CN113867205A - 一种振动压路机振动辅助控制方法、控制系统及振动压路机 - Google Patents
一种振动压路机振动辅助控制方法、控制系统及振动压路机 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种振动压路机振动辅助控制方法、控制系统及振动压路机，该辅助控制方法通过区域搜索获取激振频率、次谐波频率及其对应振幅，进行振动程度判定减少了压路机无振动或振动较微弱状态下由于测量系统误差造成的误判；通过设定幅度阈值智能判断压路机振动轮跳振的程度，对跳振程度进行分级并采取相应措施。本发明可以利用跳振带来的压实能力的增强，使土壤实现快速密实，实现了辅助控制压路机。
Description
技术领域
本发明涉及一种振动压路机振动辅助控制方法、控制系统及振动压路机，属于振动压路机控制技术领域。
背景技术
振动压路机以其发出的振动载荷使被压实土壤(例如土石填方及路面铺层混合物料)颗粒处于高频振动状态而丧失颗粒间的内摩擦力，迫使这些颗粒重新排列而密实，具有更高压实效率和更好压实效果，逐渐成为主流。行业内通常将被压实土壤与压路机振动轮和压路机上车组成振动系统研究，该系统一般被称为“压路机-土壤”振动系统。
压路机振动轮过于强烈的振动会导致振动轮倾向于跳离地面而不与地面保持紧密接触，即跳振，振动轮跳振可能导致振动轮对压实对象土壤的强烈冲击而导致土壤材料碎裂，同时可能导致压实过程的不稳定，因此，目前行业内提出多种防跳振控制系统。但是，通过对压路机压实过程的跟踪也可以发现，因为压路机上车重量、振动轮本身重量的影响，振动轮跳振时并不一定会使压路机失去连续、稳定的压实能力，即某些跳振情况下压路机仍能实现连续稳定碾压，同时，由于此时振幅增大，压路机的压实能力还能得到一定增强。
因此，在压路机振动轮发生跳振时，智能判断振动轮跳振的程度并采取相应措施，对跳振进行利用或者通过控制消除是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种振动压路机振动辅助控制方法、控制系统及振动压路机，通过智能判断压路机振动轮跳振的程度，辅助控制压路机。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明一方面提供一种振动压路机振动辅助控制方法，包括：
连续监测并获得压路机振动过程中振动轮在垂直地面方向的加速度信号；
连续对所获取的加速度信号进行处理，定周期获得随时间变化的位移的频谱；
基于当前时刻位移的频谱，筛选获得最大位移幅度A及对应于该最大位移幅度的频率f，以频率f的2倍值为基准，搜索临近区域内频率对应的位移幅度，找到位移幅度最大值A2和对应于该位移幅度最大值A2的频率f2；以频率f的0.5倍值为基准，搜索临近区域内频率对应的位移幅度，找到位移幅度最大值A0.5和对应于该位移幅度最大值A0.5的频率f0.5；
按照间隔时间长度s0获取一次位移幅度数据，基于所获取的位移幅度数据判定激振频率并计算振幅比；
基于所获取的位移幅度数据判定振动程度并对所计算的振幅比进行修正；
基于修正后的振幅比K判定振动轮跳振程度并计数；
基于计数值判定连续强烈跳振并输出指示信号。
优选的，所述振动过程为压路机振动轮起振至完全停振的全过程；或者，压路机振动轮起振至完全停振期间的某一段连续过程。
优选的，所述对所获取的加速度信号进行处理，包括：
通过硬件滤波、积分电路将所获取的加速度模拟信号转化成位移模拟信号；
通过AD转换器将位移模拟信号转换成位移数据；
对位移数据进行短时傅立叶变换得到随时间变化的不同时刻的频率-位移谱数据。
优选的，所述对所获取的加速度信号进行处理，包括：
通过硬件滤波、AD转换将所获取的加速度信号转换成加速度数据；
对加速度数据进行数字积分转化成位移数据；
对位移数据进行短时傅立叶变换得到随时间变化的不同时刻的频率-位移谱数据。
优选的，以频率f的2倍值为中心的±1.5Hz范围内，搜索位移幅度最大值A2；
以频率f的0.5倍值为下限的[0，+0.5Hz]范围内搜索位移幅度最大值A0.5。
优选的，所述基于所获取的位移幅度数据判定激振频率并计算振幅比，包括：
如果位移幅度A2小于幅度阈值Az，则频率f是激振频率，按公式K=A0.5/A计算振幅比K；否则，频率f2是激振频率，按公式K=A/A2计算振幅比K。
优选的，所述幅度阈值Az选择压路机名义振幅的1/3～2/5内的值。
优选的，所述基于所获取的位移幅度数据判定振动程度并对所计算的振幅比进行修正，包括：
如果位移幅度A小于阈值Aw，则修正振幅比为K=0；否则，保持原振幅比K值不变。
优选的，所述阈值Aw选择0.08～0.12mm区域内的值。
优选的，所述阈值Aw选择名义振幅的5%～8%区域内的值。
优选的，所述基于修正后的振幅比K判定振动轮跳振程度并计数，包括：
如果振幅比K值大于跳振阈值K0，则判定当前时刻强烈跳振，令计数值n加1；否则，判定当前时刻非强烈跳振，计数值n置0。
优选的，所述跳振阈值K0选择0.8～1.3中的值。
优选的，所述基于计数值判定连续强烈跳振，包括：
如果计数值n≥连跳阈值n0，则输出指示信号；否则，不输出指示信号。
优选的，所述连跳阈值n0选择20～80中的值。
