CN103471519A - 一种应用无棱镜光电全站仪测量输变电塔架变形的方法 - Google Patents

一种应用无棱镜光电全站仪测量输变电塔架变形的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用无棱镜光电全站仪测量输变电塔架变形的方法，以输电塔架为中心建立分析坐标系，以光电全站仪为中心建立测量坐标系，计算测量坐标系到分析坐标系的旋转变换矩阵和平移变换矩阵，在测量坐标系中测量各点坐标值，然后将各点坐标值转换到分析坐标系中，对测量线型进行对比分析获取变形的方向与量值。由于分析坐标系和测量坐标系是两个独立的坐标系，在测量过程中无需设置固定点，无需转换测量坐标系，因此本发明的方法消除了转换测量站点中固定点测量误差，提高了测量精度和效率。

Description

一种应用无棱镜光电全站仪测量输变电塔架变形的方法
技术领域
本发明涉及一种结构测量方法,特别是一种应用无棱镜光电全站仪测量输变电塔架变形的方法。 
背景技术
随着高压输电网电压等级的不断升级，对输变电塔架高度和承载能力的要求也逐步提高。而这些输变电塔架在冰雪、大风等自然环境中，其变形直接影响到设备的可靠性和安全性。输变电塔架通常是由单角钢用螺栓偏心连接构成的空间结构，具有尺寸大、变形大、测点多和三维变形等特点，应用全站仪对其进行精确变形测量是一个技术难题。
在使用全站仪进行测量过程中，由于激光束发射具有直线性的特点，对一些隐蔽性较强或被遮挡的目标点，必须通过转换全站仪测量站点（简称换站）、对目标点直接测量的方法，再将不同方位（不同站点）下测量的目标点统一转换到同一个坐标系中，进而确定所有目标点之间的相互位置关系。换站测量的误差主要来源于三个方面：测距误差、测角误差和固定点误差，其中测距误差和测角误差均与仪器瞄准精度相关，而固定点误差是在坐标变换时，主要有固定点参与计算，确定坐标系换站前后改变的距离和角度，一旦固定点位置在两次测量时发生变化，均会给换算引入误差。
无棱镜测量技术基于相位法原理，发出的激光束极为窄小，可以非常精确地打到目标上，确保高精度的距离测量。与有棱镜测量相比较，其优点是只要测点的反射介质符合无棱镜测量的条件，就不需要在测点上放置棱镜，即可测量出该点的三维坐标。此项技术在全世界范围内得到了广泛的应用，它具有良好的技术规范：高精度、大范围、具有可见的红色激光斑以及很小的光束直径。 
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种应用无棱镜光电全站仪测量输变电塔架变形的方法，通过建立两个独立坐标系，避免测量中设置固定点和换站造成的误差，提高测量精度和效率。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种应用无棱镜光电全站仪测量输变电塔架变形的方法，该方法为：
1）建立塔架分析坐标系：选取塔架可视范围内最底部水平角钢，设所述最底部水平角钢两个端点分别为A、B点，以塔架基础平面中心为塔架分析坐标系的原点，塔架分析坐标系X轴方向为从A点指向B点，Y轴方向为竖直向上，Z轴方向由空间向量的右手定则确定；
2）建立全站仪测量坐标系：在可视上述A、B点的范围内架设全站仪，以所述全站仪中心点为全站仪测量坐标系的坐标原点，以从原点指向A点或B点所在方向为全站仪测量坐标系X轴方向，且全站仪测量坐标系X轴与上述塔架分析坐标系X轴或X轴延长线的夹角                                               小于90??，以竖直向上方向为全站仪测量坐标系Y轴方向，全站仪测量坐标系Z轴方向由空间向量的右手定则确定，且使所述全站仪测量坐标系X-Z平面与上述塔架分析坐标系的X-Z平面平行；
3）计算全站仪测量坐标系到塔架分析坐标系转换矩阵：在全站仪测量坐标系中测量A、B的坐标值分别为
Figure 2013104492871100002DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 2013104492871100002DEST_PATH_IMAGE006
，计算塔架分析坐标系与全站仪测量坐标系的X轴夹角
Figure 577095DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 2013104492871100002DEST_PATH_IMAGE008
，得到旋转变换矩阵；在塔架分析坐标系中计算A点的坐标值
Figure 2013104492871100002DEST_PATH_IMAGE010
,得到平移变换矩阵；
4）测量输电塔架梁或输电塔架柱变形：选取输电塔架梁或输电塔架柱上5个以上分布均匀的测点，在全站仪测量坐标系中测量各测点的三维坐标值，将各测点的三维坐标值乘以旋转变换矩阵，然后分别与平移变换矩阵相加，则得到各测点在塔架分析坐标系中的坐标值，将所得坐标值对应的坐标点的线型与输变电塔架的初始线型比较即得到输电塔架梁或输电塔架柱变形方向及变形量值。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明提出了一种应用光电全站仪测量输电塔架变形方法，建立了两个独立的坐标系——分析坐标系和测量坐标系，分析坐标系以输电塔架自身构造设置，测量坐标系结合全站仪架设设置，计算测量坐标系到分析坐标系的旋转和平移转换矩阵，在测量坐标系中完成相应的测量，然后将所有坐标转换到分析坐标系进行分析，通过线型比较获取变形的方向和量值；本发明的方法解决了测量中设置固定点和转换测量坐标点等问题，确保每次测量数据独立性，消除了转换测量站点中固定点的测量误差，提高了测量精度和效率。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为本发明一实施例为输电塔架分析坐标系示意图；
图3为本发明一实施例分析坐标系与测量坐标系设置关系图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的方法包括以下步骤：
第1步，建立塔架分析坐标系。
选取塔架可视范围内最底部水平角钢，如图2所示，设置角钢两个端点分别为A、B点。塔架坐标系的原点设置塔架脚部（基础）平面中心，X轴方向为A点指向B点，Y轴方向为竖直向上，Z轴方向由空间向量的右手定则确定。
第2步，建立全站仪测量坐标系。
在可视A、B点范围内任意架设全站仪，坐标原点为全站仪中心点，X轴为原点指向A（或B）点所在方向，与分析坐标系中X轴方向的夹角小于90??，Y轴方向竖直向上，Z轴方向由空间向量的右手定则确定，全站仪测量坐标系X-Z平面与分析坐标系的X-Z平面平行,分析坐标与测量坐标的设置如图3所示。
第3步，计算测量坐标系到分析坐标系转换矩阵。
在测量坐标系中测量A、B的坐标值分别为和
Figure 876675DEST_PATH_IMAGE006
，计算分析坐标系与测量坐标系的X轴夹角
Figure 691047DEST_PATH_IMAGE002
，，则旋转变换矩阵为
Figure 2013104492871100002DEST_PATH_IMAGE012
；在分析坐标系中计算A点的坐标值
Figure 406642DEST_PATH_IMAGE010
,则平移变换矩阵为
Figure 2013104492871100002DEST_PATH_IMAGE014
。
第4步，输电塔架梁（柱）变形测量分析。
选取输电塔架梁（柱）上5个以上分布均匀的测点，在测量坐标系中测量各点的三维坐标值，以旋转变换矩阵乘以坐标值再加上平移变换矩阵，则得到测点在分析坐标系中的坐标值，将所得坐标点的线型与输变电塔架的初始线型比较即可得到梁（柱）变形方向及量值。
在通过无棱镜光电全站仪对输变电塔架进行变形观测时，由于观测点与观测对象之间存在障碍物，影响了塔架最下部的水平角钢的观测。本发明用全站仪观测，本发明中的可视范围是指全站仪可以观测到塔架最下部水平角钢的范围。
为了更高精度地获取塔架的变形曲线，本发明选取5个以上测点，同时保证测量精度和测量效率。 

