利用加速度还原振幅的数据处理

薛皓天 王直杰

【摘要】 由于安全检测条件的限制，激光传感器需要安装相应的反射板或挡板，消防车工作斗的晃动幅度检测方面目前还无法使用激光传感器或其他测距传感器去有效简便地测量正处于高空工作中的工作斗晃动情况，这种情况下，使用加速度计积分获得晃动速度和晃动幅度成为一种相对有效的方案，而该方案中，需要解决积分初值问题及传感器参数误差引起的最终计算结果误差。本文旨在设计一种相应的数据处理方案。

【关键词】 安全检测 传感器 数据处理 消防车

一、前言

一般的安全检测中，对于长度、距离、幅度等的参数检测一般都采用激光传感器测距的方式来实现[1]。但在消防车的安全检测中，工作状态下工作斗位于高空，在工作斗晃动的情况下无法保证激光传感器所需的遮挡或反射所需的条件。

在这种情况下，使用加速度计二次积分获得晃动幅度成为一种替代的可行的方案，在该方案中，需要解决积分初值问题及传感器参数误差引起的最终计算结果误差问题[2]。

二、数据误差及产生的原因

数据误差产生的一种原因是硬件装置正常工作时，下位机传送至上位机的数据中，静止状态下加速度等参数不为零。此时加速度不为零主要有两个影响因素：静止状态下装置不完全水平引起的重力分量误差、传感器自身的零点漂移，这两个影响因素需要先消去重力分量误差再消去零点漂移。

此外在测量中还存在脉冲信号误差（毛刺）。因此在做晃动幅度的运算之前，需要对下位机的加速度数据预先进行处理。

三、数据误差的处理

3.1 对重力分量误差的处理

加速度計中，Z轴方向上由于受到固定的重力影响，-Z方向（即朝正下方），有一个固定的G的重力加速度。实际使用中，由于装置水平状态安装下不能保证绝对水平，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，在运算前，需要先消去XYZ三轴方向上的分量[3]。

实际使用中，消除这部分误差的方法为通过三角函数计算重力分量：重力加速度G乘以测得的X方向上的角度的余弦即为X方向的重力分量，将X方向加速度减去该分量即可，Y方向上的处理方法相同。

3.2 对零点漂移的处理

加速度数据消去角度引起的重力分量后，静止时XYZ三方向上的数据仍然不为零，此时的误差即为零漂误差。

实际操作中，试验开始时装置处于静止状态，在试验数据记录开始时，先在静止状态下保持不动若干时间，此时算法统计这段时间内采样的数据，并求出平均值，之后传感器的测量值都减去对应的平均值。

3.3 对脉冲误差的处理

数据存在脉冲误差的含义是：在实际运行中有时会出现数值为很大或很小的单次采样值。对于这样的脉冲误差，处理方法采用限幅法[4]。

实际操作中，脉冲误差的值很大，而在现场状况中，使工作斗产生晃动的因素包括消防水炮喷射的启动、停止，重物落入工作斗的冲击响应，风力影响等，这些因素不可能让装置处于3个G的加速状态。因此，加速度数据大于3个G（29.4m/s2）时，判断该采样数据为脉冲误差，丢弃此数据，使用前一采样数据代替当前数据。

四、总结与讨论

本文讨论的几种对数据处理的方法基本上通过现场情况来观察和调整误差修正。使用的计算方法运算所需时间小，响应快，能满足较高的实时性数据处理要求。但是在精度方面，还无法将误差修正在一个较高精度的范围内。对于更高精度的要求，可以考虑插值[5]，滤波等方案。

在应用较高精度的传感器时，用加速度加速度计算位移、幅度以及路径的方案可以应用于许多方面，比如建筑物内管道构造的还原，食物进入人体消化道的运动路径等，因此本文的方法在这些场合下也具有参考意义。

参 考 文 献

[1] 张维光，赵宏. 线结构光多传感器三维测量系统误差校正方法[J]. 西安交通大学学报，2011，06：75-80.

[2] 王冠凌、凌有铸、于世海、陈曦，《数据融合技术在消防车检测系统中的研究》，《自动化与仪器仪表》2008年 第2期，

[3] 纪连恩，邹银龙，辛冰. 面向三维导航的智能终端传感器数据处理技术[J].计算机应用，2015，01：252-256+288.

[4] 聂西利. 数据融合算法的初步研究以及在数据采集系统中的应用[D].浙江大学，2006.

[5] 肖贵贤. 二次插值法在传感器数据处理中的应用[J]. 黄石理工学院学报，2007，04：54-56.