基于姿态识别的高精度立杆监测传感器的设计

张远征

（1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400039）

改革开放以来，我国经济高速发展，城市发展日新月异，城市中的电线杆、行道树等（统称立杆）遍布于城市的各个角落。随着岁月的洗礼，长期受到地壳运动、天气变化、人为活动等不可抗拒因素的影响，立杆存在随时发生倾斜、倒塌的趋势，不仅给抢修救灾工作带来重重的阻碍，有可能影响甚至严重危害国民经济的发展和稳定以及人们的生命财产安全[1-5]。

目前，立杆的维护仍然采用人工被动巡检，不仅费时费力且无法实现全天候、无死角的状态实时监测。随着我国近年来移动物联网信息技术的快速进步和发展，“智慧城市”的建设及相关技术应用不断深入，市政、园林等企事业单位希望能够高效地利用传感器自动对立杆进行实时安全监管。

为此，提出了基于姿态识别技术的立杆倾斜监测传感器。使用该传感器可以实现对立杆的姿态全天候实时测量、动态智能感知预警，辅助监管单位能及时发现存在的安全隐患，能及时修缮存在隐患的立杆，保护人们的生命财产安全。

1 姿态识别技术原理

采用三轴加速度对静态物体进行姿态识别，是一种准确、可靠的方法。它不仅具有成本低，结构简单，还具有安装、维护简单的优点，因此该技术逐渐在许多行业开花结果。

姿态检测原理是三轴加速度芯片在静止状态下只承受重力作用，重力g在芯片的X，Y，Z轴的分量即可表征物体的姿态（如图1 所示）。X，Y，Z轴与芯片封装的三轴棱边平行且相互垂直。当芯片处于水平姿态时，X轴和Y轴与水平面重合，其重力分量为0g，Z轴垂直于水平面，其重力分量为1g，方向与重力方向相反[6]。在表征芯片的姿态时，以水平面状态下的三轴坐标系作为基准姿态，如图1a 所示。

图1 芯片姿态示意图Fig.1 Diagrammatic sketch of chip attitude

当芯片姿态发生改变时，X，Y，Z轴的指向也随之发生变化。此时，芯片X轴与基准坐标X轴的夹角设为θ，Y轴与基准坐标Y 轴的夹角设为Ψ，Z轴与基准坐标Z轴的夹角设为Φ，如图1b 所示。保持芯片处于静止状态下，通过测量X，Y，Z轴上重力分量AXout，AYout和AZout的大小，即可计算得出X，Y，Z轴的变化夹角θ，Ψ，Φ 的大小为[7-8]

通过对变化夹角θ，Ψ 和Φ 的检测，即可对物体姿态进行描述，从而识别判断特定姿态[9]。

2 传感器设计

立杆的姿态变化最显著的情形就是倾斜、倒塌。正常情况下立杆姿态为垂直状态，当发生倾斜、倒塌时，立杆将在一定时间内产生倾斜角。因此，在实际应用中，只需检测立杆当前状态与垂直状态下所产生的夹角，便能计算出立杆在X，Y，Z轴的姿态变化夹角，再结合时间变量t，便可对姿态倾斜趋势做出实时预警。立杆倾斜角度的测量模型如图2 所示，θ 为其中一个轴方向上的姿态变化夹角[10-12]。

图2 倾斜角度测量模型Fig.2 Tilt angle measurement model

2.1 硬件电路设计

出于对成本、功耗、体积和生产维护便利性的考虑，电路只考虑不可或缺的部分，主要由三轴加速度传感芯片电路、单片机控制电路、温度测量电路、温度闭环控制电路、RS485 输出电路、监测姿态指示电路等六部分组成。其中，设计传感器性能指标的关联电路为三轴加速度传感芯片电路和温度测量电路。传感器电路如图3 所示。

