专利名称：：一种基于加速度计的路形测量方法
技术领域：
：本发明涉及一种路形测量方法，尤其涉及一种基于加速度计的路形测量方法。
背景技术：
：基于加速度计的路形测量，主要利用加速度计所检测到的检测梁纵向加速度信号并对其进行二次积分得到检测梁的纵向位移为主要计算参数而求得公路的纵断面，路形测量理论如图ι所示。假设路面存在着一条如图所示的水平基线，Δζα)是测量参数。由图中可以看出，Δζα)的测量可以由基于加速度计换算的纵向位移22(0与由激光传感器测量的相对距离Z4α)，以及检测梁的点头倾角θy，联合得到。即Δz(t)=Z1-Z0-Z3(t)=Z1-Z0-[z4(t)cos(θy)-Z2⑴](1)其中，Z1和Ztl是常数，可以忽略；z4(t)为χ里程处检测梁上激光传感器检测到的梁与路面的距离，为已知量；Z2(t)为X里程处检测梁相对于开始点的纵向位移，可以根据检测梁上的加速度传感器数据换算得到，即<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中，Z2(O)是一个常数，不会影响路形的整体曲线形状，可以忽略；但V(O)是叠加在Z2(t)上的一个线性函数的斜率，相当于一个路面上的斜坡，因此不能忽略。根据分析，在采集过程中，可以认为始终有ey(t)=0，由(1)、⑵得<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>上式中的v(0)t认为是一次趋势项，可以按去除一次趋势项的方法去除，因此求出/J/Ota(T)ClTdT也就是τ时刻的位移信号，就可以得到Δζα)。
发明内容本发明的目的在于，提供一种基于加速度计的路形测量方法，该方法利用加速度计所输出的纵向加速度信号，进行两次积分，即可得到公路路面形状。为实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案一种基于加速度计的路形测量方法，其特征在于，该方法以两个频率范围不同的加速度计和一个激光位移传感器，利用数据采集系统和计算机为测量系统，计算机内置MATLAB数据处理模块，其具体测量包括如下步骤1)将两个频率不同的加速度计分别采集到的加速度信号以及激光位移传感器采集到得激光位移信号，由数据采集系统采集并输入到计算机内；2)计算机内的MATLAB数据处理模块会将加速度信号进行二次积分算出加速度位移曲线，然后分别与激光位移对应的位移曲线相减得到最终的路面形状。本发明具有以下优点(1)数据处理单元处理两个频率不同的加速度计采集到的加速度信号，频率范围覆盖大，实现了检测梁纵向位移数据检测的准确性和全面性。(2)采用MATLAB数据处理模块进行编程，方法简单，易于实现。(3)经过误差分析，由加速度计的测量误差引入的二次积分后的位移误差比较小，适用范围较广。图1是本发明所依据的测量原理图；图2是路形测量的总流程图；图3是加速度信号和激光位移信号滤波处理流程图；图4是根据加速度信号求解位移信号的流程图；以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。具体实施例方式如图2所示，本发明的基于加速度计的路形测量方法，将两个频率范围不同的加速度计和一个激光位移传感器安装在车辆前方，车辆上安装数据采集系统和一台车载式计算机为测量系统，计算机内置有MATLAB数据处理模块，具体测量步骤为(1)两个频率范围不同的加速度计去采集加速度信号，由数据采集系统采集并输入到计算机内；加速度信号经过滤波处理获得高频加速度信号和低频加速度信号，高频加速度信号经过计算机内的MATLAB数据处理模块二次积分求解位移算法，获得高频加速度位移信号，低频加速度信号经过MATLAB数据处理模块二次积分求解位移算法，获得低频加速度位移信号；(2)由激光位移传感器采集到得激光位移信号，经过滤波处理获得高频激光位移信号和低频激光位移信号；(3)高频加速度位移信号与高频激光位移信号相减，获得高频路形曲线，低频加速度位移信号与低频激光位移信号相减，获得低频路形曲线；(4)将高频路形曲线与低频路形曲线相加就可获得最终的路面形状。如图3所示，加速度信号和激光位移信号在高频和低频部分存在较大的误差，因此，在对加速度信号和激光位移信号处理之前，都要进行滤波处理。