CN103499341A - 一种电杆倾斜测量仪及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电杆倾斜测量仪及其使用方法，属于测量倾斜度的工具和方法。电杆倾斜测量仪包括中央处理器、人机交互界面、图像采集装置、加速度传感器、电子罗盘。使用方法包括数据采集和数据处理两个阶段，通过数据处理即可得到目标电杆相当于地面的倾斜角和倾斜方向。本发明提供的电杆倾斜测量仪体积小巧，携带方便，成本低廉，用于该测量仪的测量方法能够对电杆倾斜度进行定量测量，为运维人员提供数据参考，以确定此电杆是否需要进行维修；运维人员还可以根据电杆倾斜度和倾斜方向、经纬度坐标等信息，对电杆进行相应的纠正、消缺。

Description

一种电杆倾斜测量仪及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种测量倾斜度的工具和方法。 

背景技术

电杆在野外受到雨水浸泡、 

地陷、以及不同方向的风力、拉力等外力的影响，日久变产生不同程度的倾斜。倾斜的电杆会对人们的生命财产造成一定程度的威胁，需要测量出倾斜度，并给出维修方案，避免其对人们正常生活的不利影响。而目前常用的测电杆倾斜度的方法有两种：一种是目测，依据经验判断电杆倾斜度，这种方法不科学，且测量结果不够准确。另一种是采用建筑业用的铅垂仪，但由于测量电杆需大范围巡视移动，而农网覆盖区域大多路途不平或无路可走，采用铅垂仪设备不光成本高，且设备十分笨重，不适合野外测量电杆使用。因此迫切需要一种测量准确、携带方便、成本低的测量电杆倾斜度的设备。 

发明内容

本发明提供了一种体积小巧、携带方便的电杆倾斜测量仪；本发明还提供了使用适用于电杆倾斜测量仪的测量方法，能够对电杆的倾斜度进行定量测量，且测量操作简便易行，准确度高。 

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种电杆倾斜测量仪，包括组装在便携式外壳内的中央处理器、人机交互界面、图像采集装置、加速度传感器、电子罗盘，所述人机交互界面与中央处理器之间双向通信，人机交互界面与图像采集装置之间单向通信，图像采集装置、加速度传感器、电子罗盘与中央处理器之间单向通信。 

所述人机交互界面为液晶触摸屏。 

所述图像采集装置为微型照相机。 

一种电杆倾斜测量仪的使用方法，包括如下步骤： 

第一阶段，数据采集：选取拍摄角度1，采用图像采集装置对要测量倾斜度的目标电杆进行图像采集，采集的图像存储到中央处理器，同时实时显示在人机交互界面上； 

在图像采集的同时，加速度传感器获得图像采集装置所在的第一预平面相对于地面的第一倾斜方向和第一倾斜角度，同时也获得图像采集装置的中轴线在第一预平面上与地面的夹角α1，电子罗盘获得图像采集装置所面对的第一方位的数据，加速度传感器和电子罗盘将这些数据发送到中央处理器进行存储并显示在人机交互界面上； 

转换拍摄角度，选取拍摄角度2，按照上述步骤进行操作，得到第二倾斜方向、第二倾斜角度、夹角α2和第二方位； 

第二阶段，数据处理： 

首先，中央处理器根据夹角α1计算出目标电杆在第一预平面上的投影与地面之间的夹角η1’，根据第一倾斜方向和第一倾斜角度将第一预平面投影为与地面垂直的第一平面，根据夹角η1’计算出目标电杆在第一平面内与地面的第一夹角η1； 

然后，按照上述方法计算得到第二平面以及目标电杆在第二平面内与地面的第二夹角η2； 

最后，中央处理器根据第一夹角η1、第二夹角η2以及第一平面和第二平面之间的关系，综合计算出目标电杆相对于地面的倾斜角θ，并结合第一方位和第二方位的数据得到目标电杆的倾斜方位。 

所述电杆倾斜测量仪还包括GPS通信模块，所述GPS通信模块与中央处理器之间双向通信。 

该方法在第一阶段之前还包括准备阶段，对象识别：通过GPS通信模块从监控***的服务器调取目标电杆的信息并存储到中央处理器显示到人机交互界面。 

该方法还包括第三阶段，数据发送：中央处理器将目标电杆的倾斜角θ和倾斜方向通过GPS通信模块发送到监控***的服务器。 

采用上述技术方案取得的技术进步为：本发明提供的电杆倾斜测量仪体积小巧，携带方便，成本低廉，用于该测量仪的测量方法能够对电杆倾斜度进行定量测量，为运维人员提供数据参考，以确定此电杆是否需要进行维修；运维人员还可以根据电杆倾斜度和倾斜方向、经纬度坐标等信息，对电杆进行相应的纠正、消缺。 

