基于姿态识别技术的风筒风量开关传感器设计.pdf

第 4 2卷 第 9期 2 0 1 6年 9月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i ne Au t o ma t i on V0 1 ． 4 2 No． 9 S e p ． 2 01 6 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 9 0 0 0 9 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 9 ． 0 0 3 张远征． 基于姿态识别技术的风筒风量开关传感器设计F J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 9 9 - 1 2 ． 基于姿态识别技术的风筒风量开关传感器设计 张 远 征 ， 1 ． 中煤 科工 集 团重庆 研究 院有 限公 司 ， 重 庆4 0 0 0 3 9 ； 2 ． 瓦 斯灾 害监 控 与应急 技术 国家 重点 实验 室 ， 重 庆4 0 0 0 3 7 摘要 针对现有铁 架式风筒风量开关传感器存在 生产调试复杂、 安装维护不便 、抗电磁干扰能力弱等问 题 ， 设计 了一种基 于姿 态识别技 术的风 筒风 量 开关传 感 器 。该 传感 器 采 用三 轴加 速 度传 感 芯 片静 态姿 态检 测原理 ， 实现 了风筒风量开关状态检测 。实际应用表 明， 该传感器检测可靠稳定， 调试安装简便 ， 抗 电磁干扰 能 力 强 。 关 键词 矿 用风 筒 ；风 量 开关传 感 器 ； 姿 态识 别 ； 姿 态检 测 ；判 决 门限 自动 更新 ； 三 轴加速 度传 感 芯片 中图分类 号 T D7 2 3 文 献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 6 0 9 0 2 1 0 0 8 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 O 1 6 0 9 0 2 ． 1 0 0 8 ． 0 0 3 ． h t ml De s i g n o f a i r f l o w s wi t c h s e ns o r o f a i r d uc t ba s e d o n a t t i t u de r e c o g n i t i o n t e c h n o l o g y ZH ANG Yua nz he n g ’ 1． C CTEG Ch o n g q i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e ，Ch o n g q i n g 4 0 0 0 3 9 ， Ch i n a ；2． S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f t h e Ga s Di s a s t e r De t e c t i ng，Pr e v e nt i ng a n d Eme r ge nc y Co nt r o l l i ng， Cho ng q i ng 4 0 0 0 37， Ch i na Ab s t r a c t I n v i e w o f p r o b l e ms o f c o mp l e x p r o d u c t i o n a n d c o mmi s s i o n i n g，i n c o n v e n i e n t i n s t a l l a t i o n a n d m a i n t e n a nc e，po o r a nt i - e l e c t r o m a gne t i c i nt e r f e r e nc e e xi s t e d i n a i r f l o w s e ns o r of c o a l m i n e a i r du c t ba s e d o n i r o n f r a me ，a n a i r f l o w s wi t c h s e n s o r o f a i r d u c t b a s e d o n a t t i t u d e r e c o g n i t i o n t e c h n o l o g y wa s d e s i g n e d． The s e ns or a d op t s pr i nc i pl e o f 3 a x i s a c c e l e r a t i on s e ns o r c h i p a t t i t u de de t e c t i o n t o a c h i e v e s t a t e d e t e c t i o n o f a i r f l o w s wi t c h o f a i r d u c t ．