一种基于IMU组合惯导的输电线形变监测装置、系统及方法

摘要

本发明涉及一种基于IMU组合惯导的输电线形变监测装置、系统及方法，系统中包括至少一个监测装置与服务器，监测装置包括设置在输电线上的装置本体；所述装置本体上设置有通信模块，用于监测装置与服务器的数据通信；装置本体内设置有滑轮、第一电机、控制模块、IMU、取电模块；滑轮与装置本体固定连接，滑轮的轴与第一电机的输出轴啮合；通信模块、第一电机、IMU均与控制模块电连接；取电模块用于从输电线取电，并为控制模块和第一电机供电。本发明中设备及传感器安装数量大大减少，降低使用成本。通过滑轮可以按照指定方向和指定距离移动，增加监测范围，同时更精确的测量整段输电线的形变情况。

说明书

技术领域

本发明涉及信息技术领域，具体涉及一种基于IMU组合惯导的输电线形变监测装置、系统及方法。

背景技术

随着电子技术和物联网的快速发展，极大推动了信息化进程的同时，电网的建设规模不断扩大，使得电网的整体结构越来越复杂，各类故障和事故的发生频率也越来越高，这在一定程度上影响了电网的安全、温度、可靠、经济运行，智能电网的概念随之被提出来。所谓智能电网就是在传统电力系统基础上，通过集成应用新能源、新材料、新设备和先进传感技术、信息通信技术和自动控制技术，形成的具有高度信息化、自动化、互动化特征的新型现代化电网，可以更好地实现电网安全、可靠、经济、高效运行。

智能电网可以实时监测电网状态，并且能够提前预测安全隐患，并发出告警，从而减少财产损失。另一方面，由于智能电网的高度信息化、自动化，可以减少人力参与巡检的工作量，大大节约财力支出。

智能电网涵盖了发电、输电、变电、配电、用电、调度及信息通信各领域，而其中电力输电线路安全是国家发展命脉的重中之重，目前电力输电线安全的监测主要依靠电力铁塔的姿态监测。铁塔的姿态是通过两轴倾角计检测铁塔自身的形变来判断电力传输线路是否安全。

输电线路形变(包括弧锤、风偏和舞动等)也会严重威胁电网的稳定性和可靠性，而目前风偏监测装置需安装角度传感器，舞动监测装置需要安装振动传感器，弧垂监测装置需安装倾角传感器、温度传感器、雷达测距传感器、激光测距传感器，另外多配合无人机航拍进行分析或增加视频监控，设备及传感器多，安装调试复杂。

另一方面，电力输电线路在全国各地广泛分布，跨时区、跨疆域，大部分在荒郊野外、崇山峻岭之间。随着我国北斗系统的组网完成和5G的快速发展为远程实时检测电力输电线路形变提供了技术支持和可行性。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于IMU组合惯导的输电线形变监测装置、系统及方法，通过。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种基于IMU组合惯导的输电线形变监测装置，包括：

设置在输电线上的装置本体；

所述装置本体上设置有通信模块，用于监测装置与服务器的数据通信；

所述装置本体内设置有滑轮、第一电机、控制模块、IMU、取电模块；所述滑轮通过滑轮支腿与装置本体固定连接，滑轮的轴与所述第一电机的输出轴啮合，用于实现所述装置本体在输电线上行走；所述通信模块、第一电机、IMU均与所述控制模块电连接；所述取电模块用于从输电线取电，并为所述控制模块和第一电机供电。

装置本体设置在输电线上，通过滑轮可以按照指定方向和指定距离移动，增加监测范围，同时更精确的测量整段输电线的形变情况。根据IMU实时采集装置本体的加速度与角速度，服务器即可实现装置本体的行走轨迹的绘制，以及装置本体在输电线的某一位置的瞬时姿态，而装置本体的行走轨迹即为输电线的形变状态，装置本体的瞬时姿态即为输电线某一位置的瞬时状态。因此服务器可以根据IMU实时采集的装置本体的加速度与角速度，即可实现对输电线的形变检测。同时取电模块可以直接从输电线上取电供给控制模块和第一电机，无需额外配备电源。该装置结构简单，便于实现与部署。

进一步的，所述装置本体内还设有温度控制系统，所述温度控制系统包括第一温控子系统和第二温控子系统；

所述第一温控子系统包括第一加热模块和第一温度传感器，所述第一加热模块与所述第一温度传感器均与所述控制模块电连接，用于监测并控制装置本体内部温度；

所述第二温控子系统包括第二加热模块和第二温度传感器，所述第二加热模块与所述第二温度传感器均与所述控制模块电连接，用于监测环境温度并对输电线进行加热除冰。

传统mems传感器(如倾角或振动传感器)具有时间漂移和温漂移特性，稳定性有波动。本技术方案通过第一温控子系统对装置本体内部进行恒温控制，防止由于气温变化造成的温漂现象。同时采用采用第二温控子系统实施监测外部环境温度，一旦外部环境低于指定温度，例如1℃，则开启第二加热模块对输电线进行加热除冰。

