Моделирование Вибрации человека индуцированных На основе Характеризуется In-поле поведения пешеходов

Summary

Протокол представлен для характеристики пешеходного поведения в полевых условиях и при моделировании в результате реакции конструкции. Полевые тесты показывают , что на месте были определены частота стимуляции и скорость синхронизации среди участников составляют существенный вклад для моделирования и верификации антропогенных нагрузок.

Abstract

Для тонких и легких конструкций, вибрации удобство обслуживания является предметом растущей озабоченность, часто составляющих требование критического дизайна. С помощью конструкции определяется динамическими характеристиками при нагрузках, вызванных деятельностью человека, большой спрос существует для проверки и уточнения имеющихся в настоящее время моделей нагрузки. Настоящий вклад использует 3D-инерционный метод отслеживания движения для характеристики поведения пешеходов в полевых условиях. Методика впервые опробован в лабораторных экспериментах с одновременной регистрацией соответствующих сил реакции опоры. Эксперименты включают ходьбу лиц, а также ритмические деятельности человека, такие как прыжки и подпрыгивая. Показано, что зарегистрированное движение позволяет идентифицировать временной скорости вариант стимуляции активности. Вместе с весом человека и применение обобщенных моделей силовых имеющихся в литературе, частота стимуляции идентифицируется по времени вариант позволяет обугливаетсяacterize человеческих индуцированных нагрузок. Кроме того, синхронизация времени между беспроводными трекеров движения позволяет определить скорость синхронизации между участниками. Впоследствии методика используется на реальном пешеходного моста, где зарегистрированы как движение лиц и индуцированных структурных колебаний. Показано, каким образом характеризуется Полевое поведения пешеходов может быть применен для имитации индуцированную реакцию конструкции. Показано , что на месте идентифицированного частота стимуляции и скорость синхронизации составляют существенный вклад для моделирования и верификации антропогенных нагрузок. Основные возможности применения предлагаемой методики являются оценка человеческого-структуры явлений взаимодействия и разработка подходящих моделей для корреляции между пешеходов в реальных условиях дорожного движения.

Introduction

Ведомый экономическим требованием эффективности и увеличения прочности (новых) материалов, архитекторы и инженеры раздвигают границы, чтобы построить когда-либо больше, выше и более легкие конструкции. Как правило, легкие и тонкие структуры имеют один или несколько собственных частот, которые лежат в пределах доминирующего спектра общей деятельности человека, таких, как ходьба, бег или прыжки. Скорее всего, будет предметом (ближнее) резонансного возбуждения, они часто чрезмерно реагируют на движение человека, что приводит к тревожным или даже вредной вибрации ^1. Для этих тонких и легких конструкций, вибрация ремонтопригодность является предметом растущей озабоченность, часто составляющих требование критического дизайна.

Человеческое движение и результирующие силы реакции грунта (ФГО), как правило, экспериментально определены в лабораторных условиях. В настоящее время конструкторы вынуждены полагаться на - то, что считаются «консервативными» - эквивалент лOad модели, визуализируются из измерений силы одного человека. С помощью конструкции определяется динамическими характеристиками при высокой плотности толпы, большой спрос существует для проверки и уточнения имеющихся в настоящее время моделей нагрузки.

Настоящий протокол использует 3D инерционный метод отслеживания движения для характеристики естественного движения пешеходов. Показано, как эта информация может быть использована для определения корреляции между пешеходами, а также соответствующих индуцированных нагрузок. На последующем этапе, то поведение пешехода отличающееся используется для численного моделирования, индуцированную реакцию конструкции. Сравнение с зарегистрированной структурной реакции позволяет количественно оценить влияние неучтенных явлений взаимодействия человека-структуры, например, дополнительное затухание из - за присутствия пешеходов. Методика иллюстрируется на натурных экспериментов на реальном пешеходного моста, где структурный отклик и движение парники регистрируются одновременно.

Protocol

Все процедуры были одобрены комитетом по этике университетской больницы в KU Leuven и каждый субъект дал письменное информированное согласие до участия.

