CN112414364A - 悬浮抱杆的姿态监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种悬浮抱杆的姿态监测装置及方法,其特征在于,包括:安装在悬浮抱杆顶部中心的空间实时定位系统、安装在在距悬浮抱杆顶部1/3位置的抱杆倾倒监测系统和上位机;所述空间实时定位系统用于提供其自身的三维位置坐标信息;所述抱杆倾倒监测系统用于提供悬浮抱杆四个角边的瞬态加速度和静态角度信息;所述上位机根据空间实时定位系统的三维位置坐标信息通过姿态解算得到悬浮抱杆轴心的实时空间位置和绝对倾角大小,并采用高斯牛顿姿态修正算法对抱杆倾倒监测系统进行姿态解算。以解决现有输电铁塔组立时,无法实时准确获取抱杆空中姿态、对抱杆危险工作状态及时预警的技术问题。
Description
技术领域
本发明属于输电线路铁塔施工技术领域,尤其涉及一种悬浮抱杆的姿态监测装置及方法。
背景技术
随着我国电力建设的快速发展,输电线路电压等级不断提高,采用悬浮抱杆分解组立铁塔已经是最常用和最实用的铁塔组立施工方式。但是利用悬浮抱杆组立铁塔时,规程规定抱杆倾角一般不得超过10°,当抱杆倾角过大时,一方面系统受力将增大,另外一方面,抱杆可能会发生失稳弯折事故,可见悬浮抱杆的空中姿态将对施工的安全性起着决定性作用。因此,为保证铁塔组立施工的安全,提升施工效率,需要对悬浮抱杆的姿态进行实时监测。
当前,对抱杆姿态监测的主要方法为经验法,即施工人员利用全站仪等光学成像设备每间隔一定时间对抱杆的空中姿态进行观测,同时结合个人施工经验和现场施工情况,对抱杆工作状态是否危险做出判断,并据此调节牵引设备放线速度和控制绳方向。显然采用经验法对抱杆姿态监测时,受施工人员自身经验影响较大,无法及时对抱杆姿态变化产生的危险情况做出迅速准确反应,易造成安全事故。
发明内容
针对现有方案存在的缺陷和不足,本发明一种悬浮抱杆的姿态监测装置及方法,解决现有输电铁塔组立时,无法实时准确获取抱杆空中姿态、对抱杆危险工作状态及时预警的技术问题。
其具体采用以下技术方案:
一种悬浮抱杆的姿态监测装置,其特征在于,包括:安装在悬浮抱杆顶部中心的空间实时定位系统、安装在在距悬浮抱杆顶部1/3位置的抱杆倾倒监测系统和上位机;所述空间实时定位系统用于提供其自身的三维位置坐标信息;所述抱杆倾倒监测系统用于提供悬浮抱杆四个角边的瞬态加速度和静态角度信息;所述上位机根据空间实时定位系统的三维位置坐标信息通过姿态解算得到悬浮抱杆轴心的实时空间位置和绝对倾角大小,并采用高斯牛顿姿态修正算法对抱杆倾倒监测系统进行姿态解算。
优选地,所述空间实时定位系统包括相连接的北斗导航模块、第一MCU模块和第一无线通信模块;所述抱杆倾倒监测系统包括相连接的,设置于悬浮抱杆的四个棱角处的四个陀螺仪和加速度集成传感器、第二MCU模块和第二无线通信模块。
优选地,所述上位机包括带有第三无线通信模块的地面数据接收端和带有第四无线通信模块的远程接收端;所述地面数据接收端连接空间实时定位系统和抱杆倾倒监测系统;所述远程接收端连接地面数据接收端。
优选地,所述集成传感器采用承托平台固定。
优选地,所述北斗导航模块采用北斗星通集团的OEM719板卡;所述第一MCU模块和第二MCU模块采用STM32F407系列单片机为控制核心;所述集成传感器采用MPU9225惯性导航模块;所述第一无线通信模块、第二无线通信模块和第三无线通信模块采用ESP8266模块;所述第四无线通信模块采用GPRS模块;所述承托平台为片状铝基板,周围分布有锚固孔用于与抱杆角钢锚固固定。