附图说明

图1为本发明的结构组成原理图； 

图2为利用本发明测量目标电杆倾斜角度的转换图； 

图3为利用本发明计算目标电杆相对于地面的倾斜角的计算模型。 

具体实施方式

由图1所示可知，一种电杆倾斜测量仪，包括组装在便携式外壳内的中央处理器、人机交互界面、图像采集装置、加速度传感器、电子罗盘，所述人机交互界面与中央处理器之间双向通信，人机交互界面与图像采集装置之间单向通信，图像采集装置、加速度传感器、电子罗盘与中央处理器之间单向通信。 

电杆倾斜测量仪将上述部件组装在同一个便携式外壳内，该外壳的体积不大，主要为了工作人员携带方便。上述部件按照机械设计、电路设计等原理组装在一起。 

中央处理器是整个测量仪的核心部件，对图像信息、数据信息进行处理、运算，以得到目标结果。 

人机交互界面为使用者提供一个友好的操作环境，此界面显示图像信息、并同时显示一些相应的数据信息，令操作者对各种操作一目了然。 

图像采集装置主要负责对目标电杆进行图像采集，并将其发送到中央处理器，同时将采集到的图像进行实时显示。 

图像采集装置、中央处理器和人机交互界面之间的相互关系与照相机的原理相同。 

加速度传感器和电子罗盘是两个测量用的传感器，加速度传感器用来测量图像采集时，采集装置相对于地面的倾斜角度和采集装置相对于地面的前倾或后倾角度，因为这个角度会影响到后续对电杆倾斜度的计算；电子罗盘用来测量电杆倾斜的方向，此方向为常用方向，如东、南、西、北、东偏南等。 

人机交互界面采用的是常用的液晶触摸屏。图像采集装置为微型照相机。因为该测量仪的体积不大，因此该测量仪的每个部件体积都不是很大。 

利用该测量仪对目标电杆的倾斜度进行测量的具体使用方法为： 

第一阶段，数据采集。 

首先选取拍摄角度1，采用图像采集装置对要测量倾斜度的目标电杆进行图像采集，采集的图像存储到中央处理器，同时实时显示在人机交互界面上。 

在采集图像时，通常需要保证拍摄角度为正面水平拍摄，即此时图像采集装置相对于工作人员既没有左右倾斜，也没有前后倾斜，这时图像采集装置的中轴线应该与地面相垂直。由于该测量仪是便携式装置，因此在图像采集时，只要测量仪保持竖直状态，通常就是正面水平拍摄。 

本发明为了便于工作人员使用，在人机交互界面的中央位置设置有一条基准线，当图像采集装置的拍摄角度为正面水平拍摄时，此基准线与垂直于地面的铅垂线平行。由于铅垂线始终保持与地面绝对垂直，因此如果基准线也与铅垂线相平行的话，说明图像采集装置肯定是处于正水平状态。当然，在实际拍摄过程中，铅垂线是不存在，拍摄人员只能通过目测基准线来保证正面水平拍摄。 

由于加速度传感器、电子罗盘和图像采集装置都被封装在一起，因此加速度传感器和电子罗盘得到的位置数据基本就是图像采集装置的位置数据。 

在拍摄角度1进行图像采集时，将图像采集装置所处的平面称为第一预平 面，将此平面相对于地面的倾斜方向，亦即相对于拍摄者前后的倾斜方向称为第一倾斜方向，将此平面相对于地面的倾斜角度称为第一倾斜角度，这些数据都是由加速度传感器得到的。同时在图像采集的同时，图像采集装置相对于拍摄者会出现左右倾斜的情况，这时，图像采集装置的中轴线在第一预平面内会左右倾斜，与地面之间产生夹角α1。 

其实，通过图像采集装置采集到的图像就是目标电杆在第一预平面的投影。因此，在图像上得到的各种位置关系，都是在此平面上的位置关系。 

在图像采集的同时，电子罗盘获得图像采集装置所面对的第一方位的数据，此数据是目标电杆与拍摄者之间的连线所指向的方位，将此数据发送至中央处理器，并显示在人机交互界面上。 

为了求解出目标电杆相对于地面的准确倾斜角度，需要再采集一些数据。转换一个图像采集角度，选取拍摄角度2，按照上述步骤进行操作，得到第二预平面、第二倾斜方向、第二倾斜角度、夹角α2以及第二方位； 

以上为数据采集阶段。 

第二阶段，数据处理。 

首先，中央处理器根据夹角α1计算出目标电杆在第一预平面上的投影与地面之间的夹角η1’，根据第一倾斜方向和第一倾斜角度将第一预平面投影为与地面垂直的第一平面，根据夹角η1’计算出目标电杆在第一平面内与地面的第一夹角η1’ 

