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1、加速度积分位移 Matlab2013-02-04 05:30:00| 分类: MATLAB 应用|举报|字号 订阅最近做有关加速度的数据处理,需要把加速度积分成位移,网上找了找相关资料,发现做这个并不多,把最近做的总结一下吧!积分操作主要有两种方法:时域积分和频域积分,积分中常见的问题就是会产生二次趋势。关于积分的方法,在国外一个论坛上有人提出了如下说法,供参考。Double integration of raw acceleration data is a pretty poor estimate for displacement. The reason is that at each in
2、tegration, youare compounding the noise in the data.If you are dead set on working in the time-domain, the best results come from the following steps.1. Remove the mean from your sample (now have zero-mean sample)2. Integrate once to get velocity using some rule (trapezoidal, etc.)3. Remove the mean
3、 from the velocity4. Integrate again to get displacement.5. Remove the mean. Note, if you plot this, you will see drift over time.6. To eliminate (some to most) of the drift (trend), use a least squares fit (high degree depending on data) to determine polynomial coefficients.7. Remove the least squa
4、res polynomial function from your data.A much better way to get displacement from acceleration data is to work in the frequency domain. To do this, follow these steps.1. Remove the mean from the accel. data2. Take the Fourier transform (FFT) of the accel. data.3. Convert the transformed accel. data
5、to displacement data by dividing each element by -omega2, where omega is the frequency band.4. Now take the inverse FFT to get back to the time-domain and scale your result.This will give you a much better estimate of displacement.说到底就是频域积分要比时域积分效果更好,实际测试也发现如此。原因可能是时域积分时积分一次就要去趋势,去趋势就会降低信号的能量,所以最后得到
6、的结果常常比真实幅值要小。下面做一些测试,对一个正弦信号的二次微分做两次积分,正弦频率为 50Hz,采样频率 1000Hz,恢复效果如下时域积分频域积分可见恢复信号都很好(对于 50Hz 是这样的效果)。频域积分对此可以用滤波的方法将大的趋势项去掉。测试的代码如下% 测试积分对正弦信号的作用clc clearclose all% 原始正弦信号ts = 0.001;fs = 1/ts;t = 0:ts:1000*ts;f = 50;dis = sin(2*pi*f*t); % 位移vel = 2*pi*f.*cos(2*pi*f*t); % 速度acc = -(2*pi*f).2.*sin(2*
7、pi*f*t); % 加速度% 多个正弦波的测试% f1 = 400;% dis1 = sin(2*pi*f1*t); % 位移% vel1 = 2*pi*f1.*cos(2*pi*f1*t); % 速度% acc1 = -(2*pi*f1).2.*sin(2*pi*f1*t); % 加速度% dis = dis + dis1;% vel = vel + vel1;% acc = acc + acc1;% 结:频域积分正常恢复信号,时域积分恢复加入的高频信息有误差% 加噪声测试acc = acc + (2*pi*f).2*0.2*randn(size(acc);% 结:噪声会使积分结果产生大的
8、趋势项figureax(1) = subplot(311); plot(t, dis), title(位移)ax(2) = subplot(312); plot(t, vel), title(速度)ax(3) = subplot(313);plot(t, acc), title(加速度)linkaxes(ax, x);% 由加速度信号积分算位移disint, velint = IntFcn(acc, t, ts, 2);axes(ax(2);hold onplot(t, velint, r), legend(原始信号, 恢复信号) axes(ax(1);hold onplot(t, disin
9、t, r), legend(原始信号, 恢复信号)% 测试积分算子的频率特性n = 30;amp = zeros(n, 1);f = 5:30 40:10:480;figurefor i = 1:length(f) fi = f(i);acc = -(2*pi*fi).2.*sin(2*pi*fi*t); % 加速度disint, velint = IntFcn(acc, t, ts, 2); % 积分算位移 amp(i) = sqrt(sum(disint.2)/sqrt(sum(dis.2); plot(t, disint)drawnow%pause endclose figureplot
10、(f, amp)title(位移积分的频率特性曲线) xlabel(f)ylabel(单位正弦波的积分位移幅值)以上代码中使用 IntFcn 函数实现积分,它是封装之后的函数,可以实现时域积分和频域积分,其代码如下% 积分操作由加速度求位移,可选时域积分和频域积分 function disint, velint = IntFcn(acc, t, ts, flag) if flag = 1% 时域积分disint, velint = IntFcn_Time(t, acc); velenergy = sqrt(sum(velint.2); velint = detrend(velint);velr
11、eenergy = sqrt(sum(velint.2); velint = velint/velreenergy*velenergy; disenergy = sqrt(sum(disint.2); disint = detrend(disint);disreenergy = sqrt(sum(disint.2);disint = disint/disreenergy*disenergy; % 此操作是为了弥补去趋势时能量的损失% 去除位移中的二次项p = polyfit(t, disint, 2); disint = disint - polyval(p, t);else% 频域积分vel
12、int =iomega(acc, ts, 3, 2); velint = detrend(velint);disint =iomega(acc, ts, 3, 1);% 去除位移中的二次项p = polyfit(t, disint, 2); disint = disint - polyval(p, t);end end其中时域积分的子函数如下% 时域内梯形积分function xn, vn = IntFcn_Time(t, an) vn = cumtrapz(t, an);vn = vn - repmat(mean(vn), size(vn,1), 1); xn = cumtrapz(t, v
13、n);xn = xn - repmat(mean(xn), size(xn,1), 1); end频域积分的子函数如下(此代码是一个老外编的,在频域内实现积分和微分操作)function dataout =iomega(datain, dt, datain_type, dataout_type)%IOMEGA is a MATLAB script for converting displacement, velocity, or%acceleration time-series to either displacement, velocity, or%acceleration times-se
14、ries. The script takes an array of waveform data%(datain), transforms into the frequency-domain in order to more easily%convert into desired output form, and then converts back into the time%domain resulting in output (dataout) that is converted into the desired%form.%Variables:% %datain=input wavef
15、orm data of type datain_type%dataout=output waveform data of type dataout_type%dt=time increment (units of seconds per sample)%1 - Displacement%datain_type=2 - Velocity%3 - Acceleration%1 - Displacement%dataout_type=2 - Velocity%3 - Acceleration%Make sure that datain_type and dataout_type are either
16、 1, 2 or 3 if (datain_type 3)error(Value for datain_type must be a 1, 2 or 3); elseif (dataout_type 3)error(Value for dataout_type must be a 1, 2 or 3);end%Determine Number of points (next power of 2), frequency increment%and Nyquist frequencyN = 2nextpow2(max(size(datain); df = 1/(N*dt);Nyq = 1/(2*
17、dt);%Save frequency arrayiomega_array = 1i*2*pi*(-Nyq : df : Nyq-df); iomega_exp = dataout_type - datain_type;%Pad datain array with zeros (if needed) size1 = size(datain,1);size2 = size(datain,2);if (N-size1 = 0 & N-size2 = 0) if size1 size2datain = vertcat(datain,zeros(N-size1,1);elsedatain = horz
18、cat(datain,zeros(1,N-size2);endend%Transform datain into frequency domain via FFT and shift output (A)%so that zero-frequency amplitude is in the middle of the array%(instead of the beginning) A = fft(datain);A = fftshift(A);%Convert datain of type datain_type to type dataout_type for j = 1 : Nif iomega_array(j) = 0A(j) = A(j) * (iomega_array(j) iomega_exp);elseA(j) = complex(0.0,0.0);endend%Shift new frequenc
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