李哲++田建艷++鄭晟++王芳++張小龍

摘要：以豬為例，通過分析豬的常見姿態(tài)，依據(jù)不同姿態(tài)角度特點(diǎn)提出分類方法，并使用加速度與陀螺儀傳感器集成芯片MPU6050與地磁傳感器HMC5883L設(shè)計(jì)一套姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，以滿足畜禽養(yǎng)殖業(yè)對(duì)自動(dòng)檢測(cè)畜禽行為的需要。試驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出豬的相應(yīng)姿態(tài)，可為后續(xù)分析豬行為提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：豬；姿態(tài)分類；MPU6050；HMC5883L；姿態(tài)角；互補(bǔ)濾波

中圖分類號(hào)： TP274；TP212.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）02-0434-03

收稿日期：2015-03-12

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（編號(hào)：2013AA102306）。

作者簡(jiǎn)介：李哲（1987—），山西太原人，碩士，主要從事復(fù)雜系統(tǒng)建模與智能控制及模式識(shí)別研究。E-mail：lizhe2003@163.com。

通信作者：田建艷（1966—），博士，教授，主要從事復(fù)雜系統(tǒng)建模、控制及智能化監(jiān)控研究。E-mail：tut_tianjy@163.com。行為分析在畜禽養(yǎng)殖自動(dòng)化研究領(lǐng)域有著非常重要的地位[1]，而對(duì)動(dòng)物行為進(jìn)行分析也能夠?yàn)樾笄萁】捣治鎏峁﹨⒖家罁?jù)。朱偉星等利用視頻技術(shù)監(jiān)控豬行為并分析豬健康，指出行為分析的重要性[2]；陸明洲等介紹畜禽行為檢測(cè)的不同方法及各種技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，指出行為研究在養(yǎng)殖信息化中的重要作用[3]。目前，姿態(tài)檢測(cè)的主要研究方向分為2種，一是以視頻采集和圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)，模擬人眼提取目標(biāo)特征進(jìn)行姿態(tài)檢測(cè)[4-5]，二是以傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)，利用各傳感器的特點(diǎn)采集與姿態(tài)相關(guān)的加速度及角度數(shù)據(jù)，通過算法計(jì)算分析得到姿態(tài)情況[6]。

本試驗(yàn)采用傳感器為研究手段，以豬為研究對(duì)象，選擇4種豬常見姿態(tài)進(jìn)行定義，使用加速度傳感器、陀螺儀和地磁傳感器采集目標(biāo)加速度和姿態(tài)角，根據(jù)互補(bǔ)濾波算法得到姿態(tài)角，分析豬的姿態(tài)情況，并針對(duì)4種姿態(tài)提出相應(yīng)的檢測(cè)方法。

1豬姿態(tài)分類

1.1姿態(tài)分類

將豬常見姿態(tài)分為站、坐、趴、躺4種（圖1）。

1.2姿態(tài)特征分析

以豬脊柱中段為坐標(biāo)原點(diǎn)，并作為固定傳感器的位置，沿傳感器方向建立載體坐標(biāo)系（b系），同時(shí)以北、東、地方向建立地理坐標(biāo)系（n系），這2個(gè)坐標(biāo)系之間的夾角通常稱為歐拉角θx、θy、θz（圖2）。

豬處于不同姿態(tài)時(shí)，b系方向?qū)?yīng)圖2中實(shí)線坐標(biāo)系x、y、z，b系方向隨豬運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)生變化，對(duì)應(yīng)圖2中虛線坐標(biāo)系。n系方向不變，可以根據(jù)b系與n系Z軸夾角θz區(qū)分豬3種姿態(tài)——站或趴、坐、躺：站與趴時(shí)，b系Z軸垂直于地心，θz約為0°；坐時(shí)，Z軸與垂直地心方向有夾角θz；躺時(shí)，Z軸與垂直地心方向有夾角θz，θ2約為90°。

姿態(tài)角θz與豬身長(zhǎng)L1和腿長(zhǎng)L1相關(guān)（圖3），通過測(cè)定豬的身長(zhǎng)和腿長(zhǎng)，根據(jù)公式：θz=arcsinL2L1，可以確定θz的數(shù)值。當(dāng)豬處于趴或站2個(gè)狀態(tài)時(shí)，θz均趨近于0，單獨(dú)觀察θz無法區(qū)分這2種姿態(tài)，需借助分析這2種姿態(tài)到另外姿態(tài)的變化過程進(jìn)行判斷，如從站到坐的過程會(huì)伴隨產(chǎn)生豎直向下的加速度，使得n系Z軸加速度azn減小，通過分析姿態(tài)變化時(shí)θz與azn的變化情況，就可以區(qū)分站與趴這2種姿態(tài)。

2姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1基于四元數(shù)的姿態(tài)角解算

載體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換需要用到旋轉(zhuǎn)矩陣[7]，整個(gè)旋轉(zhuǎn)過程分為3個(gè)部分（圖4），通過旋轉(zhuǎn)矩陣可以得到n系與b系之間的變換公式。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)組成

檢測(cè)系統(tǒng)由發(fā)射單元、接收單元和上位機(jī)3個(gè)部分構(gòu)成，其中，發(fā)射單元負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送工作，接收單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收工作，上位機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和姿態(tài)角的解算（圖7）。發(fā)射單元和接收單元使用CC2530（Zigbee模塊）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，CC2530芯片內(nèi)置增強(qiáng)型51單片機(jī)，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸工作，發(fā)射端CC2530與傳感器連接，接收端CC2530通過串口與上位機(jī)相連。

3.2發(fā)射單元硬件設(shè)計(jì)

發(fā)射單元由MPU6050、CC2530、HMC5883L這3個(gè)部分組成。MPU6050集成三軸加速度傳感器與三軸陀螺儀；HMC5883L內(nèi)置高分辨率HMC118X系列磁阻傳感器，并附帶霍尼韋爾專利的集成電路，包括放大器、自動(dòng)消磁驅(qū)動(dòng)器、偏差校準(zhǔn)、能使羅盤精度控制在1°～2°的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、簡(jiǎn)易的I2C 系列總線接口。HMC5883L通過AUX接口與MPU6050芯片相連，MPU6050的AUX接口設(shè)置為直連模式，使用AUX-I2C接口采集數(shù)據(jù)，并由MPU6050的I2C接口傳入CC2530進(jìn)行發(fā)送。CC2530芯片沒有I2C接口，因此，需要編寫程序利用空置管腳模擬I2C接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

4試驗(yàn)結(jié)果及誤差分析

在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行姿態(tài)檢測(cè)，將發(fā)射單元固定在平整的電路板上，利用重垂線和水平儀將電路板調(diào)整至水平位置；搭建模擬試驗(yàn)臺(tái)，通過電路板角度的變化模擬豬姿態(tài)的變化進(jìn)行檢測(cè)；將傳感器采集的數(shù)據(jù)通過上位機(jī)串口讀取存儲(chǔ)到Execl表格中，導(dǎo)入Matlab計(jì)算得到姿態(tài)角。

將試驗(yàn)電路板調(diào)整至不同角度，觀察靜態(tài)θz的測(cè)量值，并與真實(shí)角度進(jìn)行對(duì)比。由表1可見，靜態(tài)檢測(cè)精度誤差在0.5°以內(nèi)，能夠得到比較準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。

利用試驗(yàn)電路板模擬豬姿態(tài)變化，觀察上位機(jī)姿態(tài)角變化，驗(yàn)證檢測(cè)算法精度，取θz=40°，判定站與趴時(shí)的加速度變化，反復(fù)進(jìn)行姿態(tài)變換以分析檢測(cè)準(zhǔn)確率。動(dòng)態(tài)變化過程主要用于分析趴與站2種姿態(tài)，試驗(yàn)?zāi)M這2種姿態(tài)6種可能出現(xiàn)的變化過程（100次試驗(yàn)）。由表2可見，趴與站2種姿態(tài)的檢測(cè)準(zhǔn)確率較高，在95%以上。

5結(jié)論

利用加速度傳感器、陀螺儀和地磁傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，通過互補(bǔ)濾波解算得到較為準(zhǔn)確的姿態(tài)角，檢測(cè)θz，與不同姿態(tài)角度對(duì)比并進(jìn)行初步分類，再結(jié)合azn變化區(qū)分趴與站，從而判斷豬所處的姿態(tài)，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出1套姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)經(jīng)檢測(cè)驗(yàn)證，能夠準(zhǔn)確得到豬所處姿態(tài)，檢測(cè)正確率較高，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。

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