CN110108279A - 一种杆塔倾斜测量系统及倾斜解算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于MIMU的杆塔倾斜测量系统，包括两部分：MIMU惯性测量单元和倾斜解算单元；MIMU惯性测量单元包括：三轴MEMS加速度计、三轴MEMS陀螺仪和温度计，采集杆塔的三轴加速度、三轴角速度和测量系统环境温度数据，通过高速采集卡或SPI接口把数据传输到倾斜解算单元；将MIMU测量单元与杆塔固连在一起，当杆塔发生运动时，测量单元可准确测量出杆塔的加速度和角速度数据。倾斜解算单元对采集的数据先经过低通滤波器去除高频噪声，然后进行温度漂移和零偏补偿，采用卡尔曼滤波进行动态误差处理，最后根据处理后的加速度和角速度数据进行倾斜计算，从而实现杆塔的倾斜测量。本发明测量系统结构简单，易于实现，可以准确检测出杆塔的倾斜姿态状态。

Description

一种杆塔倾斜测量系统及倾斜解算方法

技术领域

本发明属于输电线路安全领域，具体涉及一种基于MIMU的杆塔倾斜测量系统及倾斜解算方法。

背景技术

我国国土面积达960万平方公里，输电线路遍布全国，杆塔数量不计其数。随之面临的杆塔损坏问题，成为输电网络的一大难题。2008年初我国出现大范围持续强降雪，各省均出现一定程度的杆塔倒塌，倾斜，覆冰等情况。综合以上情况，杆塔的倾斜损坏一般是发生在受到如台风，覆冰，舞动等导致杆塔两侧受力不均匀的情况下，进而产生导线断股，杆塔倒塌，输电线路中断等严重后果。如何实现高精度，低成本的检测杆塔倾斜状态是工程上十分关注的问题，特别是随着我国特/超高压输电线路的建成运行，现场测量的需求日益增加。

目前，不少学者对杆塔倾斜检测算法进行了研究。采用北斗卫星对塔型监测，利用RTK算法及静态处理技术确定输电杆塔的地理位置信息，并采用高精度的二维倾角传感器检测输电杆塔的姿态信息。通过光纤传感技术对杆塔发生倾斜时，传感器的中心波长变化变化进行监测，从而监测杆塔倾斜情况。通过无人机航拍，借助杆塔结构知识模型的交叉点分析法提取中轴位置，并与杆塔所处地面法线参考方向的夹角对杆塔的倾斜进行判定；将倾角传感器测量得到的三轴重力加速度转换为杆塔在三个方向上的倾斜角度作为监测杆塔倾斜依据。采用加权最小二乘法估计杆塔垂度，并在杆塔倾斜的初始阶段进行预警。采用地理编码的方法，根据塔点在不同时刻的地理坐标，得到杆塔的倾斜角度。

由于杆塔所处环境十分复杂，一般监测方法不足以胜任。近年来，MIMU以其成本低、体积小、寿命长、集成化、抗冲击能力强和可靠性高等优势，发展迅猛，应用广泛。因此本发明提出一种基于MIMU的杆塔倾斜测量系统及倾斜解算方法。

发明内容

在实际中我们目测的杆塔好像是静止不动的，但由于外部因素的影响，其实杆塔一直处于摇摆状态，可采用MIMU微惯性测量单元中陀螺仪和加速度计输出的信号进行测量到杆塔的姿态变化，从而实现杆塔的倾斜测量。

杆塔倾斜测量系统包括两部分：MIMU惯性测量单元和倾斜解算单元。

MIMU惯性测量单元包括：三轴MEMS加速度计、三轴MEMS陀螺仪和温度计，采集杆塔的三轴加速度、三轴角速度和测量系统环境温度数据，通过高速采集卡或SPI接口把数据传输到倾斜解算单元。

将MIMU测量单元与杆塔固连在一起，当杆塔发生运动时，测量单元可准确测量出杆塔的加速度和角速度数据。

倾斜解算单元也即是该测量系统的核心，由高速的嵌入式处理器、静/动态存储器、外围辅助电路和Zigbee模块及电源模块构成，通过Zigbee无线与电网在线监测系统连接。

倾斜解算单元对采集的数据先经过低通滤波器去除高频噪声，然后进行温度漂移和零偏补偿，采用卡尔曼滤波进行动态误差处理，最后根据处理后的加速度和角速度数据进行倾斜计算和预测，并把加速度、角速度、倾斜角及变化规律和温度通过Zigbee接口传输到电网在线监测系统。

