利用加速度還原振幅的數據處理

薛皓天 王直杰

【摘要】 由于安全檢測條件的限制，激光傳感器需要安裝相應的反射板或擋板，消防車工作斗的晃動幅度檢測方面目前還無法使用激光傳感器或其他測距傳感器去有效簡便地測量正處于高空工作中的工作斗晃動情況，這種情況下，使用加速度計積分獲得晃動速度和晃動幅度成為一種相對有效的方案，而該方案中，需要解決積分初值問題及傳感器參數誤差引起的最終計算結果誤差。本文旨在設計一種相應的數據處理方案。

【關鍵詞】 安全檢測 傳感器 數據處理 消防車

一、前言

一般的安全檢測中，對于長度、距離、幅度等的參數檢測一般都采用激光傳感器測距的方式來實現[1]。但在消防車的安全檢測中，工作狀態下工作斗位于高空，在工作斗晃動的情況下無法保證激光傳感器所需的遮擋或反射所需的條件。

在這種情況下，使用加速度計二次積分獲得晃動幅度成為一種替代的可行的方案，在該方案中，需要解決積分初值問題及傳感器參數誤差引起的最終計算結果誤差問題[2]。

二、數據誤差及產生的原因

數據誤差產生的一種原因是硬件裝置正常工作時，下位機傳送至上位機的數據中，靜止狀態下加速度等參數不為零。此時加速度不為零主要有兩個影響因素：靜止狀態下裝置不完全水平引起的重力分量誤差、傳感器自身的零點漂移，這兩個影響因素需要先消去重力分量誤差再消去零點漂移。

此外在測量中還存在脈沖信號誤差（毛刺）。因此在做晃動幅度的運算之前，需要對下位機的加速度數據預先進行處理。

三、數據誤差的處理

3.1 對重力分量誤差的處理

加速度計中，Z軸方向上由于受到固定的重力影響，-Z方向（即朝正下方），有一個固定的G的重力加速度。實際使用中，由于裝置水平狀態安裝下不能保證絕對水平，因此-Z方向的重力加速度在X方向和Y方向都可能有分量，在運算前，需要先消去XYZ三軸方向上的分量[3]。

實際使用中，消除這部分誤差的方法為通過三角函數計算重力分量：重力加速度G乘以測得的X方向上的角度的余弦即為X方向的重力分量，將X方向加速度減去該分量即可，Y方向上的處理方法相同。

3.2 對零點漂移的處理

加速度數據消去角度引起的重力分量后，靜止時XYZ三方向上的數據仍然不為零，此時的誤差即為零漂誤差。

實際操作中，試驗開始時裝置處于靜止狀態，在試驗數據記錄開始時，先在靜止狀態下保持不動若干時間，此時算法統計這段時間內采樣的數據，并求出平均值，之后傳感器的測量值都減去對應的平均值。

3.3 對脈沖誤差的處理

數據存在脈沖誤差的含義是：在實際運行中有時會出現數值為很大或很小的單次采樣值。對于這樣的脈沖誤差，處理方法采用限幅法[4]。

實際操作中，脈沖誤差的值很大，而在現場狀況中，使工作斗產生晃動的因素包括消防水炮噴射的啟動、停止，重物落入工作斗的沖擊響應，風力影響等，這些因素不可能讓裝置處于3個G的加速狀態。因此，加速度數據大于3個G（29.4m/s2）時，判斷該采樣數據為脈沖誤差，丟棄此數據，使用前一采樣數據代替當前數據。

四、總結與討論

本文討論的幾種對數據處理的方法基本上通過現場情況來觀察和調整誤差修正。使用的計算方法運算所需時間小，響應快，能滿足較高的實時性數據處理要求。但是在精度方面，還無法將誤差修正在一個較高精度的范圍內。對于更高精度的要求，可以考慮插值[5]，濾波等方案。

在應用較高精度的傳感器時，用加速度加速度計算位移、幅度以及路徑的方案可以應用于許多方面，比如建筑物內管道構造的還原，食物進入人體消化道的運動路徑等，因此本文的方法在這些場合下也具有參考意義。

參 考 文 獻

[1] 張維光，趙宏. 線結構光多傳感器三維測量系統誤差校正方法[J]. 西安交通大學學報，2011，06：75-80.

[2] 王冠凌、凌有鑄、于世海、陳曦，《數據融合技術在消防車檢測系統中的研究》，《自動化與儀器儀表》2008年 第2期，

[3] 紀連恩，鄒銀龍，辛冰. 面向三維導航的智能終端傳感器數據處理技術[J].計算機應用，2015，01：252-256+288.

[4] 聶西利. 數據融合算法的初步研究以及在數據采集系統中的應用[D].浙江大學，2006.

[5] 肖貴賢. 二次插值法在傳感器數據處理中的應用[J]. 黃石理工學院學報，2007，04：54-56.