CN110160497B - 铁塔倾斜测量方法、装置、计算机设备和存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种铁塔倾斜测量方法、装置、计算机设备和存储介质。所述方法包括：获取倾斜向量；解析所述倾斜向量，获得所述倾斜向量在第一方向上的第一方向分量；根据所述第一方向分量以及重力加速度，计算得到倾斜角度。通过获得倾斜向量，并以此计算出竖直方向上的第一方向分量，根据第一方向分量和重力加速度计算得到铁塔的倾斜角度，有效实现对铁塔的倾斜的监测，及时发现铁塔故障。

Description

铁塔倾斜测量方法、装置、计算机设备和存储介质

技术领域

本申请涉及倾斜角度测量技术领域，特别是涉及一种铁塔倾斜测量方法、装置、计算机设备和存储介质。

背景技术

铁塔一般用于架设高压输电线或者架设通信基站。对于用于架设通信基站的铁塔而言，铁塔必须保持较佳的竖直度，并且不能有较大的倾斜，否则容易导致基站的线缆故障或者信号故障。因此，需要实时对铁塔的倾斜度和倾斜方向进行监测，以测量出铁塔的倾斜度和倾斜方向。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种铁塔倾斜测量方法、装置、计算机设备和存储介质。

一种铁塔倾斜测量方法，所述方法包括：

获取倾斜向量；

解析所述倾斜向量，获得所述倾斜向量在第一方向上的第一方向分量；

根据所述第一方向分量以及重力加速度，计算得到倾斜角度。

一种铁塔倾斜测量装置，所述装置包括：

倾斜向量获取模块，用于获取倾斜向量；

第一方向分量获得模块，用于解析所述倾斜向量，获得所述倾斜向量在第一方向上的第一方向分量；

倾斜角度获得模块，用于根据所述第一方向分量以及重力加速度，计算得到倾斜角度。

在其中一个实施例中，还包括：

地磁力向量获得模块，用于获得地磁力向量；

磁力平面分量获得模块，用于解析所述地磁力向量，获得所述地磁力向量在第二方向以及第三方向所在的水平平面上的磁力平面分量，并获得所述地磁力向量在所述第二方向上的磁力第二方向分量，其中，所述第一方向为竖直方向，所述第二方向垂直于所述第三方向；

第一夹角获得模块，用于根据所述磁力平面分量以及所述磁力第二方向分量计算得到地理北极的方向与所述第二方向的之间的第一夹角；

第二夹角获得模块，用于根据所述倾斜向量在所述水平平面上投影分量，计算获得所述投影分量的方向与所述第二方向之间的第二夹角；

倾斜方向获得模块，用于根据所述第一夹角和所述第二夹角计算得到倾斜方向。

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

获取倾斜向量；

解析所述倾斜向量，获得所述倾斜向量在第一方向上的第一方向分量；

根据所述第一方向分量以及重力加速度，计算得到倾斜角度。

一种计算机可读存储介质，其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以下步骤：

获取倾斜向量；

解析所述倾斜向量，获得所述倾斜向量在第一方向上的第一方向分量；

根据所述第一方向分量以及重力加速度，计算得到倾斜角度。

上述铁塔倾斜测量方法、装置、计算机设备和存储介质，通过获得倾斜向量，并以此计算出竖直方向上的第一方向分量，根据第一方向分量和重力加速度计算得到铁塔的倾斜角度，有效实现对铁塔的倾斜的监测，及时发现铁塔故障。

附图说明

图1为一个实施例中铁塔倾斜测量方法的应用环境图；

图2为一个实施例中铁塔倾斜测量方法的流程示意图；

图3为另一个实施例中铁塔倾斜测量方法的流程示意图；

图4为一个实施例中铁塔倾斜测量装置的结构框图；

图5为一个实施例中计算机设备的内部结构图；

图6A为一个实施例中测量终端处于初始状态的倾斜向量在坐标轴中的示意图；

图6B为一个实施例中测量终端处倾斜始状态的倾斜向量在坐标轴中的示意图；

图6C为一个实施例中测量终端绕Z轴旋转在坐标轴中的示意图；

图6D为一个实施例中测量终端绕Y轴旋转在坐标轴中的示意图；

图6E为一个实施例中测量终端绕X轴旋转在坐标轴中的示意图；

图7为一个实施例中的坐标轴上的加速度向量的示意图；

图8为一个实施例中的坐标轴上磁力计受到地磁力的向量的映射的示意图；

图9为一个实施例中铁塔的安装高度与偏离距离的关系示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本申请提供的铁塔倾斜测量方法，可以应用于如图1所示的应用环境中。其中，传感器102通过网络与计算机104通过网络进行通信。本实施例中，该传感器102采用九轴传感器。其中，传感器102安装在铁塔上，检测铁塔的倾斜获得倾斜向量，并将倾斜向量发送至计算机104，计算机104获取倾斜向量；解析所述倾斜向量，获得所述倾斜向量在第一方向上的第一方向分量；根据所述第一方向分量以及重力加速度，计算得到倾斜角度。计算机104可以用独立的服务器或者是多个服务器组成的服务器集群来实现。

在一个实施例中，如图2所示，提供了一种铁塔倾斜测量方法，以该方法应用于图1中的终端为例进行说明，包括以下步骤：

步骤210，获取倾斜向量。

具体地，该倾斜向量为铁塔倾斜的向量，也是传感器的倾斜向量。该倾斜向量由于倾斜于竖直方向而产生。本实施例中，倾斜向量通过传感器检测获得，即本实施例中，通过传感器获取倾斜向量。该传感器能够检测加速度值，由于加速度值具有方向，因此，该具有方向的加速度值也可以称为加速度向量。一个实施例中，通过传感器获得加速度向量，本实施例中，该传感器为加速度传感器，该加速度向量为倾斜向量。一个实施例是，根据加速度向量获得倾斜向量。

