CN112902954A - 塔架晃动传感器和塔架晃动角度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种塔架晃动传感器和塔架晃动角度测量方法。本发明实施例的塔架晃动传感器，包含壳体，以及，集成在壳体中的：惯性测量模块，用于测量塔架晃动参数；解算模块，与惯性测量模块相连，根据塔架晃动参数，解算出塔架姿态矩阵，获取塔架晃动角度；接口模块，用于输出塔架晃动角度。本发明内置三轴加速度计和三轴陀螺仪，并根据通过数据融合的方式，可有效消除外界振动影响、长期持续运转下的陀螺仪漂移、塔架载荷偏航影响，能够输出稳定可靠的稳定可靠的塔架晃动角度数据；采用微机电技术，无可动部件，能承受较大的瞬时冲击和振动，适应环境能力强；同时，无转轴，可安装在塔架顶部附件的任意位置，且可水平安装或垂直安装。
Description
技术领域
本发明涉及高耸塔架监测技术领域，特别涉及一种塔架晃动传感器和塔架晃动角度测量方法。
背景技术
塔架在正常工作过程中，因为风力的影响，塔架顶端会出现一定的晃动，晃动过大的时候影响塔架自身的安全性稳定性。
现有技术中，塔架晃动传感器一般基于加速度计测角技术的传感器和基于陀螺仪测角速率的传感器。
基于加速度计测角技术的传感器，其测角部件不能在动态环境下保证测量精度。加速度计测角是利用静态环境下测倾斜角度在加速度计的敏感轴上产生的重力分量，如果在晃动环境下，加速度计除了能够检测到倾斜造成的重力分量，还可以检测到运动产生的线性加速度，和向心加速度，即加速度计值为a=ag+ai，ag为重力分量，ai为线性加速度。利用反正弦公式解算出的倾斜角度会被引入线性加速度误差。同样，存在角振动情况下，加速度计敏感轴也会检测到角加速度。由于无法剥离出真正的重力分量，倾斜角度的测量误差会更大，只能在静态环境下不存在角振动、线性加速度干扰时，倾斜角度的测量才是最准确的。
而基于陀螺仪测角速率的传感器，在测角速部件长时间运行时存在漂移，积分时引入不可消除的误差，无法精确测量角度。
发明内容
根据本发明实施例，提供了一种塔架晃动传感器，包含壳体，以及，集成在壳体中的：
惯性测量模块，惯性测量模块用于测量塔架晃动参数；
解算模块，解算模块与惯性测量模块相连，根据塔架晃动参数，解算出塔架姿态矩阵，获取塔架晃动角度；
接口模块，接口模块用于输出塔架晃动角度。
进一步，惯性测量模块中集成有：三轴陀螺仪和三轴加速度计，三轴陀螺仪和三轴加速度计用于测量塔架晃动参数。
进一步，塔架晃动参数包含：三轴加速度计测量的空间坐标中XYZ方向上所分别产生的加速度变化，以及，三轴陀螺仪测量的空间坐标中XYZ方向的轴向上所分别产生的角速率变化。
进一步，解算模块包含：数字信号处理器，数字信号处理器与惯性测量模块相连，用于根据塔架晃动参数，解算塔架姿态矩阵，获取塔架晃动角度。
根据本发明实施例的塔架晃动传感器，通过三轴加速度计和三轴陀螺仪的组合方式并采取内置方式，可有效消除外界振动影响、长期持续运转下的陀螺仪漂移、塔架载荷的偏航影响，能够输出稳定可靠的转角数据；采用微机电技术，无可动部件，能承受较大的瞬时冲击和振动，适应环境能力强；同时，无转轴，可安装在塔顶附件的任意位置，且可水平安装或垂直安装。
根据本发明又一实施例，提供了基于上述实施例塔架晃动传感器的塔架晃动角度测量方法，包含如下步骤：
初始化塔架晃动传感器；
惯性测量模块测量塔架晃动参数；
解算模块解算塔架晃动参数，获取并向接口模块输出塔架晃动角度；
接口模块输出塔架晃动角度。
进一步，惯性测量模块测量塔架晃动参数前包含如下步骤：
对惯性测量模块中集成的三轴加速度计和三轴陀螺仪分别进行轴向安装误差校准、测试和标定。
进一步，对三轴加速度计和三轴陀螺仪分别进行测试和标定的内容包含：对三轴加速度计的零点温补、灵敏度、测倾值的偏置进行测试和标定；对三轴陀螺仪的常温下刻度、常温下零偏进行测试和标定。
