ExperimentalCar Kurz vyhodnocení komfortu jízdy na sedadle experimentálního vozidla, rozšíření rozsahu WiFi sítě
2012
1
Obsah 1.
2. 3. 4. 5. 6. 7.
8.
Teoretický rozbor ............................................................................................................... 2 Požadavky na snímač ......................................................................................................... 3 Úprava snímače .................................................................................................................. 3 Umístění a orientace snímače ............................................................................................. 4 Popis použitého HW........................................................................................................... 4 Popis systému cRIO ........................................................................................................ 4 Popis CAN modul NI cRIO - 9853 ................................................................................. 5 Zapojení CAN konektoru (DB9) ..................................................................................... 6 Popis MEMS akcelerometru, způsob komunikace ......................................................... 6 Zapojení .............................................................................................................................. 7 Rozšíření bezdrátové sítě ................................................................................................... 9 Způsob měření dat ............................................................................................................ 10 Popis ovládání aplikace .................................................................................................... 11 Vyhodnocení dat .............................................................................................................. 14 1/3 oktávové spektrum ..................................................................................................... 16 Vážení............................................................................................................................... 17 Vyhodnocení vibrací ........................................................................................................ 17 Postup měření ................................................................................................................... 19 Literatura .......................................................................................................................... 21
Seznam použitého značení (Control Area Network) Sériová sběrnice využívaná v automobilové technice a v průmyslu. cRIO (Compact Reconfigurable Input Output) Označení typu výrobků firmy National Instrument (NI), které se vyznačují především malými rozměry a možností modifikovat I/O. DMA (Direct Memory Access) Způsob, kterým počítače umožňují hardwarovému subsystému přímý přístup do operační paměti. FIFO (First In First Out) Fronta využívaná v operačních systémech pro meziprocesorovou komunikaci. FPGA Programovatelné hradlové pole. 2 IC (Inter-Integrated Circuit) Multi-masterová počítačová sériová sběrnice která se používá k připojování nízkorychlostních periferií k základní desce, vestavěnému systému nebo mobilnímu telefonu. I/O (Input / Output) Vstup / výstup. MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) Miniaturní elektro-mechanické systémy. PDA (Personal Digital Assistant) Malý kapesní počítač. RMS (Root Mean Square) Efektivní hodnota harmonického signálu. SPI (Serial Peripheral Interface) Sériové periferní rozhraní používané pro komunikaci mezi řídícími mikroprocesory a ostatními integrovanými obvody. RT (Real Time) Systémy pracující v reálném čase. RS-232, USB, RJ-45, DB9 Standardní označení běžně používaných rozhraní a konektorů. WiFi Označení bezdrátové komunikace v počítačových sítích. CAN
1. Teoretický rozbor Vibrace působící na člověka za provozu vozidla prostřednictvím sedadla mohou být zdrojem sníženého pohodlí a mohou v závislosti na jejich intenzitě, frekvenci a délce působení zhoršit pozornost řidiče, způsobovat předčasnou únavu či dokonce různé nemoci především zad.
2
Nemoci se často dostaví až po několika letech. Sedadla se proto navrhují i s ohledem na minimalizaci těchto nežádoucích vibrací. Aby bylo možné srovnávat působení vibrací na člověka u různých typů sedadel, byly vytvořeny metody měření jízdního pohodlí. Měřením jízdního pohodlí se zabývá několik norem, ve kterých je specifikováno za jakých podmínek by se takováto měření měla provádět. Jsou zde požadavky na měřicí zařízení, umístění snímačů, jejich úprava pro montáž na sedadlo i popis vyhodnocení naměřených dat. Všeobecné požadavky jsou uvedeny v normě ČSN ISO 2631-1 – Vibrace a rázy-Hodnocení expozice člověka celkovým vibracím. Další důležité informace o měření vibrací na sedadle včetně popisu úpravy snímačů a jejich umístění je možné najít v normě ČSN EN 30326-1 – Laboratorní metoda hodnocení vibrací vozidlových sedadel. Měřením vibrací se zabývají i další normy, například SAE J1013.
Požadavky na snímač K měření se používá snímač vibrací – akcelerometr. Podle SAE J1013 by měl být schopen měřit zrychlení (RMS) od 0,1 m/s2 do 10 m/s2. Přesnost měření by měla být o ± 2 % menší než aktuální úroveň vibrací RMS na rozsahu 0.3 až 40 Hz a o ± 6 % menší než aktuální úroveň vibrací RMS na rozsahu 40 až 80 Hz. Rezonanční frekvence snímače bude větší než 300 Hz. Snímač musí vydržet rázové zrychlení vyšší než 100 m/s2 bez poškození. Měření by mělo probíhat ve třech navzájem kolmých osách současně (například pomoci 3 – osého akcelerometru).
