加速度監(jiān)測數(shù)據(jù)校正(1)概要

1、1加速度檢測儀數(shù)據(jù)校正摘要本文針對聲屏障檢測儀內(nèi)部加速度檢測器的數(shù)據(jù)校正，利用題中所給的加速度數(shù) 據(jù)，在校正的過程中，我們結(jié)合物理運動規(guī)律、離散型隨機變量等知識，建立了加速度 - -速度、加速度- -位移仿真模型，運用組合辛普森算法、卡爾曼濾波器、正負(fù)補償法等方 法消除了隨機誤差和系統(tǒng)誤差的影響，使物體運動規(guī)律符合實際情況，并將模型推廣運 用到其他領(lǐng)域。針對問題一中聲屏障的速度、位移的仿真計算以及誤差分析，我們基于 a 一 v,a 一 s 基 本物理公式建立計算聲屏障運動速度和位移的仿真模型，采用高精度的組合辛普森積分公式，通過仿真計算分別繪制出三種情形下的速度、位移- -時間關(guān)系圖，將仿真圖

2、與理想情況相對比，我們發(fā)現(xiàn)存在系統(tǒng)誤差和隨機誤差。因此我們分別從系統(tǒng)誤差和隨機誤 差 2 2 個角度對數(shù)據(jù)進(jìn)行定性和定量的誤差分析。問題二中，利用問題一中速度和位移的數(shù)值積分計算模型和誤差分析結(jié)果，以盡量 消除系統(tǒng)誤差與隨機誤差，使得速度和位移的計算結(jié)果基本符合物體運動事實為目標(biāo)，對加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。我們利用卡爾曼濾波對加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，然后利用正 負(fù)補償法消除系統(tǒng)誤差，有效的校正了數(shù)據(jù)，將校正后的數(shù)據(jù)代入問題一所建模型中建 議，發(fā)現(xiàn)物體運動規(guī)律符合實際情況，即最終速度為 0 0,位移為一穩(wěn)定值。問題三中，改進(jìn)后的加速度數(shù)據(jù)校正模型可以推廣應(yīng)用到生產(chǎn)生活中，如電梯的加 速度測量、油井示

3、功圖位移測量技術(shù)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、胎兒心率檢測儀等等。本文最大的特色在于利用精確度較高的組合辛普森算法，并且綜合卡爾曼濾波法和 正負(fù)補償法分別減小了隨機誤差和系統(tǒng)誤差的影響，具有一定的可靠性。關(guān)鍵詞：組合辛普森算法、卡爾曼濾波、正負(fù)補償法、數(shù)據(jù)校正2一、問題提出聲屏障是一種控制鐵路、公路、高速鐵路等各種道路行車對周圍環(huán)境的噪聲污染有 效措施之一，隨著列車的大幅度加速，脈動風(fēng)交替出現(xiàn)在列車兩側(cè)，從而引起對聲屏障 的拉壓作用，聲屏障發(fā)生擺動。正常狀態(tài)下，聲屏障的擺動應(yīng)當(dāng)在一定的范圍內(nèi)，當(dāng)超 過正常范圍則需要對其進(jìn)行加固維修。由于聲屏障維修或重建費用高昂，故需聲屏障檢 測儀對聲屏障的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測，

4、有針對性的對聲屏障進(jìn)行維修。聲屏障檢測儀的工作原理是 ：通過內(nèi)部的加速度傳感器來記錄車輛經(jīng)過時聲屏障振 動而產(chǎn)生的加速度數(shù)值 （ 密集采樣 ） 。將加速度數(shù)據(jù)通過數(shù)值積分，按照加速度 - - 位移的 物理公式將加速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為震動的位移，并通過震動位移對聲屏障狀態(tài)進(jìn)行判斷。在試驗中，傳感器測得的數(shù)據(jù)通常會存在誤差，誤差包括系統(tǒng)誤差、隨機誤差。其 中系統(tǒng)誤差，又稱為固有誤差， 一般其存在是具有一定的規(guī)律性， 是可以被分析掌握的； 隨機誤差，又稱為測量誤差，一般它的出現(xiàn)是不具有規(guī)律并且不可避免的。由于誤差的 存在，在使用數(shù)值積分方法計算振動位移的過程中，就會累積較多的干擾，故而在測得 數(shù)據(jù)后，需要

