CN113152228A - 一种自适应路基类型的压实度在线评价方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自适应路基类型的压实度在线评价方法及系统，1.按照设定采样频率，采集一定时间内的振动信号；2.对采集数据进行FFT运算，得到采集时间内振动信号的频谱特性；3.获取谐波分量、基频能量大小和谐波能量大小；4.根据基频能量和谐波能量大小，找出幅值大于0.5的谐波分量，以所选谐波分量作为评价路基压实度的基础；5.计算所选的各个谐波分量与基频的倍频，通过倍频计算CCV值；6.在压路机行驶完整个道路过程中，连续计算采集时间内的CCV值，得到实时更新的CCV值，采用不断更新的CCV值对当前所处路段进行路基压实度评价。能够对于不同路基压实过程压实度实现自适应评价。
Description
技术领域
本发明属于公路工程领域，涉及一种自适应路基类型的压实度在线评价方法及系统。
背景技术
公路工程为加强区域联系和促进区域经济发展做出了巨大的贡献，极大地促进了中国经济的发展，而随着路面建设的快速发展，高速重载交通又对道路建设的质量有了更高的要求。公路建设质量在很大程度上取决于路基施工时的压实质量控制，压实不足和压实质量控制不严将直接影响路面的强度、稳定性和耐久性，因此，对路基压实度的控制尤为重要。
目前，传统路基压实度的检测方法主要有灌砂法、环刀法、核子密度法、表面标高沉降法等。其中灌砂法和环刀法均属于破坏性试验，需完工后才能检测，检测效率低；核子密度法属于无损检测，但不能实现连续检测；表面标高沉降法可以量化检测，规律性较强，随着碾压遍数的增加，其沉降差逐渐减少，但仍存在检测效率底下的问题。因此，为路基压实过程寻求一种高效、无损、准确的评价方法是该领域亟待解决的一个难题。
现有路基压实度在线检测方法可实时检测压实过程中路基的压实度值，其中最常用的评价方法为CMV(Compaction Meter Value，压实仪值)和CCV(Compaction ControlValue，压实控制值)，均是基于压路机振动钢轮上采集的振动加速度信号和路基耦合作用后产生的谐波与路基压实状态之间的联系实现对整体路面压实度的评价。但是由于压路机-土壤之间是一个非线性的耦合关系，在此基础上采用FFT(fast Fourier transform，快速傅立叶变换)获得的振幅就存在畸变，以至基于二次谐波与基波比值
的CMV法不能正确反映压实度的真实值。而CCV考虑了基频、次谐波频率以及更高倍频，能准确地评价压实度的大小，但其受土壤类型的限制，对于不同土壤类型的路基，压路机振动钢轮上采集的振动加速度信号和路基耦合作用后产生的谐波分量也不尽相同。因此，利用CCV对所有土壤类型的压实度进行评价也不能准确反映真实的压实状况，制约了智能压实的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种自适应路基类型的压实度在线评价方法及系统，能够对于不同路基压实过程压实度实现自适应评价。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种自适应路基类型的压实度在线评价方法，包括以下步骤；
步骤一，在压路机施工过程中，按照设定采样频率，采集一定时间内压路机的振动马达上的振动信号；
步骤二，对采集数据进行FFT运算，得到采集时间内振动信号的频谱特性；
步骤三，根据频谱特性获取谐波分量、基频能量大小和谐波能量大小；
步骤四，根据基频能量和谐波能量大小，找出幅值大于0.5的谐波分量，以所选谐波分量作为评价路基压实度的基础；
步骤五，计算所选的各个谐波分量与基频的倍频，通过倍频计算CCV值；
步骤六，在压路机行驶完整个道路过程中，重复步骤一至步骤五，连续计算采集时间内的CCV值，得到实时更新的CCV值，采用不断更新的CCV值对当前所处路段进行路基压实度评价。
优选的，步骤一中，采样频率大于振动信号中最高频率的2倍。
优选的，步骤一中，振动马达上安装振动加速度传感器，采用单片机的TIM定时器模块和ADC模块，按照设定采样频率，采集一定时间内振动加速度传感器的电压信号。
进一步，配置ADC工作模式为独立模式，并使用单通道数据传输方式，即只选取片上的一个ADC模快对应的一个规则通道接收数据进行AD转换，转换后的数据存放在规则数据寄存器ADC_DR中。
