Symulacja drgań wywołanych przez człowieka w oparciu o scharakteryzowane zachowanie pieszych w terenie

Summary

Przedstawiono protokół do charakterystyki zachowania pieszych w terenie i symulacji wynikającej z tego reakcji strukturalnej. Testy terenowe pokazują, że zidentyfikowane in situ tempo stymulacji i tempo synchronizacji między uczestnikami stanowią istotny wkład w symulację i weryfikację obciążeń wywołanych przez człowieka.

Abstract

Dla smukłych i lekkich konstrukcji, możliwość obsługi drgań jest coraz większym problemem, często stanowiąc krytyczny wymóg projektowy. W związku z tym, że w projektach rządzi się dynamiką pod obciążeniami wywołanymi przez człowieka, istnieje duże zapotrzebowanie na weryfikację i udoskonalenie obecnie dostępnych modeli obciążeń. W niniejszym artykule wykorzystano technikę inercyjnego śledzenia ruchu 3D do scharakteryzowania zachowań pieszych w terenie. Technika ta jest najpierw testowana w eksperymentach laboratoryjnych z jednoczesną rejestracją odpowiednich sił reakcji gruntu. Eksperymenty obejmują osoby chodzące, a także rytmiczne czynności człowieka, takie jak skakanie i podskakiwanie. Wykazano, że zarejestrowany ruch pozwala na identyfikację tempa aktywności w wariancie czasowym. Wraz z masą ciała osoby i zastosowaniem uogólnionych modeli sił dostępnych w literaturze, zidentyfikowane tempo stymulacji w czasie pozwala na scharakteryzowanie obciążeń indukowanych przez człowieka. Ponadto synchronizacja czasu między bezprzewodowymi trackerami ruchu pozwala na określenie szybkości synchronizacji między uczestnikami. Następnie technika ta jest stosowana na prawdziwej kładce dla pieszych, gdzie rejestrowany jest zarówno ruch osób, jak i indukowane drgania konstrukcyjne. Pokazano, w jaki sposób scharakteryzowane zachowanie pieszych w terenie można zastosować do symulacji indukowanej reakcji strukturalnej. Wykazano, że zidentyfikowana in situ szybkość stymulacji i szybkość synchronizacji stanowią istotne dane wejściowe do symulacji i weryfikacji obciążeń wywołanych przez człowieka. Głównymi potencjalnymi zastosowaniami proponowanej metodyki są oszacowanie zjawisk interakcji człowiek-struktura oraz opracowanie odpowiednich modeli korelacji między pieszymi w rzeczywistych warunkach ruchu.

Introduction

Kierując się ekonomicznym wymogiem wydajności i rosnącą wytrzymałością (nowych) materiałów, architekci i inżynierowie przesuwają granice, aby budować coraz dłuższe, wyższe i lżejsze konstrukcje. Zazwyczaj lekkie i smukłe struktury mają jedną lub więcej częstotliwości drgań własnych, które leżą w dominującym spektrum zwykłych ludzkich aktywności, takich jak chodzenie, bieganie lub skakanie. Mogą one ulegać (prawie) wzbudzeniu rezonansowemu, ale często nadmiernie reagują na ruch człowieka, co skutkuje niepokojącymi, a nawet szkodliwymi wibracjami¹. W przypadku tych smukłych i lekkich konstrukcji łatwość serwisowania drgań jest coraz większym problemem, często stanowiąc krytyczny wymóg projektowy.

Ruch człowieka i wynikające z niego siły reakcji gruntu (GRF) są zazwyczaj identyfikowane eksperymentalnie w warunkach laboratoryjnych. Obecnie projektanci są zmuszeni polegać na – z założenia "konserwatywnych" – modelach obciążeń równoważnych, przeskalowanych z jednoosobowych pomiarów siły. W przypadku konstrukcji, w których rządzi się dynamiką w warunkach dużego zagęszczenia tłoka, istnieje duże zapotrzebowanie na weryfikację i udoskonalenie obecnie dostępnych modeli obciążeń.

Obecny protokół wykorzystuje technikę 3D inercyjnego śledzenia ruchu do charakteryzowania naturalnego ruchu pieszych. Pokazano, w jaki sposób informacje te można wykorzystać do określenia korelacji między pieszymi, a także odpowiadających im obciążeń indukowanych. W kolejnym kroku scharakteryzowane zachowanie pieszego jest wykorzystywane do numerycznej symulacji indukowanej reakcji strukturalnej. Porównanie z zarejestrowaną reakcją strukturalną pozwala na ilościowe określenie wpływu nieuwzględnionych zjawisk interakcji człowiek-struktura, np. dodatkowego tłumienia spowodowanego obecnością pieszych. Metodologia została zilustrowana dla pełnowymiarowych eksperymentów na prawdziwej kładce, w której reakcja strukturalna i ruch uczestników są rejestrowane jednocześnie.