Th e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s h o ws t h a t t h e s e n s o r h a s a d v a n t a g e s s u c h a s s t a b l e a nd r e l i a bl e i n de t e c t i o n， s i m p l e a n d c on v e ni e nc e i n i ns t a l l a t i on a nd ma i n t e n a nc e， s t r o ng i n a n t i e l e c t r oma g ne t i c i n t e r f e r e nc e． Ke y wo r d smi ne us e d a i r du c t ’9 a i r f l ow s wi t c h s e ns o r； a t t i t u de r e c og ni t i o n； a t t i t u de d e t e c t i o n； t hr e s h ol d a u t o m a t i c up da t e；3 a x i s a c c e l e r a t i on s e ns or c h i p 0 引言 矿井通风是煤矿安全生产的重要保障 ， 风筒风 量开关传感器是检测矿用软质风筒通风状态的重要 设备。 目前该类传感器几乎都是铁架式， 如图 1所 示 。它采用挂环悬挂安装 ， 铁架环抱骑跨于风筒 之 上 。当风筒有风时， 风筒鼓胀撑开铁架 ， 使得磁铁靠 近主机 ， 触发主机内部干簧管导通 ； 当风筒风量不足 时 ， 风筒干瘪下垂 ， 铁架收拢 ， 使得磁铁远离主机， 触 发 内部干簧管断开 。 该类传感器存在以下问题 ① 体积大 、 质量重 ， 从生产运输到安装维护十分不便 。② 生产 、 调试比 较 复杂 ， 常见 的矿 用风筒 以直 径不 同分 为多种 规格 ， 每个规格 的风筒需要对应规格 的铁架_ 1 ] ， 每个规格 所需的生产、 调试标准也不同。③ 长时间处于井下 会因锈蚀而难 以动作， 进而失效 。④ 采用的干簧管 磁 场接 近检 测原理 本 身对 电磁 干扰 抵抗 能力较 差 。 针对上述 问题 ， 笔者设计了一 种基于姿态识别 技术 的矿用风筒风量开关传感器。将 2片三轴加速 度传感芯片 内置于传感器的2 个表头 ， 表头 与柔性 收稿 日期 2 0 1 6 0 1 1 9 ； 修回 日期 2 0 1 6 0 5 1 6 ； 责任编辑 张强。 基金项 目 重 庆 市 煤 监 局 2 0 1 4年 煤 炭 发 展 专 项 资 金 项 目 渝 煤 [ 2 0 1 4 ] 一 k j 一 0 9 ； 中 国 煤炭 科 工 集 团有 限 公 司 科 技 创 新 基 金 面 上 项 目 2 0 1 4 M S 02 5 。 作者简介 张远征 1 9 8 1 一 ， 男 ， 重庆人 ， 助理研究员 ， 硕士 ， 现主要从事矿用安全仪 器仪表 的研发工作 ， E - ma i l l i v e l y z y z 1 2 6 ． c o rn。 2 0 1 6年 第 9期 张远征 基 于姿 态识 别技 术 的风 筒风 量开 关传 感器设 计 1 1 X 轴偏离参考轴 X 的角度 ， 0 为副表头 X 轴偏 离参考轴 x 的角度 。另外 ， 由于 a z与 6 } z 互余 ， 虾 与 6 } F 互余 ， 最终可得 a z一 9 。o_ z 一 9 。o _ a r c t a n ，⋯ A xout,Z 4 a 一 。 。 。0 一 。 。 a r c t a n ．⋯ A ．xout,F 5 式中 Ax 。 ． z ， Ay 0 ． z 和 AZ o z 分 别 为重 力 g在 X 轴 ， y 轴和 Z 轴 上的分 量 ； A t l F ， Ay 0 ， 和 Az 0 。 分别为重力 g在 X 轴 ， y2 轴和 Z 轴上的分量。 x ●’ ， ， 、 ． 