CN109374120A - 一种拖拉机驾驶员全身振动测试系统 - Google Patents

一种拖拉机驾驶员全身振动测试系统 Download PDF

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李先鹏
于修刚
王钦祥
陈光阔
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汪伟
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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Abstract

本发明公开一种拖拉机驾驶员全身振动测试系统。本发明提供的拖拉机驾驶员全身振动测试系统包括：坐垫传感器、数据采集模块、无线通信模块和上位机。坐垫传感器设置在拖拉机驾驶员的坐垫上，坐垫传感器用于采集驾驶员的全身振动信号，并将振动信号转换为电压信号发送给数据采集模块，数据采集模块通过无线通信模块将电压信号发送给上位机。可见，本发明将数据传输方式改为无线传输，将传感器测量的数据以无线传输的方式发送到上位机，无需重复进行接线和拆线，测试效率高。而且，测试人员无需跟随被测车辆，不仅能够降低测试成本，而且还能方便测试人员进行过程监控和数据的后处理。

Description

一种拖拉机驾驶员全身振动测试系统
技术领域
本发明涉及振动测试领域，特别是涉及一种拖拉机驾驶员全身振动测试系 统。
背景技术
拖拉机是田间作业农机具的动力平台，随着国内大型农场的出现，更高作 业效率的大型拖拉机已经开始占据市场的主流地位，同时，驾驶舒适度也日益 受到农机购买者的关注。拖拉机振动指标直接影响驾驶员的人身健康，拖拉机 行业CCC认证，拖拉机市场准入中，均对拖拉机驾驶员全身振动限值做出了 明确规定。
现有的对拖拉机驾驶员进行全身振动测试的系统，需要把测试设备连接到 被测车辆上，测试人员跟随被测车辆。测试数据通过有线线缆传输到测试人员 乘坐的跟随车上的上位机中，测试人员需要在测试跟随车中对测试过程进行监 控和数据后处理。由于每次进行测量时都需要重新连接测试设备，测试完成后 需要拆除相关接线，测试效率较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种测试效率高的拖拉机驾驶员全身振动测试系统。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种拖拉机驾驶员全身振动测试系统，所述测试系统包括：坐垫传感器、 数据采集模块、无线通信模块和上位机，其中，
所述坐垫传感器设置在拖拉机驾驶员的坐垫上，所述数据采集模块与所述 坐垫传感器连接，所述无线通信模块与所述数据采集模块连接，所述上位机与 所述无线通信模块连接。
可选的，所述测试系统还包括设于所述拖拉机尾部的起点红外线传感器和 设于所述拖拉机机头的终点红外线传感器，所述起点红外线传感器和所述终点 红外线传感器均与所述上位机连接，所述拖拉机振动测试跑道的起点和终点均 设置有红外线辐射标志。
可选的，所述测试系统还包括设置在所述拖拉机上的速度传感器，所述速 度传感器与所述上位机连接。
可选的，所述测试系统还包括设置在所述拖拉机上的GPS模块，所述GPS 模块与所述上位机连接。
可选的，所述测试系统还包括存储器，所述存储器与所述上位机连接。
可选的，所述测试系统还包括物联网通信模块，所述物联网通信模块为 GSM模块或4G通信模块，所述存储器为云端服务器，所述物联网通信模块 与所述上位机连接，所述云端服务器与所述所述物联网通信模块连接。
可选的，所述测试系统还包括报警器，所述报警器与所述上位机连接。
可选的，所述测试系统还包括显示器，所述显示器与所述上位机连接。
可选的，所述上位机内置有利用labview编写的图形化人机交互软件。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的拖拉机驾驶员全身振动测试系统包括：坐垫传感器、数据采 集模块、无线通信模块和上位机。坐垫传感器设置在拖拉机驾驶员的坐垫上， 坐垫传感器用于采集驾驶员的全身振动信号，并将振动信号转换为电压信号发 送给数据采集模块，数据采集模块通过无线通信模块将电压信号发送给上位 机。可见，本发明将数据传输方式改为无线传输，将传感器测量的数据以无线 传输的方式发送到上位机，无需重复进行接线和拆线，测试效率高。而且，测 试人员无需跟随被测车辆，不仅能够降低测试成本，而且还能方便测试人员进 行过程监控和数据的后处理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是 本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的 前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的拖拉机驾驶员全身振动测试系统的结构框图；
图2为本发明实施例提供的人机交互软件的界面。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有的基于有线传输设备的拖拉机驾驶员全身振动测试系统存在以下缺 点：其一是每次结束后需要重新连接测试设备，测试效率较低；其二是测试人 员需要匹配被测车辆的速度，万一出现意外情况，容易给测试人员和设备造成 危险。
