Characterized In-sahada Yaya Davranışı geçerli İnsan kaynaklı Titreşimlerin Simülasyonu

Summary

Bir protokol olarak alan yaya davranışları karakterizasyonu ve elde edilen yapısal tepkinin simülasyonu için sunulmuştur. Saha testleri kalp pili belirlenen yerinde katılımcılar arasında hızı ve senkronizasyon hızı insan kaynaklı yüklerin simülasyon ve doğrulama için gerekli bir girdi teşkil ettiğini göstermektedir.

Abstract

narin ve hafif yapılar için, titreşim serviceability genellikle kritik tasarım gereksinimi oluşturan, endişe büyüyen bir konudur. tasarımlar insan kaynaklı yükler altında dinamik performans tarafından yönetilir ile, güçlü bir talep mevcut yük modellerinin doğrulanması ve arıtma için var. Mevcut katkısı saha yaya davranışının karakterizasyonu için 3D atalet hareket izleme tekniğini kullanır. teknik ilk gelen yer tepkime kuvvetlerinin aynı anda kayıt laboratuvar deneylerinde test edilir. Deneyler yürüyen kişiler yanı sıra atlama ve sallanan olarak ritmik insan faaliyetleri içerir. Kayıtlı hareket etkinliğinin zamanla değişen pacing hızının belirlenmesi için izin verdiğini gösterilmiştir. Birlikte kişinin ağırlığı ve literatürde mevcut genelleştirilmiş kuvvet modellerinin uygulaması ile, belirlenen zaman varyant kalp pili oranı char veriyorİnsan kaynaklı yükleri acterize. Buna ek olarak, kablosuz hareket izci arasında zaman senkronizasyonu katılımcılar arasında senkronizasyon hızı belirlenmesini sağlar. Daha sonra, teknik kişi ve oluşturduğu yapısal titreşimlerin hem hareket kayıtlı gerçek bir yaya köprüsü üzerinde kullanılır. Özelliği, alan içinde yaya davranışı oluşturduğu yapısal tepkisini uygulanabilir kadar gösterilmiştir. Kalp pili belirlenen yerinde hızı ve senkronizasyon hızı insan kaynaklı yüklerin simülasyon ve doğrulama için gerekli bir girdi teşkil ettiği gösterilmiştir. Önerilen metodolojinin temel potansiyel uygulamalar, insan-yapı etkileşimi olayların tahmini ve gerçek trafik koşullarında yayaların korelasyon için uygun modellerin geliştirilmesi bulunmaktadır.

Introduction

verimlilik, ekonomik talep ve (yeni) malzemeler, mimar ve mühendisler hiç uzun, uzun boylu ve hafif yapılar inşa etmek sınırlarını zorlayan artan gücü ile tahrik. Tipik olarak, hafif ve ince yapılar çalışan veya atlama yürüyüş gibi ortak insan faaliyetleri, baskın yelpazenin içinde yer bir veya daha fazla doğal frekansları var. (Sıfıra yaklaşır) rezonans uyarma tabi olması muhtemeldir, bunlar rahatsız edici ve hatta zararlı titreşimlerin ¹ sonuçlanan genellikle insan harekete haksız yere duyarlı. Bu ince ve hafif yapılar için, titreşim serviceability genellikle kritik tasarım gereksinimi oluşturan, endişe büyüyen bir konudur.

İnsan hareket ve elde edilen yer reaksiyon kuvvetleri (GRFs), genellikle deneysel laboratuvar koşullarında belirlenmiştir. 'Muhafazakar' olarak kabul edilir - ne - Şu anda, tasarımcılar güvenmek zorunda kalıyor eşdeğer lTek kişilik kuvvet ölçümleri yükseltilmiş OAD modelleri. tasarımlar, yüksek kalabalık yoğunlukları altında dinamik performans tarafından yönetilir ile, güçlü bir talep mevcut yük modellerinin doğrulanması ve arıtma için var.

Mevcut protokol yayaların doğal hareket karakterizasyonu için 3D atalet hareket izleme tekniğini kullanmaktadır. Bilginin yaya hem de karşılık gelen bağlı yükler arasındaki ilişkiyi tanımlamak için kullanılabilir kadar gösterilmiştir. Bir sonraki aşamada, özelliği yaya davranışı sayısal neden bunlara karşı simüle etmek için kullanılır. Kayıtlı yapısal tepki ile karşılaştırılması nedeniyle yayaların varlığı sönümleme eklendi, örneğin hesaplanamayan insan-yapı etkileşimi olayların, etkisini ölçmek için izin verir. metodoloji, gerçek bir yaya köprüsü üzerinde tam ölçekli deneyler için gösterilmiş olup, yapısal tepki ve par hareketcılar aynı anda kayıtlıdır.