由于测量系统功耗很低，并且采用5V电源模块供电。

杆塔倾斜解算方法，其步骤如下：

由于MEMS陀螺仪存在常值误差和随机漂移误差，在短时间内能够保证出输出角度的准确性，但是随着时间的增加，其输出的角度的误差也随之增加，不能独立使用陀螺仪进行倾斜姿态解算。加速度计在静止或匀速运动条件下通过测量重力场，解算出侧倾角和前倾角；通过陀螺仪数据解算出杆塔扭转角，实现传感器数据融合来提高倾斜解算精度。

陀螺仪测量模型：ω_b＝A_ωω+B_ω+W，其中ω_b表示陀螺仪输出的角速度；A_ω为陀螺仪系统参数矩阵；ω为陀螺仪实际测量角速度；W为陀螺仪测量误差矩阵，满足正态分布p(W)～N(0,Q)，B_ω表示陀螺仪漂移矩阵。

加速度计测量模型其中a_b为加速度计输出的加速度；A_a为加速度计系统参数矩阵；表示旋转矩阵；g＝(0,0,g)^T表示地理坐标系下的重力加速度矢量；a表示加速度计实际测量加速度；B_a表示加速度计误差矩阵；V表示加速度测量误差矩阵，满足正态分布p(V)～N(0,R)。

选取三轴加速度和三轴角速度测量信号作为量测量，杆塔运动的四元数为状态量，建立如下杆塔运动状态方程和量测方程其中，X_k为状态向量，且X_k＝[q₀ q₁ q₂ q₃]^T；Y_k为量测向量，且Y_k＝[a_bx a_by a_bz ω_bx ω_by ω_bz]^T；为非线性状态方程函数；为非线性观测方程函数，系统噪声w_k-1和量测噪声v_k是均值为零、方差阵分别为Q_k-1和Q_k的不相关白噪声。

采用Kalman估计角速度ω和加速度a。

定义杆塔坐标系(b系)O-X_bY_bZ_b，采用东北天地理坐标系作为导航坐标系(n系)O-X_nY_nZ_n。

按照Z-X-Y的顺序令坐标系进行旋转，首先令O-X_nY_nZ_n绕Z_n轴旋转γ角度得到O-X₁Y₁Z₁，然后令O-X₁Y₁Z₁绕X₁轴旋转β角度得到O-X₂Y₂Z₂,最后令O-X₂Y₂Z₂绕Y₂轴旋转α角度得到O-X_bY_bZ_b，每次旋转的角度α、β和γ，即杆塔的侧倾角α、前倾角β和扭转角γ经过三次旋转可得到旋转矩阵：

杆塔倾斜姿态可利用四元数进行倾斜姿态解算。

定义杆塔倾斜四元数：Q＝[q₀ q₁ q₂ q₃]^T＝[q₀ e]^T，其中q₀是标量部分，e＝[q₁ q₂q₃]^T是矢量部分。

一个向量X从b系到n系之间的转换可用下式表示其中X_n,X_b是向量X分别在惯性参考系和杆塔载体参考系中。

是方向余弦矩阵，n系和b系均为直角坐标系，所以可将坐标系理解为刚体的定点运动，安装在杆塔上的测量单元所测量的数据是基于载体坐标系的，在姿态解算时需要将载体坐标系的数据转换到惯性参考系，旋转矩阵用四元数表示为

杆塔倾斜姿态角可表示为

四元数姿态解算的根本在于求解四元数，只要得到一组准确的四元数，就可结算出当前时刻杆塔倾斜姿态，从而判断杆塔的倾斜程度。

初始化四元数：假定杆塔处于静止状态即杆塔在没有外力的作用下仅受地球重力影响，此时加速度计测得数据A^b＝(a_bx a_by a_bz)^T是重力在b系三个轴向上的投影，在地理坐标系中重力加速度在三个轴向上的投影为gⁿ＝(0 0 g)^T；陀螺仪测得的是杆塔所在纬度(纬度L)的地球的自转角速度，陀螺仪输出的数据为G^b＝(ω_bx ω_by ω_bz)^T，在纬度L下的地球自转角速度由以上两组数据求出初始倾斜姿态角(α₀ β₀ γ₀)。

