一种悬浮抱杆组塔监测装置及方法
阅读说明：本技术 一种悬浮抱杆组塔监测装置及方法 (Suspension holding pole group tower monitoring device and method ) 是由 贾思琦 刘钢 张望 张龙斌 李枫航 于 2021-01-13 设计创作，主要内容包括：一种悬浮抱杆组塔监测装置及方法,该装置包括固定在悬浮抱杆上的高度、倾角一体化传感终端,高度、倾角一体化传感终端通过无线发射模块与位于地面的数据处理客户端通讯连接。架空输电线路在采用悬浮抱杆组塔施工时,在抱杆内部装设高度、倾角一体化传感终端,实时获得终端所在位置的高度数据和抱杆的倾角数据,并结合已知的组塔施工参数,根据数学上的解析几何原理,实时计算出悬浮抱杆到各已组塔身的距离。本发明提供的一种悬浮抱杆组塔监测装置及方法,可有效解决现有悬浮抱杆组塔施工过程中抱杆到已组塔身距离无法实时、准确监测的技术问题。(The device comprises a height and inclination angle integrated sensing terminal fixed on the suspension holding pole, wherein the height and inclination angle integrated sensing terminal is in communication connection with a data processing client located on the ground through a wireless transmitting module. When the overhead transmission line adopts the suspension holding pole to construct the tower, a height and inclination angle integrated sensing terminal is arranged in the holding pole, the height data of the position of the terminal and the inclination angle data of the holding pole are obtained in real time, and the distance from the suspension holding pole to each assembled tower body is calculated in real time according to the mathematical analytic geometry principle by combining the known tower construction parameters. The device and the method for monitoring the suspension holding pole tower assembly provided by the invention can effectively solve the technical problem that the distance from a holding pole to an assembled tower body cannot be accurately monitored in real time in the existing suspension holding pole tower assembly construction process.)
技术领域
本发明属于架空输电线路组塔施工技术领域，具体涉及一种悬浮抱杆组塔监测装置及方法。
背景技术
输电线路铁塔组立施工现场环境复杂、情况多变，特别是在大量山地地形条件下，常采用悬浮抱杆进行分解组塔施工。而悬浮抱杆在提升吊件过程时，抱杆悬浮于铁塔内部，抱杆与已组塔身距离过近或发生碰撞，将会导致抱杆折断、吊件掉落等安全事故。因此，监测悬浮抱杆到已组塔身的距离，对保障架空输电线路组塔施工安全具有重要意义。
当前，悬浮抱杆到已组塔身距离的获取方法主要是通过地面人工肉眼观测，并凭借施工经验判断抱杆是否处于安全状态。但以上方法显然受观测人员的主观因素影响，无法做到对抱杆到已组塔身距离的实时、准确监测。同时，考虑到抱杆与铁塔均为钢制桁架结构，且抱杆实时移动，现有的超声波测距、红外测距等方法均难以直接监测两者之间的距离；无人机动态测量抱杆空间姿态，通过雷达现场障碍物多，难以测得抱杆准确数据。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种悬浮抱杆组塔监测装置及方法，利用悬浮抱杆高度和倾角数据，结合解析几何原理得到抱杆到已组塔身的距离，解决了现有利用悬浮抱杆组立输电铁塔过程中无法实时、精准获取抱杆到已组塔身距离的问题。
