CN115854953A - 一种基于组合导航的弧垂测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于组合导航的弧垂测量系统及测量方法，属于弧垂测量技术领域，系统包括弧垂测量机器人和与弧垂测量机器人进行通讯的固定站；方法包括：S1、根据信号强度选择固定站类型；S2、判断弧垂测量机器人系留状态是否产生滑动；S3、弧垂测量机器人行进并向固定站发出固定解；S4、固定站根据固定解绘制弧垂测量机器人行进轨迹，形成导线弧垂数据；S5、弧垂测量机器人完成测量，返回起点。本发明能够满足测量精度，并实现全天候、全天气、全地形导线弧垂测量。

Description

一种基于组合导航的弧垂测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及弧垂测量技术领域，尤其是一种基于组合导航的弧垂测量系统及测量方法。

背景技术

目前，紧线施工是输电线路施工中必不可缺的环节，而其中导线的弧垂测量更是该施工环节的关键点，导线弧垂的测量直接影响到了工程的质量，如若处理不当，势必会影响日后供电系统的稳定性。在实际施工作业当中，施工人员经常会遇到各种不利的天气、窗口时间或者地形条件，对导线弧垂的测量造成了一系列的困难，容易造成窝工或者弧垂数据测量的不准确。

现有技术则应用激光测量线路位置，的主要缺点如下：

1、固定的激光测量收到雾气等天气影响，测量的效率和准确性较低；

2、由于实际工程中刮风等影响，线路一直处于摇摆状态，分离的定点数据无法补偿摇晃带来的位移，影响精度。

为保证该环节的正常施工，以及后期的工程质量，探索一种新型的导线弧垂测量方法迫在眉睫。在满足测量精度的基础上，实现全天候、全天气、全地形导线弧垂测量的方式已成为当前之需。

本文设计一种在线上行走的基于5G和北斗与惯性系统的组合导航测量机器人，可取代原有的经纬仪测量方式，大大减小测量设备对周围复杂环境条件的依赖程度，实现对导线弧垂高精度测量。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种基于组合导航的弧垂测量系统及测量方法，能够满足测量精度，并实现全天候、全天气、全地形导线弧垂测量。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于组合导航的弧垂测量系统，包括弧垂测量机器人和与弧垂测量机器人进行通讯的固定站；

所述固定站包括依次相连的第一电台通信模块、信号处理模块和上位机显示模块；

所述弧垂测量机器人包括电气箱和两个通过架体与电气箱连接的车轮；所述电气箱内设置电源模块和依次相连的第二电台通讯模块、信号处理和中央控制模块、组合导航系统模块，所述信号处理和中央控制模块与控制车轮的电机连接；

所述弧垂测量机器人通过车轮挂在导线上行走或者系留，将组合导航系统模块定位后融合的位置数据传递至固定站，获取弧垂测量机器人的实时位置，进行导线弧垂计算。

起特征在于所述组合导航模块包括导航计算机、分别与导航计算机连接的惯性模组和卫导模块；所述导航计算机通过融合来自惯性模组和卫导模块的信息，将弧垂测量机器人的位置、速度和姿态信息以差分定位信号形式并输至信号处理和中央控制模块。

起特征在于所述卫导模块包括设置有卫导天线的定位板卡、与定位板卡连接的差分信号选择器和与差分信号选择器连接的设置有移动通信天线的移动通信模块。

起特征在于所述惯性模组包括三轴陀螺仪、三轴加速计和温度传感器。

起特征在于所述固定站类型包括自带固定站和5G固定站，应用自带固定站和应用5G固定站时均将固定站的信息输出给导航计算机，导航计算机经过判断后输出给测量机器人的移动定位部分，完成差分计算。

