JPH09243366A

JPH09243366A - 送電線用運動計測装置

Info

Publication number: JPH09243366A
Application number: JP4975296A
Authority: JP
Inventors: Junpei Miyazaki; 淳平宮崎
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1996-03-07
Filing date: 1996-03-07
Publication date: 1997-09-19

Abstract

(57)【要約】【課題】定期的なメンテナンスを必要とせず、荒天時で
も使用でき、複雑で細かい空間的な３次元運動を計測で
き、長時間連続測定をしても誤差が蓄積せず、かつ送電
線に装着できるように十分寸法、重量、消費電力が小さ
い送電線用運動計測装置を提供する。【解決手段】送電線が変位する空間の直交基底軸にそれ
ぞれ配置された単独または複数の加速度センサと単独ま
たは複数の角速度センサとを備え、これらセンサで測定
された加速度情報と角速度情報を演算処理して送電線の
振動的な変位を計測するに際し、この演算処理が、シス
テム出力位置と参照位置との偏差を、姿勢角の生成過
程、速度の生成過程または変位の生成過程の１つまたは
複数の過程でそれぞれ角速度領域、加速度領域または速
度領域に帰還し、一定周波数より低い周波数の速度また
は変位の誤差成分を補正する補正処理を含むことを特徴
とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、運動計測センサ、
特に送電線の運動を計測する装置に関するものである。

【０００２】

【従来技術】架空送電線は山間部を通過する等厳しい環
境下にあり、強風時の送電線の動的挙動計測は事故防止
の面から重要である。

【０００３】１．標的ランプ法従来の送電線の運動、特に変位の測定には、標的ランプ
を用いた画像処理による方法（便宜上、標的ランプ法と
呼ぶことにする）が主として用いられてきた。図６に示
すように、変位を測定したい送電線１１の部分に標的ラ
ンプ１３をとりつけ、ＣＴ機構などによって得た電力を
利用して発光させる。一方、鉄塔部１２のほぼ標的ラン
プ１３と同じ高さの位置にビデオカメラ１４を取り付
け、この標的ランプ１３の動きを撮影する。この映像信
号は表示器１５に送られ、さらに画像解析装置１６に送
られ、画像解析によってランプの明るい部分の動きをト
レースすると送電線１１の運動を検出することができ
る。

【０００４】２．慣性計測装置また、送電線の運動計測用には用いられた例はないが、
航空機などの運動計測装置として用いられる慣性計測装
置がある。これは複数又は単独の加速度センサと角速度
センサで構成され、物体の運動を純力学的に検出するも
のである。姿勢の保持のしかたでステーブルプラットフ
ォーム方式とストラップダウン方式の２つに大別され
る。この原理を図７にそれぞれ示す。このブロック図に
おいて、

【０００５】

【数１】

【０００６】と規定する。

【０００７】２−１．ステーブルプラットフォーム方式ステーブルプラットフォーム方式では、センサ本体は機
械的ジンバル機能を介して被測定体に取り付けられる。
角速度センサで得られた情報をもとに、機械的ジンバル
機構を使用して、センサ本体は被測定体の運動に関係な
く北向き、水平などの一定姿勢を常に維持する。つまり
基準となる座標系に一致させることになる。このとき加
速度センサに現れる加速度ａは基準となる座標系で検出
される加速度であり、これを時間について積分すれば基
準となる座標系での速度ｖが得られる。さらに、これを
時間についてもう１回積分すると基準となる座標系での
位置ｐを得ることができる。

【０００８】２−２．ストラップダウン方式ストラップダウン方式は、機械的ジンバル機能は持た
ず、センサは直接被測定体に取り付けられる。ここで得
られる加速度ａ‘は被測定体の座標系で検出される加速
度であり、そのまま積分したのでは基準となる座標系で
の速度や位置を得ることはできない。そこで、プラット
フォームを基準となる座標系の姿勢に維持する代わり
に、被測定体の座標系で検出される角速度Ωを空間積分
して被測定体の姿勢角θを求め、この姿勢角θを用いて
被測定体の座標系で検出される加速度ａ‘を、基準とな
る座標系で検出される加速度ａに座標変換する。これを
時間について積分すればプラットフォーム方式の場合と
同様にして、速度や位置を得ることができる。

