智能手机放置方式对沥青路面振动数据采集质量的影响研究*

詹 伟 ,严守靖,王洋洋,奚晨晨

(浙江省交通运输科学研究院 道路工程研究所,浙江 杭州 310023)

引言

智能手机不仅具有卓越的通信、存储和计算功能,还拥有强大的感知能力[1-2]。智能手机都安装有加速度感知器、GPS 定位定位器、磁场感知器、温湿度感知器、重力和转动感知器等传感元件。将智能手机固定在车辆上,打开手机自身携带的传感器即可采集车辆的振动状态数据,具有十分高效和简便的优势[3-4]。

近年来,利用智能手机采集车辆在路面上行驶数据的研究成果逐渐增多。巴西圣保罗大学的Souza V 学者[5]利用智能手机加速度传感器采集的加速度数据,提出了与沥青路面评价相关的实际数据流应用,可以使不同用户无需费力地在驾驶期间无处不在地监控路面质量。美国德克萨斯州立大学Li X 和Goldberg DW[6]提出了一种基于人群感知的智能手机路面评估系统。智能手机中的内置GPS 接收器和加速度计用于捕获路面的地理参考Z轴加速度的空间序列,可以通过挖掘人群感测数据来有效地识别路面状况并且可以正确地检测和定位瞬态事件。苏交科集团股份有限公司王惠勇[7]采用智能手机加速度信号为数据基础,从自主采集抗干扰能力和系统鲁棒性设计出发开发了手机加速度采集软件,用于预测沥青路面的平整度。长安大学徐松[8]研究了一种利用智能手机测试与评价路面平整度的方法,基于Android Studio 2.0的程序开发环境,开发了可以安装在Android 智能手机上的加速度采集客户端,建立了加速度数据与国际平整度指数之间的关系,并依托西潼高速公路和西禹高速公路进行了IRI 理论计算方法的验证实验。

总结近几年国内外关于智能手机采集数据的研究成果,当前的研究方向主要集中于如何利用智能手机采集的车辆振动数据,建立车辆振动数据与路面平整度、路面舒适性指数等路面服务性能指标之间的关系[9-13]。而对于智能手机在车辆上放置方式的研究较少,考虑到智能手机在车辆上放置的位置和姿态的不同,采集是数据质量有较大的差异,从而影响振动数据的利用。因此,十分有必要研究智能手机在车辆上的放置方式对振动数据采集质量的影响。

1 智能手机采集振动数据原理

智能手机中自身携带了加速度、空间态、角速度、定位等传感器,将智能手机放置于车辆内部,智能手机即可实时感知到车辆的运动状态信息,智能手机内置传感器的集成如图1 所示。

图1 智能手机内置传感器集成

本实验中智能手机加速度传感器可实时感知车辆在水平方向的加速度与竖直方向的振动加速度数据。空间状态和角速度传感器可实时感知车辆的俯仰、横滚、侧切和角度变化的状态,定位采用高精度民用GPS 进行经纬度定位[14-17]。智能手机传感器空间状态感知测试如图2 所示。由于智能手机传感器实时感知的数据缺少数据传输断口进行导出,因此,本项目在实验过程中采用了Mathwork 的MatlabMobile 客户端进行实时的显示[18-20],如图3 所示。

2 振动数据采集

2.1 实验装置

由文献表明[21-23],智能手机可使用苹果设备和安卓设备,均可采集振动数据。本项目使用的智能手机为OPPO find7,采用Android4.7 操作系统,智能手机自身搭载的加速度传感器、陀螺仪和电子罗盘仪等关键性能指标参数分别如表1 至表3 所示。

本实验中采用全顺车作为实验用车,如图4 所示,车辆具体关键参数如表4 所示。车辆主要性能参数指标包括车辆的,车辆主要参数包括车辆的悬挂、轮胎、发动机功率等参数,这些参数主要表现为车辆自身振动的频率,与周围环境一起,通过噪声的形式干扰车辆竖直方向的加速度信号。

表1 加速度传感器性能指标

图2 智能手机传感器空间状态示意图

图3 智能手机振动数据采集示意图

表2 陀螺仪性能指标

表3 电子罗盘仪性能指标

图4 实验使用车辆

表4 项目实验机动车辆主要参数

2.2 智能手机固定位置和放置姿态

考虑到同一个测试车辆,在不同的车辆位置上,车辆自振的影响不同。为探究不同智能移动终端放置方式对数据采集质量的影响。本项目研究了三个固定位置(车头、车身、车尾),两个放置状态(水平、竖直),通过观察车辆振动信号振幅的变化,评价智能移动终端放置方式对数据采集质量的影响规律。实验过程中,智能移动终端的放置方式如图5、图6 和图7 所示。