一种基于组合导航的弧垂测量方法，包括以下步骤：

S1、根据信号强度选择固定站类型；

S2、判断弧垂测量机器人系留状态是否产生滑动；

S3、弧垂测量机器人行进并向固定站发出固定解；

S4、固定站根据固定解绘制弧垂测量机器人行进轨迹，形成导线弧垂数据；

S5、弧垂测量机器人完成测量，返回起点。

本发明技术方案的进一步改进在于：S1中，包括以下步骤：

S1.1当自带固定基站信号强度大于等于5G固定站时，差分信号选择器使用自带固定基站信号，弧垂测量机器人完成行进准备；

S1.2当自带固定基站信号强度小于5G固定站时，使差分信号选择器用5G基站信号；同时弧垂测量机器人系留，此时控制弧垂测量机器人的两个电机停止转动，使用5G固定站信号与弧垂测量机器人开始进行差分准备，当差分准备完毕输出固定解时，弧垂测量机器人完成行进准备。

本发明技术方案的进一步改进在于：S2中，判断弧垂测量机器人是否产生了滑动，导航计算机判断通过系留时刻判断弧垂测量机器人的三轴陀螺仪和三轴加速计的数据判断是否有加速度和姿态变化；如果判断发生了滑动，则信号处理和中央控制模块控制弧垂测量机器人前进或者后退回到原位置然后再继续进行线路测量；如果未发生滑动，则进行S3。

本发明技术方案的进一步改进在于：S3中，包括以下步骤：

S3.1根据S1中选择的固定站类型，通过5G移动通信模块或者固定站电台接收来自卫导参考基站发送过来的基站定位信息，并通过卫导模块发送给组合导航系统模块中的导航计算机；

S3.2卫导模块通过卫导天线接收来自北斗/GPS的定位信息，进行解析处理，发送给惯性模组的导航计算机，导航计算机经过判断后输出给弧垂测量机器人的信号处理和中央控制模块，控制电机转动，完成差分计算；

S3.3导航计算机对线路机器人建立运动学模型，并根据模型设计卡尔曼滤波的误差状态量，包括导航系统安装误差和卫导天线安装误差；

S3.4导航计算机融合来自惯性模组、卫导模块、移动通信模块信息，并向固定站输出包括弧垂测量机器人位置、速度和姿态信息的固定解。

本发明技术方案的进一步改进在于：S4中，固定站中的信号处理模块通过将固定解转换为弧垂测量机器人运动轨迹，并通过上位机显示模块显示。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

1、本发明中通过采用组合导航的方法，将定位与惯性器件的数据进行实时融合，能够补偿线路摇晃带来的误差，并不受天气影响。

2、与其它测试方法用GPS或者北斗的RTK信号经纬仪测量，通过激光等方式从远处发射到线上相比，本发明设计采用将定位模块挂到线上的方法，在电线上直接测量，测量结果更为直接；同时，传统的方法只能打一个点，描一个点；本方法由于将测量装置放置在线上，能够测绘出整条线的形状，其信息更为完整可靠。

附图说明

图1是本发明中测量系统连接框图；

图2是本发明中固定站框图；

图3是本发明中弧垂测量机器人框图；

图4是本发明中弧垂测量机器人安装示意图；

图5是本发明中组合导航模块框图；

图6是本发明中测量方法流程图；

图7是本发明中导航计算流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明：

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”……仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”……的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

如图1所示，一种基于组合导航的弧垂测量系统，包括弧垂测量机器人和与弧垂测量机器人进行通讯的固定站；

如图2所示，所述固定站包括依次相连的第一电台通信模块、信号处理模块和上位机显示模块；

如图3所示，所述弧垂测量机器人包括电气箱和两个通过架体与电气箱连接的车轮；所述电气箱内设置电源模块和依次相连的第二电台通讯模块、信号处理和中央控制模块、组合导航系统模块，所述信号处理和中央控制模块与控制车轮的电机连接；

如图4所示，所述弧垂测量机器人通过车轮挂在导线上行走或者系留，将组合导航系统模块定位后融合的位置数据传递至固定站，获取弧垂测量机器人的实时位置，进行导线弧垂计算。

如图5所示，所述组合导航模块包括导航计算机、分别与导航计算机连接的惯性模组和卫导模块；所述导航计算机通过融合来自惯性模组和卫导模块的信息，应用卫星惯导耦合系统算法，将弧垂测量机器人的位置、速度和姿态信息以差分定位信号形式并输至信号处理和中央控制模块。

所述卫导模块包括设置有卫导天线的定位板卡、与定位板卡连接的差分信号选择器和与差分信号选择器连接的设置有移动通信天线的LTE/UMTS移动通信模块（5G模块）；

所述惯性模组包括三轴陀螺仪、三轴加速计和温度传感器。

所述固定站类型包括自带固定站和5G固定站，应用自带固定站和应用5G固定站时均将固定站的信息输出给导航计算机，导航计算机经过判断后输出给测量机器人的移动定位部分，完成差分计算。

如图6所示，一种基于组合导航的弧垂测量方法，包括以下步骤：

S1、根据信号强度选择固定站类型，包括以下步骤：

S1.1当自带固定基站信号强度大于等于5G固定站时，差分信号选择器使用自带固定基站信号，弧垂测量机器人完成行进准备；

S1.2当自带固定基站信号强度小于5G固定站时，使差分信号选择器用5G基站信号；同时弧垂测量机器人系留，此时控制弧垂测量机器人的两个电机停止转动，使用5G固定站信号与弧垂测量机器人开始进行差分准备，当差分准备完毕输出固定解时，弧垂测量机器人完成行进准备；

一般情况下系统自带的固定站的信号可以通过人工放置，将其得到质量较好的北斗基站信号；但是基站信号需要通过电台传输到机器人中，与移动机器人的移动北斗信号完成差分，输出固定解。由于电台功率有限，中间可能出现信号遮挡等情况，导致差分信号中断，无法得到固定解定位信息；

另一种固定站信号的方式是通过将通信基站的商用北斗基站信号通过5G/4G/3G信号传输给测量器人，与移动机器人的移动北斗信号完成差分，输出固定解；5G/4G/3G不存在传输的距离问题，但是由于本机器人工作环境大都为偏远地区，经常存在5G/4G/3G信号不好的情况；

实际测量过程中，还是需要实时输出测量机器人的固定解，这样才能更准确的完成对线路的弧垂测量。

本发明的核心点为固定站的选择和扩展，即采用双基站的模式。测绘定位的时候，需要差分信号进入“固定解”状态，才能达到厘米级精度，符合线路测量的精度要求。而进入“固定解”状态，则需要基站和移动站（即移动卫星天线）均有较好的信号，且基站信号需要传输到移动站进行差分计算，稳定通信信号超过1分钟，才能够输出固定解信号。

S2、判断弧垂测量机器人系留状态是否产生滑动；

判断弧垂测量机器人在线上由于弧度较大或者有水而产生了滑动，导航计算机判断通过系留时刻判断弧垂测量机器人的三轴陀螺仪和三轴加速计的数据判断是否有加速度和姿态变化；如果判断发生了滑动，则信号处理和中央控制模块控制弧垂测量机器人前进或者后退回到原位置然后再继续进行线路测量；如果未发生滑动，则进行S3；

S3、弧垂测量机器人行进并向固定站发出固定解，包括以下步骤：

S3.1根据S1中选择的固定站类型，通过5G移动通信模块或者固定站电台接收来自卫导参考基站发送过来的基站定位信息，并通过卫导模块发送给组合导航系统模块中的导航计算机；

S3.2卫导模块通过卫导天线接收来自北斗/GPS的定位信息，进行解析处理，发送给惯性模组的导航计算机，导航计算机经过判断后输出给弧垂测量机器人的信号处理和中央控制模块，控制电机转动，完成差分计算；

S3.3导航计算机对线路机器人建立运动学模型，并根据模型设计卡尔曼滤波的误差状态量，包括导航系统安装误差和卫导天线安装误差；卡尔曼滤波可以自动有效地估计其误差状态量，并对补偿到位置、速度及姿态中，实现车辆导航系统参数的智能辨识，降低了导航系统的安装难度；导航计算流程如图7所示。

S3.4导航计算机融合来自惯性模组、卫导模块、移动通信模块信息，实现卫星惯导耦合系统算法，并向固定站输出包括弧垂测量机器人位置、速度和姿态信息的固定解，能够补偿线路摇晃带来的误差，并不受天气影响。