中央处理器很快可以计算出目标电杆在第一预平面内与地面之间的夹角η1’。如果图像采集时，图像采集装置相对于工作人员没有左右倾斜的话，人机交互界面上的基准线与目标电杆之间的夹角与90°作差，结果就是目标电杆在第一预平面内与地面之间的夹角η1’。在求基准线与目标电杆之间的夹角时，可以沿目标电杆的中轴线做一条电杆识别线，此线就代表目标电杆，这样基准线与电杆识别线之间的夹角就是基准线与目标电杆的夹角。但是通常图像采集 时，图像采集装置多少总会出现一些左右倾斜，这时就需要转换才可以得到η1’。此时就需要知晓左右倾斜的角度，即基准线与垂直于地面的铅垂线的夹角α1，才可以计算出目标电杆与地面之间的夹角。加速度传感器可以给出图像采集装置左右倾斜的角度α1。通过识别线计算得到目标电杆在第一预平面内与基准线之间的夹角β1。这样，问题就可以迎刃而解了。具体的计算方法如图2所示。根据目标电杆、基准线以及铅垂线的关系，即可得到目标电杆在第一预平面上与地面的第一夹角η1’。如果三者是图2所示的关系，那么η1’=90°-（β1-α1），图2中，L1代表铅垂线，L2代表基准线，L3代表电杆识别线，L4代表目标电杆。 

由于在图像采集时，图像采集装置相对于拍摄者之间会出现前后倾斜的情况，即会出现第一预平面与地面之间的第一倾斜方向和第一倾斜角度。为了后续的计算，需要将第一预平面转换到与其相对应的第一平面。此处的第一平面指的是拍摄角度为正面水平拍摄时图像采集装置所在的平面。具体的转换方法为：第一预平面与第一平面的夹角为a=90°-第一倾斜角度b，目标电杆在第一预平面上的投影与地面的夹角为η1’，那么根据平面的夹角、投影定律等知识可得知，目标电杆在第一预平面的投影再投影到第一平面形成的直线与地面的第一夹角η1与η1’、b之间的关系为：tanη1＝tanη1'×cosa，那么η1＝argtan(tanη1'×cosa)。 

然后，按照上述方法计算得到第二平面以及目标电杆在第二平面内与地面的第二夹角η2。 

最后，中央处理器根据第一夹角η1、第二夹角η2以及第一平面和第二平面之间的关系，综合计算出目标电杆相对于地面的倾斜角θ，并结合第一方位和第二方位的数据得到目标电杆的倾斜方位。 

以第一拍摄角度和第二拍摄角度之间的夹角呈90°为例，具体介绍下计算 方法。 

第一平面、第二平面、地面和目标电杆形成的三维立体图形如图3所示。 

平面ADHE为第一平面，平面DCGH为第二平面，直线AL为目标电杆，直线AK为目标电杆在第一平面的投影，直线DJ为目标电杆在第二平面的投影，∠KAD为目标电杆在第一平面的投影与地面的夹角η1，∠JDC为目标电杆在第二平面的投影与地面的夹角η2。∠LAI就是电杆相对于地面的倾斜角θ。 

现在η1、η2为已知值，求解θ的过程就简单了，利用立体几何的知识即可求解。最后求得：

θ＝argtan(tanθ)。 

如果第一平面和第二平面不垂直的话，那么固定一个平面，将另一个平面连同目标电杆的投影先整体投影成垂直平面，然后按照上述算法进行计算。 

假设固定第一平面，第二平面与第一平面的夹角为a，为了适应上述算法，应该将第二平面投影成与第一平面相垂直的中间平面，第二平面与中间平面的夹角就应该为b=90°-a。假设目标电杆在第二平面上的投影与地面的夹角为c，那么根据平面的夹角、投影定律等知识可得知，目标电杆在第二平面的投影再投影到中间平面形成的直线与地面的夹角m与c、b之间的关系为：

那么

这里的算法与第一预平面到第一平面的投影算法基本类似。 

得到目标电杆相对于地面的倾斜角θ后，就需要确定目标电杆的倾斜方位了。这需要参照第一方位或第二方位。以第一方位为例，参照图3，详细介绍下倾斜方位的确定方法。 

首先，将第一方位的数据顺时针加90°，比如，按照顺时针方向，第一方位数据为北偏东15°加90°后为东偏南15°，此东偏南15度为第一预平面相对于目标电杆的方位； 

其次，根据图3，计算得到第一平面与目标电杆在地面的投影的夹角τ， 此夹角应也为沿顺时针方向相对应的夹角，比如夹角τ为30°。此夹角可以根据图3计算得出，

最后，结合上述两步的结果，得到目标电杆的实际倾斜方位，应为东偏南45°，即东南方向。在结合两步结果时，应注意结合具体的位置关系。 

在实际的应用过程中，所述电杆倾斜测量仪还包括GPS通信模块，所述GPS通信模块与中央处理器之间双向通信。 

含有此GPS通信模块的话，测量方法就还包括准备阶段，对象识别：通过GPS通信模块从监控***的服务器调取目标电杆的信息并存储到中央处理器显示到人机交互界面。 

通过GPS通信模块定位工作人员的坐标，并从监控中心的服务器内调取该坐标附近的电杆信息，通常在该坐标半径10米范围内或者20米范围内的电杆信息即为目标电杆的信息，信息内容为线路名称、编号等内容。 

