基于MEMS九轴传感器的导线舞动监测算法研究

摘要

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%；
　　4.设计多传感器还原算法模型，最优化解法以及性能测试，重点解决整根导线轨迹还原中遇到的弧长约束问题；
　　5.文章最后给出基于OpenGL的导线的三维可视化模型的实时测试。

目录

声明

主要符号对照表

第一章 绪论

1.1 导线舞动在线监测相关背景介绍

1.2 基于加速度传感器的舞动监测在整个监测系统中的位置

1.3 基于加速度传感器的导线舞动轨迹还原方法的缺陷

1.4 本文主要内容,研究思路以及创新点

第二章 加速度积分计算位移

2.1 基础原理分析

2.2 单个测量点舞动轨迹的两种典型模态

2.3 误差处理

2.4 基于三轴加速度计的（仅用加速度计）算法存在的问题

2.5 导线舞动算法合理化约束和假设

第三章 传感器噪声特性

3.1 陀螺仪噪声特性

3.2 加速度计噪声特性

3.3 阿伦方差(Allan Variance）

3.4 传感器仿真

3.5 陀螺仪直流偏差补偿方法

3.6 传感器校正算法

第四章 九轴架构估算位移与扭转

4.1 六轴姿态估计算法

4.2 九轴架构与三轴算法仿真对比

4.3 九轴架构的精确度评价标准设计

4.4 初始值误差（初始姿态、初始位移）对积分结果的影响

4.5 噪声方差随时间增加

第五章 九轴架构中陀螺仪零偏的误差分析与补偿算法

5.1 陀螺仪零偏对还原位移的影响

5.2 主要噪声源bω与扭转偏差?Rt的关系式

5.3 陀螺仪偏差补偿算法

5.4 现场试验

第六章 用多个传感器节点还原整根导线的轨迹

6.1 相关问题介绍

6.2 弧长参数曲线

6.3 实时的凸优化模型

6.4 初始值与模型初始可行解

6.5 连续估计性能测试

6.6 三维折线模型

6.7 实时可视化模型测试[1]

第七章 总结

7.1 本文主要工作

7.2 未来工作展望

参考文献

致谢

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