CN112904273A - 一种输电线路铁塔组立实时监测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种输电线路铁塔组立实时监测装置及方法，基于UWB超宽带无线测距技术，建立组塔施工空间的三维直角坐标系，在塔腿位置、主材位置及抱杆内部设置基站节点和标签节点，收集各基站节点与标签节点之间的距离数据并进行卡尔曼滤波，将滤波处理后的数据利用Chan算法得到标签节点的三维坐标，建立抱杆中心轴线的三维直线方程，基于点到直线的距离公式得到悬浮输电抱杆到已组塔身的距离。本发明可有效解决现有悬浮抱杆组塔施工过程中抱杆到已组塔身距离无法实时、准确监测的技术问题。

Description

一种输电线路铁塔组立实时监测装置及方法
技术领域
本发明属于架空输电线路组塔施工技术领域，具体涉及一种输电线路铁塔组立实时监测装置及方法。
背景技术
输电线路铁塔组立施工现场环境复杂、情况多变，特别是在大量山地地形条件下，常采用悬浮抱杆进行分解组塔施工。而悬浮抱杆在提升吊件过程时，抱杆悬浮于铁塔内部，抱杆与已组塔身距离过近或发生碰撞，将会导致抱杆折断、吊件掉落等安全事故。因此，实时监测悬浮抱杆到已组塔身的距离，对保障架空输电线路组塔施工安全具有重要意义。
当前，悬浮抱杆到已组塔身的距离的获取方法主要是通过地面人工肉眼观测，并凭借施工经验判断抱杆是否处于安全状态。但以上方法显然受观测人员的主观因素影响，无法做到对抱杆到已组塔身距离的实时、准确监测。同时，考虑到抱杆与铁塔均为钢制桁架结构；且抱杆在实时移动，现有的超声波测距、红外测距等方法均难以直接监测两者之间的距离。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种输电线路铁塔组立实时监测装置及方法，利用三维空间坐标得到抱杆到已组塔身的距离，有效解决了现有利用悬浮抱杆组立输电线路铁塔过程中无法实时、精准获取抱杆到已组塔身距离的问题。
本发明采取的技术方案为：
一种输电线路铁塔组立实时监测装置，包括：
设置在塔腿位置的第一UWB标签模块；
设置在已组铁塔顶部位置的第二UWB标签模块；
设置在悬浮抱杆内部的第三UWB标签模块；
地面数据接收处理设备，通过无线信号接收并处理第一UWB标签模块、第二UWB标签模块、第三UWB标签模块的距离信息，求解得到悬浮抱杆到已组铁塔各面的实际距离。
4个塔腿位置分别设置一个第一UWB标签模块，构成4个基站节点A1、A2、A3、A4；在已组铁塔的塔身顶部位置设置4个第二UWB标签模块，构成4个标签节点B1、B2、B3、B4；在悬浮抱杆内部的中心轴线位置，设置2个第三UWB标签模块，构成2个标签节点C1、C2。
4个第一UWB标签模块且均具有相同的电气结构和机械结构；4个第二UWB标签模块均具有相同的机械结构，且与第一UWB标签模块的机械结构相同；2个第三UWB标签模块均具有相同的电气结构，且与第二UWB标签模块的电气结构相同。
一种输电线路铁塔组立实时监测方法，
在输电铁塔4个塔腿位置设置4个基站节点A1、A2、A3、A4；
在已组铁塔主材位置设置4个标签节点B1、B2、B3、B4；
在悬浮抱杆内部的中心轴线位置，设置2个标签节点C1、C2；
收集各基站节点与标签节点之间的距离数据并进行卡尔曼滤波，将卡尔曼滤波处理后的数据利用Chan算法，得到6个标签节点的三维坐标；建立悬浮抱杆的中心轴线的三维直线方程，得到直线与已组铁塔的4个标签节点所在平面上的交点坐标；最后基于点到直线的距离公式，得到悬浮抱杆到已组铁塔塔身的距离。
本发明一种输电线路铁塔组立实时监测装置及方法，技术效果如下：
1)本发明所提出的利用三维空间坐标得到抱杆到已组塔身的距离，解决了现有利用悬浮抱杆组立输电铁塔过程中无法实时、精准获取抱杆到已组塔身距离的问题。