优选的，指示信号为压路机处于连续跳振状态的警示信号，或者需要压路机自动执行某种防跳措施的控制信号。
优选的，所述间隔时间长度s0选择50～200ms中的值。
本发明另一方面提供一种振动压路机振动辅助控制系统，包括：
信号采集模块，用于连续获取压路机振动过程中振动轮在垂直地面方向的加速度信号；
信号处理模块，用于连续对所述加速度信号进行处理，定周期获得随时间变化的位移的频谱；以及，基于所述位移的频谱获取最大位移幅度数据；
以及，
跳振程度判定及指示信号输出模块，用于基于所获取的最大位移幅度数据对跳振程度进行判定，以及输出指示信号。
优选的，所述信号采集模块为设置在振动轮上的加速度传感器。
优选的，所述信号处理模块包括高通滤波器，低通滤波器，积分电路，AD转换器，微控制单元和CAN数据接口；
所述高通滤波器和低通滤波器用于消除加速度信号中的噪声；
所述积分电路用于通过二次积分将加速度模拟信号转换成位移模拟信号；
所述AD转换器用于将位移模拟信号转换成位移数字信号；
所述微控制单元用于对位移数字数据进行短时傅立叶变换得到随时间变化的不同时刻的频率-位移谱数据，以及基于当前时刻位移的频谱，筛选获得最大位移幅度A及对应于该最大位移幅度的频率f，以频率f的2倍值为基准，搜索临近区域内频率对应的位移幅度，找到位移幅度最大值A2和对应于该位移幅度最大值A2的频率f2；以频率f的0.5倍值为基准，搜索临近区域内频率对应的位移幅度，找到位移幅度最大值A0.5和对应于该位移幅度最大值A0.5的频率f0.5；
所述CAN数据接口用于通过CAN协议对获取的最大位移幅度数据进行成帧处理并以二进制格式进行定周期发送。
优选的，所述跳振程度判定及指示信号输出模块具体用于，
判断位移幅度A2如果小于幅度阈值Az，按公式K=A0.5/A计算振幅比K；否则，按公式K=A/A2计算振幅比K；
判断位移幅度A如果小于阈值Aw，则修正振幅比为K=0；否则，保持原振幅比K值不变；
判断振幅比K值，如果大于跳振阈值K0，则判定当前时刻强烈跳振，令计数值n加1；否则，判定当前时刻非强烈跳振，计数值n置0；
判断计数值n，如果计数值n≥连跳阈值n0，则输出指示信号；否则，不输出指示信号；
所述指示信号为压路机处于连续跳振状态的警示信号，或者需要压路机自动执行某种防跳措施的控制信号。
本发明第三方面提供一种振动压路机，包括前述的振动压路机振动辅助控制系统。
本发明的有益效果为：
区别于现有技术，本发明发现并利用振动压路机的特点：对应于最大振幅A的频率f不是激振频率就是0.5倍激振频率的次谐波频率，在不采用其它方式如频率传感器测量压路机激振频率的情况下，仅通过测量压路机振动过程中振动轮在垂直地面方向的加速度信号，通过算法即可实时获得激振频率以及同一时刻下的次谐波频率，简化了结构和操作。
区别于现有技术，本发明通过区域搜索提高了获取激振频率、次谐波频率及其对应振幅的精度，通过微小阈值进行振动程度判定减少了压路机无振动或振动较微弱如刚起振或即将完全停止振动等状态下由于测量系统误差造成的误判，从而可以用于压路机从静止到振动的全过程的激振频率和跳振程度判断。
区别于现有技术，本发明通过设定幅度阈值Az智能判断压路机振动轮跳振的程度，对跳振程度进行分级并采取相应措施，如果压路机振动轮跳振幅度过大，导致压实过程不稳定和土壤材料的碎裂，则输出压路机处于连续跳振状态的警示信号或输出需要自动执行某些防跳措施如调整振动参数的信号，以提醒机手调整振动参数或驱动某些机构执行防跳措施；否则，不进行振动参数的调整，如此时压路机处于弱跳振状态，则利用跳振带来的压实能力的增强，使土壤实现快速密实。
区别于现有技术，本发明智能判断压路机振动轮强烈跳振的持续时间，当且仅当压路机强烈跳振持续连跳阈值n0乘以间隔时间长度S0的时间后，才输出指示信号，避免跳振持续时间很短即跳振区域很小工况下的警告提示或后续压路机频繁的自动执行防跳措施。
附图说明
图1是本发明实施例1的振动压路机振动辅助控制方法流程；
图2是本发明实施例2的振动压路机振动辅助控制方法流程；
图3是本发明实施例3的振动压路机振动辅助控制方法流程；
图4是本发明振动压路机振动辅助控制系统一种实施例的结构示意图；
图5是图4中信号处理模块102的一种实施例的结构示意图；
图6是本发明振动压路机一种实施例的示意图。
图6中：1.车架；2.振动轮；3.驱动系统；4.振动液压系统；5.动力系统；6.驾驶室；7.控制部分；7-1.前进后退操纵系统；7-2.振动控制按钮；7-3.方向操纵系统；7-4.显示器；7-5.主控制器；7-6.辅助控制器；7-7.信号处理器；7-8.加速度传感器。
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明提供一种振动压路机振动辅助控制方法，包括以下步骤：
步骤1，连续监测并获得压路机振动过程中振动轮在垂直地面方向的加速度信号。
步骤2，连续对上述加速度信号进行处理，定周期获得随时间变化的位移的频谱。基于当前时刻位移的频谱，筛选获得最大位移幅度A及对应于该最大位移幅度的频率f，以f值的2倍值为基准，搜索基准附近一定区域内频率对应的位移幅度，找到该区域内的位移最大值A2和对应于该位移最大值A2的频率值f2；以f值的0.5倍值为基准，搜索基准附近一定区域内频率对应的位移幅度，找到该区域内的位移幅度最大值A0.5和对应于该位移幅度最大值A0.5的频率值f0.5，发送包含A值、A2值、A0.5值的数据。