进一步的，所述装置本体上还设置有定位模块，所述定位模块与所述控制模块电连接。

由于惯性传感器在使用时，随着时间推进，位移误差会不断积累，最终导致位移误差严重影响测量精度。设置定位模块，在通过IMU进行位置定位及姿态监测时，结合定位模块输出的定位数据，对IMU输出的位置数据进行补偿修正，提高IMU监测时的精度。

进一步的，所述装置本体包括上壳体和下壳体，所述上壳体和下壳体通过合页铰接，上壳体和下壳体闭合时，所述装置本体套设在所述输电线上。

装置本体分为上下壳体并且通过合页铰接，方便拆卸与安装。而且上下壳体闭合时装置本体套设在所述输电线上，装置本体内部形成一个相对密闭的空间，可以在一定程度上保护内部组件不受外部环境的影响，从而提高装置监测精度并延长装置的使用寿命。

进一步的，所述取电模块为包括至少两个感应线圈，所述感应线圈包括上半部分和下半部分，感应线圈的上半部分固定安装在所述上壳体内，感应线圈的下半部分安装在所述下壳体内，上壳体和下壳体闭合时，所述感应线圈的上半部分和下半部分对应连接闭合，形成完成的感应线圈，套设在所述输电线上。

通过设置感应线圈，整个监测装置可以不用设置外部电源，直接从输电线取电，实现长期无人值守式的输电线状态监测。

进一步的，所述装置本体内还设有备用电池，用于在输电线停电时，为所述控制模块和电机供电。

当输电线停电时，备用电池可以维持装置本体内部设备继续工作一段时间，尽量做到不间断监测。

进一步的，所述滑轮的轮面上设有花纹，用于增加摩擦力。

花纹可以为该装置提供较大的摩擦力以防止移动以及静止时，由于输电线的下垂弧度导致的监测装置非预期位移。

进一步的，装置本体内还设有锁止装置，所述锁止装置安装在所述滑轮的滑轮支腿上，并与控制模块电连接，用于在所述控制模块的控制下锁止所述滑轮的轴。

通过锁止装置，配合滑轮的轮面花纹可以有效的保证监测装置在输电线上任意位置的静止状态，而不会因为外部环境导致监测装置与输电线之间的非预期相对位移。

第二方面，本发明还提供一种基于IMU组合惯导的输电线形变监测系统，包括至少一个本发明第一方面所述基于IMU组合惯导的输电线形变监测装置，以及与所述监测装置通过无线通信方式进行数据交互的服务器。

第三方面，本发明还提供一种基于IMU组合惯导的输电线形变监测方法，该方法基于本发明第一方面所述的监测装置实现，包括以下步骤：

S1，通过温度控制系统，将监测装置内部温度控制在指定温度，进行恒温工作；

S2，从起始点开始向预设的移动方向移动，每移动指定距离则停止指定时间，将IMU测量的输电线形变数据发送至服务器；同时温度控制系统实时监控外部环境温度，若低于设定温度，则开启第二温控模块，进行输电线路除冰；

S3，重复执行步骤S2，直到监测装置移动到指定位置。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于IMU组合惯导的输电线形变监测系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于IMU组合惯导的输电线形变监测装置结构示意图；

图3为本发明实施例提供的监测装置剖视图；

图4为本发明实施例提供的装置本体上壳体剖视图；

图5为本发明实施例提供的监测装置电路控制原理框图；

图6为本发明实施例提供的软件主流程图；

图7为本发明实施例提供的数据融合算法流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、GNSS通信模块，2、5G通信模块，3～6、滑轮，7～8、第二加热模块，9、第一加热模块，10/12、第二温度传感器，11、第一温度传感器，13～16、感应线圈，17～18、第一电机，19～20、金属棒。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种基于IMU组合惯导的输电线形变监测系统，包括至少一个基于IMU组合惯导的输电线形变监测装置，以及与所述监测装置通过无线通信方式进行数据交互的服务器。通过5G或北斗短信功能将监测数据实时传输到服务器，后台可以结合多个监测设备的数据联合预测安全警告。

