基于姿態識別的高精度立桿監測傳感器的設計

張遠征

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶400039）

改革開放以來，我國經濟高速發展，城市發展日新月異，城市中的電線桿、行道樹等（統稱立桿）遍布于城市的各個角落。隨著歲月的洗禮，長期受到地殼運動、天氣變化、人為活動等不可抗拒因素的影響，立桿存在隨時發生傾斜、倒塌的趨勢，不僅給搶修救災工作帶來重重的阻礙，有可能影響甚至嚴重危害國民經濟的發展和穩定以及人們的生命財產安全[1-5]。

目前，立桿的維護仍然采用人工被動巡檢，不僅費時費力且無法實現全天候、無死角的狀態實時監測。隨著我國近年來移動物聯網信息技術的快速進步和發展，“智慧城市”的建設及相關技術應用不斷深入，市政、園林等企事業單位希望能夠高效地利用傳感器自動對立桿進行實時安全監管。

為此，提出了基于姿態識別技術的立桿傾斜監測傳感器。使用該傳感器可以實現對立桿的姿態全天候實時測量、動態智能感知預警，輔助監管單位能及時發現存在的安全隱患，能及時修繕存在隱患的立桿，保護人們的生命財產安全。

1 姿態識別技術原理

采用三軸加速度對靜態物體進行姿態識別，是一種準確、可靠的方法。它不僅具有成本低，結構簡單，還具有安裝、維護簡單的優點，因此該技術逐漸在許多行業開花結果。

姿態檢測原理是三軸加速度芯片在靜止狀態下只承受重力作用，重力g在芯片的X，Y，Z軸的分量即可表征物體的姿態（如圖1 所示）。X，Y，Z軸與芯片封裝的三軸棱邊平行且相互垂直。當芯片處于水平姿態時，X軸和Y軸與水平面重合，其重力分量為0g，Z軸垂直于水平面，其重力分量為1g，方向與重力方向相反[6]。在表征芯片的姿態時，以水平面狀態下的三軸坐標系作為基準姿態，如圖1a 所示。

圖1 芯片姿態示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of chip attitude

當芯片姿態發生改變時，X，Y，Z軸的指向也隨之發生變化。此時，芯片X軸與基準坐標X軸的夾角設為θ，Y軸與基準坐標Y 軸的夾角設為Ψ，Z軸與基準坐標Z軸的夾角設為Φ，如圖1b 所示。保持芯片處于靜止狀態下，通過測量X，Y，Z軸上重力分量AXout，AYout和AZout的大小，即可計算得出X，Y，Z軸的變化夾角θ，Ψ，Φ 的大小為[7-8]

通過對變化夾角θ，Ψ 和Φ 的檢測，即可對物體姿態進行描述，從而識別判斷特定姿態[9]。

2 傳感器設計

立桿的姿態變化最顯著的情形就是傾斜、倒塌。正常情況下立桿姿態為垂直狀態，當發生傾斜、倒塌時，立桿將在一定時間內產生傾斜角。因此，在實際應用中，只需檢測立桿當前狀態與垂直狀態下所產生的夾角，便能計算出立桿在X，Y，Z軸的姿態變化夾角，再結合時間變量t，便可對姿態傾斜趨勢做出實時預警。立桿傾斜角度的測量模型如圖2 所示，θ 為其中一個軸方向上的姿態變化夾角[10-12]。

圖2 傾斜角度測量模型Fig.2 Tilt angle measurement model

2.1 硬件電路設計

出于對成本、功耗、體積和生產維護便利性的考慮，電路只考慮不可或缺的部分，主要由三軸加速度傳感芯片電路、單片機控制電路、溫度測量電路、溫度閉環控制電路、RS485 輸出電路、監測姿態指示電路等六部分組成。其中，設計傳感器性能指標的關聯電路為三軸加速度傳感芯片電路和溫度測量電路。傳感器電路如圖3 所示。

圖3 傳感器電路原理Fig.3 Schematic of sensor circuit

2．1．1 三軸加速度傳感芯片電路

三軸加速度傳感芯片采用ADI 公司ADXL335三軸加速度芯片。該芯片具有功耗低，抗沖擊、抗電磁干擾和輸出驅動能力強的特點。三軸加速度傳感芯片如圖4 所示。

圖4 三軸加速度傳感芯片Fig.4 Three-axis acceleration sensor chip

由圖可見，ADXL335 具有X，Y，Z軸3 個模擬輸出端口，在各軸的輸出端口增添了濾波電容CX，CY，CZ，從而提高X，Y，Z軸抗高頻振動干擾的性能[13]。另外，ADXL335 芯片還具有自校準功能，當單片機施加自校準激勵信號后，輸出固定幅值的模擬信號，實現對傳感器自校準和故障檢測功能。