【０００９】しかしながら、これらの従来法では、以下
のような問題点がある。

【００１０】１．標的ランプ法まず、ランプには寿命があるため、長い期間測定しよう
とすると、ランプ切れが発生し、ランプを交換しなけれ
ばならない。通常のランプの代わりに長寿命のＬＥＤを
使用するとしても、色の制限や明るさの不足のためにそ
のまま置き換えることはできない。

【００１１】さらに、映像的な手法を使うため、雨、
霧、雪などによって視界が悪くなる時は計測できなくな
る。このような気象状況が発生する荒天時こそ、送電線
の運動は激しくなり、計測を行う必要性があるにもかか
わらず、計測不能の状態に陥ってしまうという欠点があ
る。

【００１２】また、ランプは画像上である程度の面積を
持つため、複雑で細かな運動を検出するのには向いてい
ない。加えて、この方法では鉄塔にカメラを設置し、そ
こからランプを撮影するため、送電線の長手方向に垂直
な面内での２次元運動しか計測することができない。空
間的な３次元運動を計測するためには３つのカメラが直
交するように設置しなければならないが、実際にこれを
完全に満たすようなカメラ設置を行うことは不可能であ
る。

【００１３】２．慣性計測装置慣性計測装置は、航空機用には標準化されたものが存在
するが、送電線の運動は航空機の運動とは著しく異な
り、そのまま使用することはできない。その原理上、位
置の誤差は時間とともに増大する。外部速度参照入力を
持たない純慣性計測装置では、航空機用レベルのセンサ
で１．８km／hr程度の誤差が時間に対して２次的に蓄積
してゆく。航空機用としては、この程度の誤差は実用上
問題ないが、送電線の運動に適用した場合、送電線の運
動範囲は高々数ｍであるので、この誤差は非常に大き
く、航空機用の慣性計測方式をそのまま使うことはでき
ない。また、以下のような問題点もある。

【００１４】２−１ステーブルプラットフォーム方式この方式ではセンサ本体をいつも基準となる姿勢に維持
しなければならないため、３軸のジンバル制御を行う機
械機構が必要となり、寸法、重量、消費電力が大きく、
機械部分の定期的メンテナンスが必要となり、送電線の
運動計測にはあまり適しているとはいえない。

【００１５】２−２ストラップダウン方式この方式では、姿勢を保持する機械機構は不要なので寸
法・重量は小さくなる。しかし、角速度センサには被測
定体の運動と全く同じ回転１００％が加わるため、同一
角速度センサを使用したとしても、プラットフォーム方
式に比べて姿勢維持力が弱い。つまり、姿勢の誤差が蓄
積しやすく、結果として速度、位置の誤差蓄積につなが
る。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】したがって、これら従
来技術の欠点を克服する、次のような性能を持つ送電線
用の運動計測装置が必要となる。

【００１７】１．定期的なメンテナンスを必要としな
い。

【００１８】２．荒天時でも使用できる。

【００１９】３．複雑で細かい運動にも対応できる。

【００２０】４．空間的な３次元運動を計測できる。

【００２１】５．長時間連続測定をしても誤差が蓄積し
ない。

【００２２】６．送電線に装着できるように十分寸法、
重量、消費電力が小さい。

【００２３】本発明は、これらの課題を解決した新規な
送電線用運動計測装置の提供を目的とする。

【００２４】

【課題を解決するための手段】そこで本発明では、送電
線が変位する空間の直交基底軸にそれぞれ配置された単
独または複数の加速度センサと単独または複数の角速度
センサとを備え、前記センサで測定された加速度情報と
角速度情報を演算処理して送電線の振動的な変位を計測
する装置において、前記演算処理が、システム出力位置
と参照位置との偏差を、姿勢角の生成過程、速度の生成
過程または変位の生成過程の１つまたは複数の過程でそ
れぞれ角速度領域、加速度領域または速度領域に帰還
し、一定周波数より低い周波数の速度および変位の誤差
成分を補正する補正処理を含むことを特徴とする。

【００２５】加速度センサと角速度センサからは、純力
学的なセンサ信号が出力される。この出力を処理して送
電線の運動を計測するにあたり、送電線固有の運動特性
に着目し、システム出力位置と参照位置との偏差を加速
度領域、速度領域、および角速度領域に帰還することに
より、送電線の固有周波数よりも低い周波数成分の位置
誤差を軽減するようにしたものである。