优选地,结合CGCS2000坐标系和姿态矩阵实现抱杆绝对倾角的实时求解;通过高斯牛顿姿态修正算法求解得到各传感器实时修正的四元数值,反解四元数后并通过均值和最值比较,求解得到悬浮抱杆最终准确的实时倾角。
一种悬浮抱杆的姿态监测方法,其特征在于:
步骤S1:悬浮抱杆提升前,在悬浮抱杆顶部中心位置安装空间实时定位系统,在距悬浮抱杆顶部1/3位置安装抱杆倾倒监测系统;所述空间实时定位系统用于提供其自身的三维位置坐标信息;所述抱杆倾倒监测系统用于提供悬浮抱杆四个角边的瞬态加速度和静态角度信息;
步骤S2:待悬浮抱杆提升结束后,对悬浮抱杆进行矫正就位,使悬浮抱杆相对于地面保持竖直状态;
步骤S3:悬浮抱杆竖直状态就位后,打开空间实时定位系统和抱杆倾倒监测系统,等待若干秒待空间实时定位系统数据测量稳定后,通过地面数据接收端对抱杆倾倒监测系统进行置零校正,并发出数据采集指令;
步骤S4:空间实时定位系统将自身的三维位置坐标信息直接返回至地面数据接收端和远程接收端,并通过姿态解算得到悬浮抱杆轴心的实时空间位置和绝对倾角大小;抱杆倾倒监测系统将悬浮抱杆四个角边的瞬态加速度和静态角度实时传输至地面数据接收端和远程接收端;
步骤S5:所述地面数据接收端和远程接收端将空间实时定位系统和高精度抱杆倾倒监测系统的传输数据进行对比分析和姿态解算,判断悬浮抱杆工作状态是否危险,并判决是否发出危险信号指令。
优选地,所述空间实时定位系统包括相连接的北斗导航模块、第一MCU模块和第一无线通信模块;所述抱杆倾倒监测系统包括相连接的,设置于悬浮抱杆的四个棱角处的四个陀螺仪和加速度集成传感器、第二MCU模块和第二无线通信模块;
在步骤S4中,对于所述空间实时定位系统,根据CGCS2000坐标系,利用姿态矩阵实现悬浮抱杆姿态的实时求解:
假定空间实时定位系统初始化第一次采集的数据经过坐标转换后为(X1,Y1,Z1),第i次采集的为(Xi,Yi,Zi),悬浮抱杆的长度为L,则由余弦定理可得悬浮抱杆的绝对倾角θ为:
优选地,在步骤S4中,所述抱杆倾倒监测系统的姿态解算采用高斯牛顿姿态修正算法,具体步骤如下:
步骤S41:输入悬浮抱杆经置零校正后的姿态矩阵和加速度计初始值,建立悬浮抱杆初始姿态矩阵误差模型:
设加速度计所测的悬浮抱杆瞬时加速度的模值为||gj||,可信度调节变量为μ,加速度计初始值的可信度为δ0,则加速度计当前测量可信度为:
步骤S44:将可信度δj带入下式,得到经加速度计修正后的悬浮抱杆当前姿态四元数:
步骤S45:将修正后的四元数qcurrent_est,t代回步骤步骤S41中的初始姿态矩阵,并从步骤步骤S42进行下一循环计算;并将实时修正后的四元数qcurrent_est,t输出,通过反解得到各个陀螺仪的姿态角数据如下:
本发明及其优选方案具有以下有益效果:
(1)本发明解决了现有铁塔组立施工中无法实时对抱杆的姿态进行监测、及时对抱杆姿态变化产生的危险情况做出迅速准确反应问题,降低了悬浮抱杆组塔施工过程的危险性。
(2)通过CGCS2000坐标系对抱杆绝对倾角求解,利用高斯牛顿姿态修正算法对抱杆姿态角修正迭代,同时通过数据对比解算得到抱杆高精度的空中姿态,保证悬浮抱杆预警数据的准确性。
(3)改变了传统利用利用全站仪等光学成像设备每间隔一定时间对抱杆的空中姿态进行观测的方式,通过高精度的北斗导航系统和多个集成姿态传感器对抱杆工作姿态进行实时监测,保证了抱杆工作状态监测的连续性、客观性和预警的实时性。