Úprava snímače
Tvarovaná pryž nebo umělá hmota
Kovový kotouč
Zahloubení pro snímač Snímač
3±1
12 max.
Akcelerometr bude připevněn na tenkém disku o průměru 200 mm ± 5 mm. Primární požadavek na disk je vhodné připevnění akcelerometru. Nesmí nepříznivě ovlivňovat komfort člověka ani nadměrně deformovat sedadlo. Může být použit tuhý (Obrázek 1) i polotuhý disk, nicméně polotuhé disky jsou konstrukčně složitější a vhodnější pro měkké nebo vysoce tvarované sedadla. V rozměrech a zpracování polotuhého kotouče se obě normy (SAE J1013 a ČSN EN 30326-1) prakticky shodují.
1,5 ± 0,2
Ф 75 ± 5 Ф 250 ± 50
Obrázek 1 Polotuhý úchyt snímače
6 max.
Tuhost tvarované pryže polotuhého kotouče by měla být 80 až 90 jednotek podle Shorerova tvrdoměru (stupnice A).
Ф
3
2
0
0
Obrázek 2 Varianta uchycení snímače na tuhém disku
Na obrázku (Obrázek 2) je zobrazeno využití uchycení snímače na tuhý disk podle SAE J1013. Zde by měl být snímač pevně přilepen k disku.
Umístění a orientace snímače Měření jízdního pohodlí se provádí v závislosti na tom, co považujeme za zdroj vibrací. Jedna z variant je umístit snímač na sedadlo (Obrázek 3). Snímač by měl být umístěný tak, aby měřil vibrace, které jsou přenášeny ze sedadla na lidské tělo (přibližně uprostřed sedačky pod kyčelními klouby řidiče). Měl by být zajištěný proti posunutí, například lepicí páskou. Osoba, sedící na zkoušené sedačce musí zaujmout obvyklou pozici. Pro měření je možné použít i dalších snímačů (zádová opěrka na sedadle, snímač pod nohama, snímač na podlaze), je pak možné zjistit i tlumení sedačky protože pak máme k dispozici i změřený budicí signál.
z y
x
Obrázek 3 Umístění snímače na sedačce a vyznačení směrů měření
2. Popis použitého HW Popis systému cRIO Pro měření vibrací v reálném čase použijeme jednotku cRIO (Obrázek 4). Toto zařízení se skládá z controlleru (NI cRIO – 9014) a boxu (NI cRIO – 9104) do kterého se zasouvají I/O moduly a v němž je programovatelné hradlové pole (FPGA). Controller obsahuje 128 MB paměť DRAM, 2 GB flash paměť pro ukládání dat aplikací a průmyslový procesor o frekvenci 200 MHz. Je zde i speciální operační systém. Je vybaveno portem RS-232, USB a konektorem RJ-45 pro síťovou komunikaci. Pro napájení se používá stejnosměrné napětí 9 až 30 V.
4
Obrázek 4 Měřicí zařízení cRIO
Toto zařízení bylo zvoleno pro svou robustnost, odolnost, nízkou spotřebu energie, malé rozměry, přesnost a variabilitu možností použití různých I/O modulů. Díky těmto vlastnostem je možné ho používat i pro měření za jízdy vozidla i za působení vibrací, při nichž by například notebook nemohl pracovat. Může být přímo ovládáno počítačem, ale může také pracovat nezávisle na ostatních zařízeních. Skládá se ze dvou částí. RT část, kde je procesor a speciální operační systém, který umožňuje přesnější vzorkování než to, které je možné dosáhnout na operačních systémech klasických počítačů. Přesné vzorkování je potřebné pro přesné měření vibrací. Druhá část je FPGA – část která přímo komunikuje s I/O moduly, ta umožňuje ještě přesnější vzorkování než RT část cRIO. Popis CAN modul NI cRIO - 9853 K tomuto měření, abychom mohli připojit níže uvedený snímač s CAN rozhraním, potřebujeme především I/O modul NI cRIO – 9853 (Obrázek 5). Tento modul slouží pro připojení CAN sběrnice. Obsahuje dva vysokorychlostní porty se standardními konektory DE9M (DB9) (Obrázek 6). První je napájen vnitřně, druhý z vnějšku. Obsahuje CAN controller SJA1000 a CAN vysílač/přijímač TJA1041 (Philips). Umožňuje synchronizaci s ostatními I/O moduly cRIO. Data jsou přenášena rychlostí 1 Mb/s.