已知旋转矩阵则满足展开可得由T₁₃,T₂₃,T₃₃可以解出杆塔的侧倾角和前倾角计算得到的侧倾角和前倾角代入T₂₂,T₂₃可以解出扭转角把初始姿态角带入姿态矩阵求得初始姿态矩阵。

以四元数表示的旋转矩阵与姿态角旋转矩阵内元素一一对应，因此可得到方程对方程求解可得初始化四元数

四元数更新：利用四元数法对杆塔倾斜姿态进行解算关键在于得到q₀,q₁,q₂,q₃，即更新的四元数，采用一阶龙格库塔方法更新四元数：通过求解四元数，只需输入下一个周期内角速度ω_x,ω_y,ω_z以及采样周期Δt即可不断更新得到新的四元数，进而求得

本发明测量系统结构简单，可直接把测量信息接入在线监测系统，能够极大程度的降低信号噪声，提高系统测量精度，且解决了杆塔变形程度低带来的实际姿态解算的困难，可以准确检测出杆塔的倾斜姿态状态，并及时预警以避免不必要的损失

附图说明

图1是杆塔倾斜测量系统结构图。

图2是杆塔倾斜姿态解算步骤。

具体实施方式

如图1所示，杆塔倾斜测量系统包括两部分：MIMU惯性测量单元和倾斜解算单元。

MIMU惯性测量单元包括：三轴MEMS加速度计、三轴MEMS陀螺仪和温度计，采集杆塔的三轴加速度、三轴角速度和测量系统环境温度数据，通过高速采集卡或SPI接口把数据传输到倾斜解算单元。

将MIMU测量单元与杆塔固连在一起，当杆塔发生运动时，测量单元可准确测量出杆塔的加速度和角速度数据。

倾斜解算单元也即是该测量系统的核心，硬件上由1G Hz时钟频率的ARM F4嵌入式处理器，ROM/RAM存储器、SD卡、外围辅助电子元件和Zigbee无线模块及电源模块构成。

由于测量系统功耗很低，并且采用5V电源模块供电。

如图2所示的杆塔倾斜解算方法，其解算步骤如下：

倾斜解算单元对测量单元采集的数据先经过低通滤波器去除高频噪声，然后进行温度漂移和零偏补偿。

陀螺仪测量模型：ω_b＝A_ωω+B_ω+W，其中ω_b表示陀螺仪输出的角速度；A_ω为陀螺仪系统参数矩阵；ω为陀螺仪实际测量角速度；W为陀螺仪测量误差矩阵，满足正态分布p(W)～N(0,Q)，B_ω表示陀螺仪漂移矩阵。

加速度计测量模型其中a_b为加速度计输出的加速度；A_a为加速度计系统参数矩阵；表示旋转矩阵；g＝(0,0,g)^T表示地理坐标系下的重力加速度矢量；a表示加速度计实际测量加速度；B_a表示加速度计误差矩阵；V表示加速度测量误差矩阵，满足正态分布p(V)～N(0,R)。

选取三轴加速度和三轴角速度测量信号作为量测量，杆塔运动的四元数为状态量，建立如下杆塔运动状态方程和量测方程其中，X_k为状态向量，且X_k＝[q₀ q₁ q₂ q₃]^T；Y_k为量测向量，且Y_k＝[a_bx a_by a_bz ω_bx ω_by ω_bz]^T；为非线性状态方程函数；为非线性观测方程函数，系统噪声w_k-1和量测噪声v_k是均值为零、方差阵分别为Q_k-1和Q_k的不相关白噪声。

采用Kalman估计角速度ω和加速度a。

定义杆塔坐标系(b系)O-X_bY_bZ_b，采用东北天地理坐标系作为导航坐标系(n系)O-X_nY_nZ_n。

按照Z-X-Y的顺序令坐标系进行旋转，首先令O-X_nY_nZ_n绕Z_n轴旋转γ角度得到O-X₁Y₁Z₁，然后令O-X₁Y₁Z₁绕X₁轴旋转β角度得到O-X₂Y₂Z₂,最后令O-X₂Y₂Z₂绕Y₂轴旋转α角度得到O-X_bY_bZ_b，每次旋转的角度α、β和γ，即杆塔的侧倾角α、前倾角β和扭转角γ经过三次旋转可得到旋转矩阵：