5、經(jīng)過系統(tǒng)誤差校正、隨機誤差數(shù)據(jù)濾波等對數(shù)據(jù)進(jìn)行校正?，F(xiàn)在請建立數(shù) 學(xué)模型解決如下問題：1.1. 建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，基于加速度 - -速度和加速度 - - 位移物理公式，通過數(shù)值積分 的方法計算聲屏障的速度、位移，并基于給定數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行仿真計算，判斷聲屏障檢 測儀是否存在明顯誤差，從隨機誤差、系統(tǒng)誤差 2 2 個角度對數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析；2.2. 基于速度和位移的數(shù)值積分計算模型和誤差分析結(jié)果， 建立數(shù)學(xué)模型來對加速度 數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，要求能盡量消除系統(tǒng)誤差與隨機誤差，使得速度和位移的計算結(jié)果基本 符合物體運動事實；3.3. 對你所建立的數(shù)據(jù)處理方法和模型進(jìn)行推廣， 所改進(jìn)過的加速度檢測儀除了可

6、以 用于聲屏障監(jiān)測以外，還可以應(yīng)用于哪些場景，請結(jié)合改進(jìn)方案闡述理由。二、基本假設(shè)1 1、假設(shè)：在三組數(shù)據(jù)采集過程中，加速度檢測儀所處外界環(huán)境基本相同；2 2、假設(shè)：在加速度檢測儀工作的初始時刻 , , 聲屏障的加速度、速度、位移均為 0 0；3 3、假設(shè)：不考慮環(huán)境因素如溫度，氣候?qū)铀俣缺O(jiān)測儀的影響；4 4、假設(shè)：聲屏障發(fā)生的形變總是彈性形變，側(cè)向外力消除后可恢復(fù)原狀并回復(fù)原位；5 5、假設(shè)：試驗過程中，僅考慮聲屏障在水平方向的運動，即僅存在水平方向的加速度。3三、符號說明符號意義單位備注T采樣周期s本題中為 0.001s0.001sa(t)t t 時刻測得的加速度2g m/sat t 時

7、刻加速的實際值g m/s2v(t)t t 時刻物體的速度m/ss(t)t t 時刻物體的位移m(k)第k個區(qū)間(k-1)T,kT上速度的增量m/sis(k)第k個區(qū)間(k-1)T,kT上位移的增量mn樣本谷量三個測量過程 n n 的 值各不相同d隨機誤差z系統(tǒng)誤差6(j =123)第 j 個過程樣本的偏差四、問題分析本文主要解決的是加速度檢測儀數(shù)據(jù)校正的問題。對于問題一，基于 a-va-v 和 a-sa-s 物理公式，以及組合辛普森積分公式，通過matlabmatlab4程序給出基于給定數(shù)據(jù)的模型仿真。將實際值與理論值進(jìn)行對比，判斷聲屏障檢測儀是 否存在明顯誤差。根據(jù)隨機誤差的正向分布，采用貝

8、塞爾公式求出三組數(shù)據(jù)的偏差，判 斷隨機誤差的大小。其次，通過對三組加速度數(shù)據(jù)積分所得速度- -時間圖像、位移- -時間5圖像對比，總結(jié)出系統(tǒng)誤差規(guī)律。對于問題二，我們的研究思路如下:對于問題三，總結(jié)上述對加速度檢測儀所采集數(shù)據(jù)的校正方法，將其合理推廣于加速度 變化情況與之相似的場景中，并作合理闡述。五、模型的建立與求解5.15.1問題一模型建立與求解65.1.15.1.1 問題一的分析7首先，基于物理學(xué)基本公式建立計算聲屏障運動速度和位移的數(shù)值積分模型；其次 采用高精度的組合辛普森求積公式，通過仿真計算分別繪制出三種情形下的速度、位移 - -時間關(guān)系圖；最后將仿真圖與理想情況相對比，從系統(tǒng)誤差