步骤3，接收当前时刻包含A值、A2值、A0.5值的数据。
步骤4，基于接收到的振幅数据判定激振频率并计算振幅比：如果A2值小于幅度阈值Az，则频率f是激振频率，按公式K=A0.5/A计算振幅比K；否则，频率f2是激振频率，按公式K=A/A2计算振幅比K。
步骤5，基于振幅数据判定振动程度并对振幅比进行修正：如果A值小于某一微小阈值Aw，则当前时刻振动轮振动很小而可忽略跳振影响，因此使振幅比K=0；否则，保持原振幅比K值不变。
步骤6，基于振幅比K判定振动轮跳振程度：如果K值大于跳振阈值K0，则判定当前时刻强烈跳振，计数值n加1；否则，判定当前时刻非强烈跳振，计数值n置0。
步骤7，基于计数值判定连续强烈跳振：如果计数值n≥连跳阈值n0，则输出指示信号；否则，不输出指示信号。
步骤8，判断是否达到间隔时间长度s0，若达到则跳转至步骤3。
本实施例中，通过设定连跳阈值n0，只有压路机连续n0次均被判定为强烈跳振才输出指示信号，其中n0的大小正比于连续跳振区域的大小，以避免跳振区域很小工况下的指示信号输出。
间隔时间长度S0与连跳阈值n0的乘积也代表了压路机经过跳振区域的最小通行时间，间接影响到导致系统输出指示信号时的压路机已经经过的跳振区域大小。
作为一种优选实施方式，本实施例的步骤1中振动过程包括压路机振动轮起振至完全停振的全过程，例如该过程可以通过监测压路机从上电至断电期间的振动轮振动的全过程得到，或者通过监测压路机发动机启动到熄火期间的振动轮振动的全过程得到。
作为一种优选实施方式，本实施例的步骤1中振动过程包括压路机振动轮起振至完全停振期间的某一段连续过程，例如该过程可以通过监测压路机开始按下振动按钮到断开振动按钮期间的振动轮振动过程得到(该过程不包含断开振动按钮到振动轮完全停止振动期间的加速度信号)。
作为一种优选实施方式，本实施例的步骤2中加速度信号处理包括通过硬件滤波、积分电路将加速度模拟信号转化成位移模拟信号，然后通过AD转换器将位移模拟信号转换成位移数据，再对位移数据进行短时傅立叶变换得到随时间变化的不同时刻的频率-位移谱数据的过程。
作为一种优选实施方式，本实施例的步骤2中加速度信号处理包括通过硬件滤波、AD转换将加速度信号转换成加速度数据，然后对加速度数据进行数字积分转化成位移数据，再对位移数据进行短时傅立叶变换得到随时间变化的不同时刻的频率-位移谱数据的过程。
作为一种优选实施方式，因为压路机振动轮振动频率一般不超过70Hz，偏低，适应于该特点，本实施例的步骤2中频率值f2优选在以频率f的2倍值为中心的±1.5Hz范围内，频率值f0.5优选在以频率f的0.5倍值为下限的[0，+0.5Hz]范围内。
作为一种优选实施方式，本实施例的步骤2中发送包含A值、A2值、A0.5值的数据通过CAN通讯协议实现，数据通过CAN通信接口进行成帧处理并以二进制格式进行发送。
作为一种优选实施方式，为减少由于测量系统误差(如傅里叶变换频谱泄露导致的幅值偏差)导致的对跳振和跳振程度的误判，本实施例的步骤4中幅度阈值Az优选压路机名义振幅的1/3～2/5。
作为一种优选实施方式，为减少压路机振动轮无振动时由于测量系统误差(测量精度)造成的误判，本实施例的步骤5中某一微小阈值Aw优选0.08～0.12mm区域内的值。
作为一种优选实施方式，为减少压路机振动轮微小振动(如刚起振或即将完全停止振动)时由于测量系统误差造成的误判，本实施例的步骤5中某一微小阈值Aw优选名义振幅的5%～8%区域内的值。
作为一种优选实施方式，本实施例的步骤6中跳振阈值K0优选0.8～1.3中的某一值。
作为一种优选实施方式，本实施例的步骤7中连跳阈值n0优选20～80中的某一值。
作为一种优选实施方式，本实施例的步骤7中指示信号指压路机处于连续跳振状态的警示信号。
作为一种优选实施方式，本实施例的步骤7中指示信号指需要压路机自动执行某些防跳措施如调整振动参数的控制信号。
作为一种优选实施方式，本实施例的步骤8中间隔时间长度S0优选50～200ms中的某一值。
基于本发明上述实施例提供的压路机振动辅助控制方法，是智能判断压路机振动轮跳振的程度的振动辅助控制方法。本发明上述实施例可以精准获取激振频率、次谐波频率及其对应振幅，通过对跳振程度进行分级并采取相应措施、智能判断压路机振动轮强烈跳振的持续时间，以跳振带来的压实能力的增强使土壤实现快速密实，或者输出指示信号提醒机手调整振动参数或驱动某些机构执行防跳措施以减少强烈跳振对被压实材料造成的不利影响。
实施例1
本实施例提供的振动压路机振动辅助控制方法参见图1，包括以下步骤：
步骤11，连续监测并获得压路机振动过程中振动轮在垂直地面方向的加速度信号。
在本实施例的一些实施方式中，振动过程可选用如下方式：
振动过程包括起振至完全停振的全过程。
振动过程包括起振至完全停振过程中的某一段过程。
