一种基于车载重力加速度传感器的桥头跳车检测评价方法技术

本发明专利技术涉及一种基于车载重力加速度传感器的桥头跳车检测评价方法，选取重力加速度传感器，采样频率及Zigbee远程传输模块和GPS设备；确定建议车速；通过重力加速度传感器采集在桥头跳车路段行驶的重力加速度信息；对重力加速度数据进行小波变换，找到桥头跳车颠簸产生点；颠簸点周围加速度数据通过离散傅里叶转换后得到功率谱密度；利用三分之一倍频程方法求解不同频域间的谱密度均方根值；根据加权加速度均方根值及舒适性上下限，求解行驶烦恼率；利用系统响应算法及拉氏变换，求解桥头跳车的当量冲击系数；根据加权加速度均方根值和烦恼率对桥头跳车的舒适性进行分级；根据当量冲击系数对桥头跳车的耐久性破坏进行分级；本发明专利技术解决传统检测方法耗时费力，价格昂贵等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于车载重力加速度传感器的桥头跳车检测评价方法
本专利技术属于路面质量检测和信息自动采集
，具体涉及一种基于车载重力加速度传感器的桥头跳车检测评价方法。
技术介绍
近些年来，我国公路建设取得了突飞猛进的成绩，投入运营和使用的高等级公路逐年增加，但从使用情况上看，由桥头跳车产生的经济损失和交通事故却逐步上升，尤其在一些软土地基的区域更为严重，给养护和管理部门带来了巨大困难。桥头跳车现象是桥涵构造物等在本身自重及常年行车荷载的作用下产生的路桥不均匀沉降，导致路桥接头出现桥头台阶，当高速行驶的车辆通过台背回填处时产生的跳跃颠簸现象。目前，桥头跳车的研究主要集中于其产生的原因、危害及对策方面，而缺少对桥头跳车发育程度的监测和判断。仅仅依靠工程防治措施，很难满足对桥头跳车现象的治理，它只能是被动的利用工程施工措施对已经发生的病害进行改善，而无法预防或阻止事故的发生。而且在事故发生时也不能减小事故危害，在实际的运营过程中应该充分发挥主动性，合理的针对桥头跳车现象进行检测和处治，提前预防事故的发生。传统的桥头跳车检测方式大都基于道路平整度的检测方法，如三米直尺法、水准仪测量法、连续平整度仪、颠簸累积仪等等，这些方法不仅操作麻烦，使用和养护成本昂贵，而且对测量环境要求高。测量的高程差参数也很难对养护维修提供直观有效的数据支持。因此需要一种快速、经济、直观的桥头跳车检测评价技术。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于车载重力加速度传感器的桥头跳车检测评价方法，用于解决传统桥头跳车检测方法耗时费力，成本昂贵等问题，并提出新的评价参数用来准确评价桥头跳车产生的影响。具体要解决的技术问题是，对车载重力加速度传感器采集的数据进行建模分析，找到影响人体行驶舒适性影响的关键参数，并提供量化这些影响的方法，建立通用性的检测方法和评价参数。本专利技术提出的基于车载重力加速度传感器的桥头跳车检测评价方法，利用车载加速度传感器采集车辆加速度数据进而评价桥头跳车，利用加权加速度均方根值和行驶烦恼率来表征桥头跳车产生的舒适性影响；根据系统响应理论，建立车辆簧载加速度变化与轮底加速度变化的相关模型，进而求解当量冲击系数来表征桥头跳车的耐久性损坏影响，具体步骤如下：(1)选取合适的重力加速度传感器，量程满足±8g要求，采样频率为20Hz，将所述重力加速度传感器安置于车内的左右后轮正上方位置；(2)选取合适的Zigbee远程传输模块以及GPS设备；所述Zigbee远程传输模块与重力加速度传感器互联，用于发送重力加速度传感器采集的车内加速度数据；利用GPS设备采集位置信息数据及系统时间；(3)根据交通流情况，确定测试车速，保证测试车辆在该速度下稳定行驶，建议车速为50-60km/h；(4)检测车辆以测试车速驶过桥头跳车发生的路桥引渡段位置，通过重力加速度传感器采集在该路桥引渡段行驶的Z轴加速度及GPS信息，并依托Zigbee远程传输设备将检测数据向电脑进行实时的传输和储存；(5)利用小波变换对步骤（4）中采集到的Z轴加速度数据进行分解，滤除高频数据，保留低频加速度图谱，确定加速度变化最大值，即桥头跳车颠簸产生点；(6)根据维纳-辛钦公式，计算颠簸点前后1.5s内所采集到的加速度数据的自相关函数，并通过傅立叶转换，得到加速度功率谱密度；(7)利用三分之一倍频程的方法对步骤（6）所获得功率谱密度进行带通滤波，对每个波段进行积