一种用于输电铁塔的轮步式装备工作状态监测方法及系统与流程

本发明涉及输电，特别涉及一种用于输电铁塔的轮步式装备工作状态监测方法及系统。

背景技术：

1、轮步式（轮腿复合）装备融合了轮式移动的高效性与腿式移动的强越障能力，已成为输电铁塔自动化作业的主流装备。其安全运行高度依赖精准的工作状态监测，其中，轮步式装备在与地面接触的过程中，腿部与地面结构的支撑接触状态监测是核心环节。

2、现有技术中，轮步式装备的支撑接触状态监测主要采用分布式压力传感器和接触式开关的静态测量方案，通过检测腿部与支撑面之间的接触力大小判断是否形成有效支撑。然而，传统静态力测量方法无法区分真接触与假接触，导致虚腿识别误判率高达25%-30%，严重威胁装备和作业安全。

3、上述问题的根本原因在于现有技术基于接触即有力、有力即有效的错误假设，未考虑特殊地面特有的线接触支撑特性和表面异常干扰。现有技术未能从接触过程的动态特征角度出发进行识别，也未形成多维度的验证机制，导致无法有效解决虚腿识别误判率高的行业难题。

技术实现思路

1、基于此，本发明的目的是提供一种用于输电铁塔的轮步式装备工作状态监测方法及系统，以解决现有技术的静态力测量方法无法区分真接触与假接触，导致虚退识别误判率较高的问题。

2、本发明实施例第一方面提出了：

3、一种用于输电铁塔的轮步式装备工作状态监测方法，其中，所述方法包括：

4、在轮步式装备每个轮腿处于完全悬空状态时，控制当前轮腿末端执行器沿预设切向方向做幅值恒定的往复运动，并对应采集驱动电机的电流-位移映射数据，以构建出各个轮腿的空载切向运动基准曲线；

5、在任意轮腿执行触地动作到达预设目标位置后，控制当前轮腿的法向关节输出力矩为零，并基于所述空载切向运动基准曲线向当前轮腿的切向驱动关节发送对应的正弦往复运动指令；

6、根据所述正弦往复运动指令采集当前轮腿的切向驱动关节的实际电流数据和编码器位移数据，以生成实际电流-位移曲线，并计算出所述电流-位移曲线与所述空载切向运动基准曲线之间的滞回环面积、非线性度系数和峰值电流偏差的特征参数；

7、将所述特征参数与预设参数阈值进行比对，并当各个所述特征参数均低于各自对应的参数阈值时，对应判定当前轮腿为虚腿状态。

8、本发明的有益效果是：本技术方案通过空载切向运动基准曲线预标定与触地后切向力学特征多维度比对的方式，从根本上解决了传统静态力测量方法无法区分真接触与假接触导致的虚腿识别误判率高的核心问题。方案利用轮腿真假接触状态下切向运动的力学响应本质差异，通过触地后法向力矩归零排除法向载荷干扰，仅基于现有驱动电机电流与编码器数据提取滞回环面积、非线性度系数和峰值电流偏差三类特征参数进行融合判定，无需额外加装力传感器，硬件成本低且实时性强。同时，每个轮腿独立构建空载基准曲线，可有效消除轮腿个体差异、安装误差与长期磨损带来的识别偏差，显著提升虚腿识别的准确率与鲁棒性，进而保障轮步式装备在复杂地形下的步态稳定性与行走安全性。

9、进一步的，所述对应采集驱动电机的电流-位移映射数据，以构建出各个轮腿的空载切向运动基准曲线的步骤包括：

10、在轮腿完全悬空且机身保持静止时，向切向驱动关节发送复合激励信号，并采集对应的电流、位移和加速度数据，以通过互相关分析分离出与激励信号同频的有效电流分量；

11、将所述轮步式装备的完整运动周期划分为若干运动阶段，并分别计算出各个运动阶段内电流随位移变化的斜率和截距，以检测出切向关节在不同运动状态下的粘性摩擦系数和等效阻尼系数，对应构建出分阶段的空载动力学模型；