步骤12，连续对上述加速度信号进行处理，定周期获得随时间变化的位移的频谱。基于当前时刻位移的频谱，筛选获得最大位移幅度A及对应于该最大位移幅度的频率f，以f值的2倍值为基准，搜索基准附近一定区域内频率对应的位移幅度，找到该区域内的位移最大值A2和对应于该位移最大值A2的频率值f2；以f值的0.5倍值为基准，搜索基准附近一定区域内频率对应的位移幅度，找到该区域内的位移幅度最大值A0.5和对应于该位移幅度最大值A0.5的频率值f0.5，发送包含A值、A2值、A0.5值的数据。
在本实施例的一些实施方式中，加速度信号处理可选用如下方式：
通过硬件滤波、AD转换将加速度信号转换成加速度数据，然后对加速度数据进行数字积分转化成位移数据，再对位移数据进行短时傅立叶变换得到随时间变化的不同时刻的频率-位移谱数据的过程。
通过硬件滤波、积分电路将加速度模拟信号转化成位移模拟信号，然后通过AD转换将位移模拟信号转换成位移数据，再对位移数据进行短时傅立叶变换得到随时间变化的不同时刻的频率-位移谱数据的过程。
在本实施例的一些实施方式中，频率值f2在以频率f的2倍值为中心的±1.5Hz范围内选择；频率值f0.5在以频率f的0.5倍值为下限的[0，+0.5Hz]范围内选择。
在本实施例的一些实施方式中，发送包含A值、A2值、A0.5值的数据通过CAN通讯协议实现，数据通过CAN通信接口进行成帧处理并以二进制格式进行发送。
步骤13，接受当前时刻包含A值、A2值、A0.5值的数据。
步骤14，判定激振频率：如果A2值小于幅度阈值Az，则频率f是激振频率，按公式K=A0.5/A计算振幅比K；否则，说明频率f2是激振频率，按公式K=A/A2计算振幅比K。
在本实施例的一些实施方式中，幅度阈值Az选择压路机名义振幅的1/3～2/5，例如压路机名义振幅为1.8mm，Az取0.65mm，此时如A2值小于0.65mm,表明频率f是激振频率，频率f0.5是次谐波频率。
步骤15，判定振动程度：如果A值小于某一微小阈值Aw，说明当前时刻振动轮振动很小而可忽略跳振影响，因此使振幅比K=0；否则，保持原振幅比K值不变。
在本实施例的一些实施方式中，微小阈值Aw可按如下方式确定：
选择0.08～0.12mm区域内的值。
选择名义振幅的5%～8%区域内的值。
步骤16，判定振动轮跳振程度：如果K值大于跳振阈值K0，判定当前时刻强烈跳振，计数值n加1；否则，判定当前时刻非强烈跳振，计数值n置0。
在本实施例的一些实施方式中，跳振阈值K0选择0.8～1.3区域内的值。
步骤17，判定连续强烈跳振：如果计数值n≥连跳阈值n0，输出指示信号；否则，不输出指示信号。
在本实施例的一些实施方式中，连跳阈值n0设置为20～80之间的某一值。
在本实施例的一些实施方式中，指示信号可以是压路机处于连续跳振状态的警示信号；还可以是需要压路机自动执行某些防跳措施如调整振动参数的控制信号。
步骤18，判断是否达到间隔时间长度s0，若达到则跳转至步骤13。
在本实施例的一些实施方式中，间隔时间长度S0设置为50～200ms之间的某一值。
实施例2
本实施例提供的振动压路机振动辅助控制方法，参见图2，包括：
步骤S101：连续监测并获得压路机起振至完全停振全过程中振动轮在垂直地面方向的加速度信号。
例如：压路机整机上电就开始通过布置在振动轮上的加速度传感器连续监测并获取压路机振动轮在垂直地面方向的加速度信号，持续至压路机整机断电。
例如：压路机发动机启动就开始通过布置在振动轮上的加速度传感器连续监测并获取压路机振动轮在垂直地面方向的加速度信号，持续至压路机熄火。
步骤S102：连续对上述加速度信号进行处理，通过硬件滤波、积分电路将加速度模拟信号转化成位移模拟信号，然后通过AD转换将位移模拟信号转换成位移数据，再定周期对位移数据进行短时傅立叶变换获得随时间变化的位移的频谱。基于当前时刻位移的频谱，筛选获得最大位移幅度A及对应于该最大位移幅度的频率f，以f值的2倍值为基准，搜索基准附近一定区域内频率对应的位移幅度，找到该区域内的位移最大值A2和对应于该位移最大值A2的频率值f2；以f值的0.5倍值为基准，搜索基准附近一定区域内频率对应的位移幅度，找到该区域内的位移幅度最大值A0.5和对应于该位移幅度最大值A0.5的频率值f0.5，发送包含A值、A2值、A0.5值的数据。
通过积分电路连续将加速度信号积分成位移信号，有助于减少整体运算时间，从而能更加快速的得到运算结果。
例如：连续对步骤S101例中获取的振动轮在垂直地面方向的加速度信号进行处理，包括高通滤波、低通滤波、积分电路积分(转换成速度)、积分电路积分(转换成位移)，以1000Hz频率采样，获得连续的位移数据，定周期对位移数据通过短时傅里叶变换进行频域分析，获得随时间变化的不同时刻的频率-位移谱数据。基于当前时刻位移的频谱，筛选获得最大位移幅度A及对应于该最大位移幅度的频率f，以f值的2倍值为基准，搜索以频率f的2倍值为中心的±1.5Hz范围内频率对应的位移幅度，找到该区域内的位移最大值A2和对应于该位移最大值A2的频率值f2；以f值的0.5倍值为基准，搜索以频率f的0.5倍值为下限的[0，+0.5Hz]范围内频率对应的位移幅度，找到该区域内的位移幅度最大值A0.5和对应于该位移幅度最大值A0.5的频率值f0.5，通过CAN通讯协议将包含A值、A2值、A0.5值的数据发送到CAN总线上。
步骤S103：接受当前时刻包含A值、A2值、A0.5值的数据。