9、和隨機誤差2 2 個角度對數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析 5.1215.121 數(shù)值積分模型的建立用加速度儀的采樣周期 T T 作為時間間隔，將聲屏障的振動過程分成n n 個大小相同的區(qū)間；Stepl:分析每個區(qū)間上速度的增量(或者位移的增量)，第 k 個區(qū)間(k-1)T,kT上速度的增量.：v(k)和位移的增量.：s(k)為kTAv(k) = ja(t)dtk )T、/kTs(k) = v(t)dt $(k)T Step2:依據(jù)加速度- -速度和加速度- -位移物理公式得出數(shù)值積分模型,t t 時刻聲屏障運動的速度 v(t)和位移 s(t)為對于單方向運動從 A-BA-B 的過程 n =1395 ；從 C

10、-D,C-D,再從 D-CD-C 的雙向運動過程 n -3134 ；從 E E 點到 F F 點，再由 F F 到 E,并再重復(fù)一次的過程 n 二 2397 ；5.1.2.25.1.2.2 引用組合辛普森公式求解數(shù)值積分模型由于加速度傳感器采樣頻率較高，且采集次數(shù)較多，因此在不增加計算量并且保證 精確度足夠高的條件下，可引用組合辛普森積分公式近似求解，過程如下：設(shè)區(qū)間( (k k-1-1)T,kT)T,kT 被等距節(jié)點 t,t, = = g g 訕即，分為寬度為 h h = = 的2M2M個 子區(qū)間 t：.,仁，2M2M 個子區(qū)間的組合辛普森公式表示 v(t)的定積分為:t/TkTv(t)二二

11、a(t)dt心心、( (k)T、/t/Ts(t) =2 ILkTkTt /TkT心心(t/TkT(k_1)T(心心(DTa(t)dt)dtk =1,2,. n8同理可得 s(t)的定積分表達(dá)式為:組合辛普森公式計算誤差為Es(f,h)Th4f( 4)(c)=O(h4)，其中 f 為 a(t)a(t)或 v(t).v(t).180由于每個時間區(qū)間與整個運動全程相比是非常小的，因此我們假設(shè) a(t)、v(t)在區(qū)間(k-1)T,kT(k-1)T,kT 范圍內(nèi)是呈線性變化的，這樣即可求出a(ta(t：.).)、v(t.)v(t.)的函數(shù)表達(dá)式5.1.2.35.1.2.3 模型的參數(shù)計算設(shè) M M =

12、4=4，即將區(qū)間(k-1)T,kT(k-1)T,kT 1 1 分為 8 8 個子區(qū)間,則子區(qū)間寬度“盤二盒節(jié)點 t：=h二贏 05.1.2.45.1.2.4 數(shù)值積分仿真結(jié)果利用上述組合辛普森數(shù)值積分算法編程，在 matlabmatlab 中進(jìn)行仿真計算，得到三組數(shù)據(jù) 下速度- -時間關(guān)系圖和位移- -時間關(guān)系圖：(1) 單方向ATB 運動的加速度- -時間關(guān)系圖加墟OE-時冋關(guān)JRBWv(t)t/Tk 4kT:k JThQ Ua(t)dt = - la(0) a(T)丨 一33、a(t )43Ma(t.j)It/Ts(t)八k4kT(5V(t)dt二-V(0) v(T)h2-33M J4hM