2)本发明中铁塔部分的UWB基站和UWB标签采用磁铁吸附方式固定，安装时简便可靠。
3)本发明采用UWB无线测距技术和数据无线通信技术，免去了施工环境和空间对数据传输的限制，实现了关键距离数据获取的实时性、准确性和客观性。
附图说明
图1为本发明监测装置整体示意图。
图2为悬浮抱杆到已组塔身距离的实时监测方法原理示意图。
图3为已组塔身顶端平面与抱杆外露部分空间结构示意图。
图4为已组塔身顶端所在平面的截面示意图。
图5(1)为第一UWB标签模块安装示意图。
图5(2)为第一UWB标签模块外部结构示意图。
图6(1)为“井”字形固定平台示意图。
图6(2)为第三UWB标签模块外部结构示意图。
图7(1)为第一UWB标签模块内部硬件连接示意图。
图7(2)为第二UWB标签模块内部硬件连接示意图。
其中：1-已组铁塔，2-悬浮抱杆，3-已起吊塔片，4-第一UWB标签模块，5-“井”字形固定平台；6-第三UWB标签模块，7-地面数据接收处理设备，8-第二UWB标签模块；
4.1-第一锂离子电池组、4.2-第一电源管理单元、4.3-第一数据处理单元、4.4-第一UWB单元，4.5-触摸开关，4.6-充电接口，4.7-磁铁，4.8-第一无线发射单元；
6.1-固定孔，6.2-充电DC母口；
8.1-第二锂离子电池组、8.2-第二电源管理单元、8.3-第二数据处理单元、8.4-第二UWB单元、8.5-第二无线发射单元。
具体实施方式
如图1、图5(1)、图5(2)、图6(1)、图6(2)、图7(1)、图7(2)所示，
一种输电线路铁塔组立实时监测装置，包括：
设置在塔腿位置的第一UWB标签模块4；
设置在已组铁塔1顶部位置的第二UWB标签模块8；
设置在悬浮抱杆2内部的第三UWB标签模块6；
地面数据接收处理设备7，通过无线信号接收并处理第一UWB标签模块4、第二UWB标签模块8、第三UWB标签模块6的距离信息，求解得到悬浮抱杆2到已组铁塔1各面的实际距离。
4个塔腿位置分别设置一个第一UWB标签模块4，UWB标签模块磁吸固定于塔腿四个位置，4个第一UWB标签模块4且均具有相同的电气结构和机械结构，构成4个基站节点A1、A2、A3、A4。
在已组铁塔1的塔身顶部位置设置4个第二UWB标签模块8，UWB标签模块磁吸固定于已组塔身主材定点四个位置，4个第二UWB标签模块8均具有相同的机械结构，且与第一UWB标签模块4的机械结构相同。4个第二UWB标签模块8构成4个标签节点B1、B2、B3、B4。
在悬浮抱杆2内部的中心轴线位置，设置2个第三UWB标签模块6，2个第三UWB标签模块6均具有相同的电气结构，且与第二UWB标签模块8的电气结构相同。2个第三UWB标签模块6构成2个标签节点C1、C2。
地面数据接收处理设备7通过无线信号接收并处理塔身顶部位置UWB标签模块和悬浮抱杆2的中心轴线UWB标签模块的距离信息，进而实现悬浮抱杆2到已组塔身1距离的实时、准确监测。
所述第一UWB标签模块4包括第一锂离子电池组4.1、第一电源管理单元4.2、第一数据处理单元4.3、第一UWB单元4.4；第一锂离子电池组4.1连接第一电源管理单元4.2，第一电源管理单元4.2连接第一数据处理单元4.3，第一数据处理单元4.3连接第一UWB单元4.4、第一无线发射单元4.8。所述第一UWB标签模块4的外壳底部位置设置磁铁4.7，便于施工人员安装。外壳上设有触摸开关4.5、充电接口4.6，以保证外部结构的防水性。第二UWB标签模块8与第一UWB标签模块4的机械结构相同。
所述第二UWB标签模块8包括第二锂离子电池组8.1、第二电源管理单元8.2、第二数据处理单元8.3、第二UWB单元8.4；第二锂离子电池组8.1连接第二电源管理单元8.2，第二电源管理单元8.2连接第二数据处理单元8.3，第二数据处理单元8.3连接第二UWB单元8.4、第二无线发射单元8.5。第三UWB标签模块6与第二UWB标签模块8的电气结构相同。