Obrázek 5 Modul NI 9853
5
Zapojení CAN konektoru (DB9) CAN sběrnice je připojena k prvnímu portu CAN modulu. Při zapojení je využíváno pouze připojení dvou vodičů sběrnice CAN H a CAN L. Napájení snímačů je připojeno z externího zdroje (6 V). 5 Stínění
9 V+
VCAN H
CAN L
Optomální zem (V-) 1
6
Obrázek 6 Popis konektoru DB9 modulu NI cRIO – 9853 tabulka 1 Barevné značení vodičů
Bílý, hnědý pruh Hnědý Bílý, modrý pruh Modrý
CAN H CAN L Napájení CAN senzoru (+) Napájení CAN senzoru (-)
Popis MEMS akcelerometru, způsob komunikace MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) akcelerometry typu MMA7456 jsou miniaturní a levné snímače zrychlení, které dokážou pracovat v několika uživatelem volitelných režimech. Tento typ snímače je tříosý s volitelnými rozsahy 2g, 4g, 8g. Maximální nedestruktivní zrychlení snímače je pak 5000g. Snímač je digitální, dokáže komunikovat přes SPI nebo I2C sběrnici, díky tomuto řešení je možné snadno provádět změny nastavení snímače, nebo využívat různé funkce jako je měření zrychlení nebo detekce pulsů a úrovní. Zrychlení přečtené ze sběrnice může být v podobě 8 nebo 10 Bit čísla a to pro všechny osy. V praxi to vypadá tak, že pro každou osu je zde jeden registr pro 8 Bit přesnost a dva registry pro 10 Bit přesnost (čte se zvlášť horní a dolní úroveň). V této měřicí úloze bude využit pouze rozsah 8g a zrychlení bude získáváno v podobě 10 Bit čísla. To znamená, že na celý rozsah připadá 1024 hodnot (210), tím je dána citlivost snímače, která je 64 hodnot / 1 g. Tento typ snímače dokáže měřit i statické zrychlení (např. gravitační zrychlení). K pevnému nastavení offsetu (vynulování os na které nepůsobí gravitace) zde slouží 6 registrů, do nichž se zapisuje hodnota vypočítaná z naměřeného zrychlení. Jeden výpočet a nastavení offsetu zpravidla nestačí, je vhodné ho zopakovat vícekrát (pro 10 Bit čtení stačí asi 5x). Nastavené hodnoty ve snímači zůstanou do odpojení napájecího napětí. Snímač má dvě volitelné vnitřní frekvence měření a to 125 Hz s digitálním filtrem dolní propust 62.5 Hz a 250 Hz s filtrem dolní propust 125 Hz. Konstrukční řešení snímače Část snímače, která je citlivá na zrychlení je tvořena poměrnými kondenzátory s pohyblivou částí a třemi elektrodami (Obrázek 7). Zrychlení působící na snímač způsobí vychýlení pohyblivé elektrody a tím dojde ke změně kapacity. Toto řečení je výhodné v tom, že je možné měřit i statické zrychlení.
6
Zrychlení
Obrázek 7 Princip MEMS akcelerometru
Ve skutečnosti je snímač značně složitější, zvláště pak když se jedná o tříosý akcelerometr. V této úloze snímač s okolím komunikuje přes CAN (Obrázek 9). Je složen ze dvou desek plošných spojů, které jsou připájeny dohromady (Obrázek 8). Na jedné desce je MEMS akcelerometr a komunikuje s deskou, na které je jednočipový procesor a ten obstarává komunikaci s okolím přes CAN.
Strana snímače
Strana mikroprocesoru
Konektor RJ-45
Obrázek 8 MEMS akcelerometr přizpůsobený pro CAN
Pro připojení k ostatním snímačům a k systému cRIO je používaný síťový konektor RJ-45. Díky tomu je možné snadno, rychle a levně připojovat snímače a rozšiřovat síť snímačů. Systém cRIO
Jednočipový mikroprocesor
Notebook FPGA
MEMS SPI
RT
CAN
WiFi
Obrázek 9 Blokové schéma měření zrychlení MEMS senzorem přes CAN.
3. Zapojení Měření bude prováděno na experimentálním vozidle, na které se musí dostatečně pevně namontovat měřicí zařízení a všechny jeho součásti (Obrázek 11). Jako experimentální vozