[發明專利]一種起吊塔片空間姿態實時監控方法及系統

有效

• 申請號: 202110859296.2
• 申請日: 2021-07-28
• 公開（公告）號: CN113625224B
• 公開（公告）日: 2023-10-27
• 發明（設計）人: 唐波;楊曉峰;劉鋼;彭鑫妮;李楓航;張龍斌;謝黃海;匡宇來;鄭心儀;姚佳奇;張燦
• 申請（專利權）人: 三峽大學
• 主分類號: G01S5/10
• 分類號: G01S5/10
• 代理公司: 宜昌市三峽專利事務所 42103
• 代理人: 吳思高

1.一種起吊塔片空間姿態實時監控方法，其特征在于：在懸浮抱桿(2)分解組立鐵塔的過程中，采用UWB無線測距技術，建立組塔施工空間的三維直角坐標系，然后利用空間幾何關系，求解得到了起吊塔片到已組塔身(1)起吊側平面的最短距離，從而實現了整個鐵塔組立過程中對起吊塔片到已組塔身(1)距離實時、精確地監測。

2.一種起吊塔片空間姿態實時監控方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟一、建立組塔施工空間的三維直角坐標系：

在輸電鐵塔4個塔腿位置設置4個基站節點a1、a2、a3、a4，在已組塔身起吊側主材位置頂端設立1個標簽節點b1，在起吊塔片上設立不在同一條直線上的3個標簽節點c1，c2，c3；然后根據已組塔身塔腿根開得到四個基站節點a1、a2、a3、a4的三維空間坐標分別為：(x_a1,y_a1,z_a1)、(x_a2,y_a2,z_a2)、(x_a3,y_a3,z_A3)、(x_a4,y_a4,z_a4)，四個標簽節點為未知節點，坐標待求，其空間直角坐標分別為：b1(x_b1,y_b1,z_b1)、c1(x_c1,y_c1,z_c1)、c2(x_c2,y_c2,z_c2)、c3(x_c3,y_c3,z_c3)；

步驟二、在單位時間t內，對已組塔身起吊側主材位置頂端設立的標簽節點b1到塔腿的4個基站節點a1、a2、a3、a4的時間差值各自進行n次測量，同時采用卡爾曼濾波技術處理測量數據，然后，通過時間差乘以光速得到基站-標簽距離估計值R_aib1，i＝1，…，4、j＝1，…，m，最后，采用求平均值的方法得到已組塔身起吊側主材位置頂端設立的標簽節點b1到塔腿4個基站節點a1、a2、a3、a4距離實際測量值D_a1b1,D_a2b1,D_a3b1,D_a4b1；

步驟三、根據Chan算法，建立目標方程及其約束條件：

將UWB模塊規定量程下允許的距離誤差設置為△R，用△l_i，i＝1，…，4，分別定義如下式(1)表示已組塔身起吊側主材位置頂端設立的標簽節點b1到塔腿的4個基站節點a1、a2、a3、a4的距離實際測量值與理論計算值的絕對差值；

以已組塔身起吊側主材位置頂端設立的標簽節點b1到塔腿的4個基站節點a1、a2、a3、a4的距離實際測量值與理論計算值的絕對差值之和最小為目標，目標函數及其約束條件如式(2)所示：

min△l＝△l₁+△l₂+△l₃+△l₄

s.t.△l_i≤△R (2)

通過式(2)，采用非線性規劃方法，求解得到已組塔身起吊側主材位置頂端設立的標簽節點b1三維空間坐標(x_b1,y_b1,z_b1)；

步驟四、重復步驟二和步驟三，分別求得其余標簽節點c1，c2和c3的坐標分別為c1(x_c1,y_c1,z_c1)、c2(x_c2,y_c2,z_c2)和c3(x_c3,y_c3,z_c3)；

步驟五、根據a1、a2兩點的坐標(x_a1,y_a1,z_a1)、(x_a2,y_a2,z_a2)、以及步驟三求解得到的標簽節點b1的三維空間坐標(x_b1,y_b1,z_b1)，可得向量和由公式(3)得到由a1、a2和b1三點組成平面的法向量最后根據平面的點法式方程得到已組塔身起吊一側的平面方程(4)；

同理，根據起吊塔片平面上的三個點的三維空間坐標c1(x_c1,y_c1,z_c1)、c2(x_c2,y_c2,z_c2)和c3(x_c3,y_c3,z_c3)，可得向量和

向量由公式(5)得到由c1、c2和c3三點組成的平面法向量最后，根據平面的點法式方程，得到已組塔身起吊一側的平面方程(6)；

將公式(4)與公式(6)化簡，可分別得到已組塔身起吊一側的平面和起吊塔片平面方程的一般式(7)和(8)：

A₁x+B₁y+C₁z+D₁＝0 (7)

A₂x+B₂y+C₂z+D₂＝0 (8)；

步驟六、設起吊塔片平面上任意一點q的坐標為(x，y，z)，則由點到平面的距離公式，可得q到已組塔身起吊一側平面的距離函數方程(9)：

因為點q同時也位于起吊塔片平面上，滿足公式(8),聯立公式(8)和公式(9)可得起吊塔片平面上任意一點q到已組塔身起吊一側平面的距離函數方程(10):

步驟七、分別對公式(10)中的x和y變量求偏導，并另偏導數為零可得公式(11)和(12)；

聯立公式(11)與公式(12)可分別求得x＝x₀和y＝y₀的值，從而得到起吊塔片平面上任意一點到已組塔身起吊一側平面的距離函數方程d(x,y)的極值點坐標(x₀，y₀)，將極值點坐標(x₀，y₀)帶入公式(10)中，最終，求得起吊塔片平面到已組塔身起吊一側平面的最短距離d(x,y)_min＝d(x₀,y₀)。