进一步，塔架晃动参数包含：三轴加速度计测量的空间坐标中XYZ方向上所分别产生的加速度变化；三轴陀螺仪测量的空间坐标中XYZ方向的轴向上所分别产生的角速率变化。
进一步，解算模块解算塔架晃动参数，获取并向接口模块输出塔架晃动角度包含如下步骤：
获取标定后的塔架晃动参数的三轴加速度变化和三轴角速率变化；
通过捷联算法对三轴角速率变化进行积分，获得预测姿态矩阵；
根据预测姿态矩阵对三轴加速度变化进行误差补偿；
根据误差补偿后的三轴加速度，获得测量姿态矩阵；
通过扩展卡尔曼滤波对预测姿态矩阵和测量姿态矩阵进行数据融合，解算出塔架姿态矩阵；
根据塔架姿态矩阵，获取塔架晃动角度。
根据本发明实施例的塔架晃动角度测量方法，通过加速度计、陀螺仪组合方式，通过数据融合的方式有效实现塔架晃动角度测量，能够有效消除外界振动影响、长期持续运转下的陀螺仪漂移、塔架载荷偏航影响，从而输出稳定可靠的塔架晃动角度数据。
要理解的是，前面的一般描述和下面的详细描述两者都是示例性的，并 且意图在于提供要求保护的技术的进一步说明。
附图说明
图1为根据本发明实施例塔架晃动传感器的结构原理框图；
图2为根据本发明实施例塔架晃动传感器的立体图；
图3为根据本发明实施例塔架晃动传感器的三轴陀螺仪、三轴加速度计在空间坐标中XYZ方向上所测量的塔架晃动参数的原理示意图；
图4为根据本发明实施例塔架晃动角度测量方法的流程图；
图5为根据本发明实施例塔架晃动角度测量方法的解算塔架晃动参数并获取塔架晃动角度的流程图。
具体实施方式
以下将结合附图，详细描述本发明的优选实施例，对本发明做进一步阐述。
首先，将结合图1~3描述根据本发明实施例的塔架晃动传感器，用于塔架晃动角度的测定，其应用场景很广。
如图1、2所示，本发明实施例的塔架晃动传感器，具有壳体4，以及，集成在壳体4中的：惯性测量模块1、解算模块2和接口模块3。
具体地，如图1、3所示，惯性测量模块1中集成有三轴陀螺仪11和三轴加速度计12，
三轴陀螺仪11和三轴加速度计12用于测量塔架晃动参数，其中，三轴加速度计12测量空间
坐标中XYZ方向上所分别产生的加速度变化，即OX、OY、OZ方向上所分别产生的加速度变化
、
、
；三轴陀螺仪11测量空间坐标中XYZ方向的轴向上所分别产生的角速率变化，
即OX、OY、OZ方向的轴向方向产生的角速率变化
、
、
，从而获取包含加速度变化参
数和角速率变化参数的塔架晃动参数。惯性测量模块1同时集成三轴加速度计12和三轴陀
螺仪11，本发明实施例的塔架晃动传感器采用 MEMS（微机电）技术，无可动部件，能承受较
大瞬时冲击和振动，适应环境能力强。同时，本发明实施例的惯性测量模块1没有转轴，可安
装在塔架顶部附件的任意位置，可水平安装也可以垂直安装。
具体地，如图1所示，解算模块2包含：数字信号处理器21，数字信号处理器21与惯性测量模块1相连，根据塔架晃动参数，融合三轴陀螺仪11和三轴加速度计12采集的数据，解算出塔架姿态矩阵，获取塔架晃动角度，能够有效消除外界振动影响、长期持续运转下的陀螺仪漂移、塔架载荷的偏航影响，能够输出稳定可靠的转角数据。
进一步，在本实施例中，数字信号处理器21的支持单指令周期浮点数运算，系统时钟处理速度在72MHz及以上，满足外设接口要求，如Uart,Can,spi.i2c等，可靠性高。
具体地，如图1、2所示，接口模块3用于输出塔架晃动角度，在本实施例中，接口模块3采用M12 5芯接口，采用RS485 Modbus协议，可选CAN2.0或CAN OPEN。