滤波处理主要包括高通滤波、低通滤波、带通滤波、数据抽稀等几个部分。(1)高通滤波、低通滤波与带通滤波器的设计在MATLAB环境下有多种滤波器的设计方法，申请人采用频率采样法来设计FIR滤波器，频率采样法是指定不同频率处的幅度响应值，然后根据这些指定的参数设计出任意响应的FIR滤波器。在MATLAB环境下需要使用fir2函数，它可以设计出任意响应的数字滤波器。fir2函数的用法为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>该滤波器的幅频特性由向量对f和m确定。f为归一化频率向量，m为对应频率点上的幅度。根据滤波算法流程图，本方法需要使用三种滤波器，分别设计如下第一种滤波器％0.l-3Hz带通，采样200Hz%<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>%给定频率轴分点；m=；%给定在这些频率分点上理想的幅频响应N=4095；%取滤波器长度；bl=fir2(N,f,m)；%freqz(bl)；第二种滤波器％3Hz高通，采样6KHz%f2=；m2=；N2=4095；b2=fir2(N2,f2,m2)；%freqz(b2)；第三种滤波器％3Hz低通，采样6KHz%f3=；m3=[1100]；N3=4095；b3=fir2(N3,f3,m3)；%freqz(b3)；在MATLAB中利用设计好的滤波器bl、b2、b3对获得的加速度信号及激光位移信号进行处理。因为滤波器的长度问题，所以滤波生成后的数据中前半个滤波器长度的数据和最后半个滤波器长度的数据是无用的，需要在后续处理中剔除。(2)数据重抽高频率数据转换为低频率数据，需要使用数据抽稀算法，对于重抽后新时刻的数据采用左右时刻数据的简单比例插值方法运算可得。算法如下<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>采用以上算法，就可以得到高频的加速度信号与低频的加速度信号以及高频的激光位移信号与低频的激光位移信号。如图4所示，加速度求解位移的算法流程图包括如下部分1、去均值——对拾取的振动加速度信号进行预处理，去除信号中由于经过A/D转换、线路传输等引入的直流分量；2、去除趋势项——积分之前和之后为了保证信号的真实性，要去除趋势项的影响；3、数字积分——通过加速度得到速度和位移；下面详细介绍一下各个部分的具体算法(1)去直流分量机械产生的振动信号经过加速度传感器的拾取、线路的传输和A/D板的采样等各个环节转换成数字信号，一般都会存有一定的直流分量。对这样的信号进行参量转换，通常的做法是以信号的均值，作为对直流分量的估计，从原始信号中去除，去直流的方法是求出<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>N个采样点的平均值；=+，再用采样点的值减去平均值即可<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(4)其中，χ'i即为去除直流分量后的新采样点的值。在MATLAB中去直流的程序实现由求平均的mean函数求出平均值后，用测得的实际数据值减去平均值即可得到所需要的数据。(2)数字积分在振动信号测试中，加速度信号需要经过两次数字积分从而得到位移量。为了保证较高的积分精度，本方法采用辛普森积分法。Simpson积分的数学表达式为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(5)从而可以得到Simpson的速度计算公式如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(6)位移计算公式如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(7)Simpson积分法的优点是计算比较精确，容易程序实现。在MATLAB中实现Simpson积分的代码如下<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>(3)去除趋势项在测试中，由于加速度计和其信号放大器的温度随环境变化而变化，从而造成零点漂移、传感器频率范围外的低频性能的不稳定以及传感器周围的环境干扰，往往会时积分出来的速度与位移信号偏离基线，甚至偏离基线的大小还会随时间变化，这个偏离基线的大小随时间变化的现象就是所谓的趋势项。