【００２６】通常のストラップダウン方式慣性計測装置
では、角速度センサ出力から姿勢角を算出し、この姿勢
角を使用して加速度センサの出力を基準となる座標系の
値に変換し、積分して速度や位置を得ている。

【００２７】一方、送電線の運動では、速度領域および
位置領域には特有の運動状態が発生する。送電線は通常
何点かが鉄塔に固定され、近似的には振り子と見ること
ができる。ただ、単振り子ではなく、これらが幾つか組
み合わさった複雑な振り子の運動と考えられる。つま
り、速度、位置とも直流的な成分（方向が一定の運動）
が発生せず、交流的なもの（大きさ、方向が常時変化す
る運動）に限られているということである。これは送電
線に特徴的な運動特性である。

【００２８】このような送電線運動の特性を利用して、
あらかじめ与えられた参照位置と、システムの出力位置
との偏差を、加速度領域および速度領域に帰還し、さら
に角速度領域にも帰還することで、送電線の運動の周波
数よりも低い周波数の誤差を軽減するものである。

【００２９】まず、図２に、本発明の送電線運動計測装
置に使用される、誤差軽減のための演算処理の制御モデ
ルを示し、本発明における誤差軽減作用について説明す
る。このブロック図において、

【００３０】

【数２】

【００３１】を規定する。ただし、これらは全て時間関
数とし、以下、周波数領域における入出力特性を記述す
るためにラプラス変換したときは、ｐ_O→Ｐ_O、ε→Ｅ
のように大文字で表すこととする。

【００３２】図２の上半分の位置演算系２１に注目する
と、高い周波数に分布する位置誤差を含んだ参照位置
（あらかじめ与えられたものとする）とシステムの出力
位置との偏差に対し、帰還係数Ｋ₂を乗算したものを加
速度領域に帰還し、また、帰還係数Ｋ₃を乗算したもの
を速度領域に帰還している。

【００３３】周波数領域における位置の入出力特性を式
で記述すると次のようになる。

【００３４】Ｐ_O＝Ｐ_I ＋Ｅ_p-h・（Ｋ₃ｓ＋Ｋ₂）／（ｓ²＋Ｋ₃ｓ＋Ｋ₂）＋（Ｅ_a-l＋Ｅ_{a θ-l}）／（ｓ²＋Ｋ₃ｓ＋Ｋ₂）（１）（１）式右辺第２項の伝達関数をＧ₁（ｓ）＝（Ｋ₃ｓ＋Ｋ₂）／（ｓ²＋Ｋ₃ｓ＋Ｋ₂）（２）と見ると、これは１次進み要素と２次遅れ要素の合成で
ある。帰還係数をうまくとれば、近似的には１次遅れ要
素とほぼ同じような挙動をとるので、１次の低域通過フ
ィルタを通過させるのと同様なことになる。ここで、Ｅ
_p-hは送電線運動の周波数で変化する信号なので、帰還
係数Ｋ₂、Ｋ₃を適切な値に設定し、カットオフ周波数
が送電線運動の周波数よりも十分小さくなるように設定
すればこの第２項の誤差は除去される。

【００３５】次に、（１）式右辺第３項の伝達関数をＧ₂（ｓ）＝１／（ｓ²＋Ｋ₃ｓ＋Ｋ₂）（３）と見ると、これは２次遅れ要素である。

【００３６】さて、Ｅ_a-lは加速度センサの残留バイア
ス、Ｅ_{a θ-l}は姿勢角誤差が主な誤差要因である。加速
度センサの残留バイアスは時間領域ではステップ関数で
置き換えることができる。また、姿勢角誤差は短い時間
ではランプ関数、十分長い時間ではステップ関数と見る
ことができる。つまり伝達関数Ｇ₂（ｓ）のランプ応答
とインディシャル応答をみればよい。

【００３７】２次遅れ系では、漸近のしかたは１次遅れ
系とほぼ同じであるが、係数の選びかたによって、単一
的に漸近する場合と、振動を伴いながら漸近する場合
と、振動のみで漸近しない場合の３つがある。係数の選
びかたによって前２者のいずれかになるようにすると、
加速度のオフセットや姿勢角のオフセットがある場合、
位置のオフセットとして現れ、姿勢角がランプ的な動き
をする場合、位置の誤差もランプ的に変化することがわ
かる。