再进一步，配置DMA实现数据高速在外部寄存器与存储器之间的传输，传输方向设为从规则数据寄存器ADC_DR到由变量ADC_ConvertedValue在单片机内存上开辟的一块数据存储空间，ADC_ConvertedValue存储所采集的电压信号经AD转换后的数字值，且每次只能存储一个数值，当下一个数据到来时会覆盖之前的数据。
优选的，步骤二中，FFT运算调用DSP库函数中的arm_cfft_radix4_f32(&scfft,pSrc)作FFT运算，其中scfft是结构体指针变量，存储函数arm_cfft_radix4_init_f32初始化FFT运算的相关参数，pSrc为所采集的输入信号的数量，即采集的振动信号数量。
进一步，经FFT计算后，利用DSP库函数arm_cmplx_mag_f32(pSrc,pDst,length)计算所有输入信号所对应的幅值与频率，其中，pDst为输出数组，存储取模后的值，即振幅，length为输入值的个数，即采集的振动信号数量。
一种自适应路基类型的压实度在线评价方法，包括：
采集模块，用于在压路机施工过程中，按照设定采样频率，采集一定时间内压路机的振动马达上的振动信号；
FFT运算模块，用于对采集数据进行FFT运算，得到采集时间内振动信号的频谱特性；
数据提取模块，用于根据频谱特性获取谐波分量、基频能量大小和谐波能量大小；
谐波分量选取模块，用于根据基频能量和谐波能量大小，找出幅值大于0.5的谐波分量，以所选谐波分量作为评价路基压实度的基础；
CCV值计算模块，用于计算所选的各个谐波分量与基频的倍频，通过倍频计算CCV值；
CCV值更新模块，用于在压路机行驶完整个道路过程中，重复步骤一-步骤三，连续计算采集时间内的CCV值，得到实时更新的CCV值，采用不断更新的CCV值对当前所处路段进行路基压实度评价。
一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述任意一项所述自适应路基类型的压实度在线评价方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任意一项所述自适应路基类型的压实度在线评价方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明选取一时间段作为基本单位，对该时间段存放至单片机内存的数据进行FFT运算，以得到振动信号的频谱特性；根据频谱特征和所设定的谐波能量阈值，计算所选取的谐波分量与基频的倍数关系，以此实现该路基类型所对应的CCV公式修正；基于上述振动信号的实时采集和FFT运算，根据修正CCV公式，即可实现对指定路基类型的压实度实时在线评价。最终解决了路基压实度在线检测中，现有压实度评价方法受路基类型限制，不能正确评价路基压实度的问题。
附图说明
图1为本发明的振动加速度传感器装置原理图；
图2为本发明的加速度传感器与stm32单片机连接图；
图3为本发明的幅频示意图。
其中：1-压路机振动轮；2-压路机前挡板；3-压路机振动马达；4-振动加速度传感器；5-路基。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明提出自适应路基类型的压实度在线评价方法，包括以下步骤；
步骤一，在压路机施工过程中，按照设定采样频率，采集一定时间内压路机的振动马达3上的振动信号。
步骤二，对采集数据进行FFT运算，得到采集时间内振动信号的频谱特性；
步骤三，根据频谱特性获取谐波分量、基频能量大小和谐波能量大小。
步骤四，根据基频能量和谐波能量大小，找出幅值大于0.5的谐波分量，以所选谐波分量作为评价路基压实度的基础。
步骤五，计算所选的各个谐波分量与基频的倍频，通过倍频计算CCV值。
步骤六，在压路机行驶完整个道路过程中，重复步骤一-步骤三，连续计算采集时间内的CCV值，得到实时更新的CCV值，采用不断更新的CCV值对当前所处路段进行路基压实度评价。
具体步骤如下：
步骤一：根据压路机工作时振动钢轮1与路基5相互耦合作用产生的加速度值大小选取合适的加速度传感器，现有单钢轮、双钢轮压路机在压实路面时的振动幅度为3～8g，则选取加速度传感器的量程范围应大于压路机钢轮1工作的振幅宽度。本发明选取振幅量程为0～10g，输出为0-5V电压的振动加速度传感器4。
