CN102564570A - 一种电线塔振幅监测方法及*** - Google Patents

一种电线塔振幅监测方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开一种电线塔振幅监测方法及***，该方法为：S1.在预设时间间隔内分别通过加速计传感器采集相对于电线塔的加速度信号和通过陀螺仪采集相对于地面的角速度信号；S2.根据所述角速度信号基于DSP实时计算捷联矩阵，并根据所述捷联矩阵提取电线塔的姿态角，以将相对于电线塔的加速度信号转换为相对于地面的加速度信号；S3.通过对相对于地面的加速度信号进行二次积分生成电线塔的振幅；S4.通过无线网络和/或USB接口将电线塔的振幅发送至数据分析中心，以实时监测电线塔的振幅。该技术方案精度高且智能化。

Description

一种电线塔振幅监测方法及***
技术领域
本发明涉及电线塔监测领域，尤其涉及一种电线塔振幅监测方法及***。
背景技术
随着我国电网的不断扩大，电线必不可少的需要从一些偏僻的山区拉线，一般情况下，由于山区的风、雪，雨等自然条件易使对支撑电线的电线杆发生强烈震动、倾斜、倒地等现象，再加上偏远地区，电力工作人员对电线杆的查询也比较困难，目前市面上的振幅监测仪的精度比较低，且不够智能化，因此，迫切需要一种监测精度高且智能化的电线塔振幅监测仪。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术监测精度低且不够智能的缺陷，提供一种监测精度高且智能化的电线塔振幅监测方法及***。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种电线塔振幅监测方法，所述方法包括以下步骤：
S1.在预设时间间隔内分别通过加速计传感器采集相对于电线塔的加速度信号和通过陀螺仪采集相对于地面的角速度信号；
S2.根据所述角速度信号基于DSP实时计算捷联矩阵，并根据所述捷联矩阵提取电线塔的姿态角，以将相对于电线塔的加速度信号转换为相对于地面的加速度信号；
S3.通过对相对于地面的加速度信号进行二次积分生成电线塔的振幅；
S4.通过无线网络和/或USB接口将电线塔的振幅发送至数据分析中心，以实时监测电线塔的振幅。
在本发明所述的方法中，所述步骤S2中计算捷联矩阵的算法为四元素法。
在本发明所述的方法中，所述步骤S2还包括以下步骤：
根据Kalman滤波校正四元素，以计算出四元素初始值及其估计误差值。
在本发明所述的方法中，所述步骤S3中的二次积分具体为沿电线塔轿箱的Z轴方向采用梯形积分法以及沿电线塔轿箱的X轴方向和Y轴方向分别采用频域三角级数积分法。
在本发明所述的方法中，所述步骤S3还包括以下步骤：
将所述电线塔的振幅存储至EEPROM和/或外部RAM。
本发明还构造一种电线塔振幅监测***，所述***包括依次连接的采集模块、转换模块、生成模块以及发送模块，其中， 
采集模块，用于在预设时间间隔内分别通过加速计传感器采集相对于电线塔的加速度信号和通过陀螺仪采集相对于地面的角速度信号；
转换模块，用于根据所述角速度信号基于DSP实时计算捷联矩阵，并根据所述捷联矩阵提取电线塔的姿态角，以将相对于电线塔的加速度信号转换为相对于地面的加速度信号；
生成模块，用于通过对相对于地面的加速度信号进行二次积分生成电线塔的振幅；
发送模块，用于通过无线网络和/或USB接口将电线塔的振幅发送至数据分析中心，以实时监测电线塔的振幅。
在本发明所述的***中， 所述转换模块中计算捷联矩阵的算法为四元素法。
在本发明所述的***中，所述转换模块与所述生成模块之间还设有校正模块，其中， 
校正模块，用于根据Kalman滤波校正四元素，以计算出四元素初始值及其估计误差值。
在本发明所述的***中，所述生成模块中的二次积分具体为沿电线塔轿箱的Z轴方向采用梯形积分法以及沿电线塔轿箱的X轴方向和Y轴方向分别采用频域三角级数积分法。
在本发明所述的***中，所述***还包括与所述生成模块连接的存储模块，其中， 
存储模块，用于将所述电线塔的振幅存储至EEPROM和/或外部RAM。
实施本发明的技术方案，具有以下有益效果：通过DSP对捷联矩阵进行实时计算，并根据二次积分生成的电线塔的振幅，以将其通过无线网络和/或USB接口发送至数据分析中心，该技术方案可***电线塔的安全状态，并减少了电力工作者的工作量以及避免了危险，精度高且智能化。 
另外，通过四元素法计算捷联矩阵，并根据Kalman滤波校正四元素，进一步提高了监测精度。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明电线塔振幅监测方法的流程图；
图2是本发明电线塔振幅监测***的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
应当说明的是，在本实施例中，电线塔进行数据采集时采用的硬件设备是美信公司的芯片MAX1316，该芯片为14位的同步数据采集芯片，共有8个通道，150K 的数据采集频率。电线塔实现的传输机制包括无线网络和USB接口两种，其中，无线网络的采用的硬件设备包括MC52I模块、SIM卡以及天线等等，主要用于实现无线数据传输；USB接口主要由芯片CY7C68013、EEPROM等组成，主要实现DSP与数据分析中心的计算机之间的数据传输。另外，加速度传感器采用的是美国PCB PIEZOTRONICS公司生产的型号为3703G2FD3G震动加速度传器；陀螺仪采用串口RS-232输出数据，该数据的波特率为19200，采用16进制输出，每帧16字节，并且数据输出时有100Hz和40Hz两种刷新频率，可通过发送字符“F”来切换，本领域的技术人员应当了解，这里不再赘述。