(4)采用了地面数据接收端和远程接收端,实现施工状态的远程可视及施工历史记录的可查阅。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明:
图1为本发明实施例悬浮抱杆的姿态监测方法及其装置整体示意图。
图2为本发明实施例高精度抱杆倾倒监测系统示意图。
图3为本发明实施例空间实时定位系统示意图。
图4为本发明实施例高精度抱杆倾倒监测系统姿态解算流程图。
图5为本发明实施例地面数据接收端预警流程图。
图中;1-已组立铁塔;2-悬浮抱杆系统;21-悬浮抱杆;22-朝地滑车;23-腰环;3-高精度抱杆倾倒监测系统;31-第一集成传感器;32-第二集成传感器;33-第三集成传感器;34-第四集成传感器;35-锚固孔;36-承托平台;4-空间实时定位系统;5-地面数据接收端;6-远程接收端。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂,下文特举实施例,作详细说明如下:
实施例1:
如图1所示,本实施例提供的悬浮抱杆的姿态监测方法具体包括以下步骤:
ZS1:悬浮抱杆21提升前,在悬浮抱杆21顶部中心位置安装好空间实时定位系统4,在距悬浮抱杆21顶部1/3位置安装高精度抱杆倾倒监测系统3;
ZS2:待悬浮抱杆21提升结束后,地面施工人员利用全站仪等光学设备对悬浮抱杆21进行矫正就位,使悬浮抱杆21相对于地面保持竖直状态;
ZS3:悬浮抱杆21竖直状态就位后,打开空间实时定位系统4和高精度抱杆倾倒监测系统3,等待30S后待空间实时定位系统4数据测量稳定后,通过地面数据接收端5对高精度抱杆倾倒监测系统3进行置零校正,并发出数据采集指令;
ZS4:空间实时定位系统4将自身的三维位置坐标信息直接返回至地面数据接收端5和远程接收端6,并通过姿态解算得到悬浮抱杆21轴心的实时空间位置和绝对倾角大小。高精度抱杆倾倒监测系统3分别在悬浮抱杆21的四个棱角处各设有一个三轴加速度计和三轴陀螺仪、内置处理器。内置处理器将悬浮抱杆21四个角边的瞬态加速度和静态角度实时传输至地面数据接收端5和远程接收端6;
ZS5:地面数据接收端5和远程接收端6将空间实时定位系统4和高精度抱杆倾倒监测系统3的传输数据进行对比分析和姿态解算,判断悬浮抱杆21工作状态是否危险,并判决是否发出危险信号指令。
空间实时定位系统4由北斗导航模块作为传感核心,根据2000国家大地坐标系(China Geodetic Coordinate System 2000,CGCS2000),利用姿态矩阵实现悬浮抱杆21姿态的实时求解。
实施例2:
假定空间实时定位系统4初始化第一次采集的数据经过坐标转换后为(X1,Y1,Z1),第i次采集的为(Xi,Yi,Zi),悬浮抱杆21的长度为L,则由余弦定理可得悬浮抱杆21的绝对倾角θ为:
实施例3:
结合图2和图4,具体地,高精度抱杆倾倒监测系统3姿态解算采用高斯牛顿姿态修正算法,具体步骤如下:
JS1:输入悬浮抱杆21经置零校正后的姿态矩阵和加速度计初始值,建立悬浮抱杆21初始姿态矩阵误差模型:
假设加速度计所测的悬浮抱杆21瞬时加速度的模值为||gj||,可信度调节变量为μ,加速度计初始值的可信度为δ0,则加速度计当前测量可信度为:
qj为第j次测量数据的四元数;
JS3:由高精度抱杆倾倒监测系统3采集得到陀螺仪此次与上一次抱杆四元数的变化量当前的四元数为qω,t,将两者数据进行融合得到一次反馈修正后的四元数。同时,利用式(4)得到加速度计第j次测量数据的可信度δj;
JS4:将可信度δj带入下式,得到经加速度计修正后的悬浮抱杆21当前姿态四元数:
JS5:一方面,将修正后的四元数qcurrent_est,t代回步骤JS1中的初始姿态矩阵,并从步骤JS2进行下一循环计算;另一方面,将实时修正后的四元数qcurrent_est,t输出,通过反解得到各个陀螺仪的姿态角数据如下:
实施例4:
如图2-3、5所示,本实施例提供的悬浮抱杆的姿态监测装置具体包括:空间实时定位系统4、高精度抱杆倾倒监测系统3、地面数据接收端5和远程接收端6。
空间实时定位系统4由北斗导航模块作为传感核心,MCU模块连接北斗导航模块和第一无线通信模块,整个系统由锂离子充电电池供电。
高精度抱杆倾倒监测系统3由四个陀螺仪和加速度集成传感器:第一集成传感器31、第二集成传感器32、第三集成传感器33、第四集成传感器34为核心,设置于抱杆的四个棱角处,距抱杆顶部1/3处,并由专门的承托平台固定,MCU模块连接四个集成传感器31、32、33、34和第二无线通信模块,整个系统由锂离子充电电池供电。
地面数据接收端5采用第三无线模块接收空间实时定位系统4和高精度抱杆倾倒监测系统3的监测数据,并通过MCU模块对数据进一步处理,当监测的抱杆倾角大于设定阈值时,地面数据接收端5发出危险警报,提醒工作人员及时处理。同时通过第四无线模块将原始数据、处理后的数据和抱杆姿态危险信号传输至远程接收端6。
优选地,在本实施例中,北斗导航模块采用北斗星通集团的OEM719板卡,MCU模块采用STM32F407系列单片机为控制核心,集成传感器采用MPU9225惯性导航模块,第一、二、三无线通信模块采用ESP8266模块,第四无线通信模块采用GPRS模块;承托平台36为片状铝基板,周围分布有锚固孔35便于与抱杆角钢锚固固定。
本专利不局限于上述最佳实施方式,任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的悬浮抱杆的姿态监测装置及方法,凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰,皆应属本专利的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种悬浮抱杆的姿态监测装置,其特征在于,包括:安装在悬浮抱杆顶部中心的空间实时定位系统、安装在在距悬浮抱杆顶部1/3位置的抱杆倾倒监测系统和上位机;所述空间实时定位系统用于提供其自身的三维位置坐标信息;所述抱杆倾倒监测系统用于提供悬浮抱杆四个角边的瞬态加速度和静态角度信息;所述上位机根据空间实时定位系统的三维位置坐标信息通过姿态解算得到悬浮抱杆轴心的实时空间位置和绝对倾角大小,并采用高斯牛顿姿态修正算法对抱杆倾倒监测系统进行姿态解算。
2.根据权利要求1所述的悬浮抱杆的姿态监测装置,其特征在于:所述空间实时定位系统包括相连接的北斗导航模块、第一MCU模块和第一无线通信模块;所述抱杆倾倒监测系统包括相连接的,设置于悬浮抱杆的四个棱角处的四个陀螺仪和加速度集成传感器、第二MCU模块和第二无线通信模块。
3.根据权利要求2所述的悬浮抱杆的姿态监测装置,其特征在于:所述上位机包括带有第三无线通信模块的地面数据接收端和带有第四无线通信模块的远程接收端;所述地面数据接收端连接空间实时定位系统和抱杆倾倒监测系统;所述远程接收端连接地面数据接收端。
4.根据权利要求3所述的悬浮抱杆的姿态监测装置,其特征在于:所述集成传感器采用承托平台固定。