步骤230，解析所述倾斜向量，获得所述倾斜向量在第一方向上的第一方向分量。

具体地，物体在受到重力作用时，将产生重力加速度，重力加速度的方向为竖直向下，而当物体倾斜时，其在重力加速度作用下将在三个相互垂直的方向上产生分量。因此，当铁塔倾斜时，位于铁塔上的传感器将检测获得倾斜向量，并且通过解析这个倾斜向量，即可这个倾斜向量在三个相互垂直方向上的分量。一个实施例中，该通过加速度传感器获得倾斜向量，值得一提的是，该加速传感器为三轴传感器，能够获得三个相互垂直的方向上的加速度分量，故本步骤中，还可以通过传感器获得第一方向上的第一方向分量。

本实施例中，该第一方向为竖直方向，或者说，该第一方向平行于竖直方向，竖直方向即为重力的方向。该第一方向为三个相互垂直方向上中的一个方向，为了便于阐述，本实施例中，以竖直方向作为Z轴建立坐标系，则第一方向为Z轴方向，则该倾斜向量在Z轴上的分量为第一方向分量，由于本实施例中，该倾斜向量为加速度向量，故第一方向分量为加速度向量在第一方向上的分量，也就是第一加速度分量。

步骤250，根据所述第一方向分量以及重力加速度，计算得到倾斜角度。

具体地，倾斜角度为倾斜向量的方向与重力加速度的方向之间的夹角，即铁塔倾斜于竖直方向的角度，也即铁塔上传感器倾斜于竖直方向的角度。通过计算第一方向分量以及重力加速度之比，即可获得倾斜角度对应的余弦函数的值，那么，在获得第一方向分量以及重力加速度后，基于三角反余弦函数即可计算该倾斜角度。本实施例中，该重力加速度的值为g，而该重力加速度的方向为竖直向下。故，本实施例中，基于三角反余弦函数，根据所述第一方向分量以及重力加速度之比，计算得到倾斜角度。由于第一方向分量为加速度向量的分量，因此，该第一方向分量与重力加速度具有相同的计算单位，故两者之比可得到不带单位的纯数值，并且根据三角反余弦函数可计算出该比值对应的角度，其倾斜角度。

当倾斜角度大于零时，则表示铁塔存在倾斜。当倾斜角度为零时，表明铁塔不存在倾斜。这样，通过计算出倾斜角度，即可实现对铁塔的倾斜的监测。

上述实施例中，通过获得倾斜向量，并以此计算出竖直方向上的第一方向分量，根据第一方向分量和重力加速度计算得到铁塔的倾斜角度，有效实现对铁塔的倾斜的监测，及时发现铁塔故障。

在一个实施例中，如图3所示，铁塔倾斜测量方法还包括步骤：

步骤310，获得地磁力向量。

步骤330，解析所述地磁力向量，获得所述地磁力向量在第二方向以及第三方向所在的水平平面上的磁力平面分量，并获得所述地磁力向量在所述第二方向上的磁力第二方向分量，其中，所述第一方向为竖直方向，所述第二方向垂直于所述第三方向。

步骤350，根据所述磁力平面分量以及所述磁力第二方向分量计算得到地理北极的方向与所述第二方向的之间的第一夹角。

步骤370，根据所述倾斜向量在所述水平平面上投影分量，计算获得所述投影分量的方向与所述第二方向之间的第二夹角。

步骤390，根据所述第一夹角和所述第二夹角计算得到倾斜方向。

本实施例中，通过传感器获得地磁力向量，本实施例中，测量地磁力分量的传感器为磁力计。倾斜方向为以地理北极的方向作为基准的相对方向，即铁塔相对于地理北极的方向的倾斜的方向。该地磁力向量为磁场方向，该地磁力向量指向地理北极。由于磁北极与地理北极接近，故本实施例中，将磁北极的位置等同于地理北极。由于地磁力向量的方向指向地理北极，而该地磁力向量在上述实施例中建立的坐标系中的三个方向上也将分别产生分量，通过这些分量即可计算出铁塔相对于地理北极的方向的倾斜的方向。

具体地，在该坐标系内，第一方向为Z轴方向，第二方向为Y轴方向，第三方向为X轴方向，这样，由于两个相交的直线能够确定一个平面，因此，第二方向以及第三方向所在的平面即为水平平面，根据地磁力向量获得其在水平平面上的分量，即磁力平面分量，地磁力向量在水平平面上的分量也可以看成是地磁力分量在水平平面上的投影。根据地磁力向量获得其在第二方向上的分量，即磁力第二方向分量。这样，基于三角反余弦函数，即可计算出地理北极的方向与所述第二方向的之间的第一夹角的角度。具体地，地磁力向量在水平平面上的分量可看作是地磁力向量在水平平面上的投影，将该磁力平面分量与磁力第二方向分量作比，即可得到第一夹角的余弦函数值，这样，本实施例中，基于三角反余弦函数，根据磁力第二方向分量与磁力平面分量之比，计算得到第一夹角，即计算得到第一夹角的角度值。