例如：通过CAN总线获取上述包含A值、A2值、A0.5值的数据。
步骤S104：判定激振频率：如果A2值小于幅度阈值Az，则说明频率f是激振频率，转步骤S105；否则，说明频率f2是激振频率，转步骤S106。
压路机进行振动压实时，本质上是一种以激振频率为基波频率的强迫振动，跳振时会产生0.5倍频的次谐波成分，跳振越强烈，次谐波成分越多；通过对大量振动压路机振动过程中频率振幅数据的观察也可以发现：对应于最大振幅A的频率f不是激振频率就是0.5倍激振频率的次谐波频率；对应于激振频率的2倍频处的振幅会远小于对应于激振频率的振幅。基于以上特性可以判断，如果A2值非常小，则频率f是激振频率，频率f0.5是次谐波频率；如果A2比较大，则频率f2是激振频率，频率f是次谐波频率。本发明采用幅度阈值Az评估A2值的大小，为减少由于测量系统误差(如傅里叶变换频谱泄露导致的幅值偏差)导致的对跳振和跳振程度的误判，幅度阈值Az不宜过小，通常，幅度阈值Az可以优选压路机名义振幅的1/3～2/5。
例如：压路机大振时的名义振幅为1.8mm，幅度阈值Az选择[0.6～0.72mm]范围内的值如0.65mm，如A2值小于0.65mm，说明频率f是激振频率，否则说明频率f2是激振频率。
步骤S105：按公式K=A0.5/A计算振幅比K，转步骤S107。
步骤S106：按公式K=A/A2计算振幅比K，转步骤S107。
步骤S107：判定振动程度：如果A值小于某一微小阈值Aw，说明当前时刻振动轮振动很小而可忽略跳振影响，转步骤S108；否则，转步骤S109。
例如：为减少压路机振动轮无振动时由于测量系统误差(测量精度)造成的误判，某一微小阈值Aw优选0.08～0.12mm区域内的值如0.1mm，A值<0.1mm时忽略跳振影响转步骤S108使振幅比为0，A值≥0.1mm时考虑跳振影响而维持由步骤S105或步骤S106得到的K值不变并转S109进行其它判定。
步骤S108：使振幅比K=0。
步骤S109：判定振动轮跳振程度：如果K值大于跳振阈值K0，判定当前时刻强烈跳振，转步骤S110；否则，判定当前时刻非强烈跳振，转步骤S111。
通过步骤S104、S105、S106使得K值为0.5倍激振频率次谐波对应的振幅与激振频率对应的振幅比，如果测量系统无测量误差，K值为0，表明其分子即0.5倍激振频率次谐波对应的振幅为0，压路机不跳振，K值越大，表明0.5倍激振频率次谐波对应的振幅越大，跳振越严重，K值约等于1时，说明0.5倍激振频率次谐波对应的振幅约等于激振频率对应的振幅，此时压路机振动轮有一定概率跳离地面，实测某26吨振动压路机仍能维持进行连续有规律的振动，K值超过1.3时，实测某26吨振动压路机压路机工作状况会急剧恶化(压路机振动轮频繁跳离地面，振动轮、车架、驾驶室无规律乱振)至无法稳定压实。因此，跳振阈值K0可以优选0.8～1.3的某一值，如K值大于跳振阈值K0，判断当前时刻压路机振动轮强烈跳振，需要进行人为或自动控制调整。
例如：跳振阈值K0优选0.8～1.3区域内的值如0.9，K值>0.9判定为强烈跳振，转入步骤S110累计连续强烈跳振次数，K值小于等于0.9时判断为非强烈跳振，转入步骤S111将连续强烈跳振次数置0以中断原有的连续强烈跳振次数。
步骤S110：计数值n加1，转步骤S112。
因压路机通常为连续压实，在一段碾压区域内被碾压材料通常特性近似一致，如当前振动轮的状态是强烈跳振，表明后续可能仍会强烈跳振，因此通过计数值n值加1进行强烈跳振的持续次数统计，n值越大，表明连续强烈跳振的持续时间越长。
步骤S111：计数值n置0，转步骤S112。
因压路机通常为连续压实，如当前振动轮的状态是非强烈跳振，表明强烈跳振状态没有持续，因此将计数值归零。
步骤S112：判定连续强烈跳振：如果计数值n≥连跳阈值n0，转步骤S113；否则，转步骤S114。
因压路机通常为连续压实，如强烈跳振状态持续次数达到阈值点，说明压路机已连续一段时间工作异常如在已充分压实的地面上继续碾压，表明后续可能需要进行振动状态调整。通常连跳阈值n0可设置为20～80之间的某一数值。
例如：连跳阈值n0设置为20～80之间的某一值如30，只有压路机连续30次或超过30次被判定为强烈跳振才转步骤S113输出指示信号，否则，转步骤S114进行下一周期的跳振相关计算及判定。
步骤S113：输出压路机处于连续跳振状态的警示信号。
例如：输出压路机处于连续跳振状态的警示信号。压路机其它系统收到该警示信号后，可能会在显示器上显示“压路机连续跳振，请调整”信息。
步骤S114：间隔时间长度s0，转步骤103。
因为步骤S102运行需要一定运算周期，为了保证步骤S103用于比较的A值、A2值、A0.5值是不同时刻的值，本步骤中的间隔时间长度S0必须大于步骤S102每一轮频谱计算需要的运算周期。通常，间隔时间长度S0优选50～200ms，此时每50～200ms完成1次A值、A2值、A0.5值的接收。综合步骤S112的连跳阈值n0，也可以看到，如压路机振动轮连续强烈跳振达到连跳阈值n0乘以间隔时间长度S0段的时间，会执行步骤S113。
