CN109596202A - 一种基于加速度值的振动辗振动信息实时检测算法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于加速度值的振动辗振动信息实时检测算法，通过安装在振动轮上的加速度计采集原始加速度值，计算振动轮的频率、振幅、压实度，以此反映路面的实时压实情况，为路面施工提高压实质量及施工效率，本方法采用基于加速度值的振动碾压振动信息实时检测算法，通过安装在振动轮上的加速度计采集原始加速度值，计算振动轮的频率、振幅、压实度，以此反映路面的实时压实情况，为路面施工提高压实质量及施工效率。

Description

一种基于加速度值的振动辗振动信息实时检测算法

技术领域

本发明涉及振动压路机连续压实技术，具体涉及到一种基于加速度值的振动辗振动信息实时检测算法。

背景技术

随着我国交通现代化建设的发展，公路、铁路、机场等交通设施的建设取得了举世瞩目的成就。但是，随之也产生了一些工程质量问题，这需要引起我们的高度重视。工程中最常见的病害，如道面沉陷、桥头跳车等现象都与路基压实有关。以公路为例，一条公路施工质量的好坏主要从以下几个方面看：线型，路面强度，路面稳定性，路面平整度，路面耐久性，路面抗滑行，路面扬尘性。以上七个方面，除线型取决于公路技术等级，路面抗滑性取决于路面材料的粗糙度，路面扬尘性取决于路面类型外，其他四个方面，也是公路质量的主要方面，均与路基压实度有密切关系。一般来说，只要路基的压实度达到了规定的标准，就能在很大程度上避免一些病害的产生。我们如果忽视路基的压实度，不仅工程质量达不到要求，并且各种病害将会不断产生。所以我们必须认真研究影响路基压实的各种因素，以实现各种设施的服务质量和较长的使用寿命，使其达到最大的经济效益。

现代高速公路施工中高效率的压实作业及压实的均匀性要求已经不能让通过固定的压实遍数、固定的压路机参数、现场测试技术等手段来满足了。连续压实控制(CCC-Continuous Compaction Control)是现代压路机压实技术的新发展，它是随着液压技术、电子及控制技术的发展而出现的。在振动、震荡压路机上配置压实度计可以随时测定压实度效果和确定碾压遍数，从而提高了压实质量和作业效率，减少了寿命周期成本，连续压实控制系统无疑是未来振动压路机的必备部件。

根据土壤共振理论，当振动轮的振动频率与土壤的自然频率一致时，振动压实能得到较好的压实效果，同时对于一定的压实铺层，过度的压实将导致面层松散或者骨料被压碎。随着碾压遍数的增加，土壤的密实度增大，其物理特性将发生变化，只有随时调节振动轮的频率使其与土壤的固有频率相一致而得到较好的压实效果和调节振幅才能不破坏已有压实的铺层。

20世纪70年代，瑞典一些压实专家开始研究压实度的实时连续监测，其在振动轮上安装一个三轴加速度计，随着土壤压实度增加，振动轮上的加速度积极采集到的信号变化最明显，它证明了用振动轮作为测量对象是可行的。

加速度传感器由一个加速度计和一个放大器组成，加速计检测振动轮垂直振动加速度并转化成电信号送入处理器进行处理，该信号被分为各次谐波成分，如基波A0、二次谐波A1，通过各基波值采用相应算法来计算振幅、频率及压实度。因此，如何设计出有效的算法根据振动轮的原始加速度值求得振动轮的振幅，频率及土壤的压实度是需要解决的问题。

发明内容

为了解决上述不足的缺陷，本发明提供了一种基于加速度值的振动辗振动信息实时检测算法，本方法采用基于加速度值的振动碾压振动信息实时检测算法，通过安装在振动轮上的加速度计采集原始加速度值，计算振动轮的频率、振幅、压实度，以此反映路面的实时压实情况，为路面施工提高压实质量及施工效率。

一种基于加速度值的振动辗振动信息实时检测算法，通过安装在振动轮上的加速度计采集原始加速度值，计算振动轮的频率、振幅、压实度，以此反映路面的实时压实情况，为路面施工提高压实质量及施工效率。

上述的算法，其中，具体包括以下步骤：

步骤(1)：在振动轮上安装加速度传感器，用于收集加速度时域信号；

步骤(2)：将加速度时域信号向频域信号进行转换，提取其中基波及有效谐波进行压实度、振幅、频率的计算。

上述的算法，其中，所述步骤(2)包括：通过傅里叶变换将加速度时域信号向频域信号进行转换。

上述的算法，其中，所述步骤(2)还包括：压实度计算步骤和振幅及频率计算步骤。

上述的算法，其中，所述压实度计算步骤具体包括：FFT变换后收集到加速度的频域数据，需要析取1/2次谐波AH、基波A0及二次谐波A1，共振值是通过加速度频域信号计算出来的，用AH/A0计算共振值，它的大小表示跳振的程度。

上述的算法，其中，所述振幅及频率计算步骤具体包括：FFT变换后，获取加速度的频域变换复数实部虚部数组，则采样点对应的信号频率计算方法为：

F＝n*Fs/N；

式子：F------n采样点对应的信号频率；

N------指定的采样点，即数组下标；

Fs-----信号的采样频率；

采样点数；计算振幅，则通过原始加速度时域数组，根据波峰与波谷确定原始加速度的平均振幅。

本发明具有以下有益效果：本方法采用基于加速度值的振动碾压振动信息实时检测算法，通过安装在振动轮上的加速度计采集原始加速度值，计算振动轮的频率、振幅、压实度，以此反映路面的实时压实情况，为路面施工提高压实质量及施工效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明时域信号与频域信号的转换示意图。

图2为本发明快速傅里叶算法流程图。

图3为本发明振动轮—土壤系统动力学模型。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

参照图1所示，本发明提供的一种基于加速度值的振动辗振动信息实时检测算法，通过安装在振动轮上的加速度计采集原始加速度值，计算振动轮的频率、振幅、压实度，以此反映路面的实时压实情况，为路面施工提高压实质量及施工效率。

在本发明中，时域信号与频域信号：时域信号和频域是信号的基本性质，这样可以用多种方式来分析信号，每种方式提供不同的角度。时域是描述数学函数或物理信号对时间的关系。一个信号的时域波形可以表达信号随着时间的变化。在研究时域信号时，常会用示波器将信号转化为其时域的波形，本研究中安装在振动轮上的加速度传感器收集的便是加速度时域信号。频域是描述信号在频率方面特性时用到的一种坐标系。对任何一个事物的描述都需要从多个方面进行，本研究中加速度传感器接收到的时域信号波形曲线可能由多种波形叠加而成，我们需要将加速度时域信号向频域信号进行转换，提取其中基波及有效谐波进行压实度、振幅、频率的计算。时域信号向频域信号转换一个有效的手段就是傅里叶变换。

在本发明中，快速傅里叶变换原理：

FFT(Fast FourierTransformation)是离散傅里叶变换(DFT)的快速算法。即快速傅里叶变换，它根据离散傅里叶变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅里叶变换的算法改进获得。FFT对傅里叶变换理论没有新的发现，但对于在计算机系统或者说数字系统中应用离散傅里叶变换，可以说进了一大步，以下将介绍快速傅里叶变换的原理。

设x(n)为N项的复数序列，由DFT变换，任一X(m)的计算都需要N次复数乘法和N-1次复数加法，而一次复数乘法等于四次实数乘法和两次实数加法，一次复数加法等于两次实数加法，即使把一次复数乘法和一次复数加法定义成一次“运算”(四次实数乘法和四次实数加法)，那么求出N项复数序列的X(m)，即N点DFT变换大约就需要N^2次运算。当N＝1024点甚至更多的时候，需要N2＝1048576次运算，在FFT中，利用WN的周期性和对称性，把一个N项序列(设N＝2k,k为正整数)，分为两个N/2项的子序列，每个N/2点DFT变换需要(N/2)^2次运算，再用N次运算把两个N/2点的DFT变换组合成一个N点的DFT变换。这样变换以后，总的运算次数就变成N+2*(N/2)^2＝N+N^2/2。继续上面的例子，N＝1024时，总的运算次数就变成了525312次，节省了大约50％的运算量。而如果我们将这种“一分为二”的思想不断进行下去，直到分成两两一组的DFT运算单元，那么N点的DFT变换就只需要Nlog2N次的运算，N在1024点时，运算量仅有10240次，是先前的直接算法的1％，点数越多，运算量的节约就越大，这就是FFT的优越性。通过FFT变换可以把加速度时域信号转换为频域信号进行分析处理。