【００３８】この帰還処理がない場合、加速度や姿勢角
がオフセットを持つと時間に対して２次的に誤差が増大
してゆく。姿勢角がランプ的な誤差を発生する場合、誤
差自体が時間に対して１次的なので、位置の誤差は時間
に対して２次的な変化となる。

【００３９】しかし、このままでは短時間的な姿勢角の
ランプ的な誤差の変化の影響を受けてしまい、短時間内
では位置の誤差が発散するような状況に陥る。これを防
ぐためには、位置演算系２１の出力部分に高域通過フィ
ルタを挿入するか、あるいは位置の偏差に帰還係数を乗
じ、これを姿勢角演算系の角速度領域に帰還してやれば
よい。

【００４０】図２の下半分に示した姿勢角演算系２２に
注目すると、高い周波数に分布する姿勢角誤差を含んだ
参照姿勢角（あらかじめ与えられたものとする）とシス
テムの出力姿勢角との偏差に対し帰還係数Ｋ₁を乗算し
たものを角速度領域に帰還している。いま、姿勢角の誤
差によって発生する加速度誤差は、近似的には重力加速
度を乗じたものに等しく、以下の式で表わされる。

【００４１】Ｅ_{a θ-l}＝ｇ（θ_O−θ_I）（ｇ：重力加速度）（４）一方、Ｋ₄：帰還係数（位置から角速度への帰還）とすると、位置の入出力特性を表す式は次のように書き
換えられる。

【００４２】ＰＯ＝Ｐ_I ＋Ｅ_p-h・（Ｋ₃ｓ＋Ｋ₂＋Ｋ₄ｇ）／（ｓ²＋Ｋ₃ｓ＋Ｋ₂＋Ｋ₄ｇ）＋Ｅ_a-l／（ｓ²＋Ｋ₃ｓ＋Ｋ₂＋Ｋ₄ｇ）＋Ｅ_θ-h・（Ｋ₁ｇ）／（ｓ²＋Ｋ₃ｓ＋Ｋ₂＋Ｋ₄ｇ）＋Ｅ_Ω-l・ｇ／（ｓ²＋Ｋ₃ｓ＋Ｋ₂＋Ｋ₄ｇ）（５）ここで、Ｅ_p-h、Ｅ_θ-h（高い周波数に分布する位置誤
差及び姿勢角誤差）については（２）式の考え方と同じ
ようにして誤差が除去される。また、Ｅ_a-l、Ｅ
_Ω-l（低い周波数に分布する加速度誤差及び角速度誤
差）については、どちらも時間領域ではステップ関数と
みることができ、それぞれの項のインディシャル応答を
考えると、一定の値に近づき、定常状態に到達した後
は、誤差の蓄積はない。

【００４３】

【発明の実施の形態】図４に本発明の実施例を示す。角
速度センサとしては、起動特性が良好で振動に強く、小
型軽量が実現できる光ファイバジャイロ１を使用し、加
速度センサとしては、クロストークが少なく、分解能の
良好なサーボ型加速度センサ２を使用する。これらは送
電線上に設置される。送電線の長手方向（前後）、左右
および上下それぞれの変位を計測するため、光ファイバ
ジャイロ１とサーボ型加速度計は３軸ずつ使用する。い
ずれのセンサも出力信号はアナログであるので、Ａ／Ｄ
変換手前に低域通過フィルタ３−１，３−２を、アンチ
エリアジングフィルタとして挿入する。データの取り込
み及び演算処理はＡ／Ｄコンバータ５を内蔵したパーソ
ナルコンピュータ４を使用する。

【００４４】光ファイバジャイロ１でセンシングされた
角速度情報と、サーボ型加速度センサ２でセンシングさ
れた加速度情報は、それぞれ低域通過フィルタ３−１，
３−２を経てアナログ信号としてＡ／Ｄコンバータ５に
入り、そこでデジタル信号に変換されてパーソナルコン
ピュータ４の演算処理部６に取り込まれる。ここで、図
２および（５）式に示した演算手順にしたがって慣性計
測の演算処理を行い、１０ｍｓ毎に位置データを出力す
る。この演算処理は前後、左右および上下の計３軸それ
ぞれについて行われる。