当组装时，为了提前筛选出批次不良器件，将器件问题排除在产品生产之前，需要先对三轴陀螺仪11和三轴加速度计12等关键性器件进行如下测试工作：器件关键指标常温下测试、器件长时间稳定性测试、器件老化测试、器件可靠性测试和器件温度性能测试；以及，为了满足测量精度要求，需要对三轴陀螺仪11和三轴加速度计12进行独立标定，并需要做轴向安装误差校准，并作测试验证和二次软件校正：三轴加速度计12的零点温补测试、修正、验证；三轴加速度计12的灵敏度测试、修正、验证；三轴陀螺仪11与三轴加速度计12的安装校准、软件校正；三轴陀螺仪11的常温下刻度校正；三轴陀螺仪11的常温下零偏校正；三轴加速度计12的测倾值的偏置校正。测试和标定工作需要配套有角位置转台的高低温湿热交变箱、单轴速率转台、正交装置、大理石水平基准台、高精度角位置转台、三轴角位置转台、六自由度平台、数据采集器等，并可以使用Matlab软件对测试数据作分析、判断，筛选出合格的器件供使用。
如上，在根据本发明实施例的塔架晃动传感器中，通过三轴加速度计12和三轴陀螺仪11的组合方式并采取内置方式，可有效消除外界振动影响、长期持续运转下的陀螺仪漂移、塔架载荷的偏航影响，能够输出稳定可靠的转角数据；采用微机电技术，无可动部件，能承受较大的瞬时冲击和振动，适应环境能力强；同时，无转轴，可安装在塔顶附件的任意位置，且可水平安装或垂直安装。
以上结合附图1~3描述了根据本发明实施例的塔架晃动传感器。进一步地，本发明还可以应用于塔架晃动角度测量方法。
如图4~5所示，本发明实施例的塔架晃动角度测量方法，基于上述实施例的塔架晃动传感器，具有如下步骤：
在S1中，如图4所示，初始化塔架晃动传感器。
在S2中，如图4所示，惯性测量模块1测量塔架晃动参数，具体地，惯性测量模块1的
三轴加速度计12测量空间坐标中XYZ方向上所分别产生的加速度变化参数，即OX、OY、OZ方
向上所分别产生的加速度变化
、
、
；三轴陀螺仪11测量空间坐标中XYZ方向的轴向
上所分别产生的角速率变化，即OX、OY、OZ方向的轴向方向产生的角速率变化
、
、
，从而获取包含加速度变化参数和角速率变化参数的塔架晃动参数。
在S3中，如图4所示，解算模块2解算塔架晃动参数，获取并向接口模块3输出塔架晃动角度。在本实施例中，解算模块2包含数字信号处理器21，支持单指令周期浮点数运算，系统时钟处理速度在72MHz及以上，满足外设接口要求，如Uart,Can,spi.i2c等，可靠性高。
进一步，为了满足测量精度要求，三轴加速度计12和三轴陀螺仪11测量塔架晃动角度参数之前，需要对三轴陀螺仪11和三轴加速度计12进行独立测试标定，并需要做轴向安装误差校准，并测试验证和二次软件校正。在本实施例中，对三轴加速度计12和三轴陀螺仪11分别进行测试和标定的内容包含：对三轴加速度计12的零点温补、灵敏度、测倾值的偏置进行测试和标定；对三轴陀螺仪11的常温下刻度、常温下零偏进行测试和标定；三轴陀螺仪11与三轴加速度计12的安装校准、软件校正。
进一步，测试和标定工作需要配套有角位置转台的高低温湿热交变箱、单轴速率转台、正交装置、大理石水平基准台、高精度角位置转台、三轴角位置转台、六自由度平台、数据采集器等，并可以使用matlab软件对测试数据作分析、判断，筛选出合格的器件供使用。
进一步，解算模块2解算塔架晃动参数，获取并向接口模块3输出塔架晃动角度包含如下子步骤：
在S31中，如图5所示，获取标定后的塔架晃动参数的三轴加速度变化和三轴角速率变化。
在S32中，如图5所示，通过捷联算法对三轴角速率变化进行积分，获得预测姿态矩阵。
在S33中，如图5所示，根据预测姿态矩阵对三轴加速度变化进行误差补偿。
在S34中，如图5所示，根据误差补偿后的三轴加速度，获得测量姿态矩阵。
在S35中，如图5所示，通过扩展卡尔曼滤波对预测姿态矩阵和测量姿态矩阵进行数据融合，解算出塔架姿态矩阵。
在S36中，如图5所示，根据塔架姿态矩阵，获取塔架晃动角度。
在S4中，如图4所示，接口模块3输出塔架晃动角度。在本实施例中，接口模块3采用M12 5芯接口，采用RS485 Modbus协议，可选CAN2.0或CAN OPEN。