13、、v(tJ 、v(t.j) y3y采樣周期 T 二11000Hz-0.001 s-30.20 冷OO.B1仿賓 IbM 侃帕何 u s)咯。曰藝晶19(2) 單方向 A B 運動的速度- -時間關(guān)系圖33.5105-15-1 單方向 A B 仿真結(jié)果(1)從 C D C 運動的加速度- -時間關(guān)系圖加速醛時間關(guān)泰陽(2 2)從 CrCr D D C 運動的速度- -時間關(guān)系圖速度時間羌系圖小0.10.05速度時間關(guān)系圖0.20.40 60.01仿真時間f單位：S)(3 3)單方向 A B 運動的位移- -時間關(guān)系圖位移時何關(guān)乖圖O)000.0150-010.0050.20 40.60 81仍貞

14、時間(單位；5)1.21_40_51.522.5仿眞時PM唯位s) -0,1-0.2 F E F E 運動的速度-時間關(guān)系圖EE揖一哥)g能64(1)(1)從 E E F F E E F F E 運動的加速度- -時間關(guān)系圖力口迪底-叭何關(guān)乖陽00.511.522 5仿與時叭單也皐曲-0.113圖 5-35-3 從 E F E F E 運動的仿真結(jié)果從 E F E F E 運動的速度-時間關(guān)系圖站位殺時間其桃0-0.0500.511,522.5仿真時間（瞅悅=s）e e_2_2 2145.1245.124 數(shù)值積分仿真結(jié)果的分析由積分運算的性質(zhì)知，原始數(shù)據(jù)中的微小誤差會隨著積分運算的過程不斷累

15、加形成 巨大誤差，如圖 5-1、中速度- -時間關(guān)系圖和位移- -時間關(guān)系圖都與實際情況存在較大 出入。我們以單方向 A B 運動為例分析：圖 5-45-4 單方向ATB 運動速度、位移- -時間關(guān)系圖理想情況下，當(dāng)速度- -時間關(guān)系圖中 a a 點之前 b b 點之后的區(qū)域加速度為 0 0，速度也為 0 0, 曲線圖應(yīng)靠近虛線部分；對應(yīng)的位移- -時間關(guān)系圖中 c c 點之后的位移達(dá)到最大值，位移曲 線應(yīng)當(dāng)靠近虛線，而實際仿真的波形圖顯示結(jié)果并非如此，因此認(rèn)為聲屏障檢測儀存在 明顯誤差。下面我們就從系統(tǒng)誤差、隨機誤差 2 2 個角度對誤差進(jìn)行定量和定性分析。5.1.35.1.3 誤差分析加速

16、度測量值 a與理論值 a a 之間存在測量誤差。測量誤差一般是由隨機誤差：與系統(tǒng)誤差；組成，即有：aa 亠心。5.1.3.15.1.3.1 隨機誤差的分析隨機誤差也成為偶然誤差，它的出現(xiàn)從表面上看是毫無規(guī)律的。在任何測量中，隨 機誤差都是不可避免的，而且在同一條件下重復(fù)進(jìn)行的各次測量中，隨機誤差的出現(xiàn)或 大或小，或正或負(fù)，其大小和方向均不固定。隨著測量次數(shù)的增加，正負(fù)誤差可以相互 補償，誤差的平均值將趨向于 0 0。但就其總體來說，卻具有某些內(nèi)在的共性，利用概率論 的一些理論和統(tǒng)計學(xué)的一些方法，可以掌握隨機誤差的若干規(guī)律，并對誤差大小進(jìn)行估 算：正負(fù)誤差出現(xiàn)的概率相等，小誤差出現(xiàn)的概率大，大誤

17、差出現(xiàn)的概率小，總體按照 誤差大小服從正態(tài)分布。由于密集采樣過程中，樣本容量均遠(yuǎn)大于 3030,故認(rèn)為隨機誤差服從正態(tài)分布，亦 稱高斯分布，它滿足的概率密度分布函數(shù)為：1 10O加.020U.204J.60.6121.4衍且時司里總：110Q20018:!-nHit1uorhu010OM/nu flu nu宀Eb“迪戲毎也wn152 2 : :二16在實際測量中，由于樣本容量不能無限大，故此時的算術(shù)平均值不是真值，對標(biāo)準(zhǔn) 誤差二的實際處理只能進(jìn)行估算。利用數(shù)理統(tǒng)計理論，可以得到對偏差進(jìn)行估計的貝塞 爾公式：n n 為樣本容量，F(xiàn) 是二的最佳估計值。借助 excelexcel 軟件，可得到本次實