12、基于所述空载动力学模型生成理论空载电流-位移曲线，以将实际采集的有效电流数据与所述理论空载电流-位移曲线进行残差分析，对应筛选出目标数据，并采用最小二乘法将所述目标数据进行拟合处理，以构建出所述空载切向运动基准曲线。

13、进一步的，所述基于所述空载动力学模型生成理论空载电流-位移曲线，以将实际采集的有效电流数据与所述理论空载电流-位移曲线进行残差分析，对应筛选出目标数据的步骤包括：

14、对各个运动阶段的电流-位移时序数据对执行格兰杰因果检验，以验证电流变化是否由位移变化单向因果驱动，并对应剔除因果关系不成立的数据段，以生成中间数据；

15、在所述中间数据内检测出所有轮腿在相同运动阶段、相同位移区间内的残差数据，以构建出多轮腿残差矩阵，并计算出各个轮腿残差与其他所有轮轨残差之间的皮尔逊相关系数，以对应标记出若干待验证数据点；

16、基于切向驱动电机的额定电流、堵转电流、关节最大输出力矩和末端执行器的最大运动加速度，构建出各个所述运动阶段的电流物理上下限边界，并判断各个所述待验证数据点的电流值是否在所述电流物理上下限边界的内部，以对应筛选出所述目标数据。

17、进一步的，所述基于所述空载切向运动基准曲线向当前轮腿的切向驱动关节发送对应的正弦往复运动指令的步骤包括：

18、对所述空载切向运动基准曲线进行分段拟合与物理参数解耦，以检测出当前轮腿在空载状态下的固有角频率、等效粘性阻尼系数和关节传动间隙补偿值，对应生成包含轮腿个体机械特性的基准运动参数集；

19、基于所述基准运动参数集，以所述固有角频率为基频，对应叠加谐波和谐波分量，以构建出复合正弦激励信号，并根据所述等效粘性阻尼系数对各个谐波分量的幅值进行加权修正，基于所述关节传动间隙补偿值对所述复合正弦激励信号的相位进行预偏移处理，以生成初始运动指令；

20、对所述初始运动指令进行动态修正处理，以生成所述正弦往复运动指令。

21、进一步的，所述对所述初始运动指令进行动态修正处理，以生成所述正弦往复运动指令的步骤包括：

22、采集输电铁塔在环境风荷载作用下的结构振动频谱数据，以检测出输电铁塔塔身的一阶固有振动频率与二阶固有振动频率，对应构建出输电铁塔的环境振动干扰特征库，并根据所述环境振动干扰特征库计算出当前时刻的振动加速度幅值与相位角；

23、将所述初始运动指令的时域信号转换为频域信号，以滤除与输电铁塔固有振动频率重叠的谐波分量，并根据所述振动加速度幅值和所述相位角对剩余谐波分量进行相位反相抵消处理，以生成抗干扰运动指令；

24、在切向运动置信过程中，同步采集其余已稳定触地轮腿的切向关节电流波动数据，以计算出多轮腿电流波动的互相关系数，并在所述互相关系数低于预设系数阈值时，对应将所述抗干扰运动指令设定为所述正弦往复运动指令。

25、进一步的，所述根据所述正弦往复运动指令采集当前轮腿的切向驱动关节的实际电流数据和编码器位移数据，以生成实际电流-位移曲线的步骤包括：

26、在各个正弦运动周期内插入两个等间隔的零速度停留段，并分别采集各个零速度停留段内的电流数据，以计算出平均基线电流，对应结合分段线性插值法生成全周期的动态电流基线；

27、基于所述动态电流基线，采集末端执行器的切向力数据与编码器位移数据，对应计算出切向力-位移曲线与电流-位移曲线的时序差分比值，并对应判断所述时序差分比值是否在预设比值阈值内；