杆塔倾斜姿态可利用四元数进行倾斜姿态解算。

定义杆塔倾斜四元数：Q＝[q₀ q₁ q₂ q₃]^T＝[q₀ e]^T，其中q₀是标量部分，e＝[q₁ q₂q₃]^T是矢量部分。

一个向量X从b系到n系之间的转换可用下式表示其中X_n,X_b是向量X分别在惯性参考系和杆塔载体参考系中。

是方向余弦矩阵，n系和b系均为直角坐标系，所以可将坐标系理解为刚体的定点运动，安装在杆塔上的测量单元所测量的数据是基于载体坐标系的，在姿态解算时需要将载体坐标系的数据转换到惯性参考系，旋转矩阵用四元数表示为

杆塔倾斜姿态角可表示为

四元数姿态解算的根本在于求解四元数，只要得到一组准确的四元数，就可结算出当前时刻杆塔倾斜姿态，从而判断杆塔的倾斜程度。

初始化四元数：假定杆塔处于静止状态即杆塔在没有外力的作用下仅受地球重力影响，此时加速度计测得数据A^b＝(a_bx a_by a_bz)^T是重力在b系三个轴向上的投影，在地理坐标系中重力加速度在三个轴向上的投影为gⁿ＝(0 0 g)^T；陀螺仪测得的是杆塔所在纬度(纬度L)的地球的自转角速度，陀螺仪输出的数据为G^b＝(ω_bx ω_by ω_bz)^T，在纬度L下的地球自转角速度由以上两组数据求出初始倾斜姿态角(α₀ β₀ γ₀)。

已知旋转矩阵则满足展开可得由T₁₃,T₂₃,T₃₃可以解出杆塔的侧倾角和前倾角计算得到的侧倾角和前倾角代入T₂₂,T₂₃可以解出扭转角把初始姿态角带入姿态矩阵求得初始姿态矩阵。

以四元数表示的旋转矩阵与姿态角旋转矩阵内元素一一对应，因此可得到方程对方程求解可得初始化四元数

四元数更新：利用四元数法对杆塔倾斜姿态进行解算关键在于得到q₀,q₁,q₂,q₃，即更新的四元数，采用一阶龙格库塔方法更新四元数：通过求解四元数，只需输入下一个周期内角速度ω_x,ω_y,ω_z以及采样周期Δt即可不断更新得到新的四元数，进而求得

最后说明的是以上实施案例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，可以对本发明进行修改或更换，而不脱离本技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种杆塔倾斜测量系统，其特征在于，该杆塔倾斜测量系统包括两部分：MIMU惯性测量单元和倾斜解算单元；MIMU惯性测量单元包括：三轴MEMS加速度计、三轴MEMS陀螺仪和温度计，采集杆塔的三轴加速度、三轴角速度和测量系统环境温度数据，通过高速采集卡或SPI接口把数据传输到倾斜解算单元；将MIMU测量单元与杆塔固连在一起，当杆塔发生运动时，测量单元可准确测量出杆塔的加速度和角速度数据；倾斜解算单元也即是该测量系统的核心，由高速的嵌入式处理器、静/动态存储器、外围辅助电路和Zigbee模块及电源模块构成，通过Zigbee无线与电网在线监测系统连接，采用5V电源模块供电。

[0010]倾斜解算单元对采集的数据先经过低通滤波器去除高频噪声，然后进行温度漂移和零偏补偿，采用卡尔曼滤波进行动态误差处理，最后根据处理后的加速度和角速度数据进行倾斜姿态解算，并把加速度、角速度、倾斜角和温度通过Zigbee无线传输到电网在线监测系统。

2.权利要求1所述的一种杆塔倾斜测量系统，其特征在于损伤分析度量单元对采集数据先经过低通滤波器去除高频噪声，然后进行温度漂移和零偏补偿，采用统计卡尔曼滤波进行动态误差处理，最后根据处理后的加速度和角速度数据进行度量损伤程度，并把加速度和角速度通过Mini USB接口传输到在线监测系统。

3.权利要求1所述的一种杆塔倾斜测量系统，其特征在于倾斜解算步骤包括：

(1)倾斜解算单元对测量单元采集的数据先经过低通滤波器去除高频噪声，然后进行温度漂移和零偏补偿。

(2)测量数据Kalman处理：

①陀螺仪测量模型：ω_b＝A_ωω+B_ω+W，其中ω_b表示陀螺仪输出的角速度；A_ω为陀螺仪系统参数矩阵；ω为陀螺仪实际测量角速度；W为陀螺仪测量误差矩阵，满足正态分布p(W)～N(0,Q)，B_ω表示陀螺仪漂移矩阵；