表头夹角 ．， 一 ／ ／ 、 、 图 4表 头 夹 角 计 算 不 意 图 传感器在检测表头夹角 之后 ， 与设定 门限比 较 ， 输出 1 ／ 5 mA开关量电流信号 ， 并用红绿双色发 光 二极 管指 示 通 风状 态 。判 决 门 限必 须 为双 门 限 ， 即开 门限和 关 门限不 同 ， 存在 一 定裕 量 ， 以防止 角度 在 门 限附近 时频 繁 触发 ， 造成 误 报 。 当表头通信线长度 固定时， 风筒尺寸越小 ， 则表 头 夹角 a越小 ， 越 不利 于检 测 。 目前 ， 风 筒最 小 尺寸 是 3 O 0 mm， 在西部小规模煤 矿 中有极 少量使用 。 如 图 3所示 ， 表 头与 风 筒 表 面 相 切 ， 当夹 角 a为 6 O 。 时 ， 根据 勾 股定 理 ， 切线 即图 中虚线 长度 为半 径 的 √ 3 倍 ， 约 2 5 0 mm， 表头通信线长度就是切线长度的 2倍。经过理论计算 和现场试验 ， 表头通信线长度 固定 为 5 0 0 mm， 可 满足各 种 规格 风筒 使用 要求 。 2 ． 2传 感器硬 件 电路 设计 根据测量原理和设计功能 ， 传感器硬件 电路组 成 如 图 5 所 示 ， 主要 包 括三轴 加 速度传 感 芯片 电路 、 单片机 、 1 ／ 5 1 T I A 开关量电流输 出电路 、 风筒通风状 态指示 电路。其 中， 三 轴加 速度 传感 芯片 电路 和 1 ／ 5 mA 开关 量 电流输 出电路是 设 计 的关 键 点 。 鼹 卜 l度 传 感 芯 片 电 路 l 苴 片 机 『 度传感芯片电路l 图 5 传感器硬件 电路组成 2 ． 2 ． 1 三轴加速度传感芯片电路 传感器采 用 ADX L 3 3 5三轴加速度 传感芯片 ， 它具有功耗低 、 抗冲击能力强 、 温漂小和驱动能力强 的特点。三轴加速度传感芯片结构如图 6所示 。 3V M 图 6 三轴加速度传感芯片结构 每 片 AD XL 3 3 5有 3个模 拟输 出引脚 分 别对 应 X， y， Z三 轴 ， 在输 出端 添加 滤波 电容 C ， C y ， C ， 可 抑制风筒上的高频振动干扰 。除此之外， 芯片还有 自测引脚 ， 单片机施加测试有效信号后， 芯片模拟输 出会出现固定幅值 的变化 。利用这个功能引脚 ， 传 感器实现了故障检测功能。 2 ． 2 ． 2 1 ／ 5 mA 开关量 电流 输 出电路 传感器 的 1 ／ 5 mA开关 量 电流输 出 电路 采用 L DO芯 片与 光耦 来 实现 ， 如 图 7 所 示 。单 片机 的控 制信号为 E n和 C t r l ， 电流输出信号为 I 。 ⋯L DO芯 片 I C 3的电源 输 出 由 E n控 制 ， 当其 置 低 时 ， I C 3无 电源 输 出 ， 。 为 0 ； 当 E n置高 时 ， I C 3有 1 2 V 电源 输入 。在 I C 3的 V。 与 Ad j之 间 的 电 压 固定 为 1 ． 2 5 V， Ad j 的漏 电 流在 A 量 级 ， 因此 ， J 由 2条 回路得到 一路 由 R 构成 ， 调节其 电阻大小即可输 出1 mA 电流 ； 另 一 路 由 R 和光 耦 I C 4构 成 ， 调 节 R 电阻大小 可使 该 路 输 出 4 I n A 电 流 。单 片 机 输 出的控制信号 C t r l 可控制后者通断 ， 实现 1 ／ 5 mA 电流 的输 出 。 1 2V 图 7 1 ／ 5 mA 开 关 量 电 流 输 出 电 路 2 ． 3传 感 器软件 设计 2 ． 3 ． 1 表头夹角 a的计算 单片机首先对 2个表头内的三轴加速度传感芯 片进行 AD采样 ， 然后通过计算得到每轴上的重力 分量 Ax 。 u t ， z ， Ay o t ， z ， AZ 0 ， z ， Ax 。 u t ． F ， Ay 0 u t I F ， AZ 0 ， F ， 最 后通过式 4 、 式 5 计算得到 a 。 口一 z 一 1 8 0 。 一 6 }z 0 F 一 1 8 0 -- ar ctan A ， xo u t , Z A ． ／ ／ ar ct an Ax o u t , F ⋯ ,／ Yout,F ㈤ 吐 a n ⋯ J ’ 1● E 卜 L J 、 1 2 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 2 ． 3 ． 2 判决门限 自动更新算法 传感器程序根据开门限、 关 门限和传感器当前 状 态来 调整 下 一 状态 输 出 。