基于MEMS九軸傳感器的導(dǎo)線舞動(dòng)監(jiān)測(cè)算法研究.pdf

1、導(dǎo)線舞動(dòng)是一個(gè)長(zhǎng)期困擾電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要問(wèn)題，指的是高壓輸電線路在風(fēng)的激勵(lì)作用下的震蕩運(yùn)動(dòng)，其特點(diǎn)是時(shí)間長(zhǎng)，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(jì)五十年代以來(lái)，我國(guó)專家對(duì)舞動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了各方面的研究工作，主要分為舞動(dòng)成因分析，舞動(dòng)監(jiān)測(cè)和舞動(dòng)治理幾個(gè)領(lǐng)域。導(dǎo)線舞動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)既能夠在舞動(dòng)發(fā)生時(shí)進(jìn)行預(yù)警，為電力系統(tǒng)安全運(yùn)行提供保障，也能夠?yàn)檠芯繉?dǎo)線舞動(dòng)成因、預(yù)防和治理提供一手?jǐn)?shù)據(jù)資料,由于高壓電線和桿塔一般建在人員相對(duì)

2、稀少的山上或者曠野，舞動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)主要是依靠遠(yuǎn)程技術(shù)手段，對(duì)輸電線路運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
　　現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)技術(shù)有視頻監(jiān)測(cè)和基于加速度傳感器的舞動(dòng)軌跡監(jiān)測(cè)。視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)較為直觀，但只能定性描述舞動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并且受光線條件限制，難以在夜晚進(jìn)行監(jiān)測(cè)。相比于視頻監(jiān)測(cè)，加速度傳感器通過(guò)對(duì)采集到的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行二次積分得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的舞動(dòng)位移，可以得到量化的舞動(dòng)頻率、周期性位移的振幅(通常，舞動(dòng)可以看做是局限空間內(nèi)的周期性運(yùn)動(dòng))等信息，其缺點(diǎn)是加速

3、度計(jì)讀數(shù)的變化并不一定是由于加速度造成的，扭轉(zhuǎn)同樣可以改變加速度計(jì)的讀數(shù)，這就會(huì)帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，當(dāng)測(cè)量點(diǎn)同時(shí)有比較大的扭轉(zhuǎn)又有平動(dòng)加速度時(shí)，僅僅從加速度計(jì)的讀數(shù)無(wú)法區(qū)分扭轉(zhuǎn)和平移分量。傳統(tǒng)的僅僅基于加速度計(jì)的算法把測(cè)量點(diǎn)假設(shè)成一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，直接忽略舞動(dòng)中的扭轉(zhuǎn)，其位移估算結(jié)果很難保證正確性。另一個(gè)重要問(wèn)題是，加速度積分得到的僅僅是相對(duì)位移，這給還原整根導(dǎo)線的舞動(dòng)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。
　　隨著近年來(lái)MEMS微機(jī)電傳感器的普及，價(jià)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(jì)、三軸陀螺儀、三軸磁力計(jì))越來(lái)越多的應(yīng)用在諸如手機(jī)，智能穿戴設(shè)備等領(lǐng)域，作為基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)捕捉單元使用。這也給解決導(dǎo)線舞動(dòng)監(jiān)測(cè)問(wèn)題帶來(lái)了新的契機(jī)。采用九軸MEMS傳感器，不僅可以克服單獨(dú)使用加速度計(jì)受扭轉(zhuǎn)干擾的問(wèn)題，得到單個(gè)測(cè)量點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，還可以通過(guò)開(kāi)發(fā)多傳感器聯(lián)合估計(jì)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)整根導(dǎo)線舞動(dòng)軌跡的在線還原。
　　針對(duì)單獨(dú)用加速度計(jì)估計(jì)測(cè)量點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不足，我們開(kāi)發(fā)出了一種基于MEMS九軸傳

5、感器的舞動(dòng)估計(jì)還原架構(gòu)，并通過(guò)仿真和硬件實(shí)驗(yàn)對(duì)其準(zhǔn)確性進(jìn)行了測(cè)評(píng)，在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出了一種新的偏差補(bǔ)償算法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)，性能大大優(yōu)于只用加速度計(jì)估計(jì)的結(jié)果，不僅于此，我們還在單個(gè)測(cè)量單元的基礎(chǔ)上，針對(duì)整根導(dǎo)線的舞動(dòng)軌跡的監(jiān)測(cè)，開(kāi)發(fā)了基于多傳感器單元的還原算法，解決了長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)的軌跡偏移問(wèn)題。
　　本文的主要內(nèi)容如下：
　　1.介紹傳統(tǒng)的只用加速度計(jì)進(jìn)行二次積分估算位移的算法，分析其中的軌跡偏移問(wèn)題，以及加速度計(jì)

6、受扭轉(zhuǎn)因素影響的原因；
　　2.對(duì)九軸傳感器的噪聲特性做介紹，為九軸架構(gòu)的提出和誤差分析工作做一個(gè)鋪墊，這里我們重點(diǎn)討論如何采用阿倫方差技術(shù)，對(duì)實(shí)際傳感器的噪聲方差進(jìn)行計(jì)算；以及如何對(duì)磁力計(jì)進(jìn)行校正，給出了校正算法和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　3.設(shè)計(jì)提出九軸架構(gòu)，詳細(xì)探討九軸架構(gòu)相對(duì)傳統(tǒng)算法的巨大優(yōu)勢(shì)，根據(jù)仿真以及硬件實(shí)驗(yàn)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(bǔ)償算法，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償，位移幅值精度達(dá)到90%；