CN111457893A - 一种基于加速度传感器的杆塔倾角度检测方法 - Google Patents

一种基于加速度传感器的杆塔倾角度检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于加速度传感器的杆塔倾角度检测方法，包括相互连接的主控单元和加速度传感器模块，所述加速度传感器模块输出三轴加速度，所述主控单元根据三轴加速度计算出杆塔倾角；其特征在于，所述加速度传感器模块可设置中断，在加速度变化超过预设的阈值时，中断被触发；在中断未被触发时，所述主控单元以定时扫描的方式采集三轴加速度并计算杆塔倾角度；在中断被触发时，所述主控单元立即进行扫描采集三轴加速度、计算杆塔倾斜角度并发出骤然倒塌预警。与现有技术相比，本发明使得产品的功耗很低，便于产品的大规模使用，方便外观小型化设计；同时，通过设置加速度阈值进行中断触发，能对快速倒塌的杆塔进行实时监测并发出警报。

Description

一种基于加速度传感器的杆塔倾角度检测方法
技术领域
本发明涉及电力设备技术领域，尤其涉及一种基于加速度传感器的杆塔倾角度检测方法。
背景技术
目前，常见的对杆塔倾斜角度的测量方法主要有：基于MEMS倾角传感器的测量方法和基于六轴传感器的测量方法。
然而，现有的这两种测量方法存在以下问题：
1)功耗大。基于MEMS倾角传感器的测量方法，其传感器体积较大，需要增加用到ADC转换电路，功耗较高。基于六轴传感器的测量方法，其通过卡尔曼滤波和四元数姿态算法可精准地计算杆塔的姿态，从姿态中获取杆塔的倾斜角度，算法较复杂；并且，基于六轴传感器的角度测量方法在计算杆塔姿态时需要持续采集数据，同样无法实现低功耗；若采用低功耗模式，则六轴传感器的功能只相当于加速度传感器。考虑到杆塔数量和实际应用的功耗问题，上述两种方法难以在实际应用场景中大规模使用。
2)安装体积大。在安装时，传统的方法中，整个设备需要处于与杆塔垂直或平行的架上，以保证传感器的某个轴向与水平面平行或垂直。上述两种方法要求传感器的某个面与外壳安装时的附着面平行或垂直，使得硬件与外壳的设计必须规则，限制了外壳的小型化设计。
3)现有的这些方法只能通过定时监测的方式监测杆塔是否倒塌，若杆塔被破坏，骤然倒塌，此方法无法及时发出警报。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种可降低外壳设计限制、功耗低且能进行快速倒塌预警的杆塔倾斜角度测量方法。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案。
一种基于加速度传感器的杆塔倾角度检测方法，包括相互连接的主控单元和加速度传感器模块，所述加速度传感器模块输出三轴加速度，所述主控单元根据所述三轴加速度计算出杆塔倾角；其特征在于，所述加速度传感器模块可设置中断，在加速度变化超过预设的阈值时，中断被触发；在中断未被触发时，所述主控单元以定时扫描的方式采集三轴加速度并计算杆塔倾角度；在中断被触发时，所述主控单元立即进行扫描采集三轴加速度、计算杆塔倾斜角度并发出骤然倒塌预警。
更为优选的是，在中断被触发时，所述主控单元自动提高采集三轴加速度的频率。
更为优选的是，所述杆塔倾角度为杆塔倾斜的绝对角度，所述绝对角度为杆塔中轴与地面垂直线之间的夹角。
更为优选的是，所述杆塔倾角度为杆塔倾斜的相对角度，所述相对角度＝|倾斜后的绝对角度-初始的绝对角度|，所述绝对角度为杆塔中轴与地面垂直线之间的夹角。
更为优选的是，所述绝对角度的计算公式为：θ＝arccos(cosθScosθ'+cosθLsinθSsinθ')；上式中，
Figure BDA0002485852810000021
Figure BDA0002485852810000022
θs代表加速度传感器y轴与杆塔中轴之间的固定夹角，g为重力，gy为重力在重力传感器y轴上的分量，gz为重力在重力传感器z轴上的分量。
更为优选的是，所述主控单元具有绝对角度输出和相对角度输出两种模式，在所述主控单元上设有“归零”按键；通过操作所述“归零”按键来保存初始的绝对角度，则输出相对角度；反之，则输出绝对角度。
更为优选的是，所述主控单元为STM32单片机L系列的单片机。
更为优选的是，所述加速度传感器模块采用低功耗芯片LIS3DH。
本发明的有益效果是：
一、利用加速度传感器模块输出的三轴加速度来计算杆塔倾角度、并结合定时扫描和中断触发的控制方式，使得产品的功耗很低，便于产品的大规模使用，方便外观小型化设计。同时，通过设置加速度阈值进行中断触发，能对快速倒塌的杆塔进行实时监测并发出警报。
二、由于线路和地质的需要，有些杆塔本身就存在一定角度的倾斜。而本申请通过设置绝对角度、相对角度两个模式及“归零”按键，适用于需要计算绝对角度的杆塔，也适用于以某个角度为初始值的相对角度的杆塔，增强了监测设备的适应性。
三、与基于六轴传感器的测量方法相比，本设计成本更低。对于采用滤波算法的方法来说，本设计开发难度也较小，开发周期较短。与传统的杆塔监测设备相比，本设计可允许传感器与杆塔有偏角。对于外壳的设计来说，外壳形状规则可能需要增大外壳的体积，因此，降低外壳形状的限制就降低了小型化设计的难度。
附图说明
图1所示为杆塔倾斜模型图。
具体实施方式
下面结合说明书的附图，对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
一种基于加速度传感器的杆塔倾角度检测方法，包括相互连接的主控单元和加速度传感器模块，所述加速度传感器模块输出三轴加速度，所述主控单元根据所述三轴加速度计算出杆塔倾角。
其中，所述加速度传感器模块可设置中断，在加速度变化超过预设的阈值时，中断被触发。在中断未被触发时，所述主控单元以定时扫描的方式采集三轴加速度并计算杆塔倾角度；这时可尽量减少主控单元采样频率以降低功耗。在中断被触发时，所述主控单元立即进行扫描采集三轴加速度、计算杆塔倾斜角度并发出骤然倒塌预警。
本实施例中，所述主控单元为STM32单片机L系列的单片机，可实现低功耗运行模式。所述加速度传感器模块采用低功耗芯片LIS3DH，其可设置当加速度超过某一阈值时唤醒主控单元。主控单元在唤醒时采集数据，计算杆塔倾斜角度并发出相应预警。若传感器无唤醒主控单元，即杆塔属于缓慢倾斜的状态，则主控单元采用定时扫描的方式监测杆塔的倾斜角度。加速度阈值可根据实际情况设置，以过滤风雨天气带来的干扰。
结合图1所示，杆塔倾斜角度的具体计算方法为：
首先，建立一个以球面为基础的杆塔倾斜模型，假设杆塔L的中轴底部为O点，当杆塔中轴经过模型中的某条纬线时，纬线所在纬度就是杆塔的倾斜角度θ，此时，重力g在传感器三个轴向上的分量分别为gx、gy、gz。由勾股定理可得：
Figure BDA0002485852810000051
则可计算出在杆塔倾斜角度为L'时加速度传感器y'轴的倾斜角度θ'。倾斜角度θ'可以由重力在y'轴上的分量通过三角函数计算得出。
Figure BDA0002485852810000052
然而，若由于外壳的原因，加速度传感器的y'轴与杆塔L不平行，其夹角为θS，此时需要对角度进行修正。而修正时，需要通过计算出杆塔L与L'的相对方向来确定，此方向可以通过y'的倾斜角度θ'及重力传感器沿y'旋转的角度θL计算获得，θL则可以通过x'和z'的重力分量得出。
Figure BDA0002485852810000053
通过三角关系可算出杆塔实际倾斜角度θ为：
θ＝arccos(cosθScosθ'+cosθLsinθSsinθ')。
上述杆塔实际倾斜角度θ为绝对角度，即，表征的是杆塔中轴与与地面垂直线之间的夹角。然而，由于线路和地质的需要，有些杆塔本身就存在一定角度的倾斜，这时可能需要计算杆塔倾斜的相对角度。本实施例中，相对角度的计算方法如下：在主控单元上设置“归零”按键，通操作“归零”按键，将杆塔初始状态的角度值保存起来，再将采集到的角度与初始值相比就可得出杆塔的相对倾斜角度。
作为本实施例的一种变换设计，所述“归零”按键省略，所述主控单元固定输出绝对角度或相对角度，不限于本实施例。
通过上述的结构和原理的描述，所属技术领域的技术人员应当理解，本发明不局限于上述的具体实施方式，在本发明基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本发明的保护范围，本发明的保护范围应由各权利要求项及其等同物限定之。具体实施方式中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。