在一个实施例中，步骤330包括解析所述地磁力向量，获得所述地磁力向量在第二方向的第一磁力分量以及在第三方向的第二磁力分量，根据第一磁力分量以及第二磁力分量计算获得水平平面上的磁力平面分量。在一个实施例中，通过磁力计获得第二方向的第一磁力分量以及在第三方向的第二磁力分量，根据第一磁力分量以及第二磁力分量计算获得水平平面上的磁力平面分量，本实施例中，该磁力计为三轴磁力计，能够获得三个方向上的磁力分量。

其中，步骤370中，首先获得倾斜向量在所述水平平面上投影分量，并且获得倾斜向量在第二方向上的第二方向分量，根据所述倾斜向量在所述水平平面上投影分量以及第二方向分量，计算获得所述投影分量的方向与所述第二方向之间的第二夹角。值得一提的是，本实施例中，倾斜向量在水平平面上的投影即为倾斜向量在水平平面上的分量。本实施例中，基于三角反余弦函数，根据第二方向分量与投影分量之比，计算得到第二夹角，即计算得到第二夹角的角度值。

由于地理北极的方向与第二方向的之间的第一夹角的角度值已经计算得到，而投影分量的方向与第二方向之间的第二夹角的角度值也已经计算得到，以第二方向作为基准，地理北极的方向与投影分量的方向即可计算得到。因此，根据第一夹角的角度值和第二夹角的角度值即可以计算得出投影分量与地理北极的方向之间的角度，即可以得到倾斜方向，或者是，倾斜向量偏离地理北极的方向。该倾斜方向即为铁塔倾斜的朝向，即在水平平面上，铁塔倾斜的朝向偏离地理北极的角度。

本实施例中，通过计算获得铁塔的倾斜方向，结合计算获得倾斜角度，即可准确获得铁塔的倾斜角度和倾斜方向，从而精确判断铁塔的倾斜情况。

值得一提的是，在一个实施例中，第二方向为地理北极的方向，此时，第二方向与地理的北极方向之间的夹角即为零，则倾斜向量在所述水平平面上投影分量的方向与所述第二方向之间的第二夹角即为倾斜方向。本实施例中，第二方向为地理北极方向可通过在初始校准时设置，通过将Y轴方向对齐于地理北极方向即可实现第二方向与地理北极方向的重合，这样，能够快速计算得到倾斜方向。

值得一提的是，本实施例中，获得地磁力向量的步骤可以是在获取倾斜向量的步骤之前或者之后执行，两者的获得顺序并不影响倾斜角度和倾斜方向的计，也就是说，图2和图3中的步骤可以先后执行，也可以同时执行。而只需在计算第二夹角的步骤之前，执行获取倾斜向量的步骤，即可实现对倾斜方向的计算。

为了更为精确判定铁塔的状态，在一个实施例中，在所述根据所述第一方向分量以及重力加速度，计算得到倾斜角度的步骤之后还包括：获得安装高度；根据所述安装高度和所述倾斜角度，计算获得偏移距离。

本实施例中，安装高度为传感器安装在铁塔上的高度，当该传感器随着铁塔的倾斜而偏移原安装位置时，则该传感器则会产生偏移距离，而该偏移距离也是铁塔上相应的位置上的偏移。由于倾斜角度是铁塔偏移竖直方向上的角度，因此，根据安装高度和倾斜角度，计算获得偏移距离为铁塔水平方向上的偏移距离，也是传感器在水平方向上的偏移距离。一个实施例是，基于余弦函数，根据所述安装高度和所述倾斜角度，计算获得偏移距离。值得一提的是，当传感器安装在铁塔的顶部，则安装高度等于铁塔的高度，因此计算得到的偏移距离为铁塔的顶端在水平方向上的偏移距离。

本实施例中，步进计算获得倾斜角度和倾斜方向，还获得偏移距离，从而能够更为准确地判定铁塔的状态。

为了使得倾斜角度更为准确，在一个实施例中，铁塔倾斜测量方法还包括步骤：获得角速度值；根据所述角速度值计算获得修正角度；根据所述修正角度对所述倾斜角度进行修正，获得修正后的倾斜角度。

本实施例中，通过传感器获得角速度值，该角速度值为由于铁塔倾斜而产生的角速度。本实施例中，获得角速度值的传感器为陀螺仪。具体地，当传感器静止时，传感器测量获得的角速度值为零。当传感器随着铁塔的倾斜而产生运动时，则会测量获得角速度值。通过对该角速度值进行积分计算即可得到铁塔的倾斜的角度，即为修正角度。

值得一提的是，通过加速度向量计算获得的倾斜角度和通过角速度值计算获得的修正角度是同一数值，在没有外界噪声干扰以及误差的情况下，倾斜角度和修正角度是相等的。然而，值得注意的是，在现实的环境中通过加速度传感器测量获取到的加速度值包含很多噪声，主要是因为待测物会受到安装环境的各种震动晃动干扰，这些干扰会表现在加速度值上，使得根据加速度向量计算获得的倾斜角度的结果有较大的波动。因此，为了减小噪声的干扰，减小波动，通过修正角度来对倾斜角度进行修正，能够有效提高倾斜角度的精度，减小噪声的干扰。

为了实现修正角度对倾斜角度的修正，在一个实施例中，所述根据所述角速度值计算获得修正角度的步骤包括：根据所述角速度值计算获得角速度向量，解析所述角速度向量获得角速度向量在第一竖直平面的分量以及在第二竖直平面的分量，其中，所述第一竖直平面垂直于所述第二竖直平面，且所述第一竖直平面与所述第二竖直平面分别平行于竖直方向；计算第一竖直平面的分量与角速度向量之间的第一比值，计算第二竖直平面的分量与角速度向量之间的第二比值，根据所述第一比值和所述第二比值计算获得修正角度。