Protocol

Tüm işlemler KU Leuven üniversite hastanesinde etik komitesi tarafından onaylanmış ve her konu öncesi katılımı yazılı bilgilendirilmiş onam alındı.

1. 3D Hareket İzleme: Yapılandırma ve Veri Toplama

1. Bireysel sensörler tamamen (Şekil 1A) ücret olduğundan emin olun. Bu adım, yaklaşık 1 saat sürer, ancak gerçek ölçümlere önceki gün gerçekleştirilebilir. Üreticinin şarj protokolünü izleyin.
2. MT Yöneticisi - Veri toplama ^2:
   1. (Tüm kablosuz ustaları etkinleştirin> Kablosuz Yapılandırma) sensörleri ile kablosuz bağlantı etkinleştirme ve istenen örnekleme oranı belirtin.
      Not: Yaya davranışının doğru karakterizasyonu için izin vermek için, en az 60 Hz örnekleme hızı tavsiye edilir. Bireysel sensörler rekor 3D doğrusal hızlanma, açısal hız (toprak) manyetik alan ve atmosferik basınç verileri.
   2. Operasyonel modunu etkinleştirin ve ölçüm modunu başlatmak: (tüm kablosuz ustaların üzerinde ölçüm Başlat> Kablosuz Yapılandırma) yaklaşık 1 dakika boyunca sensörler ile yavaş hareketler yapın.
   3. tüm aktif sensörler (Görünüm> Ekran> Atalet Verileri) eylemsizlik ve manyetik verileri gösterir. sabit iken, sensörün oryantasyon şansı yok, emin olun.
      Not: Sabit sensörü Değişen yönelimi dolayısıyla, yanlış yönlendirme bilgileri, manyetik rahatsız bir ortam gösterir ve olacaktır.
3. Oryantasyon sıfırlama: deneylerde (Şekil 1B) ² küresel referans çerçevesini tanımlamak için (oryantasyon Reset> Nesne / başlığı reset) bir nesne / başlığı reset uygulayın.
4. Beşinci bel omurunun (Şekil 1C) seviyesinde yer alan kütle vücut merkezine (BK) mümkün olduğunca yakın sensörünü yerleştirin. s ile her bir katılımcı sıkıca ve sağlam tek bir sensör sabitleyinpecially tıklama tam vücut kayışları (Şekil 1C) tasarladı.
5. Kayıt verileri gerektiği gibi.
6. Çevrede (açık dosyası) kayıtlarını yükleyin, dışa aktarma ayarlarını (Araçlar> Tercihler> İhracatçıları) belirtmek ve sonraki analiz ² (Dosya> Dışa) için veri hızlandırma (ve yönlendirme matrisi) ihracat.

2. Kuvvet Levha: Kurulum ve Yapılandırma

Not: Bu adım GRFs kaydetmek için bir kuvvet plaka uygulaması anlatılmaktadır. Bir yürüyüş / koşu kişi katılır durumunda, kuvvet plakaları bir dizi ya da bir aletli koşu bandı protokolü kendisi benzerdir, daha sonraki adımlarda ³ tarafından uyarılan yükleme kaydetmek için kullanılacak.

1. Kuvvet plakası güvenli laboratuvar kat (Şekil 2) sabit olduğundan emin olun.
2. Cihaz ve satın alma ayarlarını ⁴ (NDI Açık Yakalama> Veri> Aygıt Ayarları> Setti yapılandırmaNGS). Uygun "kazanç" ve "örnekleme oranı" seçeneğini seçin. Yapılandırma ve ⁴ gerekirse, dış tetik ayarlarını kontrol edin.
   1. İstenilen doğruluk ve ilgili yükleme türüne göre kazanç ve örnek oranı seçin. Bu uygulama için, 128 (maksimum kuvvet 4,879 N) ve bir numune oranı 200 Hz arasında bir kazanç kullanımı.
3. Başlangıç ​​ve boş kuvvet plaka ile her deneme sonunda: Kuvvet plakasını Dara boşken (NDI Açık Yakalama> Veri> Aygıt Ayarları> Ayarlar> Dara).
4. doğrulama amacıyla: önce kuvvet plakasının üstüne ve her denemeden sonra bilinen bir ağırlık koyun.
   Not: Bu uygulamada, 5 kg'lık bir kütle, ancak bir başka iyi bilinen katı kütle (> 2 kg) kullanımı eşit bu doğrulama testi hizmet edebilir, kullanılır.
5. gerektiği gibi kayıt ve GRF verileri kaydetmek. Sonraki analiz ⁴ GRFs aktarın.