请参照图1，图1是本发明电线塔振幅监测方法的流程图，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
在步骤A中，在预设时间间隔内利用惯性导航原理分别通过加速计传感器采集相对于电线塔的加速度信号和通过陀螺仪采集相对于地面的角速度信号。应当说明的是，惯性导航原理为将惯性元件，即本实施例中的陀螺仪和加速度计直接固定在被测载体上，陀螺仪和加速度计分别测量载体相对惯性空间的三个转动角速度和三个线加速度沿运载体坐标系的分量，经过坐标变换，把加速度信息转化为沿导航坐标系的加速度，本领域的技术人员应当了解，这里不再赘述。
在步骤B中，根据所述角速度信号通过DSP实时计算捷联矩阵，并根据所述捷联矩阵提取电线塔的姿态角，以将相对于电线塔的加速度信号转换为相对于地面的加速度信号。
优选地，所述步骤B中计算捷联矩阵的算法为四元素法。值得一提的是，在其他的实施例中，可根据用户的需求采用其他的算法计算捷联矩阵，本实施例采用四元数法计算捷联矩阵，其具有计算量小、精度高、可避免奇异性、无歪斜误差、可全姿态工作等优点。
应当说明的是，结合步骤A和步骤B具体说明如何计算捷联矩阵和电线塔的姿态角。首先，利用捷联惯性导航原理将加速度信号的惯性坐标系转换为电线塔坐标系，假定惯性坐标系为                                               
Figure 2012100137382100002DEST_PATH_IMAGE002
，电线塔坐标系
Figure 2012100137382100002DEST_PATH_IMAGE004
，其中，惯性坐标系选取东北天坐标系，
Figure 2012100137382100002DEST_PATH_IMAGE006
指东，
Figure 2012100137382100002DEST_PATH_IMAGE008
指北，
Figure 2012100137382100002DEST_PATH_IMAGE010
指天，原点为轿箱的质量中心，电线塔坐标系
Figure 522972DEST_PATH_IMAGE004
的
Figure 2012100137382100002DEST_PATH_IMAGE014
沿电线塔横轴指向右，
Figure 2012100137382100002DEST_PATH_IMAGE016
沿电线塔纵轴指向前，
Figure 2012100137382100002DEST_PATH_IMAGE018
轴垂直于
Figure 413961DEST_PATH_IMAGE004
平面，并沿电线塔的竖轴向上，
Figure 730541DEST_PATH_IMAGE004
坐标系构成右手直角坐标系。本实施例中的、
Figure 94671DEST_PATH_IMAGE016
以及
Figure 361704DEST_PATH_IMAGE018
分别为权利要求书中所提到的沿电线塔轿箱的X轴、Y轴以及Z轴，在以下的说明中，直接使用沿电线塔轿箱的X轴、Y轴以及Z轴表述，在此不再赘述。电线塔坐标系相对于地面坐标系所确定的状态可以用姿态角来表示，电线塔姿态角是电线塔首向角
Figure 2012100137382100002DEST_PATH_IMAGE020
、纵摇角
Figure 2012100137382100002DEST_PATH_IMAGE022
以及横摇角
Figure 2012100137382100002DEST_PATH_IMAGE024
的统称。
利用捷联惯性导航原理得出惯性坐标系与电线塔坐标系的关系为：
Figure 2012100137382100002DEST_PATH_IMAGE026
                            （1）
其中，
Figure 2012100137382100002DEST_PATH_IMAGE028
（2）
根据（2）式可以单值地计算
Figure 219326DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 514304DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 632301DEST_PATH_IMAGE024
的大小：
                                     （3）    
并根据
Figure 871784DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 234895DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 679651DEST_PATH_IMAGE024
的定义域分别分析
Figure 735594DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 977220DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 376977DEST_PATH_IMAGE024
的真值，该真值表示为：
Figure 2012100137382100002DEST_PATH_IMAGE032
      