Protocol

Wszystkie procedury zostały zatwierdzone przez komisję etyczną szpitala uniwersyteckiego KU Leuven i każdy badany wyraził pisemną świadomą zgodę przed uczestnictwem.

1. 3D Śledzenie ruchu: konfiguracja i akwizycja danych

1. Upewnij się, że poszczególne czujniki są w pełni naładowane (Rysunek 1A). Ten krok trwa około 1 godziny, ale można go wykonać w dniach poprzedzających właściwe pomiary. Postępuj zgodnie z protokołem ładowania producenta.
2. MT Manager – Akwizycja danych²:
   1. Włącz połączenie bezprzewodowe z czujnikami i określ żądaną częstotliwość próbkowania (Konfiguracja sieci bezprzewodowej > Włącz wszystkie główne sieci bezprzewodowe).
      Uwaga: Aby umożliwić dokładną charakterystykę zachowania pieszego, zaleca się częstotliwość próbkowania co najmniej 60 Hz. Poszczególne czujniki rejestrują dane 3D dotyczące przyspieszenia liniowego, prędkości kątowej (ziemi), pola magnetycznego i ciśnienia atmosferycznego.
   2. Aktywuj tryb operacyjny i rozpocznij tryb pomiaru: wykonuj powolne ruchy czujnikami przez około 1 minutę (konfiguracja bezprzewodowa > Rozpocznij pomiar na wszystkich bezprzewodowych urządzeniach nadrzędnych).
   3. Wyświetlanie danych inercyjnych i magnetycznych wszystkich aktywnych czujników (View > Display > Inertial Data). Upewnij się, że podczas postoju orientacja czujnika nie jest przypadkowa.
      Uwaga: Zmiana orientacji czujnika stacjonarnego wskazywałaby na środowisko zakłócone magnetycznie, a tym samym na niedokładne informacje o orientacji.
3. Resetowanie orientacji: Zastosuj resetowanie obiektu/nagłówka (Resetowanie obiektu/nagłówka > Resetuj orientację), aby zdefiniować globalny układ odniesienia eksperymentów (Rysunek 1B) ².
4. Umieść czujnik jak najbliżej środka ciężkości ciała (CoM) znajdującego się na poziomie piątego kręgu lędźwiowego (ryc. 1C). Przymocuj pojedynczy czujnik mocno i solidnie do każdego uczestnika za pomocą specjalnie zaprojektowanych pasków zatrzaskowych na całe ciało (Rysunek 1C).
5. Rejestruj dane zgodnie z wymaganiami.
6. Załaduj interesujące Cię rekordy (otwórz plik), określ ustawienia eksportu (Narzędzia > Preferencje > Eksporterzy) i wyeksportuj dane przyspieszenia (i macierzy orientacji) do późniejszej analizy² (Plik > Eksport).

2. Płyta siłowa: Konfiguracja i konfiguracja

Uwaga: Obecny krok omawia zastosowanie płytki siłowej do rejestracji GRF. W przypadku, gdy w grę wchodzi osoba chodząca/biegająca, do rejestracji obciążenia wywołanego kolejnymi krokami³ ma być użyta seria płyt siłowych lub oprzyrządowana bieżnia, sam protokół jest analogiczny.

1. Upewnij się, że płyta siłowa jest bezpiecznie przymocowana do podłogi laboratoryjnej (rysunek 2).
2. Skonfiguruj urządzenie i ustawienia pobierania⁴ (NDI Open Capture > Data > Device Settings > Settings). Wybierz odpowiednie "wzmocnienie" i "częstotliwość próbkowania". W razie potrzeby skonfiguruj i sprawdź ustawienia wyzwalacza zewnętrznego⁴.
   1. Wybierz wzmocnienie i częstotliwość próbkowania zgodnie z żądaną dokładnością i typem obciążenia. Do obecnego zastosowania należy użyć wzmocnienia 128 (maksymalna siła 4,879 N) i częstotliwości próbkowania 200 Hz.
3. Rozpocznij i zakończ każdą próbę z pustą płytką siłową: Wytaruj płytkę siłową, gdy jest pusta (NDI Otwórz dane > przechwytywania > Ustawienia urządzenia > Ustawienia > Tara).
4. W celach weryfikacyjnych: Umieść znany ciężar na górze płytki siłowej przed i po każdej próbie.
   Uwaga: W niniejszej aplikacji stosuje się masę 5 kg, jednak użycie innej dobrze znanej masy sztywnej (> 2 kg) może równie dobrze służyć temu testowi weryfikacyjnemu.
5. Rejestruj i zapisuj dane GRF zgodnie z wymaganiami. Eksport GRF do późniejszej analizy⁴.