S4、固定站根据固定解绘制弧垂测量机器人行进轨迹，形成导线弧垂数据；

固定站中的信号处理模块通过将固定解转换为弧垂测量机器人运动轨迹，并通过上位机显示模块显示。

S5、弧垂测量机器人完成测量，返回起点。

当弧垂测量机器人位置信息与测量终点位置重合时，完成测量。

实施例

固定站中，第一电台通信模块选用工业级433M无线数传电台，型号为SX1278；功能包括：

功能1：接收弧垂测量机器人的定位及运行状态信号，并通过信号处理模块后发送给上位机显示模块；

功能2：上位机模块接收到固定站人员发出的控制命令后，通过信号处理模块发送到电台通信模块中，电台通信模块再通过电台信号发送给弧垂测量机器人，从而控制弧垂测量机器人的运动状态；

功能3：卫星信号基站接收到卫星差分信号（RTK）后，通过电台通信模块发送给弧垂测量机器人，从而配合弧垂测量机器人中的定位板卡完成定位。

功能4：兼容RS422、RS485等信号的输入；通信距离达到15km。

信号处理模块是一个处理器及其相关外设组成的，处理器选用的是GD32F103型号的芯片，收到和发出的USB信号通过CH347芯片完成，RS422信号转换通过SM3490完成；功能包括：

功能1：接收上位机模块的USB信号；

功能2：接收卫星信号基站信号，其信号为TTL电平的UART信号；

功能3：接收电台通信发送过来的信号，本设计中电台通信模块发送信号格式为RS422信号；

功能4：将上位机显示模块中的信号和卫星信号基站的信号统一进行处理，整理成统一帧格式的RS422信号，这样可以通过单路的电台通信模块就可以完成与弧垂测量机器人的信息交互；

功能5：将受到的电台通信发送过来的RS422信号进行解析，将有用信号转换成USB信号发送给上位机显示模块；

上位机显示模块和卫星信号基站均购买市面上货架产品。

弧垂测量机器人整体为一个可在导线上行走的小车(移动站)，小车上部有两个有动力的车轮，下部有一个电气箱，两部分通过架体相连。小车可以在行走或者系留状态中，将组合导航系统模块定位后融合的位置数据传递至固定站，从而使固定站的工作人员获取小车的实时位置（相对位置、绝对位置均可），并可通过遥控部分进行行走控制，可供施工人员在紧线等施工过程中做参考。弧垂测量机器人总体由电池部分、遥控部分、动力部分和组合导航部分组成。

弧垂测量机器人包括：

电池：电池选用的是航模电池，又称聚合物锂电池，容量为2200mah，电压为12v,能够提供弧垂测量机器人持续运动的40分钟以上，待机状态6小时以上的电力；

电源模块：电源模块将电池提供的12V电压转换成信号处理和中央控制模块、导航模块使用的一系列电压，选用金升阳公司的B1205D-2WR3隔离电源以及URB2403MT-3WR3完成，分别提供5V和3.3V电压；

第二电台通信模块：第二电台通信模块与第一电台通信模块一致。

信号处理和中央控制模块采用GD32F103, RS422信号转换通过SM3490完成；功能包括：

功能1：接收组合导航系统的RS422信号，并进行处理；

功能2：将接收到的电台发送信号解析出RTK信号，发送给组合导航系统；

功能3：将接收到的电台信号中的电机控制信号进行解析，并根据信号控制电机的运行；电机的控制信号为PWM波形式，输出信号为方波形式。

功能4：将组合导航系统的RS422数据和电机输出的信息进行整合，输出成电台识别的RS422数据；

电气箱外壳：采用聚乙烯（PE），且通过橡胶圈的方式进行密封，达到了IP67等级；

电机和车轮：电机采用无刷电机，通过直连的方式与车轮连接，车轮采用PVC材质。

综上所述，本发明能够满足测量精度，并实现全天候、全天气、全地形导线弧垂测量。

Claims (10)

1.一种基于组合导航的弧垂测量系统，其特征在于：包括弧垂测量机器人和与弧垂测量机器人进行通讯的固定站；

所述固定站包括依次相连的第一电台通信模块、信号处理模块和上位机显示模块；

所述弧垂测量机器人包括电气箱和两个通过架体与电气箱连接的车轮；所述电气箱内设置电源模块和依次相连的第二电台通讯模块、信号处理和中央控制模块、组合导航系统模块，所述信号处理和中央控制模块与控制车轮的电机连接；