图5 车头移动终端放置方式

图6 车身移动终端放置方式

图7 车尾移动终端放置方式

图8 车头位置不同放置姿态

表5 车头位置不同放置姿态下数据采集质量

3 实验结果分析

3.1 移动终端放置姿态分析

本项目从实际的移动终端放置状态出发,用户通常将移动终端放置于车辆的固定支架上。一般地,用户都会接近以竖直或水平的姿态放置智能手机,因此,本项目在实验中对水平和竖直放置状态下,采集了不同固定位置下智能手机的竖向振动加速度数据,分别如图8、图9 和图10 所示。数据采集质量统计分析分别如表5、表6 和表7 所示。

图9 车身位置不同放置姿态

表6 车身位置不同放置姿态下数据采集质量

图10 车尾位置不同放置姿态

表7 车尾位置不同放置姿态下数据采集质量

由图8 和表5 可以看出,将智能移动终端固定在车头位置处,竖向振动加速度数据法变异系数整体较小,由此表明车头位置的振动信号比较稳定。但移动终端在水平姿态下,加速度的均值较小,数据变异系数达到0.143,是竖直姿态的3.86 倍,而数据的偏离程度达到12.944%,超过竖直姿态的8 倍。该现象表明,尽管在车头位置,车辆自身的振动信号比较稳定,但在水平状态下,智能移动终端的姿态容易发生转动,固定支架对终端的姿态固定效果不佳,而竖直姿态的固定效果较好,数据整体的采集质量较高。

由表6 可以看出,将智能移动终端固定在车身位置处,竖向振动加速度数据法变异系数整体较小,并且数据的偏离度也比较小,由此表明车身位置的振动信号比较稳定。但从图9 可以明显发现,移动终端在水平姿态下,竖向振动加速度数据的数据变异系数达到0.097 超过车身竖直状态的2 倍。因此,在车身的位置上,车辆自身的振动信号比较稳定,总体的数据采集质量较高,但水平状态数据采集的稳定性远低于竖直放置的姿态。

由图10 可以看出,将智能移动终端放置于车辆尾部,水平和竖直放置姿态下,水平姿态的振动信号稳定性较差,信号有明显的偏离趋势,而竖直放置姿态下,振动信号较为稳定。由表7 的统计分析也可以明显发现,振动信号数据的变异系数较大,水平放置姿态和竖直放置姿态的数据变异系数相差仅为0.001。但两者的数据偏离度相差较大,竖直放置姿态为0.701,而水平放置为1.816,超过竖直姿态的2.5 倍。因此,在车辆尾部竖直放置姿态的振动数据采集质量也优于水平姿态。

3.2 移动终端固定位置分析

智能移动终端在车辆的不同位置受到车辆自振等因素的影响差异较大,本项目在实验中在竖直和水平姿态下,分别将智能手机固定到车辆的车头、车身和车尾,各个部位振动信号的幅值分别如图11 和图12 所示。

由图10 和图11 可以看出,在竖直放置姿态下,车头和车身的振动拟合曲线较为稳定,而车尾的振动拟合曲线稳定性较差,三者的振动幅值拟合曲线与当地加速度值的数据变异系数分别为0.037、0.041 和0.122。而在水平放置姿态下,车身的振动拟合曲线较为稳定,车头的振动拟合曲线稳定性最差,三者的振动幅值拟合曲线与当地加速度值的数据变异系数分别为 0.097、0.121 和0.143。在移动终端放置姿态的情况下,固定在车辆的车头部位,振动数据的数据稳定性最好,数据的偏离程度最低。因此,车头部位的振动信号最稳定,采集数据的与真实数据的偏离度最小,具有较好的数据采集质量。

图11 竖直姿态下不同放置部位

图12 水平姿态下不同放置部位

4 结论

本文通过安卓智能手机采集车辆的振动数据,通过开展智能手机固定位置和放置姿态的实验,采集并分析了振动数据的质量,得到了以下的结论：

(1)将智能手机固定在车辆头部位置能获得最稳定的振动数据,并且采集数据的与真实数据的偏离程度最小,数据质量好。

(2)智能手机在车身位置采集的振动数据稳定性较好,但数据的偏离程度较高,车辆尾部采集的振动数据稳定性最差,数据偏离程度最大,车身和车尾的数据质量明显低于车头。

(3)在车辆的不同位置,智能手机在竖直姿态下采集的数据质量均高于水平姿态。因此,在车头部位竖直采集振动数据是最佳的放置方式。