现有的采用便携型设备进行拖拉机驾驶员全身振动测试的技术方案，需要 把控制终端PDA绑到被测车辆上或者驾驶员身上，在测试开始和结束时，由 驾驶员在行进中进行控制。这样就存在以下问题：第一、驾驶员既要开车还要 兼顾试验控制，一心二用，容易产生危险，且影响数据的真实有效性；第二、 便携式设备受体积所限，功能较少，无法实现历史数据回放、不同车型之间的 数据比较。
本发明的目的是提供一种测试效率高的拖拉机驾驶员全身振动测试系统。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和 具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的拖拉机驾驶员全身振动测试系统的结构框图。 如图1所示，一种拖拉机驾驶员全身振动测试系统，所述测试系统包括：坐垫 传感器101、数据采集模块102、无线通信模块103和上位机104。
所述坐垫传感器101设置在拖拉机驾驶员的坐垫上，所述数据采集模块 102与所述坐垫传感器101连接，所述无线通信模块103与所述数据采集模块 102连接，所述上位机104与所述无线通信模块103连接。所述上位机104内 置有利用labview编写的图形化人机交互软件，人机交互软件的界面图图2所 示。所述无线通信模块103包括：红外无线数据通信模块、WIFI无线数据通 信模块、蓝牙无线数据通信模块、ZigBee无线数据通信模块和窄带物联网通 信模块中至少一者。
所述起点红外线传感器105和所述终点红外线传感器106均与所述上位机 104连接，所述拖拉机振动测试跑道的起点和终点均设置有红外线辐射标志。 所述速度传感器107和所述GPS模块108均与所述上位机104连接。本实施 例中，所述测试系统还包括设于所述拖拉机尾部的起点红外线传感器105和设 于所述拖拉机机头的终点红外线传感器106、设置在所述拖拉机上的速度传感 器107和GPS模块108及与上位机104连接的报警器112。速度传感器107 用于测量拖拉机的实时速度，确保其在整个测试过程中速度均满足要求，GPS模块用于对拖拉机进行定位，同时上位机104也可根据GPS模块的信息进一 步确保拖拉机的速度满足测试要求。报警器112用于当测试过程中存在异常情 况时发出报警信息提示相关人员进行处理，如拖拉机路线偏离测试跑道或者在 测试过程中速度不满足要求，同时可进一步设置与上位机104连接的语音播放 装置以便提示驾驶员驶回测试跑道或者适当调整速度以满足要求。
为了实现测试数据的实时显示、历史回放、不同车型横向和纵向对比等功 能，所述测试系统还包括与所述上位机104连接的存储器109和显示器111。 本实施例中，所述存储器109为云端服务器，所述测试系统还包括物联网通信 模块110，所述物联网通信模块为GSM模块或4G通信模块，所述上位机104 通过所述物联网通信模块110将测试数据发送给所述云端服务器进行存储。显 示器111用于实时显示测试数据。
本发明提供的拖拉机驾驶员全身振动测试系统的工作过程如下：
坐垫传感器101将振动信号转换为电压信号发到数据采集模块102，通过 数据采集模块102中的高速A/D模块将电压模拟量转换为数字量。同时，集 成在数据采集模块102中的GPS模块实时接收GPS信号，利用多普勒频移效 应来计算待测拖拉机的实时速度。无线通讯模块103将振动信号和速度信号发 送到上位机104，上位机104内置有人机交互软件，上位机104对接收到的数 据进行滤波、去噪处理后通过显示器111显示实时数据。
本实施例中，上位机104采用卡尔曼滤波器进行滤波，具体包括两个阶段： 预测阶段与更新阶段。在预测阶段，滤波器使用上一状态的估计，做出对当前 状态的估计。在更新阶段，滤波器利用对当前状态的观测值优化在预测阶段获 得的预测值，以获得一个更精确的新估计值。
(1)预测阶段：
(2)更新阶段：
(更新的状态估计)
Pk|k＝(I-KkHk)Pk|k-1(更新的协方差估计)
其中：卡尔曼增益为：为测量更新后 的状态向量，即：三个方向上的振动加速度[ax ay az]T；
为在k-1时刻的预测状态向量；
Pk|k为测量更新后，状态向量的协方差矩阵；
Pk|k-1为测量更新前，状态向量的协方差矩阵；
uk为系统输入，即：GB/T 10910-2004规定的标准路面谱；
zk为测量值；
Hk为将状态向量映射到测量域zk中的转换矩阵；
Rk为测量值的协方差矩阵；
Fk为状态转换方程，将k-1时刻的状态转换至k时刻的状态；
Bk是控制输入矩阵，将测量值uk的作用映射到状态向量上；
Qk是预测噪声的协方差矩阵。
当采集结束后，将采集到的数据按GB/T 10910-2004农业轮式拖拉机和田 间作业机械驾驶员全身振动的测量第5.3条的规定进行频率加权计算，并将加 权计算后的加速度结果显示在显示器上。测试结果分析完成后，数据可以通过 3G/GSM网络或者4G网络上传到云服务器上的数据库，方便在不同的联网终 端上进行查看。