图3 传感器电路原理Fig.3 Schematic of sensor circuit

2．1．1 三轴加速度传感芯片电路

三轴加速度传感芯片采用ADI 公司ADXL335三轴加速度芯片。该芯片具有功耗低，抗冲击、抗电磁干扰和输出驱动能力强的特点。三轴加速度传感芯片如图4 所示。

图4 三轴加速度传感芯片Fig.4 Three-axis acceleration sensor chip

由图可见，ADXL335 具有X，Y，Z轴3 个模拟输出端口，在各轴的输出端口增添了滤波电容CX，CY，CZ，从而提高X，Y，Z轴抗高频振动干扰的性能[13]。另外，ADXL335 芯片还具有自校准功能，当单片机施加自校准激励信号后，输出固定幅值的模拟信号，实现对传感器自校准和故障检测功能。

2．1．2 温度采集电路

为实现温度的自适应补偿，传感器需对加速度测量模块进行高精度温度测量，对微处理器进行温度补偿和实时温度控制等闭环操作。故在此，传感器选用美国Microchip 公司的MCP9701 线性有源热敏电阻集成电路，如图5 所示。它具有结构简单，测量精度高，稳定可靠、价格便宜的优点。

图5 温度采集电路Fig.5 Temperature acquisition circuit

2.2 软件设计

单片机实时对三轴加速度传感芯片的X，Y，Z轴3 个模拟输出量进行AD 采样，并计算出X，Y，Z轴的重力分量AXout，AYout，AZout，再通过式（1）～式（3）分别计算出立杆姿态夹角θ，Ψ，Φ。最后，由单片机根据时间变量t和姿态角θ，Ψ，Φ 进行立杆的姿态预警：当时间变量t大于某设定常量，且姿态夹角θ，Ψ，Φ 也大于设定的预警门限值，则输出预警姿态；当姿态夹角θ，Ψ，Φ 小于设定的解除门限值，则解除姿态预警[14]。

为提高传感器的预警准确性，设计了预警门限自动更新功能。当检测到的任一轴上的姿态夹角α在连续的一段时间内处于一个稳定数值范围，则传感器会根据这个角度智能更新预警门限，进而提高预警准确性[6]。预警门限自动更新流程如图6所示。

图6 预警门限自动更新流程Fig.6 Automatic updating flow chart of early-warning threshold

3 传感器自适应温度补偿技术及测试

由于立杆监测传感器固定于被测立杆上，长期经受风吹雨淋，四季、早晚温度变化较大，而工作方式为长时间连续监测，且三轴加速度芯片会随着环境温度的变化而产生温度漂移，导致立杆姿态监测存在测量偏差，影响立杆姿态监测的准确性和预警的真实性。因此需进行传感器自适应温度补偿技术的研究[15]。

自适应温度补偿技术采用结构与软、硬件整体融合的设计方法。针对自适应恒温结构体的制备，先将金属陶瓷发热体和金属结构件采用机械过盈结合方式，制备出立方体状结构体，再将加速度测量模块嵌入结构体内，最后采用浇封工艺制备成一个整体。针对自适应温度补偿，在外部增加1 个温度测量装置和1 个金属陶瓷发热体控制装置，用于温度的实时采集和金属陶瓷发热体的智能闭环控制，保持结构体内加速度测量模块始终工作在环境范围20～40 ℃的理想温度状态下。加速度测量模块结构体如图7 所示。

图7 加速度测量模块结构体示意图Fig.7 Diagrammatic sketch of acceleration measurement module structure

为验证加速度测量模块自适应温度补偿的实际效果，将模块整体放入高低温试验箱内进行模拟对比试验，其测试数据见表1。测试结果表明，传感器在工作范围-10～50 ℃内，温度影响误差控制在FS 0．5%。

表1 自校准温度补偿试验结果Tab.1 Self-calibration temperature compensation test results

4 结语

在介绍电线杆、基站塔、行道树等（立杆）姿态监测重要意义的背景下，首次提出了基于姿态识别技术的高精度立杆监测传感器。采用理论分析、温度自适应补偿技术的研究和传感器性能测试验证，进行了试验结果对比及误差分析。试验结果表明，立杆倾斜监测传感器实现了0°～90°的角度测量，测量灵敏度小于±0．5°，在测量范围内线性误差不大于FS0．5%，满足了-10～50 ℃宽温度范围内的高精度稳定测量的要求，特别适用于城市户外大量电线杆、基站塔、行道树的高精度状态监测，为推动智慧城市的建设和发展，落实物联网概念做出贡献。