28、若判断到所述时序差分比值在所述预设比值阈值内，采用滑动窗口标准差算法识别出所述电流-位移曲线中的若干极值点，并对若干所述极值点进行拟合处理，以对应生成所述实际电流-位移曲线。

29、进一步的，所述计算出所述电流-位移曲线与所述空载切向运动基准曲线之间的滞回环面积、非线性度系数和峰值电流偏差的特征参数的步骤包括：

30、以所述空载切向运动基准曲线的极值点为锚点，采用相位互相关算法对所述实际电流-位移曲线进行亚像素级相位对齐，以计算出对齐后的两条曲线的交叉点坐标，并根据所述交叉点坐标将整个运动周期划分为正向加载段、峰值保持段、反向卸载段以及谷值保持段；

31、对所述正向加载端和反向卸载段分别构建闭合多边形，采用自适应高斯-勒让德积分法计算出两个闭合多边形的面积并取平均值得到初始滞回环面积，并剔除两条曲线在所述峰值保持段和所述谷值保持段因机械间隙导致的重叠区域面积，以生成所述滞回环面积；

32、对所述正向加载端和反向卸载段进行线性回归拟合，以计算出拟合残差的标准差与曲线总幅值的比值，对应得到各段的非线性度系数，并检测出两条曲线在相同位移点处的最大电流差值，以设定为所述峰值电流偏差。

33、本发明实施例第二方面提出了：

34、一种用于输电铁塔的轮步式装备工作状态监测系统，其中，所述系统包括：

35、采集模块，用于在轮步式装备每个轮腿处于完全悬空状态时，控制当前轮腿末端执行器沿预设切向方向做幅值恒定的往复运动，并对应采集驱动电机的电流-位移映射数据，以构建出各个轮腿的空载切向运动基准曲线；

36、控制模块，用于在任意轮腿执行触地动作到达预设目标位置后，控制当前轮腿的法向关节输出力矩为零，并基于所述空载切向运动基准曲线向当前轮腿的切向驱动关节发送对应的正弦往复运动指令；

37、计算模块，用于根据所述正弦往复运动指令采集当前轮腿的切向驱动关节的实际电流数据和编码器位移数据，以生成实际电流-位移曲线，并计算出所述电流-位移曲线与所述空载切向运动基准曲线之间的滞回环面积、非线性度系数和峰值电流偏差的特征参数；

38、比对模块，用于将所述特征参数与预设参数阈值进行比对，并当各个所述特征参数均低于各自对应的参数阈值时，对应判定当前轮腿为虚腿状态。

39、进一步的，所述采集模块具体用于：

40、在轮腿完全悬空且机身保持静止时，向切向驱动关节发送复合激励信号，并采集对应的电流、位移和加速度数据，以通过互相关分析分离出与激励信号同频的有效电流分量；

41、将所述轮步式装备的完整运动周期划分为若干运动阶段，并分别计算出各个运动阶段内电流随位移变化的斜率和截距，以检测出切向关节在不同运动状态下的粘性摩擦系数和等效阻尼系数，对应构建出分阶段的空载动力学模型；

42、基于所述空载动力学模型生成理论空载电流-位移曲线，以将实际采集的有效电流数据与所述理论空载电流-位移曲线进行残差分析，对应筛选出目标数据，并采用最小二乘法将所述目标数据进行拟合处理，以构建出所述空载切向运动基准曲线。

43、进一步的，所述采集模块具体用于：

44、对各个运动阶段的电流-位移时序数据对执行格兰杰因果检验，以验证电流变化是否由位移变化单向因果驱动，并对应剔除因果关系不成立的数据段，以生成中间数据；

45、在所述中间数据内检测出所有轮腿在相同运动阶段、相同位移区间内的残差数据，以构建出多轮腿残差矩阵，并计算出各个轮腿残差与其他所有轮轨残差之间的皮尔逊相关系数，以对应标记出若干待验证数据点；

