CN111611832A - 基于加速度信号获取车辆响应位移的方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于加速度信号获取车辆响应位移的方法及其系统。该方法包括：预处理步骤，采集车辆行驶过程中的振动加速度信号，对采集到的振动加速度信号进行滤波预处理；积分步骤，对经所述预处理步骤滤波处理后的振动加速度信号进行频域二次积分，并且采用低频截止法控制积分误差，得到位移信号；以及能量补偿步骤，对所述积分步骤输出的位移信号进行基于能量补偿的振值补偿。根据本发明，能够稳定地控制积分误差，能够很好地消除积分趋势项，同时减少积分能量损失，积分位移信号更接近实际位移信号，以满足工程需要。
Description
技术领域
本发明涉及信号处理技术，特别涉及一种基于加速度信号获取车辆响应位移的方法及其系统。
背景技术
对于车辆路面响应分析，有时单纯从加速度信号往往无法充分分析车辆的响应幅度，且难以通过加速度信号区分同一车辆对于相近路面的响应情况，此时就需要通过从位移信号来进行车辆对于路面的响应分析。
目前，获得位移信号的方法主要有两种，一种是通过位移传感器直接测量位移信号，另一种是通过加速度传感器测量加速度信号后积分来获取位移信号。
对于第一种方法，位移传感器成本较高、体积较大且不易布置，当要采集的数据通道较多时无疑加大了试验成本和难度；相比位移传感器来说，加速度传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高及频率范围宽等优点，因而在车辆道路数据采集试验过程中被广泛应用。
然而，简单通过加速度信号积分计算位移信号，由于外界噪声信号的干扰以及积分本身的趋势误差和累计误差，势必造成计算的位移信号产生漂移及幅值损失等问题，因此需要对积分过程进行控制，以保证积分得到的位移信号能够满足工程需求。而且，在对对积分过程进行控制的情况下，需要一种能够对积分的能量损失进行补偿的办法。
发明内容
鉴于此，本发明旨在提供一种能够减少积分能量损失的基于加速度信号获取车辆响应位移的方法及基于加速度信号获取车辆响应位移的系统。
本发明的基于加速度信号获取车辆响应位移的方法，其特征在于，包括：
预处理步骤，采集车辆行驶过程中的振动加速度信号，对采集到的振动加速度信号进行滤波预处理；
积分步骤，对经所述预处理步骤滤波处理后的振动加速度信号进行频域二次积分，并且采用低频截止法控制积分误差，得到位移信号；以及
能量补偿步骤，对所述积分步骤输出的位移信号进行基于能量补偿的振值补偿。
可选地，所述预处理步骤包括下述子步骤：
采集被测车辆的原始路面冲击的振动加速度信号a(t)，包含时间离散序列和加速度信号离散序列；以及
对振动加速度信号a(t)进行带通滤波处理，得到进行滤波预处理的加速度信号a0(t)。
可选地，所述积分步骤包括下述子步骤：
对加速度信号a0(t)进行傅里叶变换，将加速度信号由时域转至频域，得到频域加速度信号A(w)；
根据傅里叶变换的积分性质，按照下式对频域加速度信号A(w)进行二次积分计算，得到频域位移信号S(w)：
式中，j为虚数单位，w＝2πf，f为圆频率；
基于低频截止法，对积分误差进行控制，去除低频分量后得到新的频域位移SL(w)。
可选地，所述能量补偿步骤包括下述子步骤：
对所述频域位移信号SL(w)进行傅里叶逆变换，得到时域位移信号d(t)；
对所述时域位移信号d(t)进行多项式拟合，并去除趋势项，得到新的位移信号dp(t)；以及
对去除趋势项后的所述位移信号dp(t)基于能量补偿法进行幅值补偿，输出积分位移d0(t)。
可选地，所述低频截止的频域积分位移补偿系数cd可以通过速度信号频率截止前后的二次方来计算：
式中，vk为频率截止前的离散速度点绝对包络数据，vm为频率截止后的离散速度点绝对包络数据，N为移动平均窗长度。
可选地，所述离散速度点绝对包络数据通过希尔伯特变换的方式得到。
本发明的基于加速度信号获取车辆响应位移的系统，其特征在于，包括：
预处理模块，采集车辆行驶过程中的振动加速度信号，对采集到的振动加速度信号进行滤波预处理；
积分模块，对经所述预处理模块滤波处理后的振动加速度信号进行频域二次积分，并且采用低频截止法控制积分误差，得到位移信号；以及
能量补偿模块，对所述积分模块输出的位移信号进行基于能量补偿的振值补偿。
可选地，所述预处理模块包括：
采集子模块，采集被测车辆的原始路面冲击的振动加速度信号a(t)，包含时间离散序列和加速度信号离散序列；以及