18、驗中的三組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為：=0.5829105132=0.5829105132 =0.706158082=0.7061580823=1.024779517=1.024779517由概率密度分布函數(shù)可知，測量值的隨機誤差出現(xiàn)在(-33)(j(-33)(j =123,=123,厶為標(biāo)準(zhǔn)誤差) ) 范圍內(nèi)的概率為 99.7%,99.7%,即認(rèn)為所測得的全部數(shù)據(jù)中，將有 99.7%99.7%的數(shù)據(jù)其隨機誤差落 入置信區(qū)間。5.1.3.25.1.3.2 系統(tǒng)誤差的分析系統(tǒng)誤差的出現(xiàn)一般是有規(guī)律的，在同一測量條件下，多次重復(fù)測量同一值時，觀 測值總往一個方向偏差，測量誤差的絕對值和正負(fù)號在重復(fù)多次測

19、量中幾乎相同，都保 持基本不變。產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的原因可能各不相同，但是它們具有共同的特點，即確定的 變化規(guī)律。由于加速度散點圖圖像密集不易區(qū)分判斷，故這里采用組合辛普森積分公式對加速度積分后，得到的速度- -時間圖像進(jìn)行分析。此外，用組合辛普森積分產(chǎn)生的誤差可以表示為 O(hO(h4) )，其中 h h 為一個極小的常數(shù)，又因為 f = 1000Hz，所以積分過程對速度以及位移的影響極小，故在此忽略不計圖 5-55-5 三組數(shù)據(jù)速度- -時間關(guān)系比較圖根據(jù)圖 5-55-5 速度- -時間分布規(guī)律，不難看出，每經(jīng)過一次單方向運動后的速度值總會 減小，亦即加速度散點圖中的波峰積分值小于波谷積分值。從

20、物理學(xué)角度講，即認(rèn)為聲 屏障檢測儀所測得的反向加速度值普遍高于正向運動時的加速度值，認(rèn)為此類誤差為定值系統(tǒng)誤差。5.25.2問題二模型建立與求解:nl)2175.2.15.2.1 問題二的分析此問利用問題一中速度和位移的數(shù)值積分計算模型和誤差分析結(jié)果，以盡量消除系統(tǒng)誤差與隨機誤差，使得速度和位移的計算結(jié)果基本符合物體運動事實為目標(biāo)，對加速 度數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。為消除數(shù)據(jù)中存在的誤差，我們首先利用卡爾曼濾波法對加速度數(shù)據(jù) 進(jìn)行降噪處理，有效的消除隨機誤差，然后進(jìn)行系統(tǒng)誤差研究，對于本題中這種定值系 統(tǒng)誤差，因測量誤差的絕對值和正負(fù)號在重復(fù)多次測量中幾乎相同的特性，我們可以利 用反向補償法來消除系統(tǒng)誤

21、差，即改變原加速度方向是誤差符號相反，從而抵消不變得 系統(tǒng)誤差。522522 問題二模型的建立結(jié)合問題分析，我們須引用以下算法：卡爾曼濾波法：一個動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)由于受到外部的干擾時，可以分為兩個組成部分， 一部分是由已知的運動方程正確的預(yù)測出來，另一部分可以看作是隨機變量，對于線性 離散時間系統(tǒng)可以分為兩個部分，即使用 n n 維狀態(tài)方程和 m m 維測量方程描述：y(t)= ex 丄 1) v(t)其中：x(t)是 t t 時刻的系統(tǒng)狀態(tài)，u(t)是 t t 時刻對系統(tǒng)的控制量，A A 和 B B 是系統(tǒng)參數(shù)對于 多模型系統(tǒng)，它們?yōu)榫仃?，y(t)為 t t 時刻的測量值，e 為測量系統(tǒng)的參數(shù)