Yapısal hızlanma 3. Ölçümerzak

Not: Bu adımlar yapısı üzerinde bir veya daha fazla ilgili yerlerde yapısal titreşimlere toplamak hedefliyoruz. Mevcut uygulama GeoSIG yapısal ivmeleri kaydetmek için kayıt (Şekil 3) GMS kullanır. dahil bir uygulama için uygun özellikleri olan başka sensör tipleri, aynı uygulanabilir.

1. Bireysel sensörler tam olarak şarj olduğundan emin olun. Bu adım, birkaç saat sürebilir, ancak gerçek ölçümlere önceki gün gerçekleştirilebilir. Üreticinin şarj protokolünü izleyin.
2. (Mıknatıs kullanarak, örneğin) birincil yapısına uygun fiksasyon sağlamak gerekirse, sensörler seviye ve Primer yapının istenen yerle ilgili sensörleri yükleyin.
   Not: Bireyin yüksek kütle kaydediciler (> 6 kg) ve yer düşük frekans salınımları (<6 Hz) GMS verilen ek tespit, bu durumda gerekli oldu.
3. GeoDAS Veri toplama ^5: yapılandırma ve sensörler ⁵ ile kablosuz GMS ağ ve bağlantı sağlar. saat ayarlarını ve senkronizasyon ayarlarını (gerekiyorsa) kontrol edin (sağ> sensör üzerinde daha fazla bilgi tıklayın).
4. İstenilen yere sensörleri yerleştirin ve küresel referans çerçevesi ile anlaşarak onları seviyesi.
5. GeoDAS Veri toplama ⁵ için: kaydedilen verileri dışa sonraki analiz için (sağ sensörün> Cihaz Kontrol> bir istek> Kullanıcı isteği> GETEVT gönder ⁵ üzerine tıklayın).

Kontrollü Laboratuvar Ortamında 4. Deneyler

1. (Bölüm 1 tartışıldığı gibi) izleme yapılandırma / Kurulum 3D hareket.
2. (2. bölümünde tartışıldığı gibi) / Kurulum kuvvet plaka yapılandırın.
3. Çalışma sırasında: görsel kablosuz atalet sensörler ve kuvvet plakasının hem ölçümleri operasyonel modu doğrulamak için gerçek zamanlı kontrol edin.
4. particip sorkuvvet plaka üzerine adım ve en az 30 saniye boyunca hareketsiz durmak karınca: Bu her bireyin ağırlığını belirlemek için izin verir.
5. Metronom sinyal yapılandırın: İstenen ritim, yani temel zorlama frekansı seçin.
   Not: Metronom sinyal kolayca ücretsiz online ya da akıllı telefon uygulamalarını kullanarak yapılandırılabilir.
6. kuvvet plakası ve kablosuz atalet sensörlerin hem veri kaydetmeye başlayın.
7. İstenen aktiviteyi başlatmak için katılımcıdan: atlama veya metronom sinyal ile belirtildiği gibi (hedeflenen kalp pili) hızında sallanan, yürüyüş (Şekil 4).
8. Yükleme döngüleri, örneğin, adımlar, atlar ya da sallanan döngüsü seçilen numarasını kaydedin. kuvvet plaka kurtulmak için katılımcıdan.
   Not: Doğrulama amacıyla yüksüz şartlarda bazı ek kayıt süresini dikkate tavsiye edilir. Literatürde, c için gerekli minimum sayı yükleme döngüleri hakkında net bir fikir birliği yokturdöngüsü için döngüsü ⁶ değişkenlikler haracterize. Deneyim ve sunulan çalışmasına dayalı ^[6], burada sunulan çalışmada, ilk ve son beş yükleme döngüleri duruşmanın başında ve sonunda yükleme şekli usulsüzlük dışlamak için daha fazla analiz dışında tutulmuştur sayede 60 ardışık döngüleri göz önünde bulundurur.