滤波子模块，对振动加速度信号a(t)进行带通滤波处理，得到进行滤波预处理的加速度信号a0(t)。
可选地，所述积分模块包括：
第一傅里叶变换子模块，对加速度信号a0(t)进行傅里叶变换，将加速度信号由时域转至频域，得到频域加速度信号A(w)；
二次积分子模块，根据傅里叶变换的积分性质，按照下式对频域加速度信号A(w)进行二次积分计算，得到频域位移信号S(w)：
式中，j为虚数单位，w＝2πf，f为圆频率；以及
积分误差控制子模块，基于低频截止法，对积分误差进行控制，去除低频分量后得到新的频域位移SL(w)。
可选地，所述能量补偿模块包括下述子模块：
第二傅里叶变换子模块，对所述频域位移信号SL(w)进行傅里叶逆变换，得到时域位移信号d(t)；
多项式拟合子模块，所述时域位移信号d(t)进行多项式拟合，并去除趋势项，得到新的位移信号dp(t)；以及
位移信号能量补偿子模块，对去除趋势项后的所述位移信号dp(t)基于能量补偿法进行幅值补偿，输出积分位移d0(t)。
本发明的计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权上述的基于加速度信号获取车辆响应位移的方法。
本发明的计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现上述的基于加速度信号获取车辆响应位移的方法。
本发明采用以上方法与现有方法相比，具有安装简便，成本低廉，积分误差控制稳定的优点，能够很好地消除积分趋势项，同时减少积分能量损失，积分位移信号更接近实际位移信号，以满足工程需要。
通过纳入本文的附图以及随后与附图一起用于说明本发明的某些原理的具体实施方式，本发明的方法和装置所具有的其它特征和优点将更为具体地变得清楚或得以阐明。
附图说明
图1是表示本发明一实施方式的基于加速度信号获取车辆响应位移的方法的概要流程图。
图2是表示本发明一实施方式的基于加速度信号获取车辆响应位移的方法的具体流程图。
图3表示对同一实测车辆振动加速度信号分别进行时域积分、频域积分和基于能量补偿的频域积分的积分结果的示意图。
图4(a)和(b)是用于表示对两个加速度信号进行基于能量补偿的频域积分后的效果对比图。
图5是表示本发明一实施方式的基于加速度信号获取车辆响应位移的系统的结构框图。
具体实施方式
下面介绍的是本发明的多个实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解。并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。
图1是表示本发明一实施方式的基于加速度信号获取车辆响应位移的方法的概要流程图。
本发明一实施方式的基于加速度信号获取车辆响应位移的方法主要包括三个步骤：
预处理步骤S100：在车辆测量位置布置加速度传感器，采集车辆行驶过程中的振动加速度信号，并对采集的加速度信号进行滤波预处理，以去除环境噪声等干扰信号，保留需要的测量信号频带范围；
积分步骤S200：对滤波后的加速度信号进行频域二次积分，同时采用低频截止法控制积分误差；以及
能量补偿步骤S300：对二次频域积分获得的位移信号进行能量补偿，以恢复实际位移信号的振动幅值。
图2是表示本发明一实施方式的基于加速度信号获取车辆响应位移的方法的具体流程图。
如图1所示，本发明方法包括如下步骤：
步骤S1：采集被测车辆的原始路面冲击的振动加速度信号a(t)，包含时间离散序列和加速度信号离散序列；
步骤S2，对原始加速度信号a(t)进行带通滤波处理，去除高频白噪声信号等干扰信号，得到待积分处理加速度信号a0(t)；
步骤S3：对加速度信号a0(t)进行傅里叶变换，将加速度信号由时域转至频域，得到频域加速度信号A(w)；
步骤S4：根据傅里叶变换的积分性质，对频域加速度信号A(w)进行二次积分计算，得到频域位移信号S(w)，其中，
式中，j为虚数单位，w＝2πf，f为圆频率。
步骤S5：基于低频截止法，对积分误差进行控制，去除低频分量后得到新的频域位移SL(w)；
步骤S6：对频域位移信号SL(w)进行傅里叶逆变换，得到时域位移信号d(t)；
步骤S7：对时域位移信号d(t)进行多项式拟合，并去除趋势项，得到新的位移信号dp(t)；
步骤S8：对去除趋势项后的位移信号dp(t)基于能量补偿法进行幅值补偿；
步骤S9：输出最终积分位移d0(t)。
进一步地，能量补偿法是从能量角度出发，将路面冲击响应加速度积分位移的过程，看作是一个动能与势能的能量转换过程。动能为与速度的二次方呈线性相关的变量，势能为与位移呈线性相关的变量，则低频截止的频域积分位移补偿系数cd可以通过速度信号频率截止前后的二次方来计算：