Figure 2012100137382100002DEST_PATH_IMAGE034
       
Figure 2012100137382100002DEST_PATH_IMAGE036
                    
Figure 2012100137382100002DEST_PATH_IMAGE038
                                           （4）
其次，在本实施例中，电线塔坐标系相对惯性坐标系的转动可以用转动四元数法来表示，即:
                                  (5)
其中，（3）式中四元数的基
Figure DEST_PATH_IMAGE044
、
Figure DEST_PATH_IMAGE046
、
Figure DEST_PATH_IMAGE048
与电线塔坐标系的基、
Figure DEST_PATH_IMAGE052
、
Figure DEST_PATH_IMAGE054
相一致。四元数的微分方程为:
                                          (6)
式中:，为电线塔坐标系相对于惯性坐标系的角速度矢量的四元数表达形式。将上式写成矩阵的形式:
Figure DEST_PATH_IMAGE060
                     （7）
当采用四元数
Figure DEST_PATH_IMAGE062
来表示转动时，若起始时刻四元数
Figure DEST_PATH_IMAGE064
取为单位四元数，则根据转动的四元数变换定理可知，
Figure 665788DEST_PATH_IMAGE062
应恒为单位四元数，即应满足下面的约束方程:
          
Figure DEST_PATH_IMAGE066
                             (8)
但由于计算误差的存在，破坏了上面的约束条件，从而使得归一化条件不再存在，因此必须对
Figure 922326DEST_PATH_IMAGE062
进行归一化。采用下式实现四元数的最佳归一化:
Figure DEST_PATH_IMAGE068
                               (9)
捷联矩阵和四元数的关系为:
   