3. Pomiar przyspieszeń strukturalnych

Uwaga: Obecne kroki mają na celu zebranie drgań konstrukcyjnych w jednym lub kilku odpowiednich miejscach na konstrukcji. Niniejsza aplikacja wykorzystuje rejestratory GeoSIG GMS (rysunek 3) do rejestracji przyspieszeń strukturalnych. Inne typy czujników o odpowiedniej charakterystyce dla danego zastosowania mogą być również stosowane.

1. Upewnij się, że poszczególne czujniki są w pełni naładowane. Ten krok może potrwać kilka godzin, ale można go wykonać w dniach poprzedzających rzeczywiste pomiary. Postępuj zgodnie z protokołem ładowania producenta.
2. Zamontuj czujniki w żądanych miejscach konstrukcji głównej: wypoziomuj czujniki i, jeśli to konieczne, zapewnij prawidłowe mocowanie do konstrukcji głównej (np. za pomocą magnesów).
   Uwaga: biorąc pod uwagę dużą masę poszczególnych rejestratorów GMS (> 6 kg) i związane z tym oscylacje niskich częstotliwości (< 6 Hz), w tym przypadku nie było konieczne dodatkowe mocowanie.
3. Do akwizycji danych GeoDAS⁵: Skonfiguruj i włącz bezprzewodową sieć GMS oraz połączenie z czujnikami⁵. Sprawdź ustawienia czasu i ustawienia synchronizacji (jeśli to konieczne) (kliknij prawym przyciskiem myszy na czujniku> Więcej informacji).
4. Ustaw czujniki w żądanym miejscu i wypoziomuj je zgodnie z globalnym układem odniesienia.
5. Dla akwizycji danych GeoDAS⁵: Eksportuj zarejestrowane dane do późniejszej analizy (kliknij prawym przyciskiem myszy czujnik > Sterowanie przyrządem > Wyślij żądanie > Żądanie użytkownika > GETEVT⁵).

4. Eksperymenty w kontrolowanym środowisku laboratoryjnym

1. Konfiguracja / konfiguracja śledzenia ruchu 3D (zgodnie z opisem w sekcji 1).
2. Konfiguracja / Ustawianie płyty siły (jak omówiono w rozdziale 2).
3. Podczas pracy: sprawdź wzrokowo pomiary w czasie rzeczywistym zarówno bezprzewodowych czujników bezwładnościowych, jak i płytki siłowej, aby zweryfikować ich tryb pracy.
4. Poproś uczestnika, aby wszedł na płytkę siłową i stał nieruchomo przez co najmniej 30 sekund: pozwoli to określić wagę każdej osoby.
5. Skonfiguruj sygnał metronomu: wybierz żądany rytm, tj. podstawową częstotliwość wymuszania.
   Uwaga: Sygnał metronomu można łatwo skonfigurować za pomocą bezpłatnych aplikacji online lub na smartfony.
6. Rozpocznij rejestrowanie danych zarówno z płytki siłowej, jak i bezprzewodowych czujników bezwładnościowych.
7. Poproś uczestnika, aby zainicjował pożądaną aktywność: chodzenie, skakanie lub podskakiwanie w tempie (docelowe) wskazanym przez sygnał metronomu (patrz Rysunek 4).
8. Zapisz wybraną liczbę cykli ładowania, np. kroki, skoki lub cykle kołysania. Poproś uczestnika, aby zszedł z płyty siłowej.
   Uwaga: Dla celów walidacji zaleca się rozważenie dodatkowego czasu nagrywania w tych warunkach bez obciążenia. W literaturze nie ma jasnego konsensusu co do minimalnej liczby cykli ładowania wymaganych do scharakteryzowania zmienności między cyklami⁶. Opierając się na doświadczeniu i pracach przedstawionych w [⁶], przedstawione tutaj badanie uwzględnia 60 kolejnych cykli, w których pierwsze i ostatnie pięć cykli obciążenia są wyłączone z dalszej analizy w celu wykluczenia nieprawidłowości w schemacie obciążenia na początku i na końcu próby.