2．1．2 溫度采集電路

為實現溫度的自適應補償，傳感器需對加速度測量模塊進行高精度溫度測量，對微處理器進行溫度補償和實時溫度控制等閉環操作。故在此，傳感器選用美國Microchip 公司的MCP9701 線性有源熱敏電阻集成電路，如圖5 所示。它具有結構簡單，測量精度高，穩定可靠、價格便宜的優點。

圖5 溫度采集電路Fig.5 Temperature acquisition circuit

2.2 軟件設計

單片機實時對三軸加速度傳感芯片的X，Y，Z軸3 個模擬輸出量進行AD 采樣，并計算出X，Y，Z軸的重力分量AXout，AYout，AZout，再通過式（1）～式（3）分別計算出立桿姿態夾角θ，Ψ，Φ。最后，由單片機根據時間變量t和姿態角θ，Ψ，Φ 進行立桿的姿態預警：當時間變量t大于某設定常量，且姿態夾角θ，Ψ，Φ 也大于設定的預警門限值，則輸出預警姿態；當姿態夾角θ，Ψ，Φ 小于設定的解除門限值，則解除姿態預警[14]。

為提高傳感器的預警準確性，設計了預警門限自動更新功能。當檢測到的任一軸上的姿態夾角α在連續的一段時間內處于一個穩定數值范圍，則傳感器會根據這個角度智能更新預警門限，進而提高預警準確性[6]。預警門限自動更新流程如圖6所示。

圖6 預警門限自動更新流程Fig.6 Automatic updating flow chart of early-warning threshold

3 傳感器自適應溫度補償技術及測試

由于立桿監測傳感器固定于被測立桿上，長期經受風吹雨淋，四季、早晚溫度變化較大，而工作方式為長時間連續監測，且三軸加速度芯片會隨著環境溫度的變化而產生溫度漂移，導致立桿姿態監測存在測量偏差，影響立桿姿態監測的準確性和預警的真實性。因此需進行傳感器自適應溫度補償技術的研究[15]。

自適應溫度補償技術采用結構與軟、硬件整體融合的設計方法。針對自適應恒溫結構體的制備，先將金屬陶瓷發熱體和金屬結構件采用機械過盈結合方式，制備出立方體狀結構體，再將加速度測量模塊嵌入結構體內，最后采用澆封工藝制備成一個整體。針對自適應溫度補償，在外部增加1 個溫度測量裝置和1 個金屬陶瓷發熱體控制裝置，用于溫度的實時采集和金屬陶瓷發熱體的智能閉環控制，保持結構體內加速度測量模塊始終工作在環境范圍20～40 ℃的理想溫度狀態下。加速度測量模塊結構體如圖7 所示。

圖7 加速度測量模塊結構體示意圖Fig.7 Diagrammatic sketch of acceleration measurement module structure

為驗證加速度測量模塊自適應溫度補償的實際效果，將模塊整體放入高低溫試驗箱內進行模擬對比試驗，其測試數據見表1。測試結果表明，傳感器在工作范圍-10～50 ℃內，溫度影響誤差控制在FS 0．5%。

表1 自校準溫度補償試驗結果Tab.1 Self-calibration temperature compensation test results

4 結語

在介紹電線桿、基站塔、行道樹等（立桿）姿態監測重要意義的背景下，首次提出了基于姿態識別技術的高精度立桿監測傳感器。采用理論分析、溫度自適應補償技術的研究和傳感器性能測試驗證，進行了試驗結果對比及誤差分析。試驗結果表明，立桿傾斜監測傳感器實現了0°～90°的角度測量，測量靈敏度小于±0．5°，在測量范圍內線性誤差不大于FS0．5%，滿足了-10～50 ℃寬溫度范圍內的高精度穩定測量的要求，特別適用于城市戶外大量電線桿、基站塔、行道樹的高精度狀態監測，為推動智慧城市的建設和發展，落實物聯網概念做出貢獻。