1. 3D Motion отслеживания: Конфигурация и сбора данных

1. Убедитесь в том, что отдельные датчики полностью заряжен (Рис . 1А) Этот шаг занимает около 1 часа, но может быть выполнена на несколько дней до фактических измерений. Следуйте протоколу зарядки производителя.
2. MT Manager - Сбор данных ^2:
   1. Включить беспроводное соединение с датчиками и указать желаемую частоту дискретизации (Wireless Configuration> Включить все беспроводные мастера).
      Примечание: Для того, чтобы обеспечить точную характеристику поведения пешеходов, частота дискретизации, по меньшей мере, 60 Гц рекомендуется. Отдельные датчики записи 3D линейное ускорение, угловая скорость вращения (земля) магнитное поле и данные атмосферного давления.
   2. Включите режим работы и инициировать режим измерения: делать медленные движения с датчиками в течение примерно 1 мин (Wireless Configuration> Начать измерение всех беспроводных мастеров).
   3. Дисплей и магнитные инерционные данные обо всех активных датчиков (View> Display> инерциальных данных). Убедитесь в том, что, в то время как стационарная, ориентация датчика не шанс.
      Примечание: изменение ориентации стационарного датчика будет указывать на магнитно-нарушенный среды и, таким образом, неточные информация об ориентации.
3. Сброс Ориентация: Применить объект / заголовок сброса (Объект / заголовок Сброс> Сбросить ориентацию) , чтобы определить глобальную систему отсчета экспериментов (рис 1В) ^2.
4. Установите датчик как можно ближе к центру тела массы (CoM) , расположенного на уровне пятого поясничных позвонков (рис 1C). Закрепить один датчик плотно и робастно на каждого участника с вторбенно разработаны щелчка в полной мере ремешками тела (рис 1C).
5. Запись данных по мере необходимости.
6. Загрузите записи интереса (открытого файла), задайте параметры экспорта (Инструменты> Настройки> экспортеры) и экспорт (ускорение и ориентация матрицы) данные для последующего анализа ² (Файл> Экспорт).

2. Тарелка Force: Установка и настройка

Примечание: Данная стадия обсуждается применение силы пластины для регистрации ФГО. В случае, когда речь идет о лицах ходьба / работает человек, серия силовых пластин или инструментальными беговой дорожки будет использоваться для регистрации нагрузки , вызванной последующих шагов ^3, сам протокол аналогичен.

1. Убедитесь в том, что сила пластины надежно крепится к полу лаборатории (рисунок 2).
2. Конфигурирование устройства и приобретения настроек ⁴ (NDI Open Capture> Данные> Настройки устройства> SettiNGS). Выберите правильный "усиления" и "частота дискретизации". Настройка и проверьте настройки внешнего триггера, если это требуется ^4.
   1. Выберите усиление и частоту дискретизации в соответствии с желаемой точностью и пораженной типа нагрузки. Для настоящей заявки, используют коэффициент усиления 128 (максимальное усилие, 4,879 N) и частотой дискретизации 200 Гц.
3. Начало и конец каждого суда с пустой силой пластины: Тарирование усилие пластины при пустой (NDI Open Capture> Данные> Настройки устройства> Настройки> Таре).
4. Для целей проверки: Поместите известный вес в верхней части силовой пластины до и после каждого испытания.
   Примечание: В настоящей заявке масса 5 кг используется, тем не менее, использование другого известного жесткой массы (> 2 кг), в равной степени могут служить этому верификацию.
5. Запись и сохранить данные GRF по мере необходимости. Экспорт ФГО для последующего анализа ^4.

3. Измерение структурной Acceleпродовольствие

Примечание: Настоящие меры направлены на сбор структурных колебаний в одном или нескольких местах, соответствующих по структуре. Настоящая заявка использует GeoSIG GMS регистраторы (рисунок 3) для регистрации структурных ускорений. Другие типы датчиков с соответствующими характеристиками для пораженной применения, могут быть в равной степени применяться.

1. Убедитесь в том, что отдельные датчики полностью заряжены. Этот шаг может занять несколько часов, но может быть выполнена на несколько дней до фактических измерений. Следуйте протоколу зарядки производителя.
2. Установите датчики на нужных местах первичной структуры: уровень датчиков и, в случае необходимости, обеспечить надлежащую фиксацию к первичной структуре (например, с помощью магнитов).
   Примечание: учитывая высокую массу отдельных GMS магнитофоны (> 6 кг) и задействованные низкочастотные колебания (<6 Гц), никакой дополнительной фиксации не было необходимости в этом случае.
3. Для GeoПриобретение данных DAS ^5: Настройка и включить беспроводную сеть GMS и связь с датчиками ^5. Проверьте настройки времени и параметров синхронизации (при необходимости) (щелкните правой кнопкой мыши на датчике> Дополнительная информация).
4. Установите датчики на нужное место и выровнять их по согласованию с глобальной системе отсчета.
5. Для приобретения GeoDAS Data ^5: Экспорт записанных данных для последующего анализа (щелкните правой кнопкой мыши на датчике> Control прибор> Отправить запрос> запрос пользователя> GETEVT ^5).