5. Eksperymenty in situ

1. Skonfiguruj / Ustaw sieć czujników inercyjnych 3D, które śledzą ruch uczestników (patrz sekcja 2 i rysunek 5).
2. Skonfiguruj / Skonfiguruj sieć GMS akcelerometrów bezprzewodowych, które rejestrują przyspieszenia strukturalne (patrz rozdział 4).
3. Podczas pracy: (wizualnie) sprawdzaj pomiary w czasie rzeczywistym bezprzewodowych czujników bezwładnościowych, aby zweryfikować ich tryb działania.
4. Zdefiniuj przejrzysty protokół, który pozwoli na synchronizację zaangażowanych systemów pomiarowych, jeśli jest to wymagane.
   Uwaga: Ten krok jest konieczny, gdy zaangażowane systemy akwizycji danych nie pozwalają na bezpośrednią synchronizację ze względu na brak wyzwalacza lub wspólnego kanału. To ostatnie dotyczy bezprzewodowych systemów pomiarowych stosowanych w doświadczeniach in situ (5.1 i 5.2). W związku z tym na miejscu zastosowano przejrzysty protokół, który pozwala na synchronizację zbiorów danych w trybie offline. W niniejszej aplikacji zaangażowane systemy pomiarowe są synchronizowane poprzez rejestrację identycznego zdarzenia, tj. uderzenia, na początku i na końcu każdej próby, zarejestrowanego przez co najmniej jeden czujnik każdego z zaangażowanych systemów pomiarowych. Odpowiednio wyrównane wektory czasowe są następnie uzyskiwane poprzez zestrojenie tych zdarzeń w trybie offline.
5. Skonfiguruj sygnał metronomu: in situ wymagane jest użycie megafonu do wzmocnienia docelowego rytmu.
6. Zbierz wystarczającą liczbę prób, aby sprawdzić powtarzalność eksperymentu. Opierając się na doświadczeniu, autorzy zalecają nagranie co najmniej 3, a najlepiej 4 prób.

6. Analiza danych

1. Wstępnie przetwórz surowe dane danego sprzętu zgodnie z wymaganiami: Zastosuj odpowiednie filtry, aby usunąć niepożądane wpływy, takie jak nieistotne wkłady wysokich częstotliwości i szum pomiaru, i zachowaj odpowiednie okno czasowe zgodnie z protokołem producenta.
   Uwaga: Charakterystyki filtrowania należy dobrać zgodnie z zastosowaniem. W niniejszym badaniu MATLAB Signal Processing Toolbox⁷ jest stosowany do wykonywania filtrowania dolnoprzepustowego z częstotliwością odcięcia przy 20 Hz dla wszystkich zaangażowanych sygnałów.
2. Dla każdego uczestnika: Oblicz dyskretną transformację Fouriera zarejestrowanych przyspieszeń CoM za pomocą MATLAB Signal Processing Toolbox⁷ i zidentyfikuj średnią częstotliwość obciążenia jako częstotliwość dominującego piku podstawowej harmonicznej w uzyskanym widmie.
3. Zidentyfikuj czas pomiędzy dowolnymi dwoma nominalnie identycznymi zdarzeniami cykli obciążenia za pomocą metody opisanej w [³] lub narzędzia lc_timing zestawu narzędzi PediVib MATLAB⁸
   1. Załaduj wektor danych (lc_timing > Załaduj).
   2. Określ częstotliwość próbkowania i oszacuj średnią częstotliwość ładowania. W razie potrzeby określ odpowiednie okno czasowe. Zapisz zidentyfikowany czas nominalnie identycznych zdarzeń, tj. cykli obciążenia (lc_timing > Zapisz).
4. Obliczyć średnią częstotliwość obciążenia jako odwrotność średniego czasu pomiędzy kolejnymi cyklami obciążenia (jak określono w ppkt 6.3).
5. W przypadku doświadczeń w laboratorium: Zastosować procedurę opisaną w ppkt 6.3 zarówno dla wynikowych sił reakcji gruntu, jak i przyspieszeń zarejestrowanych w CoM każdej osoby.
   Uwaga: Ten etap służy jako walidacja procedury stosowanej do eksperymentów in situ, w których nie można bezpośrednio zmierzyć GRF. Metoda opisana w [³] pokazuje, w jaki sposób można zidentyfikować tempo tempa ruchu pieszego w czasie poprzez scharakteryzowanie związku między przyspieszeniami zarejestrowanymi w pobliżu CoM danej osoby a wynikającymi z niej GRF.
6. W odniesieniu do doświadczeń in situ: Zastosować procedurę opisaną w ppkt 6.3 w odniesieniu do przyspieszeń zarejestrowanych w Układzie Uczestników Zgromadzeniach każdej osoby.