在对数据进行积分变换时，趋势项对变换结果影响非常明显，若不进行处理，直接再对数据进行二次积分，由于长期趋势项的存在，则得到的位移结果可能完全失真，因此消除趋势项是加速度还原位移信号时的一个重要内容。比较常用的消除趋势项的方法是多项式最小二乘法，其原理如下设测得加速度信号的采样值为a(l，2，N)，其对应的时间序列为t(l，2，N)。设有一个多项式函数<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(7)确定函数χ(k)的各待定系数Ivbi;b2，...bm，使得函数x(k)与离散数据a的误差平方和为最小，即<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>求解满足E有极小值的Ivbi;b2，...bm。具体求解方法为令(i=0，1，...m)，得到m+1个m+1元线性方程组。求解该方程组，便可以求出m+1个待定系数b。，b1;b2，...bm。具体数据处理时m的值由实际信号确定，通过调整m，选择合适的m值来对采样数据进行多项式趋势项消除的处理。MATLAB中有现成的去除趋势项的语句，因此用MATLAB去除趋势项很简单，只需要修改参数m就能使程序符合具体实验的需要，程序调试所做的主要工作是修改m值，使信号中的趋势项达到最好的去除效果。多项式消除趋势项的MATLAB代码如下q=ployfit(t,y,m)；y=y-polyval(q,t)；其中ployfit是最小二乘法定阶数的多项式拟合，调用方式q=ployfit(t,y,m)表示用最小二乘法对输入的数据t(时间)和y(信号)用m(拟合多项式阶数)阶多项式进行逼近，函数返回一个长度为m+1的多项式的系数，并存到向量q中。polyval求多项式的值，调用方式polyval(q，t)表示以输入变量t向量，计算系数向量q的多项式值，计算结果存到返回的向量中。通过上述算法，就可将加速度信号经过两次积分求得位移信号，算法简单，数据处理产生的误差小。权利要求一种基于加速度计的路形测量方法，其特征在于，该方法以两个频率范围不同的加速度计和一个激光位移传感器，利用数据采集系统和计算机为测量系统，计算机内置MATLAB数据处理模块，其具体测量包括如下步骤1)将两个频率不同的加速度计分别采集到的加速度信号以及激光位移传感器采集到得激光位移信号，由数据采集系统采集并输入到计算机内；2)计算机内的MATLAB数据处理模块会将加速度信号进行二次积分算出加速度位移曲线，然后分别与激光位移对应的位移曲线相减得到最终的路面形状。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的加速度信号经过滤波处理获得高频加速度信号和低频加速度信号，高频加速度信号经过二次积分求解位移算法，获得高频加速度位移信号，低频加速度信号经过二次积分求解位移算法，获得低频加速度位移信号；所述的激光位移信号经过滤波处理获得高频激光位移信号和低频激光位移信号；高频加速度位移信号与高频激光位移信号相减，获得高频路形曲线，低频加速度位移信号与低频激光位移信号相减，获得低频路形曲线；将高频路形曲线与低频路形曲线相加，获得最终的路面形状。全文摘要本发明公开了一种基于加速度计的路形测量方法，该方法以两个频率范围不同的加速度计和一个激光位移传感器，利用数据采集系统和计算机为测量系统，计算机内置MATLAB数据处理模块，计算机内的MATLAB数据处理模块会将加速度信号进行二次积分算出加速度位移曲线，然后分别与激光位移对应的位移曲线相减得到最终的路面形状。本发明频率范围覆盖大，实现了检测梁纵向位移数据检测的准确性和全面性，MATLAB数据处理模块进行编程，方法简单，易于实现，加速度计的测量误差引入的二次积分后的位移误差比较小，适用范围较广。文档编号G01B11/24GK101806593SQ20101012360公开日2010年8月18日申请日期2010年3月12日优先权日2010年3月12日发明者张伟方,张硕,朱宜东,甄娜,陈文凤,韩毅申请人:长安大学