具体地，根据所述第一比值和所述第二比值计算获得修正角度的余弦值，基于反余弦函数，根据修正角度的余弦值计算获得修正角度。本实施例中，对根据所述第一比值和所述第二比值求积，计算获得修正角度的余弦值，这样，既可以根据修正角度的余弦值计算获得修正角度。

本实施例中，倾斜向量由角速度值通过积分运算获得，故本实施例中的倾斜向量可以称为角速度向量。

值得一提的是，由于修正角度的余弦值可通过两个余弦值获得，而两个余弦值可通过倾斜向量的比值获得，即第一比值为倾斜向量与第一竖直平面的分量之间的第三夹角的余弦值，第二比值为倾斜向量与第二竖直平面的分量之间的第四夹角的余弦值，因此，为了实现修正角度对倾斜角度的修正，一个实施例是，根据所述角速度值计算获得所述倾斜向量的方向与第一竖直平面之间的第三夹角，计算获得所述倾斜向量的方向与第二竖直平面之间的第四夹角，其中，所述第一竖直平面垂直于所述第二竖直平面，且所述第一竖直平面与所述第二竖直平面分别平行于竖直方向；根据所述第三夹角和所述第四夹角计算获得所述修正角度。

其中，在上述实施例中的坐标系中，第一竖直平面为第一方向与第二方向所在的平面，第二竖直平面为第一方向与第三方向所在的平面，本实施例中，倾斜向量可分解为第一方向、第二方向以及第三方向上的分量，同理，可根据倾斜向量在第一方向上的分量和第二方向上的分量计算获得第一竖直平面的分量，根据倾斜向量在第一方向上的分量和第三方向上的分量计算获得第二竖直平面的分量，这样，即可根据倾斜向量在第一竖直平面的分量和倾斜向量计算获得所述倾斜向量的方向与第一竖直平面之间的第三夹角，根据倾斜向量在第二竖直平面的分量和倾斜向量计算获得所述倾斜向量的方向与第二竖直平面之间的第四夹角。本实施例中，根据所述第三夹角的余弦值和所述第四夹角的余弦值计算获得所述修正角度的余弦值，基于三角反余弦函数，根据修正角度的余弦值，计算获得修正角度。

值得一提的是，尽管修正角度是根据角速度计算而来的，能够摒除外界的干扰，但是由于修正角度需要角速度的积分运算获得，积分存在误差，在多次积分后，误差会不断放大，即使没有外界的干扰，依然存在较大的偏差。因此，修正角度用于修正倾斜角度，也就是说，在上述实施例中，以测量获得的倾斜角度为主，修正角度为辅，以修正角度来修正倾斜角度，能够有效减少噪声的干扰，并且有效减小误差，使得修正后的倾斜角度更为精确。

在一个实施例中，根据所述修正角度对所述倾斜角度进行修正，获得修正后的倾斜角度的步骤包括：

对所述倾斜角度进行滤波处理，对所述修正角度进行滤波处理，将滤波后的倾斜角度和滤波后的修正角度进行角度解算及数据融合处理，得到修正后的倾斜角度。

本实施例中，采用中位值平均滤波法和滑动平均滤波法对倾斜角度进行滤波处理；采用低通滤波法对所述修正角度进行滤波处理。此外，角度解算采用四元数、方向余弦和欧拉角方法进行处理；数据融合采用互补滤波、卡尔曼滤波和梯度下降法方法进行处理。这样，通过滤波、角度结算以及数据融合处理，使得修正后的倾斜角度能够有效消除噪声干扰，并且有效减小了积分运算导致的误差，进而使得倾斜角度的精度更高。

为了使得铁塔的倾斜角度的测量结果更为准确，在一个实施例中，在所述获取倾斜向量的步骤之前还包括：校准所述倾斜向量，以使得所述倾斜向量在所述第一方向上的第一方向分量与所述重力加速度的值相等，并且所述第一方向分量的方向与所述重力加速度的方向相反。

本实施例中，在安装过程中，将传感器安装在铁塔上，并且使得传感器检测获得的第一方向上的第一方向分量与所述重力加速度的值相等，这样，倾斜向量在第二方向以及第三方向的分量为零，也就是说，倾斜向量在水平方向上的分量为零，这样，使得传感器的第一方向与竖直方向平行，从而使得传感器的方向得到校正，使得传感器在铁塔未倾斜的初始状态下，其倾斜向量等于重力加速度，这样，在铁塔产生倾斜后，倾斜向量在水平方向上的分量被检测到，即可准确地检测出铁塔的倾斜，进而准确计算出铁塔的倾斜角度。

本实施例中，还校准加速度向量的坐标系与地磁力向量的坐标系，以使得加速度向量的坐标系与地磁力向量的坐标系重合。

应该理解的是，虽然图2-3的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图2-3中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

下面是一个具体的实施例：

为了便于计算，首先建立一个数学模型。假设测量终端安装在铁塔上的初始状态模型为图6A所示。而铁塔发生倾斜后的模型如图6B所示。从两个模型变化可看出，铁塔的倾斜表现为坐标系的变换，所以可以通过旋转矩阵来描述铁塔的倾斜情况，即：

其中任何一个旋转都可以表示为依次绕着三个旋转轴单次旋转的组合。在这里，旋转顺序为Z轴->Y轴->X轴。

图6C，绕Z轴旋转ψ的旋转矩阵为：

图6D，绕Y轴旋转θ的旋转矩阵为：

图6E，绕X轴旋转φ的旋转矩阵为：

所以将这三个单轴的旋转矩阵相乘即可得到最终的旋转矩阵：

为了简化运算，使用四元素来表示旋转矩阵：

由公式五和公式六两个矩阵一一对应可求出：

θ＝arcsin(-2(q₂q₃-q₀q₁)) (公式八)