4. Эксперименты в контролируемых лабораторных условиях

1. Настройка / Настройка 3D отслеживания движения (как описано в разделе 1).
2. Настройка / силовой установки пластины (как описано в разделе 2).
3. Во время работы: визуально проверить в режиме реального времени измерения обоих беспроводных инерциальных датчиков и силовой пластины для проверки их рабочего режима.
4. Спросите participмуравей ступить на силовой плите и стоять на месте в течение по крайней мере 30 секунд: это позволяет определить вес каждого индивидуума.
5. Настройте метроном сигнал: выберите нужный ритм, т.е. фундаментальную принуждая частоту.
   Примечание: Метроном сигнал может быть легко настроен с помощью бесплатных онлайн или смартфон приложений.
6. Начало записи данных как силовой пластины и беспроводными инерциальных датчиков.
7. Попросите участника инициировать желаемой активности: ходьба, прыжки или подпрыгивая на целевой (шагового) скорости , как обозначено метронома сигнала (смотри рисунок 4).
8. Запись выбранного количества циклов нагружения, например, шаги, прыжки или качающихся циклов. Попросите участников, чтобы получить от силы пластины.
   Примечание: Для целей проверки рекомендуется рассмотреть дополнительное время записи в этих выгруженных условиях. В литературе нет четкого консенсуса относительно минимального циклов нагружения количество необходимых для Characterize цикла к циклу вариабельности ^6. На основе опыта и работы , представленные в работе ^[6], исследование , представленное здесь рассматривает 60 последовательных циклов при этом первые и последние пять циклов нагружения исключены из дальнейшего анализа , чтобы исключить неровности в структуре погрузки в начале и в конце исследования.

5. Эксперименты In Situ

1. Настройка / Настройка сети инерциальных датчиков 3D , которые позволяют отслеживать движение участников (смотрите раздел 2 и рисунок 5).
2. Настройка / настроить GMS сеть беспроводных акселерометры, которые регистрируют структурных ускорений (смотри раздел 4).
3. Во время работы: (визуально) контрольных измерений в режиме реального времени беспроводных инерциальных датчиков для проверки их рабочего режима.
4. Определить четкий протокол, который позволяет синхронизировать задействованные системы измерения, если это необходимо.
   Примечание: Этот шаг необходим, когда участиесистемы сбора данных не позволяют прямой синхронизации из-за отсутствия триггера или общего канала. Последнее имеет место для беспроводных измерительных систем , применяемых в экспериментов на месте (5.1 и 5.2). Поэтому четкий протокол был принят на сайте, что позволяет синхронизировать наборы данных в автономном режиме. В настоящей заявке, задействованные системы измерения синхронизируются посредством регистрации идентичного события, т.е. воздействие, в начале и в конце каждого испытания, зарегистрированной по меньшей мере одним датчиком каждой из задействованных измерительных систем. Правильно выровненные векторы время впоследствии получены с помощью автономного выравнивания этих событий.
5. Настройте метроном сигнал: на месте, использование мегафона для усиления требуется целевой удар.
6. Собрать достаточное количество испытаний, чтобы проверить повторяемость эксперимента. Основываясь на опыте, авторы рекомендуют записывать по меньшей мере, 3 или 4, предпочтительно трМОГВ.

Анализ 6. Данные

1. Предварительная обработка исходных данных привлеченного оборудования в соответствии с требованиями: Применить соответствующие фильтры для удаления нежелательных воздействий, таких как неуместные вклад высокочастотных и шума измерения, и сохранить соответствующее окно времени в соответствии с протоколом производителя.
   Примечание: Фильтрующие характеристики должны быть выбраны в соответствии с приложением. В настоящем исследовании, MATLAB Signal Processing Toolbox ⁷ применяется для выполнения низкочастотная фильтрация с частотой среза при частоте 20 Гц для всех вовлеченных сигналов.
2. Для каждого участника: Подсчитать дискретного преобразования Фурье зарегистрированных ускорений СоМ с использованием MATLAB Signal Processing Toolbox ⁷ и определить среднюю частоту загрузки , как частота доминирующего пика основной гармоники в полученном спектре.
3. Определить время между любыми двумя номинально идентичных событий цикла нагрузкис с помощью метода , подробно описанную в ^[3] или lc_timing инструмент на панели инструментов PediVib MATLAB ⁸
   1. Загрузите вектор данных (lc_timing> Load).
   2. Укажите частоту дискретизации и оценить среднюю частоту загрузки. Укажите соответствующее окно времени, если это необходимо. Сохранить идентифицированного сроки номинально идентичных событий, т.е. циклов нагрузки (lc_timing> Сохранить).
4. Вычислить среднюю частоту загрузки в качестве обратного среднего времени между ними последующих циклов нагрузки (как это определено в 6.3).
5. Для проведения экспериментов в лаборатории: Применить процедуру, описанную в 6.3 для обеих результирующих сил реакции опоры и ускорений, зарегистрированных на СоМ каждого человека.
   Примечание: Этот шаг служит для проверки процедуры применительно для in - situ экспериментов , в которых ФГО нельзя измерить непосредственно. Подробно описано в способе ^[3] показывает , как время , скорость вариант шаганиепешеход может быть идентифицирован, характеризующий соотношение между ускорений, зарегистрированных вблизи СоМ индивида и последующие ФГО.
6. Для экспериментов на месте: Применить процедуру , описанную в 6.3 для ускорений , зарегистрированных на СоМ каждого человека.