Claims (8)

1.一种基于加速度传感器的杆塔倾角度检测方法，包括相互连接的主控单元和加速度传感器模块，所述加速度传感器模块输出三轴加速度，所述主控单元根据所述三轴加速度计算出杆塔倾角；其特征在于，所述加速度传感器模块可设置中断，在加速度变化超过预设的阈值时，中断被触发；在中断未被触发时，所述主控单元以定时扫描的方式采集三轴加速度并计算杆塔倾角度；在中断被触发时，所述主控单元立即进行扫描采集三轴加速度、计算杆塔倾斜角度并发出骤然倒塌预警。
2.根据权利要求1所述的一种基于加速度传感器的杆塔倾角度检测方法，其特征在于，在中断被触发时，所述主控单元自动提高采集三轴加速度的频率。
3.根据权利要求1所述的一种基于加速度传感器的杆塔倾角度检测方法，其特征在于，所述杆塔倾角度为杆塔倾斜的绝对角度，所述绝对角度为杆塔中轴与地面垂直线之间的夹角。
4.根据权利要求1所述的一种基于加速度传感器的杆塔倾角度检测方法，其特征在于，所述杆塔倾角度为杆塔倾斜的相对角度，所述相对角度＝|倾斜后的绝对角度-初始的绝对角度|，所述绝对角度为杆塔中轴与地面垂直线之间的夹角。
5.根据权利要求3或4所述的一种基于加速度传感器的杆塔倾角度检测方法，其特征在于，所述绝对角度的计算公式为：θ＝arccos(cosθScosθ'+cosθLsinθSsinθ')；上式中，
Figure FDA0002485852800000011
Figure FDA0002485852800000012
θs代表加速度传感器y轴与杆塔中轴之间的固定夹角，g为重力，gy为重力在重力传感器y轴上的分量，gz为重力在重力传感器z轴上的分量。
6.根据权利要求1所述的一种基于加速度传感器的杆塔倾角度检测方法，其特征在于，所述主控单元具有绝对角度输出和相对角度输出两种模式，在所述主控单元上设有“归零”按键；通过操作所述“归零”按键来保存初始的绝对角度，则输出相对角度；反之，则输出绝对角度。
7.根据权利要求1所述的一种基于加速度传感器的杆塔倾角度检测方法，其特征在于，所述主控单元为STM32单片机L系列的单片机。
8.根据权利要求1所述的一种基于加速度传感器的杆塔倾角度检测方法，其特征在于，所述加速度传感器模块采用低功耗芯片LIS3DH。
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