将测量数据解算得到精准的欧拉角，即三个旋转角：ψ、θ、φ)，做为中间数据为后续解算倾斜状态做准备。设备上的九轴传感器可测量出三轴的加速度数据、三轴的角速度数据和三轴的地磁力数据。三轴加速度值可以对应公式一中坐标系的三轴值，所以通过测量图6A和图6B两个状态下的三轴加速度值代入公式一中，即可解算出ψ、θ、φ三个旋转角。三轴角速度值可以通过积分运算解算从图6A到图6B三轴变化的弧度，再将弧度转换为ψ、θ、φ三个旋转角。而三轴地磁力值通过标定Y轴初始状态指向地理正北方向，再通过公式一可解算出Y轴方向相对于正北方向的夹角ψ。

值得注意的是，在现实的应用环境中通过加速计获取到的加速度值包含很多噪声(因为待测物会受到安装环境的各种震动干扰，这些干扰会表现在加速度测量值上)，使得最终获取的结果有较大的波动。而陀螺仪具有很好的稳定性对外界振动影响小精度高，但陀螺仪的角度计算使用了积分，会产生累积误差，即使精度高但时间长了就会出现零点飘移。因此通过单一的加速计或陀螺仪都不能获得稳定且精准的倾斜角数据。所以需要通过一些融合算法将来将加速计、陀螺仪和磁力计的数据进行融合，最终获得精准且稳定的欧拉角(ψ、θ、φ)。

具体地，用公式六旋转矩阵解算出一个加速度值和磁力值，然后与实际的加速计和磁力计测量值进行叉积运算得到一个误差值，这些误差值通过PI控制器将陀螺仪测量值进行修正，修正后的角速度值通过解四元素微分方程更新四元素，即更新公式六的旋转矩阵，最后通过公式七、公式八和公式九解算出欧拉角(ψ、θ、φ)。

本一个实施例中，使用MPU9250九轴传感器作为测量用的传感器，MPU9250九轴传感器也即为测量终端，本实施例中，终端为包括MPU9250九轴传感器的计算机设备，该终端具备计算处理能力，并且能够获取MPU9250九轴传感器的测量数据。

该九轴传感器包括三轴加速计、三轴陀螺仪和三轴磁力计，三轴加速计用于测量三个相互垂直方向上的加速度，三轴陀螺仪用于测量三个相互垂直方向上的角速度，三轴磁力计用于测量三个相互垂直方向上的磁强度，这样，该九轴传感器可实时获得三轴的加速度、三轴的角速度和三轴的磁强度测量数据。其中可通过加速度和角速度的测量数据都计算出铁塔的倾斜角度，通过加速度和磁强度的测量数据计算出铁塔的倾斜方向，通过倾斜角度和标定高度可计算得到终端位移。

倾斜角度的计算：

为了便于理解，本实施例中将终端测量的三轴加速度值用图7的空间坐标表示：

图7中，Z轴的方向为第一方向，Y轴的方向为第二方向，X轴的方向为第三方向，重力加速度的方向与第一方向平行，并且与第一方向相反。

当终端处于初始状态时，则图1中三轴的加速度向量由如下公式表示：

其中，a为加速度向量，z为加速度向量在第一方向上的分量，y为加速度向量在第二方向上的分量，x为加速度向量在第三方向上的分量。

终端在静止状态下，加速度向量a大小等于重力加速度g，方向与g相反。当终端在铁塔上安装固定完成后，通过校准加速计的三轴值的初始值使加速度向量a与z轴重合，即校准后的加速度向量坐标为a0＝(0,0,g)。当铁塔发生了倾斜，由于终端固定在铁塔上，所以倾斜的状态将直接反应在加速度向量a(x,y,z)在三轴分量变化上。如图7，为铁塔发生倾斜后加速度向量a的变化情况，可看出铁塔倾斜角度等价为加速度向量a与z轴的夹角，即

倾斜角度θ＝cos^-1(z/g)

通过计算出加速度向量a与z轴的夹角，即可得到铁塔实际倾斜角。值得注意的是，在现实的环境中通过加速计获取到的加速度值包含很多噪声(因为待测物会受到安装环境的各种震动晃动干扰，这些干扰会表现在加速度值上)，使得最终获取的结果有较大的波动。因此，本实施例中，加入了陀螺仪的数据校正，陀螺仪具有很好的稳定性对外界振动影响小精度高，通过陀螺仪的角速度值同样能计算出倾斜角度来。陀螺仪获取角度的原理也很简单，终端静止时，即陀螺仪三轴的角速度值都为零，当终端发生倾斜或转动时陀螺仪的三个轴的角速度值将会发生相应的变化，通过角速度的积分运算可以得到每个轴的变化弧度，最终将弧度转为每个轴对应的变化角度。同样用图7描述，通过陀螺仪最终计算出向量a与Y-Z平面的夹角ω，向量a与Y-Z平面的夹角φ，而这两个夹角与铁塔的倾斜角度θ的空间几何关系为：

同样的用加速度值也能ω夹角和φ夹角，公式如下：

以及

虽然通过陀螺仪能获取到精准的倾斜角，但陀螺仪的计算角度使用了积分运算，因此会产生累积误差，即使精度高但时间长了就会出现飘移。

为了提高倾斜角度的精度，需要通过融合算法将来将加速计和陀螺仪的数据进行融合，以陀螺仪数据为主，加速计数据为辅，进行补偿修正，最终获取到理想的角度数据，具体实现步骤如下：

