[发明专利]一种起吊塔片空间姿态实时监控方法及系统

权利要求书

1.一种起吊塔片空间姿态实时监控方法，其特征在于：在悬浮抱杆(2)分解组立铁塔的过程中，采用UWB无线测距技术，建立组塔施工空间的三维直角坐标系，然后利用空间几何关系，求解得到了起吊塔片到已组塔身(1)起吊侧平面的最短距离，从而实现了整个铁塔组立过程中对起吊塔片到已组塔身(1)距离实时、精确地监测。

2.一种起吊塔片空间姿态实时监控方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、建立组塔施工空间的三维直角坐标系：

在输电铁塔4个塔腿位置设置4个基站节点a1、a2、a3、a4，在已组塔身起吊侧主材位置顶端设立1个标签节点b1，在起吊塔片上设立不在同一条直线上的3个标签节点c1，c2，c3；然后根据已组塔身塔腿根开得到四个基站节点a1、a2、a3、a4的三维空间坐标分别为：(x_a1,y_a1,z_a1)、(x_a2,y_a2,z_a2)、(x_a3,y_a3,z_A3)、(x_a4,y_a4,z_a4)，四个标签节点为未知节点，坐标待求，其空间直角坐标分别为：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)；

步骤二、在单位时间t内，对已组塔身起吊侧主材位置顶端设立的标签节点b1到塔腿的4个基站节点a1、a2、a3、a4的时间差值各自进行n次测量，同时采用卡尔曼滤波技术处理测量数据，然后，通过时间差乘以光速得到基站-标签距离估计值R_aib1，i＝1，…，4、j＝1，…，m，最后，采用求平均值的方法得到已组塔身起吊侧主材位置顶端设立的标签节点b1到塔腿4个基站节点a1、a2、a3、a4距离实际测量值D_a1b1,D_a2b1,D_a3b1,D_a4b1；

步骤三、根据Chan算法，建立目标方程及其约束条件：

将UWB模块规定量程下允许的距离误差设置为△R，用△l_i，i＝1，…，4，分别定义如下式(1)表示已组塔身起吊侧主材位置顶端设立的标签节点b1到塔腿的4个基站节点a1、a2、a3、a4的距离实际测量值与理论计算值的绝对差值；

以已组塔身起吊侧主材位置顶端设立的标签节点b1到塔腿的4个基站节点a1、a2、a3、a4的距离实际测量值与理论计算值的绝对差值之和最小为目标，目标函数及其约束条件如式(2)所示：

min△l＝△l₁+△l₂+△l₃+△l₄

s.t.△l_i≤△R (2)

通过式(2)，采用非线性规划方法，求解得到已组塔身起吊侧主材位置顶端设立的标签节点b1三维空间坐标(x_b1,y_b1,z_b1)；

步骤四、重复步骤二和步骤三，分别求得其余标签节点c1，c2和c3的坐标分别为c1(x_c1,y_c1,z_c1)、c2(x_c2,y_c2,z_c2)和c3(x_c3,y_c3,z_c3)；

步骤五、根据a1、a2两点的坐标(x_a1,y_a1,z_a1)、(x_a2,y_a2,z_a2)、以及步骤三求解得到的标签节点b1的三维空间坐标(x_b1,y_b1,z_b1)，可得向量和由公式(3)得到由a1、a2和b1三点组成平面的法向量最后根据平面的点法式方程得到已组塔身起吊一侧的平面方程(4)；

同理，根据起吊塔片平面上的三个点的三维空间坐标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c3三点组成的平面法向量最后，根据平面的点法式方程，得到已组塔身起吊一侧的平面方程(6)；

将公式(4)与公式(6)化简，可分别得到已组塔身起吊一侧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)；

步骤六、设起吊塔片平面上任意一点q的坐标为(x，y，z)，则由点到平面的距离公式，可得q到已组塔身起吊一侧平面的距离函数方程(9)：

因为点q同时也位于起吊塔片平面上，满足公式(8),联立公式(8)和公式(9)可得起吊塔片平面上任意一点q到已组塔身起吊一侧平面的距离函数方程(10):

步骤七、分别对公式(10)中的x和y变量求偏导，并另偏导数为零可得公式(11)和(12)；

联立公式(11)与公式(12)可分别求得x＝x₀和y＝y₀的值，从而得到起吊塔片平面上任意一点到已组塔身起吊一侧平面的距离函数方程d(x,y)的极值点坐标(x₀，y₀)，将极值点坐标(x₀，y₀)带入公式(10)中，最终，求得起吊塔片平面到已组塔身起吊一侧平面的最短距离d(x,y)_min＝d(x₀,y₀)。