7. Моделирование и анализ структурных ответ

Примечание: Последующие шаги выполняются с использованием MATLAB ^7. Конструктивный ответ вычисляется с использованием инструментария PediVib, набора инструментальных средств MATLAB разработанный авторами ⁸ (рисунок 6): в антропогенные силы определяются путем применения обобщенных моделей нагрузки от определяется Li и др ⁹ (ходьба) и Бахманн. и др. ¹ (прыжки, бег и антивандальная нагрузки), а также структурная модель формулируется в модальных координатах ^10. Сопровождающий пособие включает учебные пособия, которые наглядно иллюстрируютследующие шаги.

1. Моделирование структурных ответ
   1. Определение модальных параметров тестовой структуры: Собственные частоты, модальные коэффициенты затухания, массовые нормализованы модальные перемещения, координаты соответствующих узлов (PediVib> Структурные параметры> New). Визуально проверьте модальный ввода информации (PediVib> Структурные параметры> Просмотр).
   2. Определить характеристики пешехода и соответствующие индуцированные нагрузки: тип нагрузки, вес, ходьба путь / местоположение, среднюю частоту стимуляции, начало каждого цикла нагрузки (PediVib> Один пешеход> Новый). Запуск и сохранить имитацию структурный ответ для вовлеченных участников. Визуально проверьте результаты (PediVib> Один пешеход> View).
2. Подсчитать общую структурную реакцию путем наложения отдельных ответов, т.е. суммирования соответствующих векторов, и сравнить результат с измеренным структурного ответа,например, путем создания фигуру , которая отображает измеренный и имитацию структурный ответ.

Results

Во-первых, показано, как ускорений зарегистрированные вблизи СоМ особей могут быть использованы, чтобы охарактеризовать последующие ФГО. Результаты обсуждаются здесь для ходьбы человека ^3. Полностью сопоставимые наблюдения проводятся при ритмические деятельности человека, то есть, прыжки и подпрыгивая, рассматриваются. 7А и 7В показывают , что амплитуда спектра непрерывных вертикальных футовых сил и соответствующие уровни ускорения за...

Discussion

Человеческое движение , и в результате ФГО обычно определяются путем применения силы пластин, инструментальными третбаны, а также технологии захвата оптического движения , такие как Vicon ¹⁸ и CODA ^19. Применение этих методов, однако, не ограничивается в лабораторных условиях. В ответ на этот недостаток, потенциал инновационных технологий , которые позволяют измерять «естественного» поведения человека в течение многих повторных циклов и непрерывных в настоящее время исследовано ^20. Альте...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Комплект разработчика MTw + программное обеспечение MT Manager Xsens		MTW-38A70G20-1	Комплект разработки с беспроводными, высокоточными, компактными и легкими 3D-трекерами движения человека и прилагаемыми ремнями для всего тела с защелкиванием.
Система кинетических измерений True Impulse + система сбора и визуализации данных NDI Open Capture	NDI Northern Digital Inc.	791028	TrueImpulse измеряет силы реакции, проявляемые человеком во время самых разных видов деятельности.
GMS-24	GeoSIG Ltd	Rev. 03.08.2010	(Беспроводные) акселерометры для регистрации структурных вибраций.
GeoDAS GeoSIG Data Acquisition System	GeoSIG Ltd	Rev. 03.08.2010	Графическое приложение MS Windows, работающее под управлением Windows 9x/NT/2000, обеспечивающее программный интерфейс между пользователями и регистраторами GeoSIG GSR/GCR/GBV/GT.
Набор инструментов PediVib	Лёвенского		для моделирования вибраций конструкции, вызываемых пешеходами.
Метроном			Устройство для индикации целевой скорости темпа активности (бесплатные приложения доступны онлайн для ПК/ноутбука/смартфона).