智能计算机软件系统和加速度螺旋仪的结合研究

成健 1,胡立广 1，崔磊 1，具章平 1，张全 1张宁 2崔伟 3

摘 要：隧道建设工程具有工期长、投资巨大、技术复杂等特点。在施工过程中存在许多不确定因素，给工程的顺利完成带来巨大的风险。为此，对隧道施工进行风险分析和风险评估，确保施工过程中的安全、质量，减少不必要的经济损失就显得尤为重要。为此，本文对计算机软件系统和加速度陀螺仪结合的方法以及软件系统的具体设计流程进行了分析和研究，并在电力隧道沉降安全监测方面上进行了创新设计应用。

关键词：智能计算机软件系统 电力隧道沉降监测 4D传感器 加速度陀螺仪 结合分析

1. 智能计算机软件系统概述

在计算机软件系统出现之后，随着计算机硬件设备飞快的更新和发展也取得了极大的进步，在起初，计算机软件系统仅仅是专业的程序员解决自身职业中的专业问题的工具，并且计算机软件的编写人员也就是计算机软件的使用人员，但是随着计算机硬件技术设备的更新和复杂程度的提升，程序员的种类出现了分化，不同的程序员负责软件系统不同模块的设计，才能够实现对于计算机硬件的良好控制效果。

2. 加速度陀螺仪发展现状分析

在实际的陀螺仪角速度测量算法的设计过程中，由于设备获取角速度的方式比较落后，通常是通过与设备分离的检测装置获取数据之后，基于操作人员的经验判断对设备的运行情况进行判断并予以反馈，但是这样的检测模式和设备控制模式在一定程度上降低了设备控制效率，对于陀螺仪获取精确的角速度数据也有一定阻碍，使得获取的角速度数据精度难以得到有效的保证，由此可见，通过设计智能的计算机软件系统，将其与加速度陀螺仪的相关设备结合能够实现更为高效，智能，精确的信号数据，为设备系统的精确及时的自动化控制实现提供有力保障。

3. 智能计算机软件与加速度陀螺仪的具体结合措施分析

3.1运动模型中的使用

通过研究表明，陀螺仪在对角速度的变化进行检测时表现出了极强的稳定性和敏感性，所以在电子产品智能化的设计当中通过计算机软件系统的设计对陀螺仪检测到的运动信息进行提取和分析，能够实现对于运动事物运动情况的判断和分析。以与我们生活息息相关的计步设备为例，人体在步行的过程中往往会出现交互移动的肢体活动，随着人体的活动其肢体产生的加速度也在不断发生变化，而通过陀螺仪和加速度计就能够获取到人体运动过程中任意时刻的加速度以及角加速度数据，基于编写的计算机软件系统对获取的数据进行分析就能够实现设备的自动计步。

3.2 加速度数据的采集和处理

获取到准确加速度数据是计算机软件系统进行准确分析和计算统计的基础，在系统设计的过程中，软件设置的采样频率应该能够与被检测设备的运动频率相吻合，过高的采样频率会给系统带来干扰信号，但是采样频率过小会损失有效数据，使得分析和判断的准确性降低。完成采样频率的确定工作之后，通过单片机实现对于陀螺仪和加速度计数据的采集，进而基于计算机平台进行数据的后续分析和处理。由于在数据采集过程中硬件电路可能存在的噪声和电阻干扰，采集到的数据波形会存在平滑度下降的问题，针对该问题在计算机软件系统的设计过程中编写计算数据均值或者是用作滤波的算法能够对信号中的无效数据进行筛除，提升数据的平滑度，便于后期计算机数据的分析和处理。较为常用的滤波算法有滑动均值滤波方法，这种方法通过对函数的窗口数据进行处理实现滤波的效果，取得了良好的实验效果。

3.3 加速度陀螺仪数据信号处理系统设计

在完成数据的初步预处理之后，就进入了根据角速度数据确定目标运动情况的阶段，在软件设计的过程中需要全面分析运动物体的特征，对其在被检测范围内运动特点进行研究和分析得出其运动规律以及理论上应该取得的加速度数值范围，为后续的软件分析提供数据基础，此外，对运动物体的运动加速度变化时间间隔规律进行研究也能够方便后期系统的设计，最后，还有必要对加速度极值间的绝对值数据进行计算，探究其运动幅度的规律，基于以上规律完成计算机软件系统智能数据分析的功能。

