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基于智能可穿戴设备的HumanShaker结构动力测试方法

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方案与实现步骤,旨在为各类中小型结构及大型结构局部结构构件的快速动力测试提供一种便捷高效的方法。

2 利用智能可穿戴设备的HS方案

人可以通过步行(walking)、跳跃(jumping)、跑动(running)、屈伸(bouncing)、摆动(swaying)等多种运动方式实现对支撑结构纵向、横向等不同方向(如圖2所示)的动力激励,引起结构的振动[19]。与传统激振设备相比,HS具有自带能源、移动与布置方便、智能、灵活、无需安装等明显优势。由于人体自身生理特征、动力参数以及运动形式的不确定性,采用HS方法的核心困难在于如何直接、准确地获得人体对结构实际施加的激振荷载。

由此,HS的具体实施方案包含以下核心步骤:(1)对特定结构进行动力测试时,利用智能可穿戴设备获得人体运动时特征点处的加速度时程;(2)同步记录结构动力响应;(3)由式(2)重构人致激励时程;(4)根据输入荷载和输出响应,利用系统识别技术获得结构的动力特征参数。依照上述方案,一般测试需求下,一位测试者携带两个可穿戴设备(分别用于测量HS的加速度和结构响应),即可实现一般结构的动力测试工作。

3 HS特征点选取与激励重构

由于不同人、不同运动状态时的特征点位置以及对应的R值不同,利用公式(2)进行激振力重构时应首先选定合适的可穿戴设备,并由试验确定不同运动的特征点及其对应的R值。这一试验过程可以称为HS性能的标定,本质上与传统仪器的性能标定概念类似。本研究以常用且幅值较小的人体横向摇摆激励(沿图2中冠状面内的横轴向运动,以下称为摆动)为代表,研究典型HS的实验标定过程。

3.1 可穿戴设备的选型

研究中分别试用了不同品牌的智能手机[22]以及不同类型的可穿戴惯性测量单元(Inertial Measurement Unit, IMU)等智能电子设备。通过比较它们之间的加速度测试精度与范围、设备携带/安装方式、数据传输方式以及多设备间的同步性能等指标,最终选用APDM公司开发的Opal惯性传感器[23-25],其性能参数如表1所示。该无线传感器具有3轴加速度、转角和磁力方向的记录功能,同时可利用同步器实现多个传感器之间的精准时间同步。

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