所述监测装置，如图2～5所示，包括如下结构：

设置在输电线上的装置本体；所述装置本体包括上壳体和下壳体，所述上壳体和下壳体通过合页铰接，上壳体和下壳体闭合时，所述装置本体套设在所述输电线上。装置本体分为上下壳体并且通过合页铰接，方便拆卸与安装。而且上下壳体闭合时装置本体套设在所述输电线上，装置本体内部形成一个相对密闭的空间，可以在一定程度上保护内部组件不受外部环境的影响，从而提高装置监测精度并延长装置的使用寿命。

所述装置本体上设置有定位模块和通信模块，通信模块用于监测装置与服务器的数据通信；其中定位模块采用型号为UBLOX F9P的GNSS定位模块，通信模块采用型号为QUECTEL移远通信RM500Q的5G通信模块。

所述装置本体内设置有四个滑轮、第一电机、控制模块、IMU、取电模块。控制模块采用型号为STM32H745ZIT6的单片机实现。IMU采用BOSCH BMI088的惯性传感器实现。

如图3图4所示，四个滑轮中两个与上壳体连接，两个与下壳体连接，所述滑轮的轮面上设有花纹，用于增加摩擦力。在上壳体和下壳体闭合时，四个滑轮紧紧夹持输电线。花纹可以为该装置提供较大的摩擦力以防止移动以及静止时，由于输电线的下垂弧度导致的监测装置非预期位移。

四个滑轮均通过滑轮支腿与装置本体固定连接，滑轮的轴与所述第一电机的输出轴啮合，用于实现所述装置本体在输电线上行走；所述定位模块、通信模块、第一电机、IMU均与所述控制模块电连接；所述取电模块用于从输电线取电，并为所述控制模块和第一电机供电。

所述取电模块为包括至少两个感应线圈，所述感应线圈包括上半部分和下半部分，感应线圈的上半部分固定安装在所述上壳体内，感应线圈的下半部分安装在所述下壳体内，上壳体和下壳体闭合时，所述感应线圈的上半部分和下半部分对应连接闭合，形成完成的感应线圈，套设在所述输电线上。

通过设置感应线圈，整个监测装置可以不用设置外部电源，直接从输电线取电，实现长期无人值守式的输电线状态监测。

装置本体设置在输电线上，通过滑轮可以按照指定方向和指定距离移动，增加监测范围，同时更精确的测量整段输电线的形变情况。根据IMU实时采集装置本体的加速度与角速度，服务器即可实现装置本体的行走轨迹的绘制，以及装置本体在输电线的某一位置的瞬时姿态，而装置本体的行走轨迹即为输电线的形变状态，装置本体的瞬时姿态即为输电线某一位置的瞬时状态。因此服务器可以根据IMU实时采集的装置本体的加速度与角速度，即可实现对输电线的形变检测。同时取电模块可以直接从输电线上取电供给控制模块和电机，无需额外配备电源。该装置结构简单，便于实现与部署。通过监测运动过程中的加速度、角速度和定位系统(推荐北斗)相融合测量出输电线的形变(不限于弧锤、风偏和舞动)。

而由于惯性传感器IMU在使用时，随着时间推进，位移误差会不断积累，最终导致位移误差严重影响测量精度。设置GNSS定位模块获取定位信息，并提供PPS信号用于与IMU的同步采用，在通过IMU进行位置定位及姿态监测时，结合定位模块输出的定位数据，对IMU输出的位置数据进行补偿修正，提高IMU监测时的精度。

作为一个优选实施例，所述装置本体内还设有温度控制系统，所述温度控制系统包括第一温控子系统和第二温控子系统；

所述第一温控子系统包括第一加热模块和第一温度传感器，所述第一加热模块与所述第一温度传感器均与所述控制模块电连接，用于监测并控制装置本体内部温度；

所述第二温控子系统包括第二加热模块和第二温度传感器，所述第二加热模块与所述第二温度传感器均与所述控制模块电连接，用于监测环境温度并对输电线进行加热除冰。

传统mems传感器(如倾角或振动传感器)具有时间漂移和温漂移特性，稳定性有波动。本技术方案通过第一温控子系统对装置本体内部进行恒温控制，防止由于气温变化造成的温漂现象。同时采用采用第二温控子系统实施监测外部环境温度，一旦外部环境低于指定温度，例如1℃，则开启第二加热模块对输电线进行加热除冰。有效减少人工维护成本，且降低由覆冰带来的危害，如输电线覆冰过厚，会使杆塔机械荷重越载而折断，绝缘子串倾斜，导线严重下垂，降低线缆绝缘性能、拉断线缆等。