In Situ 5. Deneyler

1. Yapılandırma / Kurulum katılımcıların hareketini izlemek 3D atalet sensör ağı (bölüm 2 ve Şekil 5).
2. / Kurulumuna yapısal ivmeleri kayıt kablosuz ivme ölçer GMS ağı yapılandırmak (Bölüm 4'e bakınız).
3. Çalışma sırasında: (görsel) operasyonel modu doğrulamak için kablosuz atalet sensörler gerçek zamanlı ölçümleri kontrol edin.
4. Gerekirse, ilgili ölçüm sistemleri senkronize etmenizi sağlayan bir açık protokolü tanımlayın.
   Not: tutulduğu zaman bu adım gereklidirveri toplama sistemleri bağlı bir tetikleyici ya da ortak bir kanal eksikliği doğrudan senkronizasyon için izin yoktur. Ikinci yerinde deney (5.1 ve 5.2) uygulanan kablosuz ölçüm sistemleri için de geçerlidir. Bu nedenle, açık bir protokol veri setleri çevrimdışı senkronize etmenize olanak verir sitede kabul edilmiştir. Mevcut uygulamada, ilgili ölçüm sistemleri dahil ölçüm sistemlerinin her birinin en az bir sensör tarafından tescil başında ve her deneme sonunda, yani aynı olayın kayıt, etkisinden dolayı eşitlenir. Düzgün hizalanmış zaman vektörleri sonradan bu olayların çevrimdışı uyum yoluyla elde edilir.
5. Metronom sinyal yapılandırın: in situ, bir megafon kullanımı hedeflenen yendi gereklidir yükseltmek için.
6. Deney tekrarlanabilirlik kontrol etmek için çalışmaların yeterli sayıda toplayın. deneyimlere dayanarak yazarlar, tr, en az 3, tercihen 4, kayıt tavsiyeIALS.

6. Veri Analizi

1. Ön-işlem gerektiği gibi dahil ekipman ham veriler: Böyle alakasız yüksek frekanslı katkıları ve ölçüm gürültü gibi istenmeyen etkileri ortadan kaldırmak için uygun filtreler uygulayın ve üreticinin protokolüne göre ilgili zaman penceresi saklayın.
   Not: filtreleme özellikleri uygulama uyarınca seçilmelidir. Bu çalışmada, MATLAB Sinyal İşleme Araç ⁷ ilgili tüm sinyaller için 20 Hz'lik bir kesme frekansı ile filtreleme, düşük geçiş yapmak için uygulanır.
2. Her katılımcı için: Compute ayrık Fourier MATLAB Sinyal İşleme Toolbox ⁷ kullanarak COM kayıtlı ivmeler dönüşümü ve elde edilen spektrumda temel harmonik baskın zirve sıklığı ortalama yükleme frekansı tanımlar.
3. yük döngüsünün herhangi iki nominal aynı olaylar arasındaki zaman içinde tespitPediVib MATLAB araç ^{8 [3]} veya lc_timing aracında ayrıntılı yöntemiyle s
   1. veri vektörü (lc_timing> Load) yükleyin.
   2. örnekleme hızını belirtin ve ortalama yükleme sıklığını tahmin ediyoruz. Gerekirse, ilgili zaman penceresi belirtin. Tespit, yani sözde özdeş olayların zamanlaması, yük çevrimleri (lc_timing> Kaydet).
4. (As 6.3'de tanımlanan) sonraki yük çevrimleri arasında ortalama süre tersi olarak ortalama yükleme frekansı hesaplayınız.
5. Laboratuvarda deneyler için: Ortaya çıkan zemin reaksiyon kuvvetleri ve her bireyin com kayıtlı ivmeleri hem 6.3'de açıklanan prosedür uygulanır.
   Not: GRFs doğrudan ölçülemez yerinde deney için uygulanan bu adım işlemi için doğrulama olarak hizmet vermektedir. Ayrıntılı yöntem ^[3] gösterir nasıl zaman varyant düzenleme hızınınyaya bireyin Com yakın kayıtlı ivmeleri ve buna bağlı olarak GRFs arasındaki ilişkiyi karakterize tarafından tespit edilebilir.
6. Yerinde deneyler için: her bireyin com kayıtlı ivmeleri için 6.3'de açıklanan prosedür uygulanır.