当 a大 于 开 门 限时 ， 判 定 风筒 有 风 ； 当 a小 于 关 门限 时 ， 判 定 风筒 无 风 ； 当 不小 于关 门限且不 大 于开 门限 时 ， 则维 持 当前 有 、 无 风状 态进 行输 出。初次 上 电后 ， 如果 因安装 不 当 ， 使得 a在 3 0 ～6 0 。 时， 传感器发出错误指示 ， 要求重 新 安 装 。 为加 快 传 感 器 的响 应 时 问 ， 软件 设 计 了判 决 门 限 自动更新 功 能 。当检 测到 a在连续 一段 时 问 内处 于 一个 比较稳 定 的数 值 时 ， 则 会 根 据 这个 角度 更 新 判决门限， 进而提高判决 的响应速度 。开门限和关 门限的 自动更 新流 程如 图 8 所 示 。 图 8 判决 门限自动更新流程 3传 感器 校 准 AD XI 3 3 5三轴加速度传感芯片输 出的是模拟 量 ， 每个 轴 的重 力分 量 都 是 通过 单 片机 AD采 集 再 计算获得 。因此， 必须对每轴 的 l g 或 一l g 和 O g 进行校准， 才能准确计算每轴上 的重力分量 ， 如 图 9 所示 。 在水平桌面上 ， 传感器整机采用平放、 侧放、 竖 放 3个姿 态 ， 分别 对应 步骤 1 、 2 、 3 。 步骤 1 摆 放 稳 定 后 ， 主 、 副 表 头 Z轴 上 分 量 均 为 1 g， y 轴 和 X 轴 上 分 量 均 为0 g ， 按 下 专 用 按 键 ， 传感器记录 AD数据 。 步 骤 2 摆 放 稳 定 后 ， 主 表 头 y 轴 上 分 量 为 ～ l g ， 副表头 y轴上分量为 1 g， 2个表头的 x轴和 Z轴上分量均为 O g， 按下专用按键 ， 传感器记录 AD 数 据 。 步 骤 3 摆 放稳 定 后 ， 主 、 副 表 头 X 轴 上分 量 均 为 1 g ， y轴和 Z轴上分量 均为 O g ， 按下专用按键 ， 传感器记录 AD数据 。 整个校准过程 ， 每轴进行 1次 l g 或～l g 的 a 校 准 步 骤 1 b 校准步骤 2 c 校 准 步 骤 3 图 9 传感器校准示意 AD数 据记 录 ， 进 行 2次 O g的 AD 数 据 记 录 结 果 取平 均值 。这样就 可 以根据 这些 参数 ， 计算 出每 轴 的重力分 量 。 4 结语 基 于姿 态识别 技术 的风 筒风 量开关 传感 器生 产 调试 简单 ， 安 装维 护 方 便 ， 抗 电磁 干 扰 能 力 强 ， 已在 山西、 吉林 、 四川 、 贵州等地煤矿现场使用 。对风筒 通 风状态 的检 测结 果表 明 ， 该 传感 器稳 定可 靠 ， 受到 了用户 的高 度好评 。 参考文献 E l i 陈祖云 ， 金 波 ， 邬长 福 ， 等． 局部 通 风风 简直 径 的选 择 E J ] ． 中国安全生产科学技术 ， 2 0 1 2 ， 8 1 1 8 1 8 4 ． E 2 ] 李红庆 ， 谢楠． 新型煤矿用风筒风量开关的研究 与发明 E J ] ． 科技传播 ， 2 O l l ， 3 1 7 9 1 ． E a ] C HR I S T OP HE R J F ． Us i n g a n a c c e l e r o me t e r f o r i n c l i n a t i o n s e n s i n g [ E B ／ OL ． 2 0 0 8 0 5 1 6 [ 2 0 1 6 - 0 7 2 1 ] ．h t t p ／ ／ www ．a n a l o g ．c o m／ me d i a ／ e n ／ t e c h n i c a l d o c u me n t a t i o n ／ a p p l i c a t i o n n o t e s ／ AN一 1 0 5 7 ． p d f ． E 4 ] 郭敏 ， 尹光洪 ， 田曦 ， 等． 基于三轴加速度计 的倾斜 角传 感器的研究 与 设计 [ 刀． 现代 电子技 术 ， 2 0 1 0 ， 3 3 8 17 3 1 7 7． E s ] 侯文生 ， 戴 加满 ， 郑小林 ， 等． 基于加速度传感 器的前臂 运动 姿 态 检 测 [ J ] ． 传 感 器 与 微 系 统 ， 2 0 0 9 ， 2 8 1 1 06 一 l O 8． E 6 ] 吴黎 明， 张力 锴 ， 李怡 凡． 基于 ANN 和单个 三轴 加速 度传感器 的汽 车 运 动姿 态 测量 [ J ] ． 传 感 技 术 学 报 ， 2 O11。 24 6 92 3 - 9 2 7．