②加速度计测量模型其中a_b为加速度计输出的加速度；A_a为加速度计系统参数矩阵；表示旋转矩阵；g＝(0,0,g)^T表示地理坐标系下的重力加速度矢量；a表示加速度计实际测量加速度；B_a表示加速度计误差矩阵；V表示加速度测量误差矩阵，满足正态分布p(V)～N(0,R)。

③选取三轴加速度和三轴角速度测量信号作为量测量，杆塔运动的四元数为状态量，建立如下杆塔运动状态方程和量测方程其中，X_k为状态向量，且X_k＝[q₀ q₁ q₂ q₃]^T；Y_k为量测向量，且Y_k＝[a_bx a_by a_bz ω_bx ω_by ω_bz]^T；为非线性状态方程函数；为非线性观测方程函数，系统噪声w_k-1和量测噪声v_k是均值为零、方差阵分别为Q_k-1和Q_k的不相关白噪声；

④采用Kalman估计角速度ω和加速度a。

(3)定义杆塔坐标系(b系)O-X_bY_bZ_b，采用东北天地理坐标系作为导航坐标系(n系)O-X_nY_nZ_n，按照Z-X-Y的顺序令坐标系进行旋转，首先令O-X_nY_nZ_n绕Z_n轴旋转γ角度得到O-X₁Y₁Z₁，然后令O-X₁Y₁Z₁绕X₁轴旋转β角度得到O-X₂Y₂Z₂,最后令O-X₂Y₂Z₂绕Y₂轴旋转α角度得到O-X_bY_bZ_b，每次旋转的角度α、β和γ，即杆塔的侧倾角α、前倾角β和扭转角γ经过三次旋转可得到旋转矩阵：

(4)杆塔倾斜姿态可利用四元数进行倾斜姿态解算：

①定义杆塔倾斜四元数：Q＝[q₀ q₁ q₂ q₃]^T＝[q₀ e]^T，其中q₀是标量部分，e＝[q₁ q₂q₃]^T是矢量部分；一个向量X从b系到n系之间的转换可用下式表示其中X_n,X_b是向量X分别在惯性参考系和杆塔载体参考系中；

②是方向余弦矩阵，n系和b系均为直角坐标系，所以可将坐标系理解为刚体的定点运动，安装在杆塔上的测量单元所测量的数据是基于载体坐标系的，在姿态解算时需要将载体坐标系的数据转换到惯性参考系，旋转矩阵用四元数表示为杆塔倾斜姿态角可表示为

③四元数姿态解算的根本在于求解四元数，只要得到一组准确的四元数，就可结算出当前时刻杆塔倾斜姿态，从而判断杆塔的倾斜程度；

④初始化四元数：假定杆塔处于静止状态即杆塔在没有外力的作用下仅受地球重力影响，此时加速度计测得数据A^b＝(a_bx a_by a_bz)^T是重力在b系三个轴向上的投影，在地理坐标系中重力加速度在三个轴向上的投影为gⁿ＝(0 0 g)^T；陀螺仪测得的是杆塔所在纬度(纬度L)的地球的自转角速度，陀螺仪输出的数据为G^b＝(ω_bx ω_by ω_bz)^T，在纬度L下的地球自转角速度由以上两组数据求出初始倾斜姿态角(α₀ β₀ γ₀)；

⑤已知旋转矩阵则满足展开可得由T₁₃,T₂₃,T₃₃可以解出杆塔的侧倾角和前倾角计算得到的侧倾角和前倾角代入T₂₂,T₂₃可以解出扭转角把初始姿态角带入姿态矩阵求得初始姿态矩阵；

⑥以四元数表示的旋转矩阵与姿态角旋转矩阵内元素一一对应，因此可得到方程对方程求解可得初始化四元数

⑦四元数更新：利用四元数法对杆塔倾斜姿态进行解算关键在于得到q₀,q₁,q₂,q₃，即更新的四元数，采用一阶龙格库塔方法更新四元数：通过求解四元数，只需输入下一个周期内角速度ω_x,ω_y,ω_z以及采样周期Δt即可不断更新得到新的四元数，进而求得