Claims (3)

1.一种应用无棱镜光电全站仪测量输变电塔架变形的方法，其特征在于，该方法为：
1）建立塔架分析坐标系：选取塔架可视范围内最底部水平角钢，设所述最底部水平角钢两个端点分别为A、B点，以塔架基础平面中心为塔架分析坐标系的原点，塔架分析坐标系X轴方向为从A点指向B点，Y轴方向为竖直向上，Z轴方向由空间向量的右手定则确定；
2）建立全站仪测量坐标系：在可视上述A、B点的范围内架设全站仪，以所述全站仪中心点为全站仪测量坐标系的坐标原点，以从原点指向A点或B点所在方向为全站仪测量坐标系X轴方向，且全站仪测量坐标系X轴与上述塔架分析坐标系X轴或X轴延长线的夹角                                               小于90??，以竖直向上方向为全站仪测量坐标系Y轴方向，全站仪测量坐标系Z轴方向由空间向量的右手定则确定，且使所述全站仪测量坐标系X-Z平面与上述塔架分析坐标系的X-Z平面平行；
3）计算全站仪测量坐标系到塔架分析坐标系转换矩阵：在全站仪测量坐标系中测量A、B的坐标值分别为
Figure 2013104492871100001DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 2013104492871100001DEST_PATH_IMAGE006
，计算塔架分析坐标系与全站仪测量坐标系的X轴夹角
Figure 952923DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 2013104492871100001DEST_PATH_IMAGE008
，得到旋转变换矩阵；在塔架分析坐标系中计算A点的坐标值
Figure 2013104492871100001DEST_PATH_IMAGE010
,得到平移变换矩阵；
4）测量输电塔架梁或输电塔架柱变形：选取输电塔架梁或输电塔架柱上5个以上分布均匀的测点，在全站仪测量坐标系中测量各测点的三维坐标值，将各测点的三维坐标值乘以旋转变换矩阵，然后分别与平移变换矩阵相加，则得到各测点在塔架分析坐标系中的坐标值，将所得坐标值对应的坐标点的线型与输变电塔架的初始线型比较即得到输电塔架梁或输电塔架柱变形方向及变形量值。
2.根据权利要求1所述的应用无棱镜光电全站仪测量输变电塔架变形的方法，其特征在于，所述步骤3）中，旋转变换矩阵为。
3.根据权利要求1所述的应用无棱镜光电全站仪测量输变电塔架变形的方法，其特征在于，所述步骤3）中，平移变换矩阵为
Figure 2013104492871100001DEST_PATH_IMAGE014
。
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