【００４５】仮設送電線に試作した計測装置を設置し、
実験を行った。このとき得られた送電線の３次元的な位
置変位出力を図３から図５に示す。これらは、左右に振
幅幅約４ｍｐ−ｐ、前後に約２ｍｐ−ｐの揺れを与えた
ときの運動軌跡を示したものである。なお、送電線の長
手方向を前後とし、前に向いた時の左右および上下を規
定した。

【００４６】図３に上下左右面、図４に前後左右面、図
５に上下前後面のリサージュ出力をそれぞれ示す。電線
の運動が３次元的に検出できていることがわかる。ま
た、時間経過による誤差蓄積も見られない。

【００４７】本発明の計測装置を送電線の監視システム
に組込むことにより、従来事故発生を監視していたシス
テムにある程度の事故予測機能を持たせることができ
る。すなわち、送電線揺れによるの相関短絡などの発生
時には、電線の運動が激しくなっているはずである。こ
れをリアルタイムにモニターすれば、送電線揺れの観測
によって事故の発生しそうな箇所をある程度推定できる
ことになる。

【００４８】また、本発明の計測装置は３次元的な速
度、位置の変化と同時に、捻回角度なども測定できるの
で、送電線の運動解析に使用することもできる。

【００４９】さらに、鉄塔部分に設けられたジャンパ線
と呼ばれる、本線同士を接続する送電線に対し、ジャン
パー線制御機構と本発明の計測装置とを組み合わせるこ
とにより、ジャンパ線と鉄塔との間の地絡事故を防止す
る制御システムを構成することができる。

【００５０】なお、本発明の変形例として、人工衛星か
らの電波を利用して位置を決定するＧＰＳを追加したシ
ステムが挙げられる。この場合、参照位置の情報とし
て、ＧＰＳの出力する位置をそのまま使用すれば、地図
などであらかじめ設置場所の位置を調べる必要がなくな
る。

【００５１】このほか、本発明の鉄塔本体や橋など、風
や走行車両の影響を受けて複雑な運動をする構造物、自
動車、船舶、列車などの移動体の運動計測にも応用でき
る。

【００５２】

【発明の効果】従来天候の影響を受けていた、映像的な
送電線の運動計測法とは異なり、本発明では純力学的に
運動を検出するため、天候、視界の見通しなどに関係な
くいつでも計測が可能である。ランプなどの消耗部品を
用いないため、定期的メンテナンスが不要で長寿命であ
り、また、鉄塔にカメラなどを設ける必要がないため、
設置が簡略化できる。さらに、１つの面内だけでの運動
しか計測できなかった従来法とは異なり、１つの装置で
３次元の運動計測が可能であり、空間的な３つの面での
運動をすべてリアルタイムで計測することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す構成ブロック図であ
る。

【図２】本発明の本発明の送電線運動計測装置に使用さ
れる、誤差軽減のための演算処理の制御モデルを示すブ
ロック図である。

【図３】本発明による模擬送電線での上下左右面の運動
軌跡出力を示すグラフである。

【図４】本発明による模擬送電線での前後左右面の運動
軌跡出力を示すグラフである。

【図５】本発明による模擬送電線での上下前後面の運動
軌跡出力を示すグラフである。

【図６】従来の標的ランプ法による送電線運動計測法を
示す説明図である。

【図７】従来の慣性計測装置の原理を示すブロック図で
ある。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】送電線が変位する空間の直交基底軸にそれ
ぞれ配置された単独または複数の加速度センサと単独ま
たは複数の角速度センサとを備え、前記センサで測定さ
れた加速度情報と角速度情報を演算処理して送電線の振
動的な変位を計測する装置において、前記演算処理が、
システム出力位置と参照位置との偏差を、姿勢角の生成
過程、速度の生成過程または変位の生成過程の１つまた
は複数の過程でそれぞれ角速度領域、加速度領域または
速度領域に帰還し、一定周波数より低い周波数の速度ま
たは変位の誤差成分を補正する補正処理を含むことを特
徴とする送電線用運動計測装置。
【請求項２】３軸の加速度センサと３軸の角速度センサ
により測定された加速度情報と角速度情報を演算処理し
て送電線の３次元の振動的な変位を計測することを特徴
とする請求項１記載の送電線用運動計測装置。