第三UWB标签模块6外壳侧面位置设置有触摸开关和充电DC母口6.2，以保证外部结构的防水性，同时底部位置开有固定孔6.1；固定孔通过螺栓和螺母与带有冲孔的扁钢片固定，形成“井”字形固定平台5，扁钢片通过U形环或者铁丝绑扎与抱杆固定，从而保证所述的第三UWB标签模块6稳定地固定于抱杆内部。
第一UWB标签模块4、第二UWB标签模块8、第三UWB标签模块6外壳材质采用不同醒目颜色的纯色塑料，如红、黄、蓝、黑，且外壳外表面印刷有数字A1、A2、A3、A4；B1、B2、B3、B4；C1、C2，便于区分。
硬件参数：
第一UWB单元4.4、第二UWB单元8.4采用DWM1000模块。
第一锂离子电池组4.1、第二锂离子电池组8.1采用12.6V/10000mah锂离子电池和充放电平衡电路板组成。
第一电源管理单元4.2、第二电源管理单元8.2采用德州仪器公司TPS562200电源管理芯片，外围电路参考元件数据手册进行搭建。
第一数据处理单元4.3、第二数据处理单元8.3采用STM32F103C8T6处理器及其外围电路构成。
第一无线发射单元4.8、第二无线发射单元8.5采用XBee-PR900HP数传电台。
地面数据接收处理设备7由品铂PIPO X4工业平板进行改装，将XBee-PR900HP数传电台接收端连接至品铂PIPO X4工业平板的USB端，并设定专用COM端口。地面数据接收处理设备7与塔身顶部位置第一UWB标签模块4、第三UWB标签模块6之间采用巡检应答模式进行数据采集。
一种输电线路铁塔组立实时监测方法，
在输电铁塔4个塔腿位置设置4个基站节点A1、A2、A3、A4；
在已组铁塔1主材位置设置4个标签节点B1、B2、B3、B4；
在悬浮抱杆2内部的中心轴线位置，设置2个标签节点C1、C2；
收集各基站节点与标签节点之间的距离数据并进行卡尔曼滤波，将卡尔曼滤波处理后的数据利用Chan算法，得到6个标签节点的三维坐标；建立悬浮抱杆2的中心轴线的三维直线方程，得到直线与已组铁塔1的4个标签节点所在平面上的交点坐标；最后基于点到直线的距离公式，得到悬浮抱杆2到已组铁塔1塔身的距离。
一种输电线路铁塔组立实时监测方法，包括以下步骤：
S1、建立空间直角坐标系：
在输电铁塔4个塔腿位置设置4个基站节点A1、A2、A3、A4；
在已组铁塔1主材位置设置4个标签节点B1、B2、B3、B4；
在悬浮抱杆2内部的中心轴线位置，设置2个标签节点C1、C2；
布置完各个节点后，根据现场塔基根开确定基站节点A1、A2、A3、A4的三维空间坐标分别为：(xA1,yA1,zA1)、(xA2,yA2,zA2)、(xA3,yA3,zA3)、(xA4,yA4,zA4)；
设置未知节点B1、B2、B3、B4和C1、C2的坐标分别为：(xB1,yB1,zB1)、(xB2,yB2,zB2)、(xB3,yB3,zB3)、(xB4,yB4,zB4)和(xC1,yC1,zC1)、(xC2,yC2,zC2)；
S2、在单位时间t内，对第一个标签节点B1到4个基站节点A1、A2、A3、A4的时间差值分别进行m次测量，并进行卡尔曼滤波处理，从而根据时间差乘以光速，得到基站-标签距离估计值RAiB1j(i＝1，…，4、j＝1，…，m)；进而通过取平均值，得到第一个标签节点B1到4个基站节点A1、A2、A3、A4距离实际测量值RA1B1，RA2B1，RA3B1，RA4B1；
S3、根据Chan算法，建立目标方程及其约束条件：
设定UWB标签模块规定量程下允许的距离误差为△R，第一个标签节点B1到4个基站节点A1、A2、A3、A4的距离实际测量值与理论计算值的绝对差值△li(i＝1，…，4)，分别定义如下式(1)：
Figure BDA0002896435910000061