分，并计算积分开方值，求解在不同频域间的功率谱密度均方根值：式中：为第i个波段内的功率谱密度均方根值，为波段内频率下限，为波段内频率上限，为加速度功率谱密度；(8)根据国际标准ISO2631中提出的轴向、位点加权系数进行数据加权，求解加权加速度均方根值：式中，为加权加速度均方根值，为频率加权系数，为轴向加权系数，j=1,2,3分别代表x,y,z三轴，为波段数，一般取n=23；(9)根据加权加速度均方根值与人体感受性差异分布函数，求解行驶烦恼率：式中，为概念隶属度函数，表征了人体的感受性差异，为烦恼率；(10)求解车内Z轴加速度功率谱密度均方根值，根据四分之一车模型的力学特征，利用系统响应模型，预估轮底加速度数据的当量幅值，建立桥头跳车系统响应模型；式中，为车内Z轴加速度的功率谱密度函数，为系统响应的拉氏变换系数，为谱密度均方值，为轮底加速度的预估值，为角速度。(11)当量冲击系数定义为桥头跳车发生时车辆对桥梁结构产生的最大竖向动力比上桥前平稳行驶的竖向动力的增大系数，将步骤（10）中方程带入计算式中：式中，为当量冲击系数，为最大竖向轮底加速度，为平稳行驶时汽车的竖向轮底加速度，m为车辆质量，,为标定系数，当测试车辆不发生改变时，该变量为常数，若首次测量，需标定，为桥头跳车发生时的加速度功率谱密度，为平稳行驶时的加速度功率谱密度；(12)如果测量速度不在50-60km/h范围内，则需利用速度修正系数进行结果校正。本专利技术的有益效果在于：所述方法不仅从驾驶体验角度提出了桥头跳车的舒适性指标，而且从桥头跳车现象对桥台产生额外冲击作用的角度提出了桥台的耐久性损坏指标，实现了桥头跳车的综合性评价。所述检测方法基于车载重力加速度传感器，操作简单，便捷高效，经济合理，获得参数准确直观，适用于大范围的路桥过渡段跳车现象评价。附图说明图1为一种基于车载重力加速度传感器的桥头跳车检测评价方法流程图；图2为桥头跳车位置小波变换图示；其中：(a)为Z轴加速度原始数据图，(b)为经小波变换后的数据图；图3为不同频率的加权系数；图4为四分之一车模型。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作详细说明。实施例（1）确定测试车速，并选定加速度传感器及采样频率。为满足测量精度要求，选择重力加速度传感器量成为±8g,检测精度为0.0025mg，采样频率为20Hz，测试车速为50km/h。（2）在湖州市选择部分典型桥头跳车发生位置，利用道路养护车辆，型号为Nissan：TLH5023XKCWJ2进行数据采集。安置传感器于检测车内左右后轮正上方，用以避免发动机振动的影响，为了保证传感器与车体协同振动，采用胶接方式，将传感器设备粘贴至固定位置。测试车以标准检测速度行驶，利用传感器采集加速度数据息。测试车辆距桥梁500m位置启动，确保有足够行驶距离使其加速到50km/h，并匀速行驶通过该区域。（3）通过Matlab软件，导入采集到的加速度数据，利用小波变换的方法，分析竖向加速度变化，找到发生桥头跳车的作用位点，如图2所示。以该位点前后分别取1.5s作为响应时间，截取该段的加速度数据进行自相关与傅里叶变换得到加速度功率谱密度，利用三分之一倍频程的方法带通滤波，分别求解每个波段内的加速度均方根值。然后利用加权系数进行加权，频率加权系数分布如图3所示，可以分别获得左右轮的加权加速度均方根值，计算其均值以表征该位置的综合性影响，并根据表1对其舒适性进行分级。表1加权加速度均方根值与人的主观感舒适性对照表加权加速度均方根值（）人的主观舒适性感觉<0.315没有不舒适0.315-0.63有些不舒适0.5-1.0不舒适0.8-1.6相当不舒适1.25-2.5很不舒适>2.0极不舒适（4）由于人体对于振动的感知存在差异，从而导致了在进行舒适性分级时，不同等级间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于车载重力加速度传感器的桥头跳车检测评价方法，其特征在于利用车载加速度传感器采集车辆加速度数据进而评价桥头跳车，利用加权加速度均方根值和行驶烦恼率来表征桥头跳车产生的舒适性影响；根据系统响应理论，建立车辆簧载加速度变化与轮底加速度变化的相关模型，进而求解当量冲击系数来表征桥头跳车的耐久性损坏影响，具体步骤如下： (1)选取合适的重力加速度传感器，量程满足±8g要求