22、，對于多測量 系統(tǒng)，其為矩陣。w(t)w(t)和v(t)v(t)分別表示過程噪聲和測量噪聲，它們被假設(shè)成高斯白噪聲， 他們的協(xié)方差分別是 Q,R。首先我們要利用系統(tǒng)的過程模型，來預(yù)測下一狀態(tài)的系統(tǒng)。假設(shè)現(xiàn)在的系統(tǒng)狀態(tài)是 k k，根據(jù)系統(tǒng)的模型，可以基于系統(tǒng)的上一狀態(tài)而預(yù)測出現(xiàn)在狀態(tài)：x( 11 t 1 Ax(+ 1 代 1) B u (k(2.3)(2.3)式中，x(t|t-1)是利用上一狀態(tài)預(yù)測的結(jié)果，x(t-1|t-1)是上一狀態(tài)最優(yōu)的結(jié)果，u(k)為現(xiàn)在狀態(tài)的控制量，如果沒有控制量，它可以為0 0。我們用 p p 表示協(xié)方差：p(t| 卜 1 尸 Ap(+ 1 |彳 1 )A Q(2.4

23、)(2.4)式中，p(t|t -1)是 x(t|t -1)對應(yīng)的協(xié)方差，A表示 A A 的轉(zhuǎn)置矩陣，Q 是系統(tǒng)過程的協(xié)方差?，F(xiàn)在我們有了現(xiàn)在狀態(tài)的預(yù)測結(jié)果，然后我們再收集現(xiàn)在狀態(tài)的測量值。結(jié)合預(yù)測值和測量值，我們可以得到現(xiàn)在狀態(tài) t t 的最優(yōu)化估算值 x(t|t):x(t)=Bi(力 W t(2.1)(2.1)(2.2)(2.2)18x(t|t)= x(t|_t 1) kg(t)(z(t) Cx(t|t為了要另卡爾曼濾波器不斷的運行直到系統(tǒng)過程結(jié)束，我們還要更新 t t 狀態(tài)下 x(t|t)的協(xié)方差：p(t|t)二 p(t|t-1)(1 -Ckg(t)利用卡爾曼濾波法，在 MATLABMAT

24、LAB 環(huán)境下進(jìn)行降噪處理，下圖為經(jīng)過多次濾波后的散點 圖：C-D數(shù)據(jù)原始圖濾波后數(shù)據(jù)其中 kg 為卡爾曼增益:kg(t)二P(t|t-1)CCp(t|t 1)C R(2.5)(2.5)A-B數(shù)據(jù)原始圖數(shù)據(jù)原始圖濾波后數(shù)據(jù)濾波后數(shù)據(jù)19在數(shù)據(jù)進(jìn)行有效消除隨機誤差之后我們利用正負(fù)補償法對其進(jìn)行系統(tǒng)誤差處理，在聲屏障的每次運動當(dāng)中，根據(jù)加速度的變化規(guī)律知道，聲屏障在速度增大和減小的過程中存 在對應(yīng)的加速度點，其值互為相反數(shù)。我們將其近似處理為彈簧振子的震動，如圖：假設(shè) N 點的加速度理論值為a at, , a at0 0，實際值為 at，誤差為乜，則有：at =a。與其對稱的點 N 加速度理論值為

25、- -a at，實際值為印，誤差為a a2，則有:at Jp a。此時 N 與 N 實際值的絕對值之差為包。現(xiàn)對 N 與 N的實際值取相反數(shù)，分別為：-a、-a；，則-a為反向加速度，-a-5十+1十6E-FE-F 數(shù)據(jù)原始圖05001000150020002500濾波后數(shù)據(jù)3210-1-2-3-4050010001500200020為正向加速度。將新得到的正向與反向加速度分別與原來的正、反向加速度相加后取平 均值：af -a3 3 ； g g - - -a-at；衛(wèi)_2=_2= 2 2-atat_ q .迢嚴(yán)烏一 at .ia22 一 2則得到新的正反向加速度分別為：-寧，-.寧正向、反向加