式中，vk为频率截止前的离散速度点绝对包络数据，vm为频率截止后的离散速度点绝对包络数据，N为移动平均窗长度。
进一步地，对于速度信号的绝对包络计算，可以通过希尔伯特变换的方式得到，当然本发明不限于此方法。
以下列举两个示例来说明基于加速度信号获取车辆响应位移的方法能够获得的技术效果。
实施例1
对同一实测车辆振动加速度信号分别进行时域积分、频域积分和基于能量补偿的频域积分，积分结果如图3所示。实线是通过对应的位移传感器实测的位移信号曲线，短虚线是根据测量的加速度信号经时域积分得到的位移信号曲线，点划线是利用测量的加速度信号基于能量补偿的频域积分得到的位移信号曲线，长虚线是未经能量补偿的频域积分获得的位移信号曲线。对比各位移信号曲线，可以看出时域积分位移信号曲线存在严重的漂移，未经补偿的频域积分位移信号曲线虽然去除了漂移，但振动幅值损失较大，而经能量补偿后的频域积分位移曲线则较好地与实测位移信号曲线匹配。
实施例2
如图4(a)所示，为某车辆以两种不同车速在某路面的实测振动加速度信号，实线为60kph的加速度信号，虚线为40kph的加速度信号，由于两个加速度信号幅值较为接近，所以从图4(a)中很难区分哪个加速度响应幅度较大。因此，根据本发明所述方法，分别对两个加速度信号进行基于能量补偿的频域积分，得到对应的位移信号如图4(b)所示，实线为60kph的积分位移信号，虚线为40kph的积分位移信号。从图4(b)中可以明显看出，60kph的位移信号幅值明显高于40kph的位移信号，能够较明显地区分两种不同车速的响应幅度以及响应相位，能够较好地用于工程应用。
以上对于本发明的基于加速度信号获取车辆响应位移的方法进行了说明，接着，对于基于加速度信号获取车辆响应位移的系统进行说明。
图5是表示本发明一实施方式的基于加速度信号获取车辆响应位移的系统的结构框图。
如图5所示，本发明一实施方式的终基于加速度信号获取车辆响应位移的系统具备：
预处理模块100，采集车辆行驶过程中的振动加速度信号，对采集到的振动加速度信号进行滤波预处理；
积分模块200，对经所述预处理模块滤波处理后的振动加速度信号进行频域二次积分，并且采用低频截止法控制积分误差，得到位移信号；以及
能量补偿模块300，对所述积分模块输出的位移信号进行基于能量补偿的振值补偿。
其中，所述预处理模块100包括：
采集子模块110，采集被测车辆的原始路面冲击的振动加速度信号a(t)，包含时间离散序列和加速度信号离散序列；以及
滤波子模块120，对振动加速度信号a(t)进行带通滤波处理，得到进行滤波预处理的加速度信号a0(t)。
其中，所述积分模块200包括：
第一傅里叶变换子模块210，对加速度信号a0(t)进行傅里叶变换，将加速度信号由时域转至频域，得到频域加速度信号A(w)；
二次积分子模块220，根据傅里叶变换的积分性质，按照下式对频域加速度信号A(w)进行二次积分计算，得到频域位移信号S(w)：
式中，j为虚数单位，w＝2πf，f为圆频率；以及
积分误差控制子模块230，基于低频截止法，对积分误差进行控制，去除低频分量后得到新的频域位移SL(w)。
其中，能量补偿模块300包括：
第二傅里叶变换子模块310，对所述频域位移信号SL(w)进行傅里叶逆变换，得到时域位移信号d(t)；
多项式拟合子模块320，所述时域位移信号d(t)进行多项式拟合，并去除趋势项，得到新的位移信号dp(t)；以及
位移信号能量补偿子模块330，对去除趋势项后的所述位移信号dp(t)基于能量补偿法进行幅值补偿，输出积分位移d0(t)。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现上述的基于加速度信号获取车辆响应位移的方法。
本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现上述的基于加速度信号获取车辆响应位移的方法。
以上例子主要说明了本发明的终检线车辆控制器特征数据采集分析系统以及终检线车辆控制器特征数据采集分析方法。尽管只对其中一些本发明的具体实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。
Claims (12)
1.一种基于加速度信号获取车辆响应位移的方法，其特征在于，包括：
预处理步骤，采集车辆行驶过程中的振动加速度信号，对采集到的振动加速度信号进行滤波预处理；
