CN111912382A - 应用于输电塔液压提升的卡尔曼滤波偏角监测系统、方法 - Google Patents

应用于输电塔液压提升的卡尔曼滤波偏角监测系统、方法 Download PDF

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萧定辉
胡燃
卞佳音
陈建强
曾庆华
何泽斌
许宇翔
卢海
林新生
彭红刚
曾杰中
曾志武
王牧浪
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    • G08C17/00—Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link
    • G08C17/02—Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link using a radio link

Abstract

本发明公开了一种应用于输电塔液压提升的卡尔曼滤波偏角监测系统、方法，系统包括处理器、倾角传感器、供电系统、无线传输模块、地面控制端，倾角传感器安装于待提升输电塔的塔顶中部。步骤为：倾角传感器将测得的xyz三个方向的加速度值通过有线方式传输至处理器，处理器计算出偏角值，并利用卡尔曼滤波算法处理偏角值数据，最后将数据通过无线传输模块输出到地面控制端。本发明可以解决现存的利用经纬仪测量输电塔液压提升时偏角会出现较大误差，不够稳定，依赖人力，不够便捷的问题，具有高效、便捷、可靠、安全的特点。

Description

应用于输电塔液压提升的卡尔曼滤波偏角监测系统、方法
技术领域
本发明涉及电力维护研究领域，特别涉及一种应用于输电塔液压提升的卡尔曼滤波偏角监测系统、方法。
背景技术
随着电力技术以及城市建设的不断发展与进步，需要在原输电塔所在地进行施工改造的场景也逐渐增多，经常需要对输电塔进行液压举升以实行新的建设规划。在利用液压油缸举升输电塔的时候，必须时刻注意，防止输电铁塔倾倒，而防止铁塔倾倒的一个重要措施就是通过技术手段对铁塔的姿态进行监测，一旦铁塔出现较大的角度偏移，地面人员即可以根据当前施工情况及时做出调整，以保证施工的安全进行。
传统的方法为借助经纬仪监视铁塔，通过经纬仪读出的角度，通知施工人员，人工调节拉线保证铁塔垂直升高。这套方法在国内外，自上世纪80年代至今都被广泛的使用，但是此方法也存在一定的缺陷，容易因为人员疲劳、失误等人为因素导致事故发生。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种应用于输电塔液压提升的卡尔曼滤波偏角监测系统、方法，该系统能够更加便捷、安全、高效、低成本的解决现存利用液压系统顶升输电铁塔时对铁塔倾斜角度监测的问题。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种应用于输电塔液压提升的卡尔曼滤波偏角监测方法，包括步骤：
将倾角传感器安装于待提升输电塔的塔顶中部，通过有线通信方式将倾角传感器测得的xyz三个方向的加速度值传输至处理器，处理器计算出偏角值，并利用卡尔曼滤波算法处理偏角值数据，最后将数据由无线传输模块输出到地面控制端。
优选的，在将倾角传感器安装于待提升输电塔的塔顶中部后，对安装后的角度作标定，设为基础平衡角度0°。
优选的，在待提升输电塔的塔顶中部设有至少一个传感器，处理器将所有倾角传感器得出的数据取平均值用于后面的计算。
优选的，所述的计算偏角值步骤如下：三个轴向的加速度值即物体的重力反映在每个轴上的分量，以X轴为正方向，则物体姿态的滚转角α和俯仰角β分别为绕X轴和Y轴的旋转角度，ax、ay、az分别代表倾角传感器测量出的对应x、y、z轴的加速度分量，则：
Figure BDA0002627533780000021
测量轴Z轴正面向上，测量轴X轴是与输电线路的方向一致,以如下公式计算得杆塔相对于绝对z轴的倾角：
Figure BDA0002627533780000022
通过弧度角转换，得到杆塔偏角值。
优选的，所述利用卡尔曼滤波算法处理偏角值数据，方法如下：实时的从倾角传感器读取三个轴的加速度值，并实时计算偏角值，在一个相对较短的Δt得到角值数据序列；