例如：步骤S102需要的运算周期为20ms，间隔时间长度设置为200ms。设置后则每间隔200ms转步骤S103获取A值、A2值、A0.5值1次，如步骤S105中连跳阈值n0取20，则有连跳阈值n0乘以间隔时间长度S0段的时间=200ms×20=4000ms=4s，此时压路机连续运行4s均为强烈跳振(此时如按压路机压实行驶速度3km/h计算，压路机连续碾压距离约为3.3m)，执行步骤S113输出需要进行振动参数调整的提示或输出需要自动执行某些防跳措施如调整振动参数的信号。
实施例3
本实施例提供的振动压路机振动辅助控制方法，参见图3，包括：
步骤S201：监测并获得压路机起振至完全停振全过程中某一段时期内振动轮在垂直地面方向的加速度信号。
分段有助于结合其它信息统计某一区域内的跳振结果。
例如：监测压路机开始按下振动按钮到断开振动按钮期间的振动轮振动过程得到一段时期内振动轮在垂直地面方向的加速度信号。该时期不包含断开振动按钮到振动轮完全停止振动期间的加速度信号，但可以简单的通过监测振动按钮的开关动作得到。
步骤S202：对上述加速度信号进行处理，通过硬件滤波、AD转换将加速度信号转换成加速度数据，然后对加速度数据进行数字积分转化成位移数据，再定周期对位移数据进行短时傅立叶变换获得随时间变化的位移的频谱。基于当前时刻位移的频谱，筛选获得最大位移幅度A及对应于该最大位移幅度的频率f，以f值的2倍值为基准，搜索基准附近一定区域内频率对应的位移幅度，找到该区域内的位移最大值A2和对应于该位移最大值A2的频率值f2；以f值的0.5倍值为基准，搜索基准附近一定区域内频率对应的位移幅度，找到该区域内的位移幅度最大值A0.5和对应于该位移幅度最大值A0.5的频率值f0.5，发送包含A值、A2值、A0.5值的数据。
通过软件积分连续将加速度数据积分至位移数据，有助于通过算法提高运算精度，滤出某些次要因素的影响，从而能更加准确的得到位移的运算结果。
例如：对步骤S201例中获取的振动轮在垂直地面方向的加速度信号进行处理，包括500Hz低通滤波，以1000Hz频率采样，获得连续的加速度数据，以及对加速度数据进行二次积分获得位移数据，连续对位移数据进行时频域分析，如短时傅里叶变换，获得随时间变化的频率-位移谱数据。基于当前时刻位移的频谱，筛选获得最大位移幅度A及对应于该最大位移幅度的频率f，以f值的2倍值为基准，搜索以频率f的2倍值为中心的±1.5Hz范围内频率对应的位移幅度，找到该区域内的位移最大值A2和对应于该位移最大值A2的频率值f2；以f值的0.5倍值为基准，搜索以频率f的0.5倍值为下限的[0，+0.5Hz]范围内频率对应的位移幅度，找到该区域内的位移幅度最大值A0.5和对应于该位移幅度最大值A0.5的频率值f0.5，通过CAN通讯协议将包含A值、A2值、A0.5值的数据发送到CAN总线上。
步骤S203：接受当前时刻包含A值、A2值、A0.5值的数据。
步骤S204：判定激振频率：若A2值小于幅度阈值Az，说明频率f是激振频率，转步骤S205；否则，说明频率f2是激振频率，转步骤S206。
步骤S205：按公式K=A0.5/A计算振幅比K，转步骤S207。
步骤S206：按公式K=A/A2计算振幅比K，转步骤S207。
步骤S207：判定振动程度：若A值小于某一微小阈值Aw，说明当前时刻振动轮振动很小而可忽略跳振影响，转步骤S208；否则，转步骤S209。
步骤S208：使振幅比K=0。
步骤S209：判定振动轮跳振程度：若K值大于跳振阈值K0，判定当前时刻强烈跳振，转步骤S210；否则，判定当前时刻非强烈跳振，转步骤S211。
步骤S210：计数值n加1，转步骤S212。
步骤S211：计数值n置0，转步骤S212。
步骤S212：判定连续强烈跳振：若计数值n≥连跳阈值n0，转步骤S213；否则，转步骤S214。
步骤S213：输出需要进行后续参数调整的控制信号。
例如：输出需要压路机自动执行某些防跳措施如调整振动参数的控制信号。压路机其它系统收到该控制信号后，会根据需要自动调整振动参数，如降低频率、降低振幅等以避免后续继续强烈跳振。
步骤S214：判断是否达到间隔时间长度s0，若达到则转至步骤203。
实施例4
本实施例提供一种振动压路机振动辅助控制系统，参见图4，包括：信号采集模块101、信号处理模块102以及跳振程度判定及指示信号输出模块103。
该振动辅助控制系统用于实现如图1对应的实施例的功能。
信号采集模块101，用于获取压路机振动过程中振动轮在垂直地面方向的加速度信号，对应于图1中的步骤11，包括设置在振动轮上的加速度传感器如IEPE加速度传感器等。
信号处理模块102，用于连续对上述加速度信号进行处理，定周期获得随时间变化的位移的频谱。基于当前时刻位移的频谱，筛选获得最大位移幅度A及对应于该最大位移幅度的频率f，以f值的2倍值为基准，搜索基准附近一定区域内频率对应的位移幅度，找到该区域内的位移最大值A2和对应于该位移最大值A2的频率值f2；以f值的0.5倍值为基准，搜索基准附近一定区域内频率对应的位移幅度，找到该区域内的位移幅度最大值A0.5和对应于该位移幅度最大值A0.5的频率值f0.5，发送包含A值、A2值、A0.5值的数据，对应于图1中的步骤12。
跳振程度判定及指示信号输出模块103，用于获取包含A值、A2值、A0.5值的数据，并对跳振和跳振程度进行判定，以及输出指示信号，对应于图1中的步骤13～18。
