【摘要】通过对电力系统巡检过程中涉及的杆塔测量过程的特性分析，提出了一种采用激光测距转换的测量技术。在对杆塔本体两端点距离和夹角精确测量的基础上，通过三角形余弦定理换算成待测对象的长度，并给出了基于单片机的详细设计方案。文中对测量电路给出了详细设计，对影响测量精度的各个参数进行了分析，实验结果表明：测量精度可以达到0.5%。
【关键词】激光测距；脉冲编码器；单片机；余弦定理
前言
输电线路验收工作面广时长，其中耐张杆塔上电气距离的校验是验收工作的重中之重。在诸多电气距离验收中跳线的驰度测量尤为重要，它直接影响到跳线与塔身之间的安全性和跳线工艺的美观性。然而在验收的耐张杆塔中大部分都是转角杆，作业人员在对转角杆的内角侧跳线驰度进行测量时，由于大小号侧导线沿长线不重叠，造成跳线最低点离横担头的水平距离较远，加大了测量该跳线驰度的难度。目前，对跳线驰度的测量主要采用单点及各参数分离测量的方式[1]，即对跳线两端点的距离用激光测距机分别测量，然后再对方位夹角进行测量，最后换算成驰度量。所采用的测量工具主要是市面上的传统测距仪，该测距方式效率低下，花费时间长，且测量误差较大[2]。造成此现状的原因在于电力系统中输电线路作业的特殊性，往往作业人员都是在杆塔高空作业，大多数情况下只能单手操作，测量仪器的相对位置不固定和分步测量的不可重复性导致测量误差较大。本文在分析杆塔本体测量的特性和电力作业的特点后，提出了一种快速测量方法，并给出了完整的设计方案。文章按照以下结构组织：第2部分给出了总体设计方案及主要测量原理；第3部分给出了详细硬件及软件设计方案；第4部分给出了影响测量过程的各参数分析并给出了测量策略。
1.系统原理
杆塔本体远程测量系统结构如图1所示，采用激光测距传感器来测量目标两端到仪器激光照射的直线距离，为了方便测量的过程中辅助定位，采用了一个辅助激光头，可在测量的过程中快速对目标两端点进行准确的标定。对于目标两端点到测量点距离的夹角获得，采用脉冲编码器，将角度换算成旋转的脉冲个数，可以精确的给出角度的值。为了准确控制每次测量的结果及记录存储，采用MEGA48单片机来完成控制、计算、存储的功能。同时测量结果可以方便的在LED显示屏上看到。测量的原理如下图2所示，测量前，可将两束激光重合在目标的一端，首先测量出一端点到测试点的距离L1，然后旋转激光测距传感器都目标的另一端点，测出另一端点到测试点的距离L2，旋转角度α由脉冲编码器读出[3]。则目标长度由下式（1）给出：(1)
2.系统设计方案
2.1硬件电路设计
硬件电路中电源模块选用5v的锂电池作为供电端，采用ASM1117-3.3V芯片降压输出电路分别给ATmega48PA控制器和LED显示器以及激光测距传感器供电。LED液晶显示器和单片机的PORTC口0~3引脚相连，其接口协议未SPI总线协议，激光测距传感器采用UASRT通信接口和单片机相连，编码器接口和单片机的外部中断相连，利用外部中断方式对脉冲编码器的脉冲个数进行中断计数，从而统计出转动的角度。对辅助定位的激光发射器，只需要采用一个开关三极管放大驱动电流即可，测量时输出高电平打开激光发射器。两个按键作为普通的触发输入信号源，用来控制测量过程的开关状态。为了保证测量的精度要求，编码器可选用旋转一圈输出512脉冲数的绝对光电编码器，为了保证仪器的微调特性，采用传动蜗杆齿轮旋进方式，其齿轮比为1:24，因此实际旋转3600输出脉冲个数为12288个脉冲，角度可以精确到百分之二度。
2.2软件设计流程
对整个测量仪器而言，单片机Mega48和外设的接口主要由三部分构成：显示接口、测量接口、脉冲编码器接口，其主要数据接口协议如下：激光测距传感器选用高精度相位法测距模块，其测距精度可以达到1毫米[4]，采用635nm的可见红光，波特率9600bps,8位数据位，1位起始位，1位停止位,无奇偶校验，其测量过程满足如表1所示的接口协议。脉冲编码器采用SOGA512线迷你编码器，其主要的数据接口包括：LSB—步进脉冲值，接入单片机的外部中断0引脚；DIR—旋转方向，接入单片机的PIND.3用于判断角度的旋转方向。其角度测量算法如下：
3.误差分析及测量策略
3.1仪器参数误差
仪器的测量精度受一下几个方面的因素影响[5]：1）激光传感器测量的精度为±1mm，2）角度测量的精度受分辨率=脉冲编码器个数/度的影响，设计中可以达到32个/度。3）测量的最远距离为80m。不妨设待测目标的长度为L，可根据以下公式得到目标长度的最大测量误差：(2)取L1、L2最大为80m的测量距离，可以看到误差项随着测角（即目标的长度）变化而变化，应该看到随着测量点离目标距离越远，夹角的误差对测量精度的影响越大。随着测量距离越远，测量误差会越大，在80m距离处误差会达到4cm左右，在20m距离处误差会仅有1cm左右，对于杆塔本体的测量，这样的测量精度满足了实际测量的需求。
3.2测量策略
测量中，除了仪器的固定误差外，人为主观因素也是一个方面，如测量点的随机抖动，测量过程中的仪器回程误差都可以影响测量精度[3]，因此在测量过程中应注意：1）尽量固定测量点的位置，以保证两次长度测量的中心位置固定；2）调整角度的时候，尽量朝一个方向调整到位，防止回程误差影响夹角的精度；3）避免强光入射传感器，必要时可加遮光版。
4.结束语
本文针对电力系统中输电杆塔本体测量的应用场景，设计一种专用的测长方案，并给出了详细的仪器设计方案，对测量中的误差产生的客观和主观因素进行了分析，该测量仪器体积小，携带方便，测量精度高，极大的提高率了作业人员的工作效率，具有十分广阔的应用前景。
参考文献
[1]付宝臣.高精度激光测距仪硬件电路研究[D].南京理工大学,2007.
[2]孙兴信.脉冲式激光测距仪的硬件设计[D].电子科技大学,2014.
[3]董洪舟,杨若夫,敖明武,李绍荣,严高师.大量程激光测距仪精度检测系统[J].光电工程,2013,04:24-30.
[4]林盈侃,郭颖,黄庚华,舒嵘.激光测距仪距离模拟源技术研究与精海南职称度分析[J].红外与激光工程,2009,06:1089-1093.
[5]潘佳.短程手持式激光测距仪的研究与设计[D].华中师范大学,2014.
作者：洪行军 郝维瀚 施宏宇 陈吟 陈坚 单位：国网浙江金华市供电公司