式(1)中，RA1B1、RA2B1、RA3B1、RA4B1分别为第一个标签节点B1到4个基站节点A1、A2、A3、A4的距离实际测量值；xA1、xA2、xA3、xA4，yA1、yA2、yA3、yA4，zA1、zA2、zA3、zA4分别为4个基站节点A1、A2、A3、A4的x轴，y轴，z轴坐标值；xB1、yB1、zB1分别第一个标签节点B1的x轴、y轴、z轴坐标值；Δl1、Δl2、Δl3、Δl4分别为第一个标签节点B1到4个基站节点A1、A2、A3、A4的距离实际测量值与理论计算值的绝对差值；||为取绝对值符号。
以第一个标签节点B1到4个基站节点A1、A2、A3、A4的距离实际测量值与理论计算值的绝对差值之和最小为目标，目标函数及其约束条件如式(2)所示：
Figure BDA0002896435910000062
式(2)中，Δl为第一个标签节点B1到4个基站节点A1、A2、A3、A4的距离实际测量值与理论计算值的绝对差值之和；ΔR为UWB标签模块规定量程下允许的距离误差。
按照非线性规划方法，即通过式(2)中给出的目标函数和约束条件，寻优求解得到第一个标签节点B1的三维空间坐标(xB1,yB1,zB1)。
S4、按照步骤S2、S3中求解第一个标签节点B1的三维空间坐标(xB1,yB1,zB1)的方法，依次求解出标签节点B2、B3、B4、C1、C2的三维空间坐标：(xB2,yB2,zB2)、(xB3,yB3,zB3)、(xB4,yB4,zB4)、(xC1,yC1,zC1)和(xC2,yC2,zC2)；
S5、根据空间三维直线方程求解公式(3)，结合步骤S4中求解出的抱杆中心任意2个标签节点位置坐标(xC1,yC1,zC1)和(xC2,yC2,zC2)，求解得到抱杆中心轴线的直线方程为：
Figure BDA0002896435910000063
S6、结合步骤S3、S4中求解出的标签节点B1、B2、B3、B4的三维空间坐标(xB1,yB1,zB1)、(xB2,yB2,zB2)、(xB3,yB3,zB3)、(xB4,yB4,zB4)，取zB1、zB2、zB3、zB4中的最大值zBmax作为标签节点B1、B2、B3、B4所构成平面的z坐标值，并设抱杆中心轴线上标签节点C3为直线l与标签节点B1、B2、B3、B4所构成平面的交点，将zBmax代入至公式(3)，得到标签节点C3的坐标为(xC3,yC3,zC3)，其中zC3＝zBmax；
S7、由公式(3)，得到标签节点B1、B2所在直线的方向向量
Figure BDA0002896435910000071
标签节点B1、C3所在直线的方向向量
Figure BDA0002896435910000072
则根据空间点到三维直线的距离求解公式(4)，得到抱杆中心标签节点C3到已组塔身标签节点B1、B2构成的一边距离d1为：
Figure BDA0002896435910000073
式(4)中，
Figure BDA0002896435910000074
为标签节点B1、B2所在直线的方向向量，
Figure BDA0002896435910000075
为标签节点B1、C3所在直线的方向向量，||为取模符号。
S8：按照步骤S7中求解出抱杆中心点C3到已组塔身标签节点B1、B2构成的一边距离d1的方法，分别求得标签节点C3到已组塔身剩下3个边B2B3、B3B4、B4B1的距离d2、d3、d4；
S9：设定悬浮抱杆的截面边长的1/2长度为d，则可求解得到抱杆到已组塔身各面的实际距离分别为d1-d、d2-d、d3-d、d4-d。
综上所述，本发明提供的上述方法与装置，采用UWB超宽带无线测距技术，建立组塔施工空间的三维直角坐标系，解算得到已组塔身和抱杆的三维空间坐标，建立抱杆中心轴线的直线方程，利用空间几何关系得到抱杆到已组塔身各面的实际距离，实现抱杆到已组塔身距离的实时、准确监测获取。该方法与装置由于是基于UWB基站到标签距离数据进行解算得到空间三维坐标数据，当在铁塔其它关键部位设置更多的标签节点时，本发明还可用于组塔过程中其它关键距离、抱杆倾角及塔片就位监测。