具体的温度传感器采用TI TMP116AIDRVT实现，加热模块采用PTC陶瓷发热片，有效发热温度为70℃。

作为一个优选实施例，如图5所示，所述装置本体内还设有备用电池，用于在输电线停电时，为所述控制模块和第一电机供电。

当输电线停电时，备用电池可以维持装置本体内部设备继续工作一段时间，尽量做到不间断监测。

作为一个优选实施例，装置本体内还设有锁止装置，所述锁止装置安装在所述滑轮的滑轮支腿上，并与控制模块电连接，用于在所述控制模块的控制下锁止所述滑轮的轴。

具体的所述锁止装置如图4所示，包括一个金属棒以及用于驱动金属棒横向移动的第二电机(第二电机在图中未示出)。第二电机与取电模块、备用电池以及控制模块电连接。当监测装置移动到指定位置时，控制模块通过第二电机驱动金属棒伸出并与滑轮的侧面相抵。从而实现滑轮的锁止。

通过锁止装置，配合滑轮的轮面花纹可以有效的保证监测装置在输电线上任意位置的静止状态，而不会因为外部环境导致监测装置与输电线之间的非预期相对位移。

上述实施例中，第一电机和第二电机均采用步进电机。

作为一个优选实施例，如图5所示，该装置中还包括指示灯LED，用于进行状态显示或告警。

在上述实施例中，本领域技术人员应当了理解的是，本实施例中的供电模式，既可以有上述文字描述的由取电模块或备用电池向第一电机、第二电机、第一加热模块、第二加热模块和控制模块直接供电，然后由控制模块为定位模块、通信模块、温度传感器、IMU提供工作电压。同时还可以直接由取电模块或备用电池向所有用电器件进行供电。而本领域技术人员应当理解的是，由取电模块或备用电池向所有用电器件进行供电，需要设置合理的调压电路来为各个用电器件提供合适的工作电压，而调压电路为本领域的常规技术手段，在这里不在赘述。

在上述装置、系统实施过程中，本发明实施例还涉及一种基于IMU组合惯导的输电线形变监测方法，该方法包括以下步骤：

S1，通过温度控制系统，将监测装置内部温度控制在指定温度，进行恒温工作；

S2，从起始点开始向预设的移动方向移动，每移动指定距离则停止指定时间，将IMU测量的输电线形变数据发送至服务器；同时温度控制系统实时监控外部环境温度，若低于设定温度，则开启第二温控模块，进行输电线路除冰；

S3，重复执行步骤S2，直到监测装置移动到指定位置。

具体的，在设备初始运行时，需要确定监测装置的初始位置，流程如图6所示。

首先读取装置配置信息，初始化外设。如果GNSS定位模块定位成功，则用PPS(Pulse Per Second，每秒脉冲数)同步采样IMU，如果定位不成功，则采用控制模块内部定时器采样IMU，然后进行数据融合，对融合后的数据进行异常判断。如果判断结果异常，则设置告警状态并输出，否则输出融合后的位置、姿态、振动数据。

其中，上述流程中所述的数据融合，如图7所示，包括以下内容：

初始化IMU状态与噪声，判断监测装置是否达到动态初始化条件，若达到动态初始化条件，则进行动态初始化，否则利用GNSS定位数据对IMU误差进行补偿，然后进行机械编排，并依次进行卡尔曼滤波状态转移量计算、卡尔曼滤波状态预测、GNSS修正、ZUPT修正、NHC修正，并进行状态反馈，然后输出位置、姿态、振动数据。

在该流程中，机械编排(mechanizations)是指系统的实体布局、采用的坐标系及解析计算方法的总和。是数据融合中的一个步骤，用于求解系统姿态角。

现有技术的缺点。

(1)、传感器安装数量众多，使用成本高；

(2)、只能定点测量，粗略估计输电线形变；

(3)、单一系统无法监测多种数据，

(4)、各检测系统的众多传感器数据单独处理，输电线形变逻辑复杂；

(5)、传统mems传感器(如倾角或振动传感器)具有时间漂移和温漂移特性，稳定性有波动；

本发明相对于已有的技术有以下优点：

(1)、设备及传感器安装数量数量大大减少，降低使用成本；

(2)、通过滑轮可以按照指定方向和指定距离移动，增加监测范围，同时更精确的测量整段输电线的形变情况；

(3)、单一系统可以同时监测多种数据，并且将多数据融合后输出，同时能够将检测输出线形变的告警上报；

(4)、在测量传输线形变的同时，检测环境温度低于设定值，通过设备加热子系统进行除冰；

(5)、通过组合导航系统，利用定位系统来修正mems传感器的时间漂移量，同时利用加热子系统将系统维持在恒温状态，以消除mems传感器的温度漂移量，以提高系统的精度和稳定性；

(6)、供电不受限制；

(7)、将设备的大部分重量设置放在下半部分，以确保整体重心于滑轮在同一个平面，保证设备本身处于一个稳定的姿态。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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保护范围之内。