积分步骤，对经所述预处理步骤滤波处理后的振动加速度信号进行频域二次积分，并且采用低频截止法控制积分误差，得到位移信号；以及
能量补偿步骤，对所述积分步骤输出的位移信号进行基于能量补偿的振值补偿。
2.如权利要求1所述的基于加速度信号获取车辆响应位移的方法，其特征在于，所述预处理步骤包括下述子步骤：
采集被测车辆的原始路面冲击的振动加速度信号a(t)，包含时间离散序列和加速度信号离散序列；以及
对振动加速度信号a(t)进行带通滤波处理，得到进行滤波预处理的加速度信号a0(t)。
3.如权利要求2所述的基于加速度信号获取车辆响应位移的方法，其特征在于，
所述积分步骤包括下述子步骤：
对加速度信号a0(t)进行傅里叶变换，将加速度信号由时域转至频域，得到频域加速度信号A(w)；
根据傅里叶变换的积分性质，按照下式对频域加速度信号A(w)进行二次积分计算，得到频域位移信号S(w)：
式中，j为虚数单位，w＝2πf，f为圆频率；
基于低频截止法，对积分误差进行控制，去除低频分量后得到新的频域位移SL(w)。
4.如权利要求3所述的基于加速度信号获取车辆响应位移的方法，其特征在于，
所述能量补偿步骤包括下述子步骤：
对所述频域位移信号SL(w)进行傅里叶逆变换，得到时域位移信号d(t)；
对所述时域位移信号d(t)进行多项式拟合，并去除趋势项，得到新的位移信号dp(t)；以及
对去除趋势项后的所述位移信号dp(t)基于能量补偿法进行幅值补偿，输出积分位移d0(t)。
5.如权利要求4所述的基于加速度信号获取车辆响应位移的方法，其特征在于，
所述低频截止的频域积分位移补偿系数cd可以通过速度信号频率截止前后的二次方来计算：
式中，vk为频率截止前的离散速度点绝对包络数据，vm为频率截止后的离散速度点绝对包络数据，N为移动平均窗长度。
6.如权利要求5所述的基于加速度信号获取车辆响应位移的方法，其特征在于，
所述离散速度点绝对包络数据通过希尔伯特变换的方式得到。
7.一种基于加速度信号获取车辆响应位移的系统，其特征在于，包括：
预处理模块，采集车辆行驶过程中的振动加速度信号，对采集到的振动加速度信号进行滤波预处理；
积分模块，对经所述预处理模块滤波处理后的振动加速度信号进行频域二次积分，并且采用低频截止法控制积分误差，得到位移信号；以及
能量补偿模块，对所述积分模块输出的位移信号进行基于能量补偿的振值补偿。
8.如权利要求7所述的基于加速度信号获取车辆响应位移的系统，其特征在于，所述预处理模块包括：
采集子模块，采集被测车辆的原始路面冲击的振动加速度信号a(t)，包含时间离散序列和加速度信号离散序列；以及
滤波子模块，对振动加速度信号a(t)进行带通滤波处理，得到进行滤波预处理的加速度信号a0(t)。
9.如权利要求8所述的基于加速度信号获取车辆响应位移的系统，其特征在于，所述积分模块包括：
第一傅里叶变换子模块，对加速度信号a0(t)进行傅里叶变换，将加速度信号由时域转至频域，得到频域加速度信号A(w)；
二次积分子模块，根据傅里叶变换的积分性质，按照下式对频域加速度信号A(w)进行二次积分计算，得到频域位移信号S(w)：
式中，j为虚数单位，w＝2πf，f为圆频率；以及
积分误差控制子模块，基于低频截止法，对积分误差进行控制，去除低频分量后得到新的频域位移SL(w)。
10.如权利要求9所述的基于加速度信号获取车辆响应位移的系统，其特征在于，
所述能量补偿模块包括下述子模块：
第二傅里叶变换子模块，对所述频域位移信号SL(w)进行傅里叶逆变换，得到时域位移信号d(t)；
多项式拟合子模块，所述时域位移信号d(t)进行多项式拟合，并去除趋势项，得到新的位移信号dp(t)；以及
位移信号能量补偿子模块，对去除趋势项后的所述位移信号dp(t)基于能量补偿法进行幅值补偿，输出积分位移d0(t)。
11.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1-6任意一项所述的基于加速度信号获取车辆响应位移的方法。
12.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1-6任意一项所述的基于加速度信号获取车辆响应位移的方法。
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|---|---|
| CN111611832B (zh) | 2023-11-17 |
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