Yapısal Tepki 7. Simülasyon ve Analiz

Not: Bundan sonraki adımlar MATLAB ⁷ kullanılarak yapılmaktadır. ⁹ (yürüyüş) Li ve arkadaşları tarafından tanımlanan insan kaynaklı güçler genelleştirilmiş yük modellerinin uygulanması yoluyla tespit edilir ve Bachmann:. Yapısal tepki PediVib araç kutusu, yazarlar ⁸ tarafından geliştirilen MATLAB araç kutusu (Şekil 6) kullanılarak hesaplanır ve ark., ¹ (atlama, koşma ve vandal yükleme) ve modal formüle edilmiştir yapısal model ¹⁰ koordine eder. eşlik eden manuel açıkça göstermektedir dersler içeriradımları izleyerek.

1. Yapısal yanıt Simülasyonu
   1. Test yapısının kalıcı parametreleri tanımlayın: Doğal frekanslar, modal sönüm oranları, kitlesel normalize modal deplasmanları, ilgili düğümleri (PediVib> Yapısal parametreler> Yeni) koordinatları. Görme modal giriş bilgilerini (PediVib> Yapısal parametreler> Görünüm) kontrol edin.
   2. yaya özelliklerini ve ilgili uyarılan yükleri tanımlayın: yük tipi, ağırlık, yol / konumu, ortalama pacing hızını, her yük döngüsünün başlamasını yürüyüş (PediVib> Tek yaya> Yeni). Çalıştırın ve yer katılımcılar için simüle yapısal yanıtı kaydedin. Görme sonuçları (PediVib> Tek yaya> Görünüm) kontrol edin.
2. İlgili vektörlerin yani bireysel yanıtların süperpozisyon, toplamı ile toplam yapısal tepki hesaplayın ve ölçülen yapısal tepki ile karşılaştırmak,Örneğin, ölçülen ve simüle yapısal tepki gösteren bir rakam oluşturarak.

Results

İlk olarak, bireylerin yakın com kayıtlı ivmeler sonucu GRFs karakterize etmek için nasıl kullanılabileceğini gösterilmiştir. Sonuçlar bir yürüyüş birey ³ burada tartışılır. Tamamen karşılaştırılabilir gözlemler yapıldığında ritmik insan faaliyetleri, yani atlama ve sallanan. Şekil 7A ve sürekli dikey ayak güçlerinin genlik spektrumu ve yaya Com yakın kayıtlı karşılık gelen ivme seviyeleri nitel son derece benzer olduğunu 7B kabul edi...

Discussion

Insan hareket ve elde edilen GRFs genellikle kuvvet plakalarının uygulama tarafından tanımlanan bu Vicon ¹⁸ ve koda ¹⁹ olarak koşu bandı yanı sıra optik hareket yakalama tekniği Enstrümante edilir. Bu tekniklerin uygulanması, ancak, laboratuvar ortamında sınırlıdır. Bu dezavantajı cevap, birçok tekrarlanan ve kesintisiz döngüleri üzerinde 'doğal' kişi davranışının ölçümü izin yenilikçi tekniklerin potansiyel şu anda ²⁰ incelenmiştir. Alternatif teknikler, basınca duyarlı taban si...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
MTw Geliştirme Kiti + MT Yönetici Yazılımı	Xsens	MTW-38A70G20-1	Kablosuz, son derece hassas, küçük ve hafif 3D insan hareketi izleyicileri ve beraberindeki tıklamalı tam vücut kayışları içeren geliştirme kiti.
Gerçek İmpuls Kinetik Ölçüm Sistemi + NDI Açık Yakalama Veri Toplama ve Görselleştirme Sistemi	NDI Northern Digital Inc.	791028	TrueImpulse, çok çeşitli aktiviteler sırasında insanlar tarafından uygulanan tepki kuvvetlerini ölçer.
GMS-24	GeoSIG Ltd	Rev. 03.08.2010	(Kablosuz) yapısal titreşimleri kaydetmek için ivmeölçerler.
GeoDAS GeoSIG Veri Toplama Sistemi	GeoSIG Ltd	Rev. 03.08.2010	Windows 9x/NT/2000 altında çalışan, kullanıcılar ve GeoSIG kayıt cihazları GSR/GCR/GBV/GT arasında bir yazılım arayüzü sağlayan grafiksel MS Windows uygulaması.
PediVib araç kutusu	KU Leuven		Yayaların neden olduğu yapısal titreşimleri simüle etmek için yazılım arayüzü/araç kutusu.
Metronom			: Aktivitenin hedeflenen ilerleme hızını gösteren bir cihaz (pc/laptop/akıllı telefon için ücretsiz uygulamalar çevrimiçi olarak mevcuttur).