Figure DEST_PATH_IMAGE070
            (10)
最后，对（6）式四元数的微分方程实时求解，便可以得到
Figure DEST_PATH_IMAGE072
、
Figure DEST_PATH_IMAGE074
、
Figure DEST_PATH_IMAGE076
、的值，代入（10）式便可以得到捷联矩阵,再根据
Figure 887133DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 615484DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 238095DEST_PATH_IMAGE024
与
Figure DEST_PATH_IMAGE080
、
Figure DEST_PATH_IMAGE082
、
Figure DEST_PATH_IMAGE084
的关系便可以得到电线塔的姿态角
Figure 432578DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 9315DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 891820DEST_PATH_IMAGE024
。
在步骤C中，根据Kalman滤波校正四元素，以计算出四元素初始值及其估计误差值。应当说明的是，对相对于地面的加速度信号进行相关的变换和最小迭代法，得到四元素初始值及其估计误差值，使惯性导航定位更加精确，在此不再赘述。
在步骤D中，通过对相对于地面的加速度信号进行二次积分生成电线塔的振幅。
在本实施例中，步骤D中的二次积分具体为沿电线塔轿箱的Z轴方向采用梯形积分法以及沿电线塔轿箱的X轴方向和Y轴方向分别采用频域三角级数积分法。为什么沿电线塔轿箱的Z轴方向采用梯形积分法，而沿电线塔轿箱的X轴方向和Y轴方向分别采用频域三角级数积分法呢？因为，在实际应用中，电线塔一般受到外力作用而发生运动，在这个过程中，轿箱将沿垂直Z方向作上升和下降运动，同时在X轴和Y轴方向小幅值的随机振动，这种运动由于是在一个平衡点来回运动，可由傅立叶变换分解为许多不同频率范围的正弦信号，所以在本实施例中采用频域三角级数积分法，得到电线塔距离地面的位置，这样可以避免趋势项造成的误差。而Z轴方向是直线运动不能分解为三角级数，所以并不适用采用频域三角级数积分法，在本实施例中采用梯形积分法，得到电线塔偏离原来位置的振幅。
另外，值得一提的是，在积分的过程中，容易放大误差，所以，一般在积分前先对该加速度信号进行处理减小误差，例如去除直流分量等等，本领域的技术人员应当了解，这里不再赘述。
在步骤E中，将该电线塔的振幅存储至EEPROM和/或外部RAM，以备份该电线塔的振幅。
在步骤F中，通过无线网络和/或USB接口将电线塔的振幅发送至数据分析中心，以实时监测电线塔的振幅。
请参照图2，图2是本发明电线塔振幅监测***的结构示意图，如图2所示，所述***包括依次连接的采集模块1、转换模块2、校正模块3、生成模块4、存储模块5以及与所述生成模块4连接的发送模块6，下面具体介绍各个部分的作用：
采集模块1，用于在预设时间间隔内利用惯性导航原理分别通过加速计传感器采集相对于电线塔的加速度信号和通过陀螺仪采集相对于地面的角速度信号。
转换模块2，用于根据所述角速度信号通过DSP实时计算捷联矩阵，并根据所述捷联矩阵提取电线塔的姿态角，以将相对于电线塔的加速度信号转换为相对于地面的加速度信号。
优选地，所述转换模块2中计算捷联矩阵的算法为四元素法。
校正模块3，用于根据Kalman滤波校正四元素，以计算出四元素初始值及其估计误差值。
生成模块4，用于通过对相对于地面的加速度信号进行二次积分生成电线塔的振幅。
存储模块5，用于将所述电线塔的振幅存储至EEPROM和/或外部RAM。
发送模块6，用于通过无线网络和/或USB接口将电线塔的振幅发送至数据分析中心，以实时监测电线塔的振幅。
相较于现有技术，通过DSP对捷联矩阵进行实时计算，并根据二次积分生成的电线塔的振幅，以将其通过无线网络和/或USB接口发送至数据分析中心，该技术方案可***电线塔的安全状态，并减少了电力工作者的工作量以及避免了危险，精度高且智能化。 
另外，通过四元素法计算捷联矩阵，并根据Kalman滤波校正四元素，进一步提高了监测精度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种电线塔振幅监测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1.在预设时间间隔内分别通过加速计传感器采集相对于电线塔的加速度信号和通过陀螺仪采集相对于地面的角速度信号；
S2.根据所述角速度信号基于DSP实时计算捷联矩阵，并根据所述捷联矩阵提取电线塔的姿态角，以将相对于电线塔的加速度信号转换为相对于地面的加速度信号；
S3.通过对相对于地面的加速度信号进行二次积分生成电线塔的振幅；
S4.通过无线网络和/或USB接口将电线塔的振幅发送至数据分析中心，以实时监测电线塔的振幅。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于， 所述步骤S2中计算捷联矩阵的算法为四元素法。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S2还包括以下步骤：
根据Kalman滤波校正四元素，以计算出四元素初始值及其估计误差值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中的二次积分具体为沿电线塔轿箱的Z轴方向采用梯形积分法以及沿电线塔轿箱的X轴方向和Y轴方向分别采用频域三角级数积分法。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S3还包括以下步骤：
将所述电线塔的振幅存储至EEPROM和/或外部RAM。
6.一种电线塔振幅监测***，其特征在于，所述***包括依次连接的采集模块、转换模块、生成模块以及发送模块，其中， 
采集模块，用于在预设时间间隔内分别通过加速计传感器采集相对于电线塔的加速度信号和通过陀螺仪采集相对于地面的角速度信号；
转换模块，用于根据所述角速度信号基于DSP实时计算捷联矩阵，并根据所述捷联矩阵提取电线塔的姿态角，以将相对于电线塔的加速度信号转换为相对于地面的加速度信号；
生成模块，用于通过对相对于地面的加速度信号进行二次积分生成电线塔的振幅；
发送模块，用于通过无线网络和/或USB接口将电线塔的振幅发送至数据分析中心，以实时监测电线塔的振幅。
7.根据权利要求6所述的***，其特征在于， 所述转换模块中计算捷联矩阵的算法为四元素法。
8.根据权利要求7所述的***，其特征在于，所述转换模块与所述生成模块之间还设有校正模块，其中， 
校正模块，用于根据Kalman滤波校正四元素，以计算出四元素初始值及其估计误差值。
9.根据权利要求8所述的***，其特征在于，所述生成模块中的二次积分具体为沿电线塔轿箱的Z轴方向采用梯形积分法以及沿电线塔轿箱的X轴方向和Y轴方向分别采用频域三角级数积分法。
10.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述***还包括与所述生成模块连接的存储模块，其中， 
存储模块，用于将所述电线塔的振幅存储至EEPROM和/或外部RAM。
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