基于MEMS九軸傳感器的導線舞動監(jiān)測算法研究.pdf

1、導線舞動是一個長期困擾電網(wǎng)安全運行的重要問題，指的是高壓輸電線路在風的激勵作用下的震蕩運動，其特點是時間長，范圍大，輕者造成線路疲勞，磨損，重者桿塔倒塌，電網(wǎng)解列。上世紀五十年代以來，我國專家對舞動問題進行了各方面的研究工作，主要分為舞動成因分析，舞動監(jiān)測和舞動治理幾個領域。導線舞動實時監(jiān)測系統(tǒng)既能夠在舞動發(fā)生時進行預警，為電力系統(tǒng)安全運行提供保障，也能夠為研究導線舞動成因、預防和治理提供一手數(shù)據(jù)資料,由于高壓電線和桿塔一般建在人員相對

2、稀少的山上或者曠野，舞動監(jiān)測技術主要是依靠遠程技術手段，對輸電線路運動狀態(tài)進行實時監(jiān)測。
　　現(xiàn)有的監(jiān)測技術有視頻監(jiān)測和基于加速度傳感器的舞動軌跡監(jiān)測。視頻監(jiān)測系統(tǒng)較為直觀，但只能定性描述舞動運動狀態(tài)，并且受光線條件限制，難以在夜晚進行監(jiān)測。相比于視頻監(jiān)測，加速度傳感器通過對采集到的加速度數(shù)據(jù)進行二次積分得到監(jiān)測點的舞動位移，可以得到量化的舞動頻率、周期性位移的振幅(通常，舞動可以看做是局限空間內的周期性運動)等信息，其缺點是加速

3、度計讀數(shù)的變化并不一定是由于加速度造成的，扭轉同樣可以改變加速度計的讀數(shù)，這就會帶來一個問題，當測量點同時有比較大的扭轉又有平動加速度時，僅僅從加速度計的讀數(shù)無法區(qū)分扭轉和平移分量。傳統(tǒng)的僅僅基于加速度計的算法把測量點假設成一個質點，直接忽略舞動中的扭轉，其位移估算結果很難保證正確性。另一個重要問題是，加速度積分得到的僅僅是相對位移，這給還原整根導線的舞動帶來了挑戰(zhàn)。
　　隨著近年來MEMS微機電傳感器的普及，價格便宜，性能可靠的

4、MEMS九軸傳感器單元(包括三軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸磁力計)越來越多的應用在諸如手機，智能穿戴設備等領域，作為基礎的運動捕捉單元使用。這也給解決導線舞動監(jiān)測問題帶來了新的契機。采用九軸MEMS傳感器，不僅可以克服單獨使用加速度計受扭轉干擾的問題，得到單個測量點的運動狀態(tài)信息，還可以通過開發(fā)多傳感器聯(lián)合估計算法來實現(xiàn)整根導線舞動軌跡的在線還原。
　　針對單獨用加速度計估計測量點運動狀態(tài)的不足，我們開發(fā)出了一種基于MEMS九軸傳

5、感器的舞動估計還原架構，并通過仿真和硬件實驗對其準確性進行了測評，在實驗基礎上提出了一種新的偏差補償算法，實驗結果顯示經(jīng)過補償?shù)南到y(tǒng)，性能大大優(yōu)于只用加速度計估計的結果，不僅于此，我們還在單個測量單元的基礎上，針對整根導線的舞動軌跡的監(jiān)測，開發(fā)了基于多傳感器單元的還原算法，解決了長時間監(jiān)測的軌跡偏移問題。
　　本文的主要內容如下：
　　1.介紹傳統(tǒng)的只用加速度計進行二次積分估算位移的算法，分析其中的軌跡偏移問題，以及加速度計

6、受扭轉因素影響的原因；
　　2.對九軸傳感器的噪聲特性做介紹，為九軸架構的提出和誤差分析工作做一個鋪墊，這里我們重點討論如何采用阿倫方差技術，對實際傳感器的噪聲方差進行計算；以及如何對磁力計進行校正，給出了校正算法和仿真實驗結果。
　　3.設計提出九軸架構，詳細探討九軸架構相對傳統(tǒng)算法的巨大優(yōu)勢，根據(jù)仿真以及硬件實驗分析偏差原因，給出陀螺儀偏差的誤差傳播公式，以及基于卡爾曼濾波器的補償算法，經(jīng)過補償，位移幅值精度達到90%；