振动噪声为高斯分布，用一个线性微分方程来描述，其中，状态参量标记为X，系统参量分别标记为A、B、H，预测参量标记为Q，测量参量标记为R，实际测量结果标记为Z；
使用卡尔曼滤波对倾角值序列进行迭代，其所受到的震动噪声干扰服从高斯分布，用线性微分方程描述；
预测倾角值，在初始状态下计算预测值的协方差后计算当前最优值及最优值的协方差，并以此方法将所有数据迭代完毕，即得滤波后的倾角值。
一种应用于输电塔液压提升的卡尔曼滤波偏角监测系统，包括处理器、倾角传感器、供电系统、无线传输模块，倾角传感器安装于待提升输电塔的塔顶中部，倾角传感器通过有线传输模块与处理器进行通信，供电系统为监测系统各个部分进行供电，处理器内加载有上述卡尔曼滤波偏角监测方法的软件模块，处理器通过无线传输模块将处理后数据发送给地面控制端。
优选的，所述供电系统采用太阳能供电系统。为整套系统提供能源支持。
优选的，所述无线传输模块采用2.4/5.8GHz传输模块。
优选的，所述倾角传感器通过可调式机械结构安装于待提升输电塔的塔顶中部，所述可调式机械结构包括多孔钢板，多孔钢板通过主材连接件固定在塔顶主材上，多孔钢板之间通过螺栓螺母连接固定，连接孔位根据主材之间距离可调，倾角传感器通过螺栓螺母锁附在多孔钢板上，由此将倾角传感器固定于塔身主材上。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明中，以高精度传感器加卡尔曼滤波处理替代了以人工目视加经纬仪测量输电铁塔举升时的偏角。将偏角数据的传递由人工口头传达变更为经由无线传输模块通过数据直接传输，大大提高了液压升塔纠偏作业的效率，减少了事故发生的可能性。
附图说明
图1是本发明实施例的传感器安装位置图(黑圈处)。
图2是本发明实施例的整体流程示意图。
图3为本发明实施例中传感器安装方式图，其中，1为可调式机械结构，2为倾角传感器，3为输电铁塔主材，4为主材连接件。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
参见图1、2，本实施例提供一种应用于输电塔液压提升的卡尔曼滤波偏角监测系统，包括处理器、倾角传感器、供电系统、无线传输模块、，如图1所示倾角传感器安装于待提升输电塔的塔顶中部，倾角传感器通过有线传输模块与处理器进行通信，供电系统为监测系统各个部分进行供电，处理器内设有用于实现卡尔曼滤波偏角监测方法的软件模块，处理器通过无线传输模块将处理后数据发送给地面处理端。
为了提高数值计算的精确度，本实施例提出在待提升输电塔的塔顶中部设置4个倾角传感器2，每个倾角传感器通过可调式机械结构安装于待提升输电塔的塔顶中部，保证其紧固，不会晃动，如图3所示，可调式机械结构由两个螺栓锁紧的长度可调节的多孔钢板结构组成。所述多孔钢板1通过主材连接件4，固定在塔顶主材3上，多孔钢板之间通过螺栓螺母连接固定，连接孔位根据主材之间距离可调。倾角传感器2通过螺栓螺母锁附在多孔钢板上，由此将倾角传感器固定于塔身主材上。
为了便于野外环境使用，并出于节能的考虑，本实施例采用太阳能供电系统为整套系统提供能源支持。
同时，考虑到成本以及数据传输的效率，本实施例无线传输模块采用2.4/5.8GHz模块进行数据传输。
本实施例，一种应用于输电塔液压提升的卡尔曼滤波偏角监测方法，步骤是：在图1位置安装倾角传感器2，标定传感器初始位置，并设置为基础平衡角度，杆塔提升时四个传感器读数取平均值，并将该值经过角度换算及卡尔曼滤波处理，并将经过处理后的值输出。
具体的，步骤包括：
(1)安装传感器，并对安装后的角度作标定，设为0°。
(2)开始提升时，传感器记录角度，并通过有线传输输送至处理器。
(3)处理器开始处理数据，其使用倾角传感器2测得的xyz三个方向的加速度值，计算出偏角值，并利用卡尔曼滤波算法处理偏角值数据，并将数据由无线传输模块输出至地面控制端。
本实施例中，所述的处理器负责处理信息，将四个倾角传感器2得出的数据取平均值，并平均值进行卡尔曼滤波计算，输出滤波后的值。
本实施例中，所述的计算偏角值步骤如下：三个轴向的加速度值即物体的重力反映在每个轴上的分量，以X轴为正方向，则物体姿态的滚转角α和俯仰角β分别为绕X轴和Y轴的旋转角度，ax、ay、az分别代表倾角传感器2测量出的对应x、y、z轴的加速度分量，则：
Figure BDA0002627533780000041