26、速度大小相同5.2.35.2.3 問題二模型的求解由于* a a=a=a2 2a12 2一心2，故可知新得到的加速度比原始數(shù)據(jù)的誤差小,215.35.3 問題三的求解聲屏障檢測儀的工作原理是：通過內(nèi)部的加速度傳感器來記錄車輛經(jīng)過時聲屏障振 動而產(chǎn)生的加速度數(shù)值（密集采樣）。將加速度數(shù)據(jù)通過數(shù)值積分，按照加速度 - -位移的 物理公式將加速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為震動的位移，并通過震動位移對聲屏障狀態(tài)進(jìn)行判斷。在現(xiàn)實生活中，油井示功圖位移測量技術(shù)可以了解油井實時動態(tài)及抽油裝置是否合 理，其核心硬件為加速度信號調(diào)理電路。加速度傳感器負(fù)責(zé)采集油桿上下運動的加速度 信號，并對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行奇異值處理、相應(yīng)濾波技術(shù)處

27、理以最大限度的將噪聲信號剔除， 通過加速度雙重積分得到示功圖測試儀的位移和沖程。因此我們可以將改進(jìn)后的加速度檢測儀應(yīng)用于此，從而消除加速度信號由于電源紋波和信號干擾的影響所引起波形的微 小畸變。改進(jìn)后的加速度檢測儀還可以應(yīng)用于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是通過對加速度 測量值進(jìn)行積分而完成定位的。因此，雖然慣性傳感器測量值中的誤差、噪聲可能非常 小，系統(tǒng)在一小段時間內(nèi)的相對定位精度也可能很高，但是這些測量誤差、噪聲在積分 計算過程中會隨著時間的推移而積累成越來越大的定位誤差，再不采取任何措施的情況下定位誤差最終可達(dá)無窮大，因此我們可以將改進(jìn)后的加速度檢測儀應(yīng)用于此，以消除 系統(tǒng)的測量誤差和噪聲。

28、該加速度檢測儀還可以用于測量電梯的加速度。電梯上升和下降的過程加速度變化情況也與聲屏障類似，服從一個正弦變換。速度的變化也是先快速增大，緩慢達(dá)到極值， 速度下降由慢到快，直至速度降為 0 0,且最終的位移也是一個穩(wěn)定值。而對測量出的電 梯的加速度積分求出其位移，可以用來判斷電梯是否有故障。在這三個場景中，均需通過加速度來求位移，而正反方向的加速度應(yīng)該對稱，因此 用我們的處理數(shù)據(jù)的方法同樣可以減小誤差，最后使位移趨于一個穩(wěn)定值而不是一個變 化的值。六、模型的評價與推廣6.16.1 模型的評價對于問題一，在根據(jù)原加速度數(shù)據(jù)求解速度和位移的過程中我們采用了組合辛普森 積分算法，考慮到加速度監(jiān)測儀采樣

29、頻率為 1000HZ1000HZ 求速度和位移會產(chǎn)生很小的誤差, 可以忽略不計，該算法不僅保證了模型的精確度，而且避免了繁瑣的計算過程。在誤差 分析的過程中，我們從定性分析和定量計算兩個方面分析了該加速度檢測儀的系統(tǒng)誤差22和隨機誤差，并且運用了卡爾曼濾波算法和 3 3 次 7 7 點平滑濾波法盡可能地減小了隨機誤 差和系統(tǒng)誤差。經(jīng)我們改進(jìn)后的模型和數(shù)據(jù)處理方法具有普適性和一般性，在大樣本情 況下依然能夠快速地對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，可以推廣應(yīng)用到許多生產(chǎn)和生活中，具有很 強的說服力和可靠性。但是我們建立的模型也有一些缺點，比如說建模方法較單一，對于同一個問題沒有 建立多個模型進(jìn)行比較，就第一問來