步骤二：由于试验可比较压路机不行使状态下分别在钢轮(沿钢轮等间隔的四个采集点)与振动马达上布置采集点所得振动加速度信号并无差异，则将振动加速度传感器4垂直固定到压路机振动马达3上，振动马达3设置在压路机前挡板2上，如图1所示，当压路机振动马达3开启后对路基5碾压时，钢轮1与路基5直接作用产生激振，振动加速度传感器4实时采集振动马达3上的振动加速度值，并输出电压信号。
步骤三：如图2所示，给STM32单片机和振动加速度传感器4上电，并将传感器信号输出线连接至STM32单片机，与片上所选ADC模块的AD信号接收引脚相连。
步骤四：配置ADC工作模式为独立模式，并使用单通道数据传输方式，即只选取片上的一个ADC模快对应的一个规则通道接收数据进行AD转换，转换后的数据存放在规则数据寄存器ADC_DR中。
步骤五：配置DMA实现数据高速在外部寄存器与存储器之间的传输，传输方向设为从规则数据寄存器ADC_DR到由变量ADC_ConvertedValue在单片机内存上开辟的一块数据存储空间，ADC_ConvertedValue存储所采集的电压信号经AD转换后的一个相对精度的数字值，且每次只能存储一个数值，当下一个数据到来时会覆盖之前的数据。
步骤六：根据采样定理，只有当采样频率大于信号中最高频率的2倍时，采样之后的数字信号才能完整反映原始信号的信息。已知振动压路机的振动频率为32HZ，又根据CCV可知，当压路机与路基耦合作用后，产生的信号中含有高次谐波，则可通过配置TIM定时器的预分频器和自动重载寄存器实现512HZ的采样频率，即每秒采样512个ADC_ConvertedValue值，实现对传感器数据的采样。
步骤七：以步骤六所述512HZ的采样频率进行振动加速度数据采集，为实现对ADC采样值进行FFT运算，应首先根据式将所采样的ADC_ConvertedValue值转化为模拟量电压值，进而以采样的1024个数据为一组，即以两秒钟采样的数据作一次FFT运算。式为：
ADC_Vol＝(float)ADC_ConvertedValue/4096*3.3 (1)
步骤八：FFT运算，首先调用DSP库函数中的arm_cfft_radix4_f32(&scfft,pSrc)作FFT运算，其中scfft是结构体指针变量，存储函数arm_cfft_radix4_init_f32初始化FFT运算的相关参数，pSrc为所采集的输入信号数组，即上述的1024个数据。
步骤九：经上述FFT计算后，利用DSP库函数arm_cmplx_mag_f32(pSrc,pDst,length)计算1024个点所对应的幅值与频率，其中，pDst为输出数组，存储取模后的值，即振幅，length为1024，表示输入值的个数。
步骤十：由于FFT变换后的结果具有对称性，即0-512hz所对应的幅值大小关于256hz对称，则取0-256hz的幅频特性进行说明，如图3所示。设定当幅值小于0.5时，如图中80HZ对应的幅值所示，可认为该幅值对应的频率对路面压实质量影响几乎为0，则将此点的幅值按0处理。
步骤十一：以某类型路基上的压路机作业时所产生的振动信号为例，如图三，当压路机设定工作频率为32hz时，图中示意压路机钢轮与路基耦合作用后产生的谐波主要为16HZ、48HZ、64HZ、138HZ。进而根据各个谐波分量与基频大小的倍数关系，即A0.5(16HZ)、A1(32HZ)、A1.5(48HZ)、A2(64HZ)和A4(138HZ)是分别代表半倍频、基频、1.5倍频、2倍频和4倍频谐波分量，参照谐波法计算CCV值的公式，修改压实度计算值CCV1为：
步骤十二：由于步骤十一仅以某种类型路基上的压路机工作为例，进行CCV1的修正，为实现自适应路基类型的压实度评价方法，则每当压路机换一个施工现场时，应重新采集压路机钢轮与当地现场耦合后的振动信号，分析谐波的大小，找出各个谐波与基波的倍数关系，如基波为H时，谐波大小为aH、bH、cH、dH、eH，其中(0<a<1＝b<c<d<e<256),如Aa、Ab、Ac、Ad和Ae，则可修正自适应路基类型的压实度评价方法为：
步骤十三：由于步骤七-步骤十实现了对所采集振动传感器信号的1024个点的数据，即两秒钟的数据进行了FFT运算，并据计算出这两秒内路基的压实度值。而为实现自适应路基类型的压实度在线评价方法，应当根据步骤十二首先修正自适应路基类型的压实度评价方法，然后在压路机行驶完整个道路过程中，重复步骤七-步骤十，实现压路机压实作业施工中，每两秒钟获得该段时间内的压实度值，采用更新的CCV2值对当前所处路段进行路基压实度评价，为自适应路路基类型压实度实时在线检测提供一种有效的评价方式。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种自适应路基类型的压实度在线评价方法，其特征在于，包括以下步骤；