5.根据权利要求4所述的悬浮抱杆的姿态监测装置,其特征在于:所述北斗导航模块采用北斗星通集团的OEM719板卡;所述第一MCU模块和第二MCU模块采用STM32F407系列单片机为控制核心;所述集成传感器采用MPU9225惯性导航模块;所述第一无线通信模块、第二无线通信模块和第三无线通信模块采用ESP8266模块;所述第四无线通信模块采用GPRS模块;所述承托平台为片状铝基板,周围分布有锚固孔用于与抱杆角钢锚固固定。
6.根据权利要求2-5其中任一所述的悬浮抱杆的姿态监测装置,其特征在于:结合CGCS2000坐标系和姿态矩阵实现抱杆绝对倾角的实时求解;通过高斯牛顿姿态修正算法求解得到各传感器实时修正的四元数值,反解四元数后并通过均值和最值比较,求解得到悬浮抱杆最终准确的实时倾角。
7.一种悬浮抱杆的姿态监测方法,其特征在于:
步骤S1:悬浮抱杆提升前,在悬浮抱杆顶部中心位置安装空间实时定位系统,在距悬浮抱杆顶部1/3位置安装抱杆倾倒监测系统;所述空间实时定位系统用于提供其自身的三维位置坐标信息;所述抱杆倾倒监测系统用于提供悬浮抱杆四个角边的瞬态加速度和静态角度信息;
步骤S2:待悬浮抱杆提升结束后,对悬浮抱杆进行矫正就位,使悬浮抱杆相对于地面保持竖直状态;
步骤S3:悬浮抱杆竖直状态就位后,打开空间实时定位系统和抱杆倾倒监测系统,等待若干秒待空间实时定位系统数据测量稳定后,通过地面数据接收端对抱杆倾倒监测系统进行置零校正,并发出数据采集指令;
步骤S4:空间实时定位系统将自身的三维位置坐标信息直接返回至地面数据接收端和远程接收端,并通过姿态解算得到悬浮抱杆轴心的实时空间位置和绝对倾角大小;抱杆倾倒监测系统将悬浮抱杆四个角边的瞬态加速度和静态角度实时传输至地面数据接收端和远程接收端;
步骤S5:所述地面数据接收端和远程接收端将空间实时定位系统和高精度抱杆倾倒监测系统的传输数据进行对比分析和姿态解算,判断悬浮抱杆工作状态是否危险,并判决是否发出危险信号指令。
8.根据权利要求7所述的悬浮抱杆的姿态监测方法,其特征在于:所述空间实时定位系统包括相连接的北斗导航模块、第一MCU模块和第一无线通信模块;所述抱杆倾倒监测系统包括相连接的,设置于悬浮抱杆的四个棱角处的四个陀螺仪和加速度集成传感器、第二MCU模块和第二无线通信模块;
在步骤S4中,对于所述空间实时定位系统,根据CGCS2000坐标系,利用姿态矩阵实现悬浮抱杆姿态的实时求解:
假定空间实时定位系统初始化第一次采集的数据经过坐标转换后为(X1,Y1,Z1),第i次采集的为(Xi,Yi,Zi),悬浮抱杆的长度为L,则由余弦定理可得悬浮抱杆的绝对倾角θ为:
9.根据权利要求8所述的悬浮抱杆的姿态监测方法,其特征在于:
在步骤S4中,所述抱杆倾倒监测系统的姿态解算采用高斯牛顿姿态修正算法,具体步骤如下:
步骤S41:输入悬浮抱杆经置零校正后的姿态矩阵和加速度计初始值,建立悬浮抱杆初始姿态矩阵误差模型:
设加速度计所测的悬浮抱杆瞬时加速度的模值为||gj||,可信度调节变量为μ,加速度计初始值的可信度为δ0,则加速度计当前测量可信度为:
步骤S44:将可信度δj带入下式,得到经加速度计修正后的悬浮抱杆当前姿态四元数:
步骤S45:将修正后的四元数qcurrent_est,t代回步骤步骤S41中的初始姿态矩阵,并从步骤步骤S42进行下一循环计算;并将实时修正后的四元数qcurrent_est,t输出,通过反解得到各个陀螺仪的姿态角数据如下:
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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