第一，对定时采集的原始数据进行滤波处理，为后续处理提高平稳的数据。其中加速度数据使用中位值平均滤波法+滑动平均滤波法处理。而陀螺仪获取到的角速度值将使用低通滤波法处理。

第二，对第一步滤波后的数据进行角度解算及数据融合处理。角度解算可用四元数、方向余弦、欧拉角方法。数据融合用互补滤波、卡尔曼滤波、梯度下降法方法。本实施例中，将滤波后的数据进行角度解算与数据融合。随后，生成经过数据融合补偿修正处理过欧拉角，即上面需要的ω角、φ角，以及后面计算倾斜方向需要的α角。这些角度已经经过了算法处理，消除了前面使用单个加速计或陀螺仪所产生的缺陷，不仅能够减小干扰造成的误差，也能够减小由于积分运算造成的误差。

第三，将第二步生成的ω角、φ角计算出最终的倾斜角度，使用前面提到的公式:cosθ＝cosω*cosφ。

倾斜方向的计算：

要获取到倾斜方向数据，首先要获取到终端某一轴对于地理北极(0°)的夹角α，本实施例中，选取Y轴。该夹角可以通过磁力计测量值计算得到，如图8为磁力计受到地磁力的向量到三轴的映射，地磁力向量

方向指向地理北极，H_earth到X-Y面的分量为

所有可由以下公式计算出y轴与地理北极的夹角α：

α＝cos^-1(y/H_north)

因为磁力计会受到周围磁场的影响而产生噪点和干扰，因此，本实施例中要借助加速计和陀螺仪数据来补传修正。前面讲解倾斜角度计算时已计算得到α角，而且是经过融合处理过的。所以这里获取α角，只需将磁力计数据经过中位值平均滤波法和滑动平均滤波法后，即可计算出α角即可。

现在回到图7，铁塔的倾斜方向实际上表现为向量a的指向，由于Y轴与地理北极的夹角α已前面已经计算得到，所以下面只需通过计算向量a在X-Y面的投影

与Y轴的夹角β：

β＝cos^-1(y/a_xy)

随后，通过Y轴与地理北极的夹角α和向量a在X-Y面的投影a_xy与y轴的夹角β，即可计算得到铁塔的倾斜方向。

以上计算β角使用的是加速计测量值来计算，通过加速度数据测量计算得到的β角容易受噪音干扰。本实施例中，提供了另外一种计算β角的方法，是通过ω角、φ角计与β角的关系来计算出β角，而ω角、φ角前面已经计算出来了，而且数据精准稳定，所以使用该方法来计算β角。它们的关系为：

偏移距离的计算：

如图9所示，铁塔的倾斜角度θ前面计算已获取到，终端的安装高度需要安装时测量获取，通过给终端标定即可，终端位移可由以下三角公式计算得：

偏移距离d＝sqrt((2*H²)*(1-cosθ))

其中，H为测量终端的安装高度，θ为倾斜角度，则测量终端的位移即为偏移距离d。

在一个实施例中，如图4所示，提供了一种铁塔倾斜测量装置，包括：倾斜向量获取模块410、第一方向分量获得模块430和倾斜角度获得模块450，其中：

倾斜向量获取模块410用于获取倾斜向量。

第一方向分量获得模块430用于解析所述倾斜向量，获得所述倾斜向量在第一方向上的第一方向分量。

倾斜角度获得模块450用于根据所述第一方向分量以及重力加速度，计算得到倾斜角度。

在一个实施例中，铁塔倾斜测量装置还包括：

地磁力向量获得模块，用于获得地磁力向量。

磁力平面分量获得模块，用于解析所述地磁力向量，获得所述地磁力向量在第二方向以及第三方向所在的水平平面上的磁力平面分量，并获得所述地磁力向量在所述第二方向上的磁力第二方向分量，其中，所述第一方向为竖直方向，所述第二方向垂直于所述第三方向。

第一夹角获得模块，用于根据所述磁力平面分量以及所述磁力第二方向分量计算得到地理北极的方向与所述第二方向的之间的第一夹角。

第二夹角获得模块，用于根据所述倾斜向量在所述水平平面上投影分量，计算获得所述投影分量的方向与所述第二方向之间的第二夹角。

倾斜方向获得模块，用于根据所述第一夹角和所述第二夹角计算得到倾斜方向。

在一个实施例中，铁塔倾斜测量装置还包括：

安装高度获取模块，用于获得安装高度。

偏移距离计算模块，用于根据所述安装高度和所述倾斜角度，计算获得偏移距离。

在一个实施例中，铁塔倾斜测量装置还包括：

角速度值获取模块，用于获得角速度值。

修正角度计算模块，用于根据所述角速度值计算获得修正角度。

修正模块，用于根据所述修正角度对所述倾斜角度进行修正，获得修正后的倾斜角度。

在一个实施例中，所述修正角度计算模块包括：

角速度向量获取单元，用于根据所述角速度值计算获得角速度向量。

角速度分量获取单元，用于解析所述角速度向量获得角速度向量在第一竖直平面的分量以及在第二竖直平面的分量，其中，所述第一竖直平面垂直于所述第二竖直平面，且所述第一竖直平面与所述第二竖直平面分别平行于竖直方向。

