为两者的线性叠加
V＝Vg×(g sinθ+a)+V0
Figure BDA0001553692610000061
其中，Vg为传感器的灵敏度(V/g)V0是水平放置时的偏置电压(V)。通过滤波等措施减少干扰加速度的影响，从而
Figure BDA0001553692610000062
4、铁塔倾角计算及存储模块。连续存储系统采集的N个倾角数据，记为Q1-Qn，通过公式M＝(|Q2-Q1|+···+|QN-QN-1|+|Q1-QN|)/N计算得到平均倾角变化值，进而得到倾角平均值β＝(|Q1|+···+|QN|)/N。本实施例中设置N＝6，系统提取六个倾角数据Q1～Q6分别为0.4°、0.6°、-0.5°、-0.2°、0.5°、 0.3，可以得到倾角变化值
M＝(|Q2-Q1|+|Q3-Q2|+|Q4-Q3|+|Q5-Q4|+|Q6-Q5|+|Q1-Q6|)/6＝0.45°。
倾角平均值β＝(|Q1|+|Q2|+|Q3|+|Q4|+|Q5|+|Q6|)/6＝0.42°。

Claims (1)

1.一种通信铁塔倾角测量方法，其特征在于包括液位倾角传感器测量倾角模块，MEMS静态标定模块，MEMS测量倾角模块和铁塔倾角计算及存储模块；
所述液位倾角传感器测量倾角模块包括液位传感器，该液位传感器实时测量静态条件下的铁塔倾角数据，并实时发送给倾角数据计算和存储模块；
所述MEMS静态标定模块利用液位传感器的测量数据，利用液位传感器的测量数据，利用分段线性插值方法对MEMS进行标定；
其中，液位传感器设备和MEMS传感器设备两个设备之间保持通信；
MEMS传感器测量动态条件下铁塔倾角数据，并实时发送给倾角数据计算和存储模块；
所述铁塔倾角计算及存储模块连续存储系统采集的N个倾角数据，记为Q1-QN，通过公式M＝(|Q2-Q1|+…+|QN-QN-1|+|Q1-QN|)/N，进而得到倾角平均值β＝(|Q1|+…+|QN|)/N；
其中，所述分段线性插值方法根据MEMS陀螺的动态范围、标度因数误差特性、实际工作环境及精度要求设置分段密度及区间，分别计算各插值转速点的标度因数,然后采用分段线性插值方法分段计算陀螺标度因数：
Figure FDA0002936384220000021
其中，η为实时输入转速；ηi为第i插值点转速,i为1～n；Sg(η)为第n个插值转速点处陀螺标度因数；h为分段密度。
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