本发明采取的技术方案为：
一种悬浮抱杆组塔监测装置，包括：
固定在悬浮抱杆上的高度、倾角一体化传感终端，所述高度、倾角一体化传感终端包括锂离子电池组、电源管理模块、数据处理模块、气压高度传感器、双轴倾角传感器、无线发射模块，锂离子电池组连接电源管理模块，电源管理模块连接数据处理模块，数据处理模块分别连接气压高度传感器、双轴倾角传感器、无线发射模块；
高度、倾角一体化传感终端通过无线发射模块与位于地面的数据处理客户端通讯连接。所述高度、倾角一体化传感终端包括盒体，电源管理模块、数据处理模块、气压高度传感器、双轴倾角传感器、无线发射模块封装于盒体内。盒体的上表面设有用于安装的指示的A、B、C、D字符标识和倾角标识。盒体底部设有固定孔，固定孔与紧固件固定，形成“井”字形固定平台；紧固件与悬浮抱杆连接固定。
一种悬浮抱杆组塔监测方法，包括以下步骤：
步骤1：根据输电线路走向，确定横线路方向，即x轴方向；顺线路方向，y轴方向；定义已组塔身顶部所在平面ABCD；
步骤2：在悬浮抱杆起立前，测量出整根悬浮抱杆的长度l1，并在距悬浮抱杆顶部位置安装好高度、倾角一体化传感终端，同时准确测量出高度、倾角一体化传感终端中心位置距离悬浮抱杆顶部的距离l2；
步骤3：起立悬浮抱杆，悬浮抱杆就位后，将当前已组塔身的高度H1、已组塔身的顶部所在平面的半根开OD：D4、悬浮抱杆的截面半径R，录入至地面的数据处理客户端中；
步骤4：高度、倾角一体化传感终端实时将各时刻下的高度数据H2、横线路方向倾角数据α、顺线路方向倾角数据β，以无线信号的形式传输给数据处理客户端；
步骤5：以平行x轴方向所在竖直平面对已组塔身作截面，线段AD为截面与已组塔身的顶部所在平面ABCD的交线。根据录入的数据和实时回传的高度数据H2、倾角数据α和β，则根据平面几何的边角关系，计算出悬浮抱杆的顶端距地面的距离H3，如下式：
H3＝H2+l2·cosα (1)
则悬浮抱杆的顶端距已组塔身的顶部所在平面ABCD的距离为：H3-H1；
步骤6：设悬浮抱杆与线段AD的交点为E，悬浮抱杆的顶部到线段AD上的投影点为F，则计算出线段EF的长度D1为：
D1＝(H3-H1)·tanα (2)
线段OF的长度为D2＝l1·sinα，则线段FD的长度为D3＝D4-D2；
最终可得在已组塔身的顶部所在平面ABCD上，悬浮抱杆与线段AD的交点E到已组塔身的顶端CD的距离d1为d1＝D3+D1；悬悬浮抱杆与线段AD的交点E到已组塔身1的顶端AB的距离d3为d3＝2D4-d1；
步骤7：在精确计算悬浮抱杆到已组塔身的距离时，需对悬浮抱杆的内径进行考虑，则悬浮抱杆到已组塔身的顶端CD、AB的实际距离分别为：
步骤8：重复步骤5～7，按照求解悬浮抱杆到已组塔身的顶端CD、AB的实际距离的方法，求解出悬浮抱杆到已组塔身的顶端AD、BC的实际距离d2'、d4'。
本发明一种悬浮抱杆组塔监测装置及方法，技术效果如下：
1)本发明所提出的利用抱杆高度和倾角数据，结合解析几何原理得到抱杆到已组塔身的距离，解决了现有利用悬浮抱杆组立输电铁塔过程中无法实时、精准获取抱杆到已组塔身距离的问题。
2)本发明仅需施工前安装1个抱杆高度、倾角一体化传感终端，无需再安装其他传感设备，即可实现抱杆提升高度、倾角、距已组塔身距离的测量，监测方法简便、可靠。同时采用数据无线通信技术，免去了施工环境和空间对数据传输的限制，实现了关键距离数据获取的实时性、准确性和客观性。
附图说明
图1为本发明监测装置结构示意图。
图2为本发明监测方法原理图。
图3为本发明已组塔身顶端所在平面的截面示意图。
图4(1)为本发明中高度、倾角一体化传感终端固定方式示意图；
图4(2)为本发明中高度、倾角一体化传感终端外部结构示意图。
图5为本发明高度、倾角一体化传感终端各模块连接示意图。
其中：1-已组塔身，2-悬浮抱杆，3-高度、倾角一体化传感终端，4-紧固件，5-数据处理客户端；3.1-固定孔，3.2-上表面。
具体实施方式
如图1、图4(1)、图4(2)、图5所示，一种悬浮抱杆组塔监测装置，包括固定在悬浮抱杆2上的高度、倾角一体化传感终端3，所述高度、倾角一体化传感终端包括锂离子电池组、电源管理模块、数据处理模块、气压高度传感器、双轴倾角传感器、无线发射模块，锂离子电池组连接电源管理模块，电源管理模块连接数据处理模块，数据处理模块分别连接气压高度传感器、双轴倾角传感器、无线发射模块。