比值计算单元，用于计算第一竖直平面的分量与角速度向量之间的第一比值，计算第二竖直平面的分量与角速度向量之间的第二比值。

修正角度计算单元，用于根据所述第一比值和所述第二比值计算获得修正角度。

在一个实施例中，铁塔倾斜测量装置还包括：

校准模块，用于校准所述倾斜向量，以使得所述倾斜向量在所述第一方向上的第一方向分量与所述重力加速度的值相等，并且所述第一方向分量的方向与所述重力加速度的方向相反。

关于铁塔倾斜测量装置的具体限定可以参见上文中对于铁塔倾斜测量方法的限定，在此不再赘述。上述铁塔倾斜测量装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，也可以是测量终端，其内部结构图可以如图5所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储数据。该计算机设备的网络接口或数据接口用于与传感器连接通信，获得传感器检测的数据。

本领域技术人员可以理解，图5中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

本实施例中，测量终端设置在铁塔上，本实施例中，测量终端包括MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)、传感器和通信模块，其中，传感器包括三轴加速计、三轴陀螺仪和三轴磁力计。通信模块为GSM(Global System for Mobile Communications，全球移动通信系统)模块，本实施例中，MCU即为上述实施例中的处理器，其中MCU负责采集传感器的测量数据，并将测量数据解算出铁塔的倾斜状态，包括倾斜角度、倾斜方向和终端位移；传感器负责实时测量三轴加速度值、三轴角速度值和三轴磁力值；GSM模块负责将解算得到的倾斜状态数据通过2G无线网络上传的监控平台。

在一个实施例中，提供铁塔监测系统，铁塔监测系统包括铁塔、测量终端和服务器。具体实现是将测量终端安装在铁塔上，通过测量终端实时采集传感器测量数据，并将测量数据解算出铁塔的倾斜状态，最后通过无线网络将状态数据上传给监控平台。即主要业务为远程实时监测铁塔倾斜状态，并对铁塔的各种异常状态进行预警，达到及时发现异常并进行维护。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现以下步骤：

获取倾斜向量。

解析所述倾斜向量，获得所述倾斜向量在第一方向上的第一方向分量。

根据所述第一方向分量以及重力加速度，计算得到倾斜角度。

在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：

获得地磁力向量。

解析所述地磁力向量，获得所述地磁力向量在第二方向以及第三方向所在的水平平面上的磁力平面分量，并获得所述地磁力向量在所述第二方向上的磁力第二方向分量，其中，所述第一方向为竖直方向，所述第二方向垂直于所述第三方向。

根据所述磁力平面分量以及所述磁力第二方向分量计算得到地理北极的方向与所述第二方向的之间的第一夹角。

根据所述倾斜向量在所述水平平面上投影分量，计算获得所述投影分量的方向与所述第二方向之间的第二夹角。

根据所述第一夹角和所述第二夹角计算得到倾斜方向。

在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：

获得安装高度。

根据所述安装高度和所述倾斜角度，计算获得偏移距离。

在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：

获得角速度值。

根据所述角速度值计算获得修正角度。

根据所述修正角度对所述倾斜角度进行修正，获得修正后的倾斜角度。

在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：

根据所述角速度值计算获得角速度向量。

解析所述角速度向量获得角速度向量在第一竖直平面的分量以及在第二竖直平面的分量，其中，所述第一竖直平面垂直于所述第二竖直平面，且所述第一竖直平面与所述第二竖直平面分别平行于竖直方向。

计算第一竖直平面的分量与角速度向量之间的第一比值，计算第二竖直平面的分量与角速度向量之间的第二比值。

根据所述第一比值和所述第二比值计算获得修正角度。

在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：

校准所述倾斜向量，以使得所述倾斜向量在所述第一方向上的第一方向分量与所述重力加速度的值相等，并且所述第一方向分量的方向与所述重力加速度的方向相反。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

获取倾斜向量。

解析所述倾斜向量，获得所述倾斜向量在第一方向上的第一方向分量。

根据所述第一方向分量以及重力加速度，计算得到倾斜角度。

在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：

获得地磁力向量。

解析所述地磁力向量，获得所述地磁力向量在第二方向以及第三方向所在的水平平面上的磁力平面分量，并获得所述地磁力向量在所述第二方向上的磁力第二方向分量，其中，所述第一方向为竖直方向，所述第二方向垂直于所述第三方向。

根据所述磁力平面分量以及所述磁力第二方向分量计算得到地理北极的方向与所述第二方向的之间的第一夹角。

根据所述倾斜向量在所述水平平面上投影分量，计算获得所述投影分量的方向与所述第二方向之间的第二夹角。

根据所述第一夹角和所述第二夹角计算得到倾斜方向。

在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：

获得安装高度。

根据所述安装高度和所述倾斜角度，计算获得偏移距离。

在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：

获得角速度值。

根据所述角速度值计算获得修正角度。

根据所述修正角度对所述倾斜角度进行修正，获得修正后的倾斜角度。

在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：

根据所述角速度值计算获得角速度向量。

解析所述角速度向量获得角速度向量在第一竖直平面的分量以及在第二竖直平面的分量，其中，所述第一竖直平面垂直于所述第二竖直平面，且所述第一竖直平面与所述第二竖直平面分别平行于竖直方向。

计算第一竖直平面的分量与角速度向量之间的第一比值，计算第二竖直平面的分量与角速度向量之间的第二比值。

根据所述第一比值和所述第二比值计算获得修正角度。

在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：

校准所述倾斜向量，以使得所述倾斜向量在所述第一方向上的第一方向分量与所述重力加速度的值相等，并且所述第一方向分量的方向与所述重力加速度的方向相反。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，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，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (12)

1.一种铁塔倾斜测量方法，所述方法包括：

通过安装在铁塔上的加速度传感器获取加速度向量，并将加速度向量作为倾斜向量；

解析所述倾斜向量，获得所述倾斜向量在第一方向上的第一方向分量，所述第一方向为竖直方向；

根据所述第一方向分量以及重力加速度，计算得到倾斜角度；

当铁塔倾斜时，通过陀螺仪获得角速度值，对所述角速度值进行积分运算得到修正角度；

根据所述修正角度对所述倾斜角度进行修正，获得修正后的倾斜角度；

获得地磁力向量；

解析所述地磁力向量，获得所述地磁力向量在第二方向以及第三方向所在的水平平面上的磁力平面分量，并获得所述地磁力向量在所述第二方向上的磁力第二方向分量，其中，所述第二方向垂直于所述第三方向；

根据所述磁力平面分量以及所述磁力第二方向分量，计算得到地理北极的方向与所述第二方向的之间的第一夹角；

根据所述倾斜向量在所述水平平面上投影分量，计算获得所述投影分量的方向与所述第二方向之间的第二夹角；

根据所述第一夹角和所述第二夹角计算得到倾斜方向；

根据所述修正后的倾斜角度和所述倾斜方向，确定所述铁塔的倾斜情况。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述根据所述第一方向分量以及重力加速度，计算得到倾斜角度的步骤之后还包括：

获得安装高度；

根据所述安装高度和所述倾斜角度，计算获得偏移距离。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述角速度值计算获得修正角度的步骤包括：

根据所述角速度值计算获得角速度向量；

解析所述角速度向量获得角速度向量在第一竖直平面的分量以及在第二竖直平面的分量，其中，所述第一竖直平面垂直于所述第二竖直平面，且所述第一竖直平面与所述第二竖直平面分别平行于竖直方向；

计算第一竖直平面的分量与角速度向量之间的第一比值，计算第二竖直平面的分量与角速度向量之间的第二比值；

根据所述第一比值和所述第二比值计算获得修正角度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述修正角度对所述倾斜角度进行修正，获得修正后的倾斜角度，包括：

对所述倾斜角度进行滤波处理，对所述修正角度进行滤波处理，将滤波后的倾斜角度和滤波后的修正角度进行角度解算及数据融合处理，得到修正后的倾斜角度。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于，在所述获取倾斜向量的步骤之前还包括：

校准所述倾斜向量，以使得所述倾斜向量在所述第一方向上的第一方向分量与所述重力加速度的值相等，并且所述第一方向分量的方向与所述重力加速度的方向相反。

6.一种铁塔倾斜测量装置，其特征在于，所述装置包括：

倾斜向量获取模块，用于通过安装在铁塔上的加速度传感器获取加速度向量，并将加速度向量作为倾斜向量；

第一方向分量获得模块，用于解析所述倾斜向量，获得所述倾斜向量在第一方向上的第一方向分量，所述第一方向为竖直方向；

倾斜角度获得模块，用于根据所述第一方向分量以及重力加速度，计算得到倾斜角度；

角速度值获取模块，用于当铁塔倾斜时，通过陀螺仪获得角速度值；

修正角度计算模块，用于对所述角速度值进行积分运算得到修正角度；

修正模块，用于根据所述修正角度对所述倾斜角度进行修正，获得修正后的倾斜角度；

地磁力向量获得模块，用于获得地磁力向量；

磁力平面分量获得模块，用于解析所述地磁力向量，获得所述地磁力向量在第二方向以及第三方向所在的水平平面上的磁力平面分量，并获得所述地磁力向量在所述第二方向上的磁力第二方向分量，其中，所述第二方向垂直于所述第三方向；

第一夹角获得模块，用于根据所述磁力平面分量以及所述磁力第二方向分量计算得到地理北极的方向与所述第二方向的之间的第一夹角；

第二夹角获得模块，用于根据所述倾斜向量在所述水平平面上投影分量，计算获得所述投影分量的方向与所述第二方向之间的第二夹角；

倾斜方向获得模块，用于根据所述第一夹角和所述第二夹角计算得到倾斜方向；

所述装置还用于根据所述修正后的倾斜角度和所述倾斜方向，确定所述铁塔的倾斜情况。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

安装高度获取模块，用于获得安装高度；

偏移距离计算模块，用于根据所述安装高度和所述倾斜角度，计算获得偏移距离。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述修正角度计算模块包括：

角速度向量获取单元，用于根据所述角速度值计算获得角速度向量；

角速度分量获取单元，用于解析所述角速度向量获得角速度向量在第一竖直平面的分量以及在第二竖直平面的分量，其中，所述第一竖直平面垂直于所述第二竖直平面，且所述第一竖直平面与所述第二竖直平面分别平行于竖直方向；

比值计算单元，用于计算第一竖直平面的分量与角速度向量之间的第一比值，计算第二竖直平面的分量与角速度向量之间的第二比值；

修正角度计算单元，根据所述第一比值和所述第二比值计算获得修正角度。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述修正模块，还用于对所述倾斜角度进行滤波处理，对所述修正角度进行滤波处理，将滤波后的倾斜角度和滤波后的修正角度进行角度解算及数据融合处理，得到修正后的倾斜角度。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

校准模块，用于校准所述倾斜向量，以使得所述倾斜向量在所述第一方向上的第一方向分量与所述重力加速度的值相等，并且所述第一方向分量的方向与所述重力加速度的方向相反。

11.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至5中任一项所述方法的步骤。

12.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至5中任一项所述的方法的步骤。

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