基于MEMS九轴传感器的导线舞动监测算法研究.pdf

1、导线舞动是一个长期困扰电网安全运行的重要问题，指的是高压输电线路在风的激励作用下的震荡运动，其特点是时间长，范围大，轻者造成线路疲劳，磨损，重者杆塔倒塌，电网解列。上世纪五十年代以来，我国专家对舞动问题进行了各方面的研究工作，主要分为舞动成因分析，舞动监测和舞动治理几个领域。导线舞动实时监测系统既能够在舞动发生时进行预警，为电力系统安全运行提供保障，也能够为研究导线舞动成因、预防和治理提供一手数据资料,由于高压电线和杆塔一般建在人员相对

2、稀少的山上或者旷野，舞动监测技术主要是依靠远程技术手段，对输电线路运动状态进行实时监测。
　　现有的监测技术有视频监测和基于加速度传感器的舞动轨迹监测。视频监测系统较为直观，但只能定性描述舞动运动状态，并且受光线条件限制，难以在夜晚进行监测。相比于视频监测，加速度传感器通过对采集到的加速度数据进行二次积分得到监测点的舞动位移，可以得到量化的舞动频率、周期性位移的振幅(通常，舞动可以看做是局限空间内的周期性运动)等信息，其缺点是加速

3、度计读数的变化并不一定是由于加速度造成的，扭转同样可以改变加速度计的读数，这就会带来一个问题，当测量点同时有比较大的扭转又有平动加速度时，仅仅从加速度计的读数无法区分扭转和平移分量。传统的仅仅基于加速度计的算法把测量点假设成一个质点，直接忽略舞动中的扭转，其位移估算结果很难保证正确性。另一个重要问题是，加速度积分得到的仅仅是相对位移，这给还原整根导线的舞动带来了挑战。
　　随着近年来MEMS微机电传感器的普及，价格便宜，性能可靠的

4、MEMS九轴传感器单元(包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计)越来越多的应用在诸如手机，智能穿戴设备等领域，作为基础的运动捕捉单元使用。这也给解决导线舞动监测问题带来了新的契机。采用九轴MEMS传感器，不仅可以克服单独使用加速度计受扭转干扰的问题，得到单个测量点的运动状态信息，还可以通过开发多传感器联合估计算法来实现整根导线舞动轨迹的在线还原。
　　针对单独用加速度计估计测量点运动状态的不足，我们开发出了一种基于MEMS九轴传

5、感器的舞动估计还原架构，并通过仿真和硬件实验对其准确性进行了测评，在实验基础上提出了一种新的偏差补偿算法，实验结果显示经过补偿的系统，性能大大优于只用加速度计估计的结果，不仅于此，我们还在单个测量单元的基础上，针对整根导线的舞动轨迹的监测，开发了基于多传感器单元的还原算法，解决了长时间监测的轨迹偏移问题。
　　本文的主要内容如下：
　　1.介绍传统的只用加速度计进行二次积分估算位移的算法，分析其中的轨迹偏移问题，以及加速度计

6、受扭转因素影响的原因；
　　2.对九轴传感器的噪声特性做介绍，为九轴架构的提出和误差分析工作做一个铺垫，这里我们重点讨论如何采用阿伦方差技术，对实际传感器的噪声方差进行计算；以及如何对磁力计进行校正，给出了校正算法和仿真实验结果。
　　3.设计提出九轴架构，详细探讨九轴架构相对传统算法的巨大优势，根据仿真以及硬件实验分析偏差原因，给出陀螺仪偏差的误差传播公式，以及基于卡尔曼滤波器的补偿算法，经过补偿，位移幅值精度达到90%；