46、基于切向驱动电机的额定电流、堵转电流、关节最大输出力矩和末端执行器的最大运动加速度，构建出各个所述运动阶段的电流物理上下限边界，并判断各个所述待验证数据点的电流值是否在所述电流物理上下限边界的内部，以对应筛选出所述目标数据。

47、进一步的，所述控制模块具体用于：

48、对所述空载切向运动基准曲线进行分段拟合与物理参数解耦，以检测出当前轮腿在空载状态下的固有角频率、等效粘性阻尼系数和关节传动间隙补偿值，对应生成包含轮腿个体机械特性的基准运动参数集；

49、基于所述基准运动参数集，以所述固有角频率为基频，对应叠加谐波和谐波分量，以构建出复合正弦激励信号，并根据所述等效粘性阻尼系数对各个谐波分量的幅值进行加权修正，基于所述关节传动间隙补偿值对所述复合正弦激励信号的相位进行预偏移处理，以生成初始运动指令；

50、对所述初始运动指令进行动态修正处理，以生成所述正弦往复运动指令。

51、进一步的，所述控制模块具体用于：

52、采集输电铁塔在环境风荷载作用下的结构振动频谱数据，以检测出输电铁塔塔身的一阶固有振动频率与二阶固有振动频率，对应构建出输电铁塔的环境振动干扰特征库，并根据所述环境振动干扰特征库计算出当前时刻的振动加速度幅值与相位角；

53、将所述初始运动指令的时域信号转换为频域信号，以滤除与输电铁塔固有振动频率重叠的谐波分量，并根据所述振动加速度幅值和所述相位角对剩余谐波分量进行相位反相抵消处理，以生成抗干扰运动指令；

54、在切向运动置信过程中，同步采集其余已稳定触地轮腿的切向关节电流波动数据，以计算出多轮腿电流波动的互相关系数，并在所述互相关系数低于预设系数阈值时，对应将所述抗干扰运动指令设定为所述正弦往复运动指令。

55、进一步的，所述计算模块具体用于：

56、在各个正弦运动周期内插入两个等间隔的零速度停留段，并分别采集各个零速度停留段内的电流数据，以计算出平均基线电流，对应结合分段线性插值法生成全周期的动态电流基线；

57、基于所述动态电流基线，采集末端执行器的切向力数据与编码器位移数据，对应计算出切向力-位移曲线与电流-位移曲线的时序差分比值，并对应判断所述时序差分比值是否在预设比值阈值内；

58、若判断到所述时序差分比值在所述预设比值阈值内，采用滑动窗口标准差算法识别出所述电流-位移曲线中的若干极值点，并对若干所述极值点进行拟合处理，以对应生成所述实际电流-位移曲线。

59、进一步的，所述计算模块具体用于：

60、以所述空载切向运动基准曲线的极值点为锚点，采用相位互相关算法对所述实际电流-位移曲线进行亚像素级相位对齐，以计算出对齐后的两条曲线的交叉点坐标，并根据所述交叉点坐标将整个运动周期划分为正向加载段、峰值保持段、反向卸载段以及谷值保持段；

61、对所述正向加载端和反向卸载段分别构建闭合多边形，采用自适应高斯-勒让德积分法计算出两个闭合多边形的面积并取平均值得到初始滞回环面积，并剔除两条曲线在所述峰值保持段和所述谷值保持段因机械间隙导致的重叠区域面积，以生成所述滞回环面积；

62、对所述正向加载端和反向卸载段进行线性回归拟合，以计算出拟合残差的标准差与曲线总幅值的比值，对应得到各段的非线性度系数，并检测出两条曲线在相同位移点处的最大电流差值，以设定为所述峰值电流偏差。

63、本发明实施例第三方面提出了：

64、一种计算机，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上面所述的用于输电铁塔的轮步式装备工作状态监测方法。

65、本发明实施例第四方面提出了：

66、一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现如上面所述的用于输电铁塔的轮步式装备工作状态监测方法。

67、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。