7. Symulacja i analiza reakcji strukturalnej

Uwaga: Kolejne kroki są wykonywane przy użyciu MATLAB⁷. Odpowiedź konstrukcyjna jest obliczana za pomocą zestawu narzędzi PediVib, zestawu narzędzi MATLAB opracowanego przez autorów⁸ (Rysunek 6): siły wywołane przez człowieka są określane przez zastosowanie uogólnionych modeli obciążeń zdefiniowanych przez Li i wsp.⁹ (chodzenie) oraz Bachmann i wsp.¹ (skakanie, bieganie i obciążenie wandalem), a model konstrukcyjny jest sformułowany we współrzędnych modalnych¹⁰. Dołączona instrukcja zawiera samouczki, które w przejrzysty sposób ilustrują następujące kroki.

1. Symulacja reakcji strukturalnej
   1. Zdefiniuj parametry modalne badanej konstrukcji: częstotliwości drgań własnych, współczynniki tłumienia modalnego, przemieszczenia modalne znormalizowane masowo, współrzędne odpowiednich węzłów (PediVib > Parametry konstrukcyjne > Nowy). Sprawdź wzrokowo informacje o wprowadzaniu modalnym (PediVib > Parametry konstrukcyjne > Widok).
   2. Zdefiniuj charakterystykę pieszego i odpowiadające im obciążenia indukowane: rodzaj obciążenia, wagę, ścieżkę/lokalizację chodnika, średnie tempo stymulacji, początek każdego cyklu obciążenia (PediVib > Pojedynczy pieszy > Nowy). Uruchom i zapisz symulowaną reakcję strukturalną dla zaangażowanych uczestników. Sprawdź wzrokowo wyniki (PediVib > Widok > pojedynczego pieszego).
2. Oblicz całkowitą odpowiedź strukturalną poprzez superpozycję poszczególnych odpowiedzi, tj. sumę odpowiednich wektorów, i porównaj wynik ze zmierzoną odpowiedzią strukturalną, np. tworząc rysunek, który przedstawia zmierzoną i symulowaną odpowiedź strukturalną.

Results

Po pierwsze, pokazano, jak przyspieszenia zarejestrowane w pobliżu CoM poszczególnych osób mogą być wykorzystane do scharakteryzowania następujących po sobie GRF-ów. Wyniki omówiono tutaj dla osoby chodzącej³. W pełni porównywalne obserwacje są dokonywane, gdy weźmie się pod uwagę rytmiczne czynności człowieka, tj. skakanie i podskakiwanie. Rysunki 7A i 7B pokazują, że widmo amplitudy ciągłych pionowych sił działających na stopę i odpo...

Discussion

Ruch człowieka i wynikające z niego GRF-y są zwykle identyfikowane przez zastosowanie płyt siłowych, oprzyrządowanych bieżni, a także technologii optycznego przechwytywania ruchu, takiej jak Vicon¹⁸ i CODA¹⁹. Zastosowanie tych technik jest jednak ograniczone do środowiska laboratoryjnego. W odpowiedzi na tę wadę badany jest obecnie potencjał innowacyjnych technik, które pozwalają na pomiar "naturalnego" zachowania osoby w wielu powtarzających się i nieprzerwanych cyklach²⁰. Alternatywne t...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
MTw Development Kit + MT Manager Software	Xsens	MTW-38A70G20-1	Zestaw rozwojowy z bezprzewodowymi, bardzo dokładnymi, małymi i lekkimi trackerami ruchu 3D człowieka i towarzyszącymi paskami na całe ciało.
System pomiaru kinetycznego True Impulse + system akwizycji i wizualizacji danych NDI Open Capture	NDI Northern Digital Inc.	791028	TrueImpulse mierzy siły reakcji wywierane przez człowieka podczas wielu różnych czynności.
GMS-24	GeoSIG Ltd	Rev. 03.08.2010	(Bezprzewodowy) akcelerometry do rejestracji drgań strukturalnych.
GeoDAS System Akwizycji Danych	GeoSIG GeoSIG Ltd	Rev. 03.08.2010	Graficzna aplikacja MS Windows działająca pod kontrolą Windows 9x/NT/2000, zapewniająca interfejs programowy pomiędzy użytkownikami a rejestratorami GeoSIG GSR/GCR/GBV/GT.
Zestaw narzędzi PediVib	KU Leuven		Interfejs programowy/zestaw narzędzi do symulacji drgań strukturalnych indukowanych przez pieszych.
Metronom			Urządzenie wskazujące docelowe tempo aktywności (bezpłatne aplikacje są dostępne online na komputer/laptop/smartfon).