3.4智能计算机软件系统整体搭建设计

基于上述基本的理论分析能够初步得出对于加速度陀螺仪和智能计算机软件系统结合所需要重点分析的运动特征和对数据的预处理方式，做好前期的调研设计工作之后就可以在其基础上完成软件系统的构建。

计算机软件系统与加速度陀螺仪的结合在实际的设计过程中不仅仅需要对于数据的检测模块进行程序的编写，在此之前所需要完成的工作是对系统性能进行软件测试的模块，在这部分程序当中包括了对于系统中各个硬件电路模块工作过程中所需要的不同驱动算法和测试程序，通过该部分的程序能够实现对系统中各模块状态的上电检测，更为方便的对系统各部分的运行数据进行分析，在这部分程序中主要涉及到的检测部位有系统的主要控制模块，电源部件，硬件电路以及各个接口系统，并且可以通过设计计算机软件系统对检测结果进行整个和显示，方便用户操作系统，为用户提供更为优质的用户体验。

3.5 本系统在电力隧道沉降监测系统应用

本系统由监控平台、隧道沉降监测终端（数据采集部分）、4D传感器等部分组成。监控平台实时获取各个4D传感器的数据，数据以数字或曲线图形方式实时显示、记录和打印，在报警状态下能够进行快速采样和人工干预采样。

系统具备实时自诊断功能，能够识别传感器失效、信号异常等，出现故障时，应能立即将故障信息上传至监控平台，并激活报警信息。构成的系统示意图如下：

图1系统示意图

在性能测试部分，首先基于前期对系统设备运动特点的分析确定算法中数据的分析方式，在此基础上根据陀螺仪运动的物理学模型对其实际的运动状态进行分析和判断，通过对系统采集到的陀螺仪运行数据进行算法分析得出其输出性能以及仪器电机的实际工作状况，此外，还需要设计计算机软件对陀螺仪的信号源进行分析，确保其符合设备运行的具体需求。除此之外，在完成陀螺仪工作具体的性能检测功能和故障警示功能之后，还需要设计对于故障类型进行分析的算法，这一方面的研究主要集中在智能算法的灵活应用方面，通过对系统的故障状况和相应的系统运行数据进行整合，进一步形成针对设备运行状况的设备故障与数据值的数据库，基于大量数据样本建立神经网络模型，对模型进行训练，使其能够实现故障的分类功能，与此同时，在网络模型进行故障判断的过程中对于数据库中缺失的故障状况自动进行记录和补充，使得数据库更为完备，进而优化计算机软件系统的故障诊断算法，提升其判断的精确度和高效性。。

3.6 社会价值

在隧道内大部分通过激光测距进行隧道的沉降检测，也有用水准仪进行检测的，但是都有一个问题就是隧道两个检测点同时同强度沉降时，系统不能有效检测的隧道的形变；水准仪检测系统存在一个问题就是受环境温度影响较大，水管内的水受热胀冷缩导致测量误差加大。

我们通过新型的4D传感器，有加速度、运动传感器、电子陀螺仪、跟网络数据库技术，通过一种算法，将采集的数据传输至数据库平台，通过在线的校准，隧道轻微的位移即可数据可视化话的展现出来，直观、有效且根据位移的量轻松判断隧道健康指数，并且可以根据一年四季的数据，进行数据分析。

参考文献：

[1]JGJ 8-2016《建筑变形测量规范》 动态变形测量, 中国建筑工业出版社2016北京

[2]陶文元. 基于可穿戴传感的人体跌倒行为检测研究[D].电子科技大学,2020.

[3]吕峰. 基于Android手机和机器学习的室内室外运动状态分类系统[D].南京邮电大学,2017.

[4]吕峰,杨恒新,马梓翔,Stefan Poslad.基于手机加速度器和螺旋仪的室内运动状态分类[J].电脑编程技巧与维护,2017(02):40-43.

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