Claims (8)

1.一种输电线路铁塔组立实时监测装置，其特征在于包括：
设置在塔腿位置的第一UWB标签模块(4)；
设置在已组铁塔(1)顶部位置的第二UWB标签模块(8)；
设置在悬浮抱杆(2)内部的第三UWB标签模块(6)；
地面数据接收处理设备(7)，通过无线信号接收并处理第一UWB标签模块(4)、第二UWB标签模块(8)、第三UWB标签模块(6)的距离信息，求解得到悬浮抱杆(2)到已组铁塔(1)各面的实际距离。
2.根据权利要求1所述一种输电线路铁塔组立实时监测装置，其特征在于：
4个塔腿位置分别设置一个第一UWB标签模块(4)，构成4个基站节点A1、A2、A3、A4；
在已组铁塔(1)的塔身顶部位置设置4个第二UWB标签模块(8)，构成4个标签节点B1、B2、B3、B4；
在悬浮抱杆(2)内部的中心轴线位置，设置2个第三UWB标签模块(6)，构成2个标签节点C1、C2。
3.根据权利要求2所述一种输电线路铁塔组立实时监测装置，其特征在于：
4个第一UWB标签模块(4)且均具有相同的电气结构和机械结构；4个第二UWB标签模块(8)均具有相同的机械结构，且与第一UWB标签模块(4)的机械结构相同；
2个第三UWB标签模块(6)均具有相同的电气结构，且与第二UWB标签模块(8)的电气结构相同。
4.根据权利要求2所述一种输电线路铁塔组立实时监测装置，其特征在于：所述第一UWB标签模块(4)包括第一锂离子电池组(4.1)、第一电源管理单元(4.2)、第一数据处理单元(4.3)、第一UWB单元(4.4)；第一锂离子电池组(4.1)连接第一电源管理单元(4.2)，第一电源管理单元(4.2)连接第一数据处理单元(4.3)，第一数据处理单元(4.3)连接第一UWB单元(4.4)、第一无线发射单元(4.8)。
5.根据权利要求2所述一种输电线路铁塔组立实时监测装置，其特征在于：所述第二UWB标签模块(8)包括第二锂离子电池组(8.1)、第二电源管理单元(8.2)、第二数据处理单元(8.3)、第二UWB单元(8.4)；第二锂离子电池组(8.1)连接第二电源管理单元(8.2)，第二电源管理单元(8.2)连接第二数据处理单元(8.3)，第二数据处理单元(8.3)连接第二UWB单元(8.4)、第二无线发射单元(8.5)。
6.根据权利要求2所述一种输电线路铁塔组立实时监测装置，其特征在于：所述第一UWB标签模块(4)的外壳底部位置设置磁铁(4.7)，外壳上设有触摸开关(4.5)、充电接口(4.6)。
7.一种输电线路铁塔组立实时监测方法，其特征在于：
在输电铁塔4个塔腿位置设置4个基站节点A1、A2、A3、A4；
在已组铁塔(1)主材位置设置4个标签节点B1、B2、B3、B4；
在悬浮抱杆(2)内部的中心轴线位置，设置2个标签节点C1、C2；
收集各基站节点与标签节点之间的距离数据并进行卡尔曼滤波，将卡尔曼滤波处理后的数据利用Chan算法，得到6个标签节点的三维坐标；建立悬浮抱杆2的中心轴线的三维直线方程，得到直线与已组铁塔(1)的4个标签节点所在平面上的交点坐标；最后基于点到直线的距离公式，得到悬浮抱杆(2)到已组铁塔(1)塔身的距离。
8.一种输电线路铁塔组立实时监测方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、建立空间直角坐标系：
在输电铁塔4个塔腿位置设置4个基站节点A1、A2、A3、A4；
在已组铁塔(1)主材位置设置4个标签节点B1、B2、B3、B4；
在悬浮抱杆(2)内部的中心轴线位置，设置2个标签节点C1、C2；