本实施例中，坐垫传感器101为356B41型三轴坐垫式传感器，数据采集 模块102和无线通信模块103分别为NI9232型采集卡和cDAQ-9191型机箱。 上位机104采用支持IEEE802.11b,802.11g无线通讯协议的通用笔记本。 356B41型三轴压电式传感器将0.5-1000Hz范围内的三个方向上的振动信号按 100mV/g的灵敏度转换为的电压信号，NI9232采集卡内置3个模拟输入通道， ADC分辨率可达24位，可以将传感器过来的模拟信号转换为数字信号，通过 cDAQ-9191型机箱与上位机104建立无线连接，将数据发送给上位机处理软 件。上位机人机交互见界面左侧为控制按钮，下部为按GB/T 10910-2004《农 业轮式拖拉机和田间作业机械驾驶员全身振动的测量》规定进行加权计算后的 各方向加速度测量结果，中间为采集到的实时波形，右侧为波形峰值显示区域， 整个界面操作便捷、精确，符合标准要求。
测试开始前，测试人员应先对系统进行校准，通过按下“清零”按钮，系统 自动对采集到的白噪声信号置0。测试开始后，当拖拉机进入指定测试跑道时， 采集设备通过安装在被测车辆上的起点红外线传感器自动感应设置在跑道起 点的红外线辐射标志，或者由测试人员按下上位机软件中的“开始采集”按钮， 启动测试，三个方向的实时振动波形信号会显示在采集波形显示区，同时右侧 的峰值显示区会检测振动波形的峰值。当被测拖拉机离开测试跑道时，终点红 外线传感器再次感应置于终点处的外红线辐射标志或者由测试人员按下“停止 采集”按钮，结束测试。此时结果显示区域自动显示按GB/T10910-2004第5.3 条款规定要求进行频率加权后的计算结果。同时“保存”按钮激活，可以对本次 测试数据进行保存为单独的记录文件，供以后调阅。“打开”按钮用于打开历史 记录，打开记录的同时，历史纪录的波形和计算结果会同时显示在采集波形显 示去和结果显示区域，便于进行横向和纵向的对比。上位机中的人机交互软件 在实现既定的测控功能的同时，还保持了人机交互逻辑清晰明了，操作简捷， 界面友好，极大地方便了检验人员的现场测试。
本发明将数据传输方式改为无线传输，将传感器测量的数据以无线传输的 方式发送到上位机，实现试验人员与记录人员互不干扰，测试人员可以不用跟 随车辆，可以通过无线的方式控制设备的开始与结束，并在测试过程中将测试 数据通过无线传输的方式传到上位机，方便测试人员进行过程监控和数据的后 处理。同时，本发明采用了卡尔曼滤波算法进行信号的平滑滤波，可有效降低 噪声信号的干扰，利用labview编写的图形化人机交互软件，操作简便，界面 友好。通过扩展上位机处理软件的功能，可以实现数据历史存档和汇总，方便 后续查询与对比不同车型横向和纵向对比等功能。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是 与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施 例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的 一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变 之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种拖拉机驾驶员全身振动测试系统，其特征在于，所述测试系统包括：坐垫传感器、数据采集模块、无线通信模块和上位机，其中，
所述坐垫传感器设置在拖拉机驾驶员的坐垫上，所述数据采集模块与所述坐垫传感器连接，所述无线通信模块与所述数据采集模块连接，所述上位机与所述无线通信模块连接。
2.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括设于所述拖拉机尾部的起点红外线传感器和设于所述拖拉机机头的终点红外线传感器，所述起点红外线传感器和所述终点红外线传感器均与所述上位机连接，所述拖拉机振动测试跑道的起点和终点均设置有红外线辐射标志。
3.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括设置在所述拖拉机上的速度传感器，所述速度传感器与所述上位机连接。
4.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括设置在所述拖拉机上的GPS模块，所述GPS模块与所述上位机连接。
5.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括存储器，所述存储器与所述上位机连接。
6.根据权利要求5所述的测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括物联网通信模块，所述物联网通信模块为GSM模块或4G通信模块，所述存储器为云端服务器，所述物联网通信模块与所述上位机连接，所述云端服务器与所述所述物联网通信模块连接。
7.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括报警器，所述报警器与所述上位机连接。
8.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括显示器，所述显示器与所述上位机连接。
9.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述上位机内置有利用labview编写的图形化人机交互软件。
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