高度、倾角一体化传感终端通过无线发射模块与位于地面的数据处理客户端5通讯连接。所述高度、倾角一体化传感终端3包括塑料的方形盒体，电源管理模块、数据处理模块、气压高度传感器、双轴倾角传感器、无线发射模块封装于盒体内。
盒体的上表面3.2设有用于安装的指示的A、B、C、D字符标识和倾角标识；
盒体底部设有固定孔3.1，固定孔3.1与紧固件4固定，形成“井”字形固定平台；紧固件4通过U形环或者铁丝绑扎与悬浮抱杆2连接固定。紧固件4包括螺栓、螺母、以及钢条或扁钢或角钢。从而保证高度、倾角一体化传感终端3稳定地固定于悬浮抱杆2内部中心轴线上。
高度、倾角一体化传感终端3硬件参数：
锂离子电池组采用7.4V/10000mah锂离子电池和充放电平衡电路板组成；
电源管理模块采用德州仪器公司TPS562200电源管理芯片，外围电路参考元件数据手册进行搭建；
数据处理模块采用STM32F103C8T6处理器。
气压高度传感器采用华普微电子有限公司的HP203B气压传感器；
双轴倾角传感器采用西安市精准测控有限责任公司的SCA100T-D02高精度双轴倾角传感器芯片；
无线发射模块采用XBee-PR900HP数传电台。
数据处理客户端5由品铂PIPO X4工业平板进行改装，将XBee-PR900HP数传电台接收端连接至品铂PIPO X4工业平板的USB端，并设定专用COM端口。
如图2、3所示，一种悬浮抱杆组塔监测方法，包括以下步骤：
步骤1：根据输电线路走向，确定横线路方向，即x轴方向；顺线路方向，y轴方向；定义已组塔身1顶部所在平面ABCD；
步骤2：在悬浮抱杆2起立前，在地面上测量出整根悬浮抱杆2的长度l1，并在距悬浮抱杆2顶部附近位置安装好高度、倾角一体化传感终端3，同时用卷尺准确测量出高度、倾角一体化传感终端3中心位置距离悬浮抱杆2顶部的距离l2；
步骤3：待地面其他连接金具安装好后起立悬浮抱杆2，悬浮抱杆2就位后，根据施工图纸。将当前已组塔身1的高度H1、已组塔身1的顶部所在平面的半根开OD为D4(即已组塔身1顶端两主材间距离AD的一半)、悬浮抱杆2的截面半径R，录入至地面的数据处理客户端5中；
步骤4：高度、倾角一体化传感终端3实时将各时刻下的高度数据H2、横线路方向倾角数据α、顺线路方向倾角数据β，以无线信号的形式传输给数据处理客户端5；
步骤5：以平行x轴方向所在竖直平面对已组塔身1作截面，线段AD为截面与已组塔身1的顶部所在平面ABCD的交线。根据录入的数据和实时回传的高度数据H2、倾角数据α和β，则根据平面几何的边角关系，计算出悬浮抱杆2的顶端距地面的距离H3，如下式：
H3＝H2+l2·cosα (1)
则悬浮抱杆2的顶端距已组塔身1的顶部所在平面ABCD的距离为：H3-H1；
步骤6：设悬浮抱杆2与线段AD的交点为E，悬浮抱杆2的顶部到线段AD上的投影点为F，则计算出线段EF的长度D1为：
D1＝(H3-H1)·tanα (2)
线段OF的长度为D2＝l1·sinα，则线段FD的长度为D3＝D4-D2；
其中:D4为已组塔身1顶端两主材间距离AD(根开AD)的一半，即半根开OD的长度、D2为悬浮抱杆2顶端在平面ABCD上的投影点到平面ABCD上中心点O的距离，即OF的长度。
最终可得在已组塔身1的顶部所在平面ABCD上，悬浮抱杆2与线段AD的交点E到已组塔身1的顶端CD的距离d1即线段ED的长度，为d1＝D3+D1；
悬浮抱杆2与线段AD的交点E到已组塔身1的顶端AB的距离d3即线段AE的长度，为d3＝2D4-d1；
步骤7：在精确计算悬浮抱杆2到已组塔身1的距离时，需对悬浮抱杆2的内径进行考虑，则悬浮抱杆2到已组塔身1的顶端CD、AB的实际距离分别为：
式(3)中，d1'为悬浮抱杆2到已组塔身1的顶端CD的实际距离；d1悬浮抱杆2与线段AD的交点E到已组塔身1的顶端CD的距离(即线段ED的长度)；d3'为悬浮抱杆2到已组塔身1的顶端AB的实际距离；d3为悬浮抱杆2与线段AD的交点E到已组塔身1的顶端AB的距离(即线段AE的长度)；R为悬浮抱杆2的内部中心点到任意侧面的距离(即悬浮抱杆2的截面半径R)。
步骤8：重复步骤5～7，按照求解悬浮抱杆2到已组塔身1的顶端CD、AB的实际距离的方法，求解出悬浮抱杆2到已组塔身1的顶端AD、BC的实际距离d2'、d4'。
综上所述，本发明提供的上述方法，通过实时获得抱杆的高度数据和倾角数据，并结合已知的组塔施工参数，根据数学上的解析几何原理，得到悬浮抱杆2到已组塔身1各面的实际距离，实现悬浮抱杆2到已组塔身1距离的实时、准确监测获取。
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