布置完各个节点后，根据现场塔基根开确定基站节点A1、A2、A3、A4的三维空间坐标分别为：(xA1,yA1,zA1)、(xA2,yA2,zA2)、(xA3,yA3,zA3)、(xA4,yA4,zA4)；
设置未知节点B1、B2、B3、B4和C1、C2的坐标分别为：(xB1,yB1,zB1)、(xB2,yB2,zB2)、(xB3,yB3,zB3)、(xB4,yB4,zB4)和(xC1,yC1,zC1)、(xC2,yC2,zC2)；
S2、在单位时间t内，对第一个标签节点B1到4个基站节点A1、A2、A3、A4的时间差值分别进行m次测量，并进行卡尔曼滤波处理，从而根据时间差乘以光速，得到基站-标签距离估计值RAiB1j(i＝1，…，4、j＝1，…，m)；进而通过取平均值，得到第一个标签节点B1到4个基站节点A1、A2、A3、A4距离实际测量值RA1B1，RA2B1，RA3B1，RA4B1；
S3、根据Chan算法，建立目标方程及其约束条件：
设定UWB标签模块规定量程下允许的距离误差为△R，第一个标签节点B1到4个基站节点A1、A2、A3、A4的距离实际测量值与理论计算值的绝对差值△li(i＝1，…，4)，分别定义如下式(1)：
Figure FDA0002896435900000031
以第一个标签节点B1到4个基站节点A1、A2、A3、A4的距离实际测量值与理论计算值的绝对差值之和最小为目标，目标函数及其约束条件如式(2)所示：
Figure FDA0002896435900000032
通过式(2)，按照非线性规划方法，求解得到第一个标签节点B1的三维空间坐标(xB1,yB1,zB1)；
S4、按照步骤S2、S3中求解第一个标签节点B1的三维空间坐标(xB1,yB1,zB1)的方法，依次求解出标签节点B2、B3、B4、C1、C2的三维空间坐标：(xB2,yB2,zB2)、(xB3,yB3,zB3)、(xB4,yB4,zB4)、(xC1,yC1,zC1)和(xC2,yC2,zC2)；
S5、根据空间三维直线方程求解公式(3)，结合步骤S4中求解出的抱杆中心任意2个标签节点位置坐标(xC1,yC1,zC1)和(xC2,yC2,zC2)，求解得到抱杆中心轴线的直线方程为：
Figure FDA0002896435900000033
S6、结合步骤S3、S4中求解出的标签节点B1、B2、B3、B4的三维空间坐标(xB1,yB1,zB1)、(xB2,yB2,zB2)、(xB3,yB3,zB3)、(xB4,yB4,zB4)，取zB1、zB2、zB3、zB4中的最大值zBmax作为标签节点B1、B2、B3、B4所构成平面的z坐标值，并设抱杆中心轴线上标签节点C3为直线l与标签节点B1、B2、B3、B4所构成平面的交点，将zBmax代入至公式(3)，得到标签节点C3的坐标为(xC3,yC3,zC3)，其中zC3＝zBmax；
S7、由公式(3)，得到标签节点B1、B2所在直线的方向向量
Figure FDA0002896435900000034
标签节点B1、C3所在直线的方向向量
Figure FDA0002896435900000035
则根据空间点到三维直线的距离求解公式(4)，得到抱杆中心标签节点C3到已组塔身标签节点B1、B2构成的一边距离d1为：
Figure FDA0002896435900000036
S8：按照步骤S7中求解出抱杆中心点C3到已组塔身标签节点B1、B2构成的一边距离d1的方法，分别求得标签节点C3到已组塔身剩下3个边B2B3、B3B4、B4B1的距离d2、d3、d4；
S9：设定悬浮抱杆的截面边长的1/2长度为d，则可求解得到抱杆到已组塔身各面的实际距离分别为d1-d、d2-d、d3-d、d4-d。
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