含有GPS通信模块之后，该测量方法还要包括第三阶段，数据发送：中央处理器将目标电杆相对于地面的倾斜角θ和倾斜方向通过GPS通信模块发送到监控***的服务器，作为监控工作人员的参考数据，工作人员只需通过服务器的内容即可知道各电杆的倾斜状态。工作人员根据这些参考数据决定是否要对电杆进行维修，并确定适用的维修方案。这就省去了工作人员到户外挨个检查的过程，提高了工作效率，减小了工人的劳动强度。 

该电杆倾斜测量仪将中央处理器、人机交互界面、图像采集装置、加速度传感器、电子罗盘等集中在一个便携式的外壳内，各部分根据电气连接关系、工程设计原理结合起来，这个测量仪体积小巧，携带方便，工人外出工作仅携带一条类似手机大小的设备即可，并且成本低廉，维护费用低，适合于大范围推广使用。 

用该测量仪能够对电杆倾斜度进行定量测量，为运维人员提供数据参考， 以确定此电杆是否需要进行维修；运维人员还可以根据电杆倾斜度和倾斜方向、经纬度坐标等信息，对电杆进行相应的纠正、消缺。 

现在的手机大部分都具有摄像头、加速度传感器和电子罗盘，只需编写一个应用程序到手机上，这个手机就可以变成一个现成的电杆倾斜测量仪，这样就更加减小了设备成本，也更加方便了工作，很值得推广。 

Claims (7)

1.一种电杆倾斜测量仪，其特征在于包括组装在便携式外壳内的中央处理器、人机交互界面、图像采集装置、加速度传感器、电子罗盘，所述人机交互界面与中央处理器之间双向通信，人机交互界面与图像采集装置之间单向通信，图像采集装置、加速度传感器、电子罗盘与中央处理器之间单向通信。

2.根据权利要求1所述的一种电杆倾斜测量仪，其特征在于所述人机交互界面为液晶触摸屏。

3.根据权利要求1或2所述的一种电杆倾斜测量仪，其特征在于所述图像采集装置为微型照相机。

4.应用于权利要求1所述的一种电杆倾斜测量仪的使用方法，其特征在于包括如下步骤：

第一阶段，数据采集：选取拍摄角度1，采用图像采集装置对要测量倾斜度的目标电杆进行图像采集，采集的图像存储到中央处理器，同时实时显示在人机交互界面上；

在图像采集的同时，加速度传感器获得图像采集装置所在的第一预平面相对于地面的第一倾斜方向和第一倾斜角度，同时也获得图像采集装置的中轴线在第一预平面上与地面的夹角α1，电子罗盘获得图像采集装置所面对的第一方位的数据，加速度传感器和电子罗盘将这些数据发送到中央处理器进行存储并显示在人机交互界面上；

转换拍摄角度，选取拍摄角度2，按照上述步骤进行操作，得到第二倾斜方向、第二倾斜角度、夹角α2和第二方位；

第二阶段，数据处理：

首先，中央处理器根据夹角α1计算出目标电杆在第一预平面上的投影与地面之间的夹角η1’，根据第一倾斜方向和第一倾斜角度将第一预平面投影为与地面垂直的第一平面，根据夹角η1’计算出目标电杆在第一平面内与地面的第一夹角η1；

然后，按照上述方法计算得到第二平面以及目标电杆在第二平面内与地面的第二夹角η2；

最后，中央处理器根据第一夹角η1、第二夹角η2以及第一平面和第二平面之间的关系，综合计算出目标电杆相对于地面的倾斜角θ，并结合第一方位和第二方位的数据得到目标电杆的倾斜方位。

5.根据权利要求4所述一种电杆倾斜测量仪的使用方法，其特征在于所述电杆倾斜测量仪还包括GPS通信模块，所述GPS通信模块与中央处理器之间双向通信。

6.根据权利要求5所述一种电杆倾斜测量仪的使用方法，其特征在于该方法在第一阶段之前还包括准备阶段，对象识别：通过GPS通信模块从监控***的服务器调取目标电杆的信息并存储到中央处理器显示到人机交互界面。

7.根据权利要求6所述一种电杆倾斜测量仪的使用方法，其特征在于该方法还包括第三阶段，数据发送：中央处理器将目标电杆的倾斜角θ和倾斜方向通过GPS通信模块发送到监控***的服务器。

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