在本发明中，压实度计算原理：

FFT变换后收集到加速度的频域数据，需要析取1/2次谐波AH、基波A0及二次谐波A1，共振值是通过加速度频域信号计算出来的，用AH/A0计算共振值，它的大小表示跳振的程度。高的共振值意味着振动轮处于共振状态，有着强烈的跳振，此时乘坐舒适性变坏、噪音变大、零部件遭到冲击破坏，周围将遭受巨大的振动，更重的是它将松弛已压实的部分及压碎骨料，此时要降低振幅或调整频率。土壤密实度值的测量原理是：取一土壤圆柱体，在振动压实情况下产生一位置S，则用柱状变形模量Ee来表示土壤的压实特性：

Ec＝λF/S＝λω²A₁/A₀

式子：λ------常亮；

ω------振动角频率；

A0------振动基波成分加速度幅值；

A1------振动二次谐波成分加速度幅值。

K------综合系数，一般为300。

其压实度CMV用下式表示：

CMV＝K*A1/A0

它是一个无量纲值，与压路机型号、振动频率、振动幅值、滚动速度与方向有关。当振动轮连续振动时压实值即可计算出。CMV较低时，表明材料未被压实或材料就不可压实(如过高含水量的土壤或者太薄的软铺层)，CMV>20时为正常，CMV较高(50-100)，表示地基已有很高的刚度。若随着压实遍数的增加压实度更换压路机、改变土壤含水量、更改压实材料等措施。

在本发明中，振幅及频率计算原理：

FFT变换后，获取加速度的频域变换复数实部虚部数组，则采样点对应的信号频率计算方法为：

F＝n*Fs/N

式子：F------n采样点对应的信号频率

N------指定的采样点，即数组下标

Fs-----信号的采样频率

-----采样点数

计算振幅，则通过原始加速度时域数组，根据波峰与波谷确定原始加速度的平均振幅。

参照图1-图3所示，FFT实现流程：

采样得到的数字信号，就可以做FFT变换了。N个采样点，经过FFT之后，就可以得到N个点的FFT结果。为了方便进行FFT运算，通常N取2的整数次方。FFT运算特点主要包括蝶形运算、原位运算结构、码位导致变换。

设x(n)为N项的复数序列，由DFT变换，任一X(m)的计算都需要N次复数乘法和N-1次复数加法，而一次复数乘法等于四次实数乘法和两次实数加法，一次复数加法等于两次实数加法，即使把一次复数乘法和一次复数加法定义成一次“运算”(四次实数乘法和四次实数加法)，那么求出N项复数序列的X(m),即N点DFT变换大约就需要N2次运算。当N＝1024点甚至更多的时候，需要N2＝1048576次运算，在FFT中，利用WN的周期性和对称性，把一个N项序列(设N＝2k,k为正整数)，分为两个N/2项的子序列，每个N/2点DFT变换需要(N/2)2次运算，再用N次运算把两个N/2点的DFT变换组合成一个N点的DFT变换。这样变换以后，总的运算次数就变成N+2(N/2)2＝N+N2/2。继续上面的例子，N＝1024时，总的运算次数就变成了525312次，节省了大约50％的运算量。而如果我们将这种“一分为二”的思想不断进行下去，直到分成两两一组的DFT运算单元，那么N点的DFT变换就只需要Nlog2N次的运算，N在1024点时，运算量仅有10240次，是先前的直接算法的1％，点数越多，运算量的节约就越大，这就是FFT的优越性。

寻峰算法实现流程：

算法的核心思路非常简单，曲线的峰值点，满足一阶导数为0，并且满足二阶导数为负；而波谷点，则满足一阶导数为0，二阶导数为正。算法中，我们首先计算了一阶的导数，然后我们将其符号化，是因为我们并不关心一阶导数的大小。

然后我们去看那些一阶层数为0的地方，我们发现，那些平台上的点，有些并不是波峰与波谷，然后很多处在上坡与下坡的路上，所以我们将它们的一阶导数设为与它们所在的坡面梯度方向相同。最后我们再来计算二阶导数时，就会发现只要为2或者-2，所以曲线斜在这个点发生了变化，由正变负或由负变正。找到这些点，也就找到了原曲线中的波峰或波谷点。