30、說，我們可以利用精確度更高而計算量等同的龍貝 格算法。再比如說減少了系統(tǒng)誤差和隨機誤差之后所得到的一些數(shù)據(jù)還是會產(chǎn)生一定的 不可避免的誤差，而且我們也沒有較全面地分析系統(tǒng)誤差在有無脈動風(fēng)時的差異性，這 些都需要我們對模型做進(jìn)一步的改進(jìn)。6.26.2 模型的推廣 6.2.16.2.1 推廣領(lǐng)域基于加速度傳感器的油井示功圖位移測量技術(shù)研究6.2.26.2.2 原理介紹基于加速度傳感器的示功圖測試儀的硬件框圖如圖1 1 所示，主要分為四部分：電源管理系統(tǒng)、載荷信號調(diào)理電路、加速度信號調(diào)理電路、主控及輔助設(shè)備電路。其中，加 速度傳感器負(fù)責(zé)采集油桿上下運動的加速度信號，通過積分算法而得到位移和沖程，是

31、示功圖測試儀硬件的設(shè)計核心。上位機示功圖測試儀的位移和沖程是通過加速度雙重積分得到的，考慮到油桿上下周期性運動的特點，將一個周期加速度測量值減去其平均值，令邊界條件為零，對修正后的加 速度積分得到速度；令邊界條件為零，對修正后的速度積分得到?jīng)_程。示功儀加速度在 兩次去除邊界積分后并不能得到準(zhǔn)確的沖程， 往往對于同一口井會得出兩個差異很大的 沖程。因為加速度量的電壓信號很小， 3V3V 供電系統(tǒng)造成加速度與電壓的比例系數(shù)很小 (0.56V/g)(0.56V/g)， MCIMCI 采集加速度電壓信號受干擾嚴(yán)重，所以必須對采集的加速度信號進(jìn)行合 適的濾波后再雙重積分得到?jīng)_程。首先，將采集到一個周期的

32、加速度的數(shù)據(jù)存放在RAMRAM中，對加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行奇異值的濾除；然后對加速度進(jìn)行 3 3 次 7 7 點平滑窗濾波，最大限 度地將噪聲信號濾除；最后，應(yīng)用周期去邊界的雙重積分得到各點的位移值，對應(yīng)各點 載荷量，在液晶屏上畫出示功圖，并將油井信息和示功圖信息儲存到外部EEPROEEPRO 中。L_l團(tuán)1便饌式示功代總二框鬲LJ23七、參考文獻(xiàn)11 美CharlesCharles K.K. ChuiChui, 中GuanrongGuanrong ChenChen 等,卡爾曼濾波及其實時應(yīng)用（第四版），清華大學(xué)出版社，20142014 年 4 4 月22 施滸立 , , 趙彥, , 誤差設(shè)計新理念與

33、方法，北京：科學(xué)出版社，20072007 年：4 433 趙黎，王豐，大學(xué)物理實驗，上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，201201 3 3 年： 7 744 陳為真，汪秉文，胡曉婭，基于時域積分的加速度信號處理，華中科技大 學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版 ，第 3838 卷，第 1 1 期， 20102010 年 1 1 月55 吳暢，淺析系統(tǒng)誤差消除法，計量技術(shù)， 20012001 年66 司守奎等，數(shù)學(xué)建模算法及應(yīng)用，國防工業(yè)出版社， 20142014 年 6 6 月77 卓金武等，MATLAMATLA 在數(shù)學(xué)建模中的應(yīng)用，北京航空航天大學(xué)出版社，20112011 年 4 4月八、附錄8.18.1 附錄清單附錄 1 1:求解問題一的 LINGOLINGO 程序附錄 2 2：求解問題二的 MathematicaMathematica 程序附錄 3 3:求解