，采样频率为20Hz，将所述重力加速度传感器安置于车内的左右后轮正上方位置；(2)选取合适的Zigbee远程传输模块以及GPS设备；所述Zigbee远程传输模块与重力加速度传感器互联，用于发送重力加速度传感器采集的车内加速度数据；利用GPS设备采集位置信息数据及系统时间； (3)根据交通流情况，确定测试车速，保证测试车辆在该速度下稳定行驶，建议车速为50‑60km/h；(4)检测车辆以测试车速驶过桥头跳车发生的路桥引渡段位置，通过重力加速度传感器采集在该路桥引渡段行驶的Z轴加速度及GPS信息，并依托Zigbee远程传输设备将检测数据向电脑进行实时的传输和储存；(5)利用小波变换对步骤（4）中采集到的Z轴加速度数据进行分解，滤除高频数据，保留低频加速度图谱，确定加速度变化最大值，即桥头跳车颠簸产生点；(6)根据维纳‑辛钦公式，计算颠簸点前后1.5s内所采集到的加速度数据的自相关函数，并通过傅立叶转换，得到加速度功率谱密度；(7)利用三分之一倍频程的方法对步骤（6）所获得功率谱密度进行带通滤波，对每个波段进行积分，并计算积分开方值，求解在不同频域间的功率谱密度均方根值：式中：为第i个波段内的功率谱密度均方根值，为波段内频率下限，为波段内频率上限，为加速度功率谱密度；(8)根据国际标准ISO2631中提出的轴向、位点加权系数进行数据加权，求解加权加速度均方根值：式中，为加权加速度均方根值，为频率加权系数，为轴向加权系数，j=1,2,3分别代表x, y, z三轴，为波段数，一般取n=23；(9)根据加权加速度均方根值与人体感受性差异分布函数，求解行驶烦恼率：式中，为概念隶属度函数，表征了人体的感受性差异，为烦恼率； (10)求解车内Z轴加速度功率谱密度均方根值，根据四分之一车模型的力学特征，利用系统响应模型，预估轮底加速度数据的当量幅值，建立桥头跳车系统响应模型；式中，为车内Z轴加速度的功率谱密度函数，为系统响应的拉氏变换系数，为谱密度均方值，为轮底加速度的预估值，为角速度；(11)当量冲击系数定义为桥头跳车发生时车辆对桥梁结构产生的最大竖向动力比上桥前平稳行驶的竖向动力的增大系数，将步骤（10）中方程带入计算式中：式中，为当量冲击系数，为最大竖向轮底加速度，为平稳行驶时汽车的竖向轮底加速度，m为车辆质量，,为标定系数，当测试车辆不发生改变时，该变量为常数，若首次测量，需标定，为桥头跳车发生时的加速度功率谱密度，为平稳行驶时的加速度功率谱密度；(12)如果测量速度不在50‑60km/h范围内，则需利用速度修正系数进行结果校正。...

【技术特征摘要】
1.一种基于车载重力加速度传感器的桥头跳车检测评价方法，其特征在于利用车载加速度传感器采集车辆加速度数据进而评价桥头跳车，利用加权加速度均方根值和行驶烦恼率来表征桥头跳车产生的舒适性影响；根据系统响应理论，建立车辆簧载加速度变化与轮底加速度变化的相关模型，进而求解当量冲击系数来表征桥头跳车的耐久性损坏影响，具体步骤如下：(1)选取合适的重力加速度传感器，量程满足±8g要求，采样频率为20Hz，将所述重力加速度传感器安置于车内的左右后轮正上方位置；(2)选取合适的Zigbee远程传输模块以及GPS设备；所述Zigbee远程传输模块与重力加速度传感器互联，用于发送重力加速度传感器采集的车内加速度数据；利用GPS设备采集位置信息数据及系统时间；(3)根据交通流情况，确定测试车速，保证测试车辆在该速度下稳定行驶，建议车速为50-60km/h；(4)检测车辆以测试车速驶过桥头跳车发生的路桥引渡段位置，通过重力加速度传感器采集在该路桥引渡段行驶的Z轴加速度及GPS信息，并依托Zigbee远程传输设备将检测数据向电脑进行实时的传输和储存；(5)利用小波变换对步骤（4）中采集到的Z轴加速度数据进行分解，滤除高频数据，保留低频加速度图谱，确定加速度变化最大值，即桥头跳车颠簸产生点；(6)根据维纳-辛钦公式，计算颠簸点前后1.5s内所采集到的加速度数据的自相关函数，并通过傅立叶转换，得到加速度功率谱密度；(7)利用三分之一倍频程的方法对步骤（6）所获得功率谱密...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘成龙，杜豫川，孙立军，李思雨，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31