步骤一，在压路机施工过程中，按照设定采样频率，采集一定时间内压路机的振动马达(3)上的振动信号；
步骤二，对采集数据进行FFT运算，得到采集时间内振动信号的频谱特性；
步骤三，根据频谱特性获取谐波分量、基频能量大小和谐波能量大小；
步骤四，根据基频能量和谐波能量大小，找出幅值大于0.5的谐波分量，以所选谐波分量作为评价路基压实度的基础；
步骤五，计算所选的各个谐波分量与基频的倍频，通过倍频计算CCV值；
步骤六，在压路机行驶完整个道路过程中，重复步骤一至步骤五，连续计算采集时间内的CCV值，得到实时更新的CCV值，采用不断更新的CCV值对当前所处路段进行路基压实度评价。
2.根据权利要求1所述的自适应路基类型的压实度在线评价方法，其特征在于，步骤一中，采样频率大于振动信号中最高频率的2倍。
3.根据权利要求1所述的自适应路基类型的压实度在线评价方法，其特征在于，步骤一中，振动马达(3)上安装振动加速度传感器(4)，采用单片机的TIM定时器模块和ADC模块，按照设定采样频率，采集一定时间内振动加速度传感器的电压信号。
4.根据权利要求3所述的自适应路基类型的压实度在线评价方法，其特征在于，配置ADC工作模式为独立模式，并使用单通道数据传输方式，即只选取片上的一个ADC模快对应的一个规则通道接收数据进行AD转换，转换后的数据存放在规则数据寄存器ADC_DR中。
5.根据权利要求4所述的自适应路基类型的压实度在线评价方法，其特征在于，配置DMA实现数据高速在外部寄存器与存储器之间的传输，传输方向设为从规则数据寄存器ADC_DR到由变量ADC_ConvertedValue在单片机内存上开辟的一块数据存储空间，ADC_ConvertedValue存储所采集的电压信号经AD转换后的数字值，且每次只能存储一个数值，当下一个数据到来时会覆盖之前的数据。
6.根据权利要求1所述的自适应路基类型的压实度在线评价方法，其特征在于，步骤二中，FFT运算调用DSP库函数中的arm_cfft_radix4_f32(&scfft,pSrc)作FFT运算，其中scfft是结构体指针变量，存储函数arm_cfft_radix4_init_f32初始化FFT运算的相关参数，pSrc为所采集的输入信号的数量，即采集的振动信号数量。
7.根据权利要求6所述的自适应路基类型的压实度在线评价方法，其特征在于，经FFT计算后，利用DSP库函数arm_cmplx_mag_f32(pSrc,pDst,length)计算所有输入信号所对应的幅值与频率，其中，pDst为输出数组，存储取模后的值，即振幅，length为输入值的个数，即采集的振动信号数量。
8.一种自适应路基类型的压实度在线评价方法，其特征在于，包括：
采集模块，用于在压路机施工过程中，按照设定采样频率，采集一定时间内压路机的振动马达(3)上的振动信号；
FFT运算模块，用于对采集数据进行FFT运算，得到采集时间内振动信号的频谱特性；
数据提取模块，用于根据频谱特性获取谐波分量、基频能量大小和谐波能量大小；
谐波分量选取模块，用于根据基频能量和谐波能量大小，找出幅值大于0.5的谐波分量，以所选谐波分量作为评价路基压实度的基础；
CCV值计算模块，用于计算所选的各个谐波分量与基频的倍频，通过倍频计算CCV值；
CCV值更新模块，用于在压路机行驶完整个道路过程中，重复步骤一-步骤三，连续计算采集时间内的CCV值，得到实时更新的CCV值，采用不断更新的CCV值对当前所处路段进行路基压实度评价。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述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计算机程序时实现如权利要求1至7任意一项所述自适应路基类型的压实度在线评价方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任意一项所述自适应路基类型的压实度在线评价方法的步骤。
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