压实度模型计算：

根据压路机特点，并考虑压实过程中有部分土壤参与振动，压路机振动轮-土壤系统可简化为图3动力学模型。图3中各参数的含义如下：

M1-车架质量，KG；

M2-振动轮质量，KG；

M3-随振动土体质量，KG；

M3＝(M1+M2)*10％；

K1，K2-分别为减振器、土壤刚度，N/m；

C1、C2-分别为减振器、土壤阻尼，Ns/m；

F0-激振力幅值，N；

X1、X2-分别为车架、振动轮瞬间位移，m；

W-激振器工作频率，Hz。

在振动压路机振动轮-土壤系统研究中，对土壤的要求是：既要考虑土壤的塑性变形，又要考虑其弹性变形，因此根据土壤在振动压实过程中的不同特性，将土壤的振动压实分为A、B、C三个阶段。在正常压实过程中应避免产生跳振的C阶段，使振动轮工作在A和B阶段。系统处于A和B阶段时，振动压路机的振动轮不跳离地面，在动力学分析时，可把M2和M3作为一体进行分析。选取各自静平衡位置为坐标点，解得振动压路机-土壤系统数学模型为：

(m₂+m₃)x₂″+(c₁+c₂)x₂′+

(k₁+k₂)x₂-c₁x′-k₁x₁＝F₀sinωt

m₁x₁+c₁x₁+k₁x₁-c₁x₂-k₁x₂＝0

式中:x1、x1’、x1”-车架位移(m)、速度(m/s)、加速度(m/s2)；

x2、x2’、x2”-振动轮位移(m)、速度(m/s)、加速度(m/s2)；

求解上述常系数二阶线性非其次微分方程组，即可得振动轮位移幅值为：

车架位移幅值为：

振动轮加速度幅值为：a2＝X”2＝w2X2

车架加速度幅值为：a1＝X”1＝w2X1，式中：

A₁＝k₁-m₁ω²；B₁＝c₁ω；

A₂＝k₁；B₂＝c₁ω²；

C＝m₂m₁ω⁴-m₂k₁ω²-m₁k₂ω²-E；

E＝c₁c₂ω²+k₁k₂-m₁k₁ω²；

D＝k₂c₁ω+k₁c₂ω-m₂c₁ω³-m₁c₂ω³-m₁C₁ω³。

本发明的方法通过振动轮上的加速度数值计算振动轮的频率振幅。通过振动轮上的加速度数值，将时域信号转换为频域信号，计算路基压实度CMV数值，依次反映路面压实情况；以及通过代码实现FFT算法，快速寻峰算法，建立压实度计算模型。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种基于加速度值的振动辗振动信息实时检测算法，其特征在于，通过安装在振动轮上的加速度计采集原始加速度值，计算振动轮的频率、振幅、压实度，以此反映路面的实时压实情况，为路面施工提高压实质量及施工效率。

2.如权利要求1所述的一种基于加速度值的振动辗振动信息实时检测算法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤(1)：在振动轮上安装加速度传感器，用于收集加速度时域信号；

步骤(2)：将加速度时域信号向频域信号进行转换，提取其中基波及有效谐波进行压实度、振幅、频率的计算。

3.如权利要求2所述的一种基于加速度值的振动辗振动信息实时检测算法，其特征在于，所述步骤(2)包括：通过傅里叶变换将加速度时域信号向频域信号进行转换。

4.如权利要求3所述的一种基于加速度值的振动辗振动信息实时检测算法，其特征在于，所述步骤(2)还包括：压实度计算步骤和振幅及频率计算步骤。

5.如权利要求4所述的一种基于加速度值的振动辗振动信息实时检测算法，其特征在于，所述压实度计算步骤具体包括：FFT变换后收集到加速度的频域数据，需要析取1/2次谐波AH、基波A0及二次谐波A1，共振值是通过加速度频域信号计算出来的，用AH/A0计算共振值，它的大小表示跳振的程度。

6.如权利要求5所述的一种基于加速度值的振动辗振动信息实时检测算法，其特征在于，所述振幅及频率计算步骤具体包括：FFT变换后，获取加速度的频域变换复数实部虚部数组，则采样点对应的信号频率计算方法为：

F＝n*Fs/N；

式子：F------n采样点对应的信号频率；

N------指定的采样点，即数组下标；

Fs-----信号的采样频率；

采样点数；计算振幅，则通过原始加速度时域数组，根据波峰与波谷确定原始加速度的平均振幅。