如上，在根据本发明实施例的塔架晃动角度测量方法中，通过加速度计、陀螺仪组合方式，通过数据融合的方式有效实现塔架晃动角度测量，能够有效消除外界振动影响、长期持续运转下的陀螺仪漂移、塔架载荷偏航影响，从而输出稳定可靠的塔架晃动角度数据。
以上，参照图1~5描述了根据本发明实施例的塔架晃动传感器，内置三轴加速度计12和三轴陀螺仪11，并根据通过数据融合的方式，可有效消除外界振动影响、长期持续运转下的陀螺仪漂移、塔架载荷偏航影响，能够输出稳定可靠的稳定可靠的塔架晃动角度数据；采用微机电技术，无可动部件，能承受较大的瞬时冲击和振动，适应环境能力强；同时，无转轴，可安装在塔架顶部附件的任意位置，且可水平安装或垂直安装。
需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包含……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (9)
1.一种塔架晃动传感器，其特征在于，包含壳体，以及，集成在所述壳体中的：
惯性测量模块，所述惯性测量模块用于测量塔架晃动参数；
解算模块，所述解算模块与所述惯性测量模块相连，根据所述塔架晃动参数，解算出塔架姿态矩阵，获取塔架晃动角度；
接口模块，所述接口模块用于输出所述塔架晃动角度。
2.如权利要求1所述塔架晃动传感器，其特征在于，所述惯性测量模块中集成有：三轴陀螺仪和三轴加速度计，所述三轴陀螺仪和所述三轴加速度计用于测量所述塔架晃动参数。
3.如权利要求2所述塔架晃动传感器，其特征在于，所述塔架晃动参数包含：所述三轴加速度计测量的空间坐标中XYZ方向上所分别产生的加速度变化，以及，所述三轴陀螺仪测量的空间坐标中XYZ方向的轴向上所分别产生的角速率变化。
4.如权利要求1所述塔架晃动传感器，其特征在于，所述解算模块包含：数字信号处理器，所述数字信号处理器与所述惯性测量模块相连，用于根据所述塔架晃动参数，解算塔架姿态矩阵，获取塔架晃动角度。
5.基于权利要求1~4任一项所述塔架晃动传感器的塔架晃动角度测量方法，其特征在于，包含如下步骤：
初始化所述塔架晃动传感器；
所述惯性测量模块测量塔架晃动参数；
所述解算模块解算所述塔架晃动参数，获取并向所述接口模块输出塔架晃动角度；
所述接口模块输出所述塔架晃动角度。
6.如权利要求5所述塔架晃动角度测量方法，其特征在于，所述惯性测量模块测量所述塔架晃动参数前包含如下步骤：
对惯性测量模块中集成的所述三轴加速度计和所述三轴陀螺仪分别进行轴向安装误差校准、测试和标定。
7.如权利要求6所述塔架晃动角度测量方法，其特征在于，对所述三轴加速度计和所述三轴陀螺仪分别进行测试和标定的内容包含：对所述三轴加速度计的零点温补、灵敏度、测倾值的偏置进行测试和标定；对所述三轴陀螺仪的常温下刻度、常温下零偏进行测试和标定。
8.如权利要求6所述塔架晃动角度测量方法，其特征在于，所述塔架晃动参数包含：所述三轴加速度计测量的空间坐标中XYZ方向上所分别产生的加速度变化；所述三轴陀螺仪测量的空间坐标中XYZ方向的轴向上所分别产生的角速率变化。
9.如权利要求8所述塔架晃动角度测量方法，其特征在于，所述解算模块解算所述塔架晃动参数，获取并向所述接口模块输出塔架晃动角度包含如下步骤：
获取标定后的所述塔架晃动参数的三轴加速度变化和三轴角速率变化；
通过捷联算法对所述三轴角速率变化进行积分，获得预测姿态矩阵；
根据所述预测姿态矩阵对所述三轴加速度变化进行误差补偿；
根据误差补偿后的所述三轴加速度，获得测量姿态矩阵；
通过扩展卡尔曼滤波对所述预测姿态矩阵和所述测量姿态矩阵进行数据融合，解算出塔架姿态矩阵；
根据所述塔架姿态矩阵，获取塔架晃动角度。
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