所述弧垂测量机器人通过车轮挂在导线上行走或者系留，将组合导航系统模块定位后融合的位置数据传递至固定站，获取弧垂测量机器人的实时位置，进行导线弧垂计算。

2.根据权利要求1所述的一种基于组合导航的弧垂测量系统，其特征在于：所述组合导航模块包括导航计算机、分别与导航计算机连接的惯性模组和卫导模块；所述导航计算机通过融合来自惯性模组和卫导模块的信息，将弧垂测量机器人的位置、速度和姿态信息以差分定位信号形式并输至信号处理和中央控制模块。

3.根据权利要求2所述的一种基于组合导航的弧垂测量系统，其特征在于：所述卫导模块包括设置有卫导天线的定位板卡、与定位板卡连接的差分信号选择器和与差分信号选择器连接的设置有移动通信天线的移动通信模块。

4.根据权利要求2所述的一种基于组合导航的弧垂测量系统，其特征在于：所述惯性模组包括三轴陀螺仪、三轴加速计和温度传感器。

5.根据权利要求2所述的一种基于组合导航的弧垂测量系统，其特征在于：所述固定站类型包括自带固定站和5G固定站，应用自带固定站和应用5G固定站时均将固定站的信息输出给导航计算机，导航计算机经过判断后输出给测量机器人的移动定位部分，完成差分计算。

6.一种基于组合导航的弧垂测量方法，其特征在于：使用如权利要求1～5任一项所述的一种基于组合导航的弧垂测量系统，包括以下步骤：

S1、根据信号强度选择固定站类型；

S2、判断弧垂测量机器人系留状态是否产生滑动；

S3、弧垂测量机器人行进并向固定站发出固定解；

S4、固定站根据固定解绘制弧垂测量机器人行进轨迹，形成导线弧垂数据；

S5、弧垂测量机器人完成测量，返回起点。

7.根据权利要求6所述的一种基于组合导航的弧垂测量方法，其特征在于：S1中，包括以下步骤：

S1.1当自带固定基站信号强度大于等于5G固定站时，差分信号选择器使用自带固定基站信号，弧垂测量机器人完成行进准备；

S1.2当自带固定基站信号强度小于5G固定站时，使差分信号选择器用5G基站信号；同时弧垂测量机器人系留，此时控制弧垂测量机器人的两个电机停止转动，使用5G固定站信号与弧垂测量机器人开始进行差分准备，当差分准备完毕输出固定解时，弧垂测量机器人完成行进准备。

8.根据权利要求6所述的一种基于组合导航的弧垂测量方法，其特征在于：S2中，判断弧垂测量机器人是否产生了滑动，导航计算机判断通过系留时刻判断弧垂测量机器人的三轴陀螺仪和三轴加速计的数据判断是否有加速度和姿态变化；如果判断发生了滑动，则信号处理和中央控制模块控制弧垂测量机器人前进或者后退回到原位置然后再继续进行线路测量；如果未发生滑动，则进行S3。

9.根据权利要求6所述的一种基于组合导航的弧垂测量方法，其特征在于：S3中，包括以下步骤：

S3.1根据S1中选择的固定站类型，通过5G移动通信模块或者固定站电台接收来自卫导参考基站发送过来的基站定位信息，并通过卫导模块发送给组合导航系统模块中的导航计算机；

S3.2卫导模块通过卫导天线接收来自北斗/GPS的定位信息，进行解析处理，发送给惯性模组的导航计算机，导航计算机经过判断后输出给弧垂测量机器人的信号处理和中央控制模块，控制电机转动，完成差分计算；

S3.3导航计算机对线路机器人建立运动学模型，并根据模型设计卡尔曼滤波的误差状态量，包括导航系统安装误差和卫导天线安装误差；

S3.4导航计算机融合来自惯性模组、卫导模块、移动通信模块信息，并向固定站输出包括弧垂测量机器人位置、速度和姿态信息的固定解。

10.根据权利要求6所述的一种基于组合导航的弧垂测量方法，其特征在于：S3中，包括以下步骤：S4中，固定站中的信号处理模块通过将固定解转换为弧垂测量机器人运动轨迹，并通过上位机显示模块显示。

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