参见图5，图5是图4中信号处理模块102的一种实施例的结构示意图，包括依次连接的第一高通滤波器201、第一低通滤波器202、第一积分电路203、第二高通滤波器204，第二积分电路205，第三低通滤波器206，第三高通滤波器207，AD转换器208，微控制单元209和CAN数据接口210等硬件单元。其中高通、低通滤波器利用带通滤波消除噪声干扰，积分电路通过二次积分将加速度信号转换成位移信号，AD转换器将模拟信号转换为数字信号，微控制单元通过FFT、数字滤波、算法校准获取信号频率和幅度，CAN数据接口通过CAN协议数据连接层功能对通信数据进行成帧处理和发送。
参见图6，本发明还提供一种具有振动辅助控制系统的振动压路机，包括：车架1、振动轮2、驱动系统3、振动液压系统4、动力系统5、驾驶室6和控制部分7。
其中，振动轮2、驱动系统3、动力系统5和驾驶室6安装在车架1上。
振动液压系统4从动力系统5获取动力驱动振动轮2内的激振器高速旋转，实现振动压实。
控制部分7包括前进后退操纵系统7-1、振动控制按钮7-2、方向操纵系统7-3、显示器7-4、主控制器7-5、辅助控制器7-6、信号处理器7-7和加速度传感器7-8，其中前进后退操纵系统7-1、振动控制按钮7-2、方向操纵系统7-3、显示器7-4、主控制器7-5是压路机常规配置，可以完成本发明功能之外的其它压路机基本动作控制，振动辅助控制系统包括用于连续监测并获得压路机振动过程中振动轮在垂直地面方向的加速度信号的加速度传感器7-8、连续对上述加速度信号进行处理并筛选发送包含A值、A2值、A0.5值的数据的信号处理器7-7、和进行振动轮跳振和跳振程度的判定并根据判定结果输出指示信号的辅助控制器7-6。其中辅助控制器7-6输出的指示信号传递至主控制器7-5，通过主控制器7-5控制显示器7-4显示“压路机连续跳振，请调整”信息或/和通过主控制器7-5控制振动液压系统4调整振动参数，如降低频率、降低振幅等以避免后续继续强烈跳振。
区别于现有技术，本发明发现并利用振动压路机的特点：对应于最大振幅A的频率f不是激振频率就是0.5倍激振频率的次谐波频率，在不采用其它方式如频率传感器测量压路机激振频率的情况下，仅通过测量压路机振动过程中振动轮在垂直地面方向的加速度信号，通过算法即可实时获得激振频率以及同一时刻下的次谐波频率，简化了结构和操作。
区别于现有技术，本发明通过区域搜索提高了获取激振频率、次谐波频率及其对应振幅的精度，通过微小阈值进行振动程度判定减少了压路机无振动或振动较微弱如刚起振或即将完全停止振动等状态下由于测量系统误差造成的误判，从而可以用于压路机从静止到振动的全过程的激振频率和跳振程度判断。
区别于现有技术，本发明通过设定幅度阈值Az智能判断压路机振动轮跳振的程度，对跳振程度进行分级并采取相应措施，如果压路机振动轮跳振幅度过大，导致压实过程不稳定和土壤材料的碎裂，则输出压路机处于连续跳振状态的警示信号或输出需要自动执行某些防跳措施如调整振动参数的信号，以提醒机手调整振动参数或驱动某些机构执行防跳措施；否则，不进行振动参数的调整，此时如压路机处于弱跳振状态，则可以利用跳振带来的压实能力的增强，使土壤实现快速密实。
区别于现有技术，本发明智能判断压路机振动轮强烈跳振的持续时间，当且仅当压路机强烈跳振持续连跳阈值n0乘以间隔时间长度S0的时间后，才输出指示信号，避免跳振持续时间很短即跳振区域很小工况下的警告提示或压路机频繁的自动执行防跳措施。
以上仅为本发明的优选实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (21)
1.一种振动压路机振动辅助控制方法，其特征在于，包括：
连续监测并获得压路机振动过程中振动轮在垂直地面方向的加速度信号；
连续对所获取的加速度信号进行处理，定周期获得随时间变化的位移的频谱；
基于当前时刻位移的频谱，筛选获得最大位移幅度A及对应于该最大位移幅度的频率f，以频率f的2倍值为基准，搜索临近区域内频率对应的位移幅度，找到位移幅度最大值A2和对应于该位移幅度最大值A2的频率f2；以频率f的0.5倍值为基准，搜索临近区域内频率对应的位移幅度，找到位移幅度最大值A0.5和对应于该位移幅度最大值A0.5的频率f0.5；
按照间隔时间长度s0获取一次位移幅度数据，基于所获取的位移幅度数据判定激振频率并计算振幅比；
基于所获取的位移幅度数据判定振动程度并对所计算的振幅比进行修正；
基于修正后的振幅比K判定振动轮跳振程度并计数；
基于计数值判定连续强烈跳振并输出相应的控制信号。
2.根据权利要求1所述的一种振动压路机振动辅助控制方法，其特征在于，所述振动过程为压路机振动轮起振至完全停振的全过程；或者，压路机振动轮起振至完全停振期间的某一段连续过程。
3.根据权利要求1所述的一种振动压路机振动辅助控制方法，其特征在于，所述对所获取的加速度信号进行处理，包括：
通过硬件滤波、积分电路将所获取的加速度模拟信号转化成位移模拟信号；
通过AD转换器将位移模拟信号转换成位移数据；
对位移数据进行短时傅立叶变换得到随时间变化的不同时刻的频率-位移谱数据。
4.根据权利要求1所述的一种振动压路机振动辅助控制方法，其特征在于，所述对所获取的加速度信号进行处理，包括：