测量轴Z轴正面临向上,测量轴X轴是与输电线路的方向一致,以如下公式计算得杆塔相对于绝对z轴的倾角：
Figure BDA0002627533780000042
通过弧度角转换，得到杆塔偏转角度值。
本实施例中，所述的卡尔曼滤波算法处理偏角值数据方法如下：实时的从倾角传感器2读取三个轴的加速度值，并实时计算上述角度值。在一个相对较短的Δt得到角值数据序列。振动噪声为高斯分布，可用一个线性微分方程来描述。其中，状态参量标记为X，系统参量分别标记为A、B、H，预测参量标记为Q，测量参量标记为R，实际测量结果标记为Z。使用卡尔曼滤波对倾角值序列进行迭代。其所受到的震动噪声干扰服从高斯分布，可用线性微分方程描述。预测倾角值，在初始状态下计算预测值的协方差后计算当前最优值及最优值的协方差，并以此方法将所有数据迭代完毕，即得滤波后的倾角值。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种应用于输电塔液压提升的卡尔曼滤波偏角监测方法，其特征在于，包括步骤：
将倾角传感器安装于待提升输电塔的塔顶中部，通过有线通信方式将倾角传感器测得的xyz三个方向的加速度值传输至处理器，处理器计算出偏角值，并利用卡尔曼滤波算法处理偏角值数据，最后将数据由无线传输模块输出到地面控制端。
2.根据权利要求1所述的应用于输电塔液压提升的卡尔曼滤波偏角监测方法，其特征在于，在将倾角传感器安装于待提升输电塔的塔顶中部后，对安装后的角度作标定，设为基础平衡角度0°。
3.根据权利要求1所述的应用于输电塔液压提升的卡尔曼滤波偏角监测方法，其特征在于，在待提升输电塔的塔顶中部设有至少一个传感器，处理器将所有倾角传感器得出的数据取平均值用于后面的计算。
4.根据权利要求1所述的应用于输电塔液压提升的卡尔曼滤波偏角监测方法，其特征在于，所述的计算偏角值步骤如下：三个轴向的加速度值即物体的重力反映在每个轴上的分量，以X轴为正方向，则物体姿态的滚转角α和俯仰角β分别为绕X轴和Y轴的旋转角度，ax、ay、az分别代表倾角传感器测量出的对应x、y、z轴的加速度分量，则：
Figure FDA0002627533770000011
测量轴Z轴正面向上，测量轴X轴是与输电线路的方向一致,以如下公式计算得杆塔相对于绝对z轴的倾角：
Figure FDA0002627533770000012
通过弧度角转换，得到杆塔偏角值。
5.根据权利要求1所述的应用于输电塔液压提升的卡尔曼滤波偏角监测方法，其特征在于，所述利用卡尔曼滤波算法处理偏角值数据，方法如下：实时的从倾角传感器读取三个轴的加速度值，并实时计算偏角值，在一个相对较短的Δt得到角值数据序列；
振动噪声为高斯分布，用一个线性微分方程来描述，其中，状态参量标记为X，系统参量分别标记为A、B、H，预测参量标记为Q，测量参量标记为R，实际测量结果标记为Z；
使用卡尔曼滤波对倾角值序列进行迭代，其所受到的震动噪声干扰服从高斯分布，用线性微分方程描述；
预测倾角值，在初始状态下计算预测值的协方差后计算当前最优值及最优值的协方差，并以此方法将所有数据迭代完毕，即得滤波后的倾角值。
6.一种应用于输电塔液压提升的卡尔曼滤波偏角监测系统，其特征在于，包括处理器、倾角传感器、供电系统、无线传输模块，倾角传感器安装于待提升输电塔的塔顶中部，倾角传感器通过有线传输模块与处理器进行通信，供电系统为监测系统各个部分进行供电，处理器内加载有权利要求1-5任一项所述卡尔曼滤波偏角监测方法的软件模块，处理器通过无线传输模块将处理后数据发送给地面控制端。
7.根据权利要求6所述的应用于输电塔液压提升的卡尔曼滤波偏角监测系统，其特征在于，所述供电系统采用太阳能供电系统。
8.根据权利要求6所述的应用于输电塔液压提升的卡尔曼滤波偏角监测系统，其特征在于，所述无线传输模块采用2.4/5.8GHz模块。
9.根据权利要求6所述的应用于输电塔液压提升的卡尔曼滤波偏角监测系统，其特征在于，所述倾角传感器通过可调式机械结构安装于待提升输电塔的塔顶中部，所述可调式机械结构包括多孔钢板，多孔钢板通过主材连接件固定在塔顶主材上，多孔钢板之间通过螺栓螺母连接固定，连接孔位根据主材之间距离可调，倾角传感器通过螺栓螺母锁附在多孔钢板上，由此将倾角传感器固定于塔身主材上。
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