[发明专利]一种基于加速度传感器估计桥梁位移的方法

权利要求书

1.一种基于加速度传感器估计桥梁位移的方法，其特征在于，考虑桥梁裂缝影响，以多自由度模型考虑桥墩的损伤，采用无参考位移估计方法，具体包括以下步骤：

步骤(1)：应用有限脉冲响应滤波器来避免不确定边界条件下加速度二重积分增加的位移漂移，由滤波后的加速度近似得到高频零均值动态位移；

步骤(2)：利用桥墩因重力引起的弯曲角度和重力在加速度轴上的投影来估算拟静力位移；

步骤(2)中，静力位移估算方法如下：

步骤(21)：利用桥墩因重力引起的弯曲角度和重力在加速度轴上的投影来估算拟静力位移，用一个加速度计来测量物体的横向加速度并计算弯曲角度，传感器旋转角为θ，重力加速度g投影到x'轴得到的值为A_x，A_x等于加速度计测量的加速度，如式(6)所示：

A_x是重力加速度在x'轴上投影得到的值；R为所需最小分辨率；Q为倾角的测量范围；M为测量角度的最小极限；

步骤(22)：集成一个额外的传感器来测量重力加速度g在y'轴上的投影，同样，桥墩因重力引起的弯曲角度，即传感器旋转角为θ，将测量到的y'轴加速度转换为倾角，如式(7)所示；通过融合x'和y'轴上的加速度数据，可以计算出更准确的倾斜角；

A_y是重力加速度g在y'轴上的投影；

采用简单移动平均(SMA)滤波器来消除高频零均值动态响应：

其中θ_p是伪静态的角度；θ_i代表了估计的地球旋转加速度；i表示第i次步长；α代表平均点，j表示从0开始取至α-1的第j个点数；

步骤(23)：通过步骤(21)和(22)所得伪静态倾斜角推导出伪静态位移，推导公式如下：

其中Δp代表伪静态位移；θ₁和θ₄分别代表桩顶部和底部的伪静态旋转，L_n代表损伤点以下的桩的长度，L_m代表损伤点以上的桩的长度，θ₃表示在多自由度模型中损伤点底部产生的伪静态旋转；θ₂表示在多自由度模型中损伤点顶部产生的伪静态旋转；

步骤(3)：将步骤(1)得到的高频零均值动态位移和步骤(2)得到的拟静力位移叠加得到总估计位移。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分别在桥墩顶部，损伤点裂缝顶部，损伤点裂缝下部和桥墩底部处设置一个加速度计，测量得到的加速度用于步骤(1)高频零均值动态位移和步骤(2)拟静力位移的求取。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中高频零均值动态位移的计算方法如下：

其中Δd代表估计的高频零均值动态位移；I表示(2k+3)阶的单位矩阵，k是采集的加速度点数；代表加速度计测得的加速度；Δ_t代表时间增量；C表示位移估计系数矩阵，L＝L_a*L_c，L为对角线加权矩阵；

L_a为(2k+1)阶对角加权矩阵，

L_c是加权矩阵，维数为(2k+1)×(2k+3)，

L代表对角线加权矩阵，定义为L＝L_a×L_c，因此：

λ代表最佳的正则化因子，

λ＝46.81N^-1.95 (5)

其中N为周期窗口对应的采样点数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(3)总估计位移方法如下：

总估计位移Δt是估计的高频零均值动态位移和伪静态位移的叠加：

Δ_t＝Δ_d+Δ_p (10)。