通过硬件滤波、AD转换将所获取的加速度信号转换成加速度数据；
对加速度数据进行数字积分转化成位移数据；
对位移数据进行短时傅立叶变换得到随时间变化的不同时刻的频率-位移谱数据。
5.根据权利要求1所述的一种振动压路机振动辅助控制方法，其特征在于，
以频率f的2倍值为中心的±1.5Hz范围内，搜索位移幅度最大值A2；
以频率f的0.5倍值为下限的[0，+0.5Hz]范围内搜索位移幅度最大值A0.5。
6.根据权利要求5所述的一种振动压路机振动辅助控制方法，其特征在于，所述基于所获取的位移幅度数据判定激振频率并计算振幅比，包括：
如果位移幅度A2小于幅度阈值Az，则频率f是激振频率，按公式K=A0.5/A计算振幅比K；否则，频率f2是激振频率，按公式K=A/A2计算振幅比K。
7.根据权利要求6所述的一种振动压路机振动辅助控制方法，其特征在于，所述幅度阈值Az选择压路机名义振幅的1/3～2/5内的值。
8.根据权利要求6所述的一种振动压路机振动辅助控制方法，其特征在于，所述基于所获取的位移幅度数据判定振动程度并对所计算的振幅比进行修正，包括：
如果位移幅度A小于阈值Aw，则修正振幅比为K=0；否则，保持原振幅比K值不变。
9.根据权利要求8所述的一种振动压路机振动辅助控制方法，其特征在于，所述阈值Aw选择0.08～0.12mm区域内的值。
10.根据权利要求8所述的一种振动压路机振动辅助控制方法，其特征在于，所述阈值Aw选择名义振幅的5%～8%区域内的值。
11.根据权利要求8所述的一种振动压路机振动辅助控制方法，其特征在于，所述基于修正后的振幅比K判定振动轮跳振程度并计数，包括：
如果振幅比K值大于跳振阈值K0，则判定当前时刻强烈跳振，令计数值n加1；否则，判定当前时刻非强烈跳振，计数值n置0。
12.根据权利要求11所述的一种振动压路机振动辅助控制方法，其特征在于，所述跳振阈值K0选择0.8～1.3中的值。
13.根据权利要求11所述的一种振动压路机振动辅助控制方法，其特征在于，所述基于计数值判定连续强烈跳振，包括：
如果计数值n≥连跳阈值n0，则输出指示信号；否则，不输出指示信号。
14.根据权利要求13所述的一种振动压路机振动辅助控制方法，其特征在于，所述连跳阈值n0选择20～80中的值。
15.根据权利要求1所述的一种振动压路机振动辅助控制方法，其特征在于，输出的控制信号为压路机处于连续跳振状态的警示信号，或者需要压路机自动执行某种防跳措施的控制信号。
16.根据权利要求1所述的一种振动压路机振动辅助控制方法，其特征在于，所述间隔时间长度s0选择50～200ms中的值。
17.一种振动压路机振动辅助控制系统，其特征在于，包括：
信号采集模块，用于连续获取压路机振动过程中振动轮在垂直地面方向的加速度信号；
信号处理模块，用于连续对所述加速度信号进行处理，定周期获得随时间变化的位移的频谱；以及，基于所述位移的频谱获取最大位移幅度数据；
以及，
跳振程度判定及指示信号输出模块，用于基于所获取的最大位移幅度数据对跳振程度进行判定，以及输出指示信号。
18.根据权利要求17所述的一种振动压路机振动辅助控制系统，其特征在于，所述信号采集模块为设置在振动轮上的加速度传感器。
19.根据权利要求17所述的一种振动压路机振动辅助控制系统，其特征在于，所述信号处理模块包括高通滤波器，低通滤波器，积分电路，AD转换器，微控制单元和CAN数据接口；
所述高通滤波器和低通滤波器用于消除加速度信号中的噪声；
所述积分电路用于通过二次积分将加速度模拟信号转换成位移模拟信号；
所述AD转换器用于将位移模拟信号转换成位移数字信号；
所述微控制单元用于对位移数字数据进行短时傅立叶变换得到随时间变化的不同时刻的频率-位移谱数据，以及基于当前时刻位移的频谱，筛选获得最大位移幅度A及对应于该最大位移幅度的频率f，以频率f的2倍值为基准，搜索临近区域内频率对应的位移幅度，找到位移幅度最大值A2和对应于该位移幅度最大值A2的频率f2；以频率f的0.5倍值为基准，搜索临近区域内频率对应的位移幅度，找到位移幅度最大值A0.5和对应于该位移幅度最大值A0.5的频率f0.5；
所述CAN数据接口用于通过CAN协议对获取的最大位移幅度数据进行成帧处理并以二进制格式进行定周期发送。
20.根据权利要求17所述的一种振动压路机振动辅助控制系统，其特征在于，所述跳振程度判定及指示信号输出模块具体用于，
判断位移幅度A2如果小于幅度阈值Az，按公式K=A0.5/A计算振幅比K；否则，按公式K=A/A2计算振幅比K；
判断位移幅度A如果小于阈值Aw，则修正振幅比为K=0；否则，保持原振幅比K值不变；
判断振幅比K值，如果大于跳振阈值K0，则判定当前时刻强烈跳振，令计数值n加1；否则，判定当前时刻非强烈跳振，计数值n置0；
判断计数值n，如果计数值n≥连跳阈值n0，则输出指示信号；否则，不输出指示信号；
所述指示信号为压路机处于连续跳振状态的警示信号，或者需要压路机自动执行某种防跳措施的控制信号。
21.一种振动压路机，其特征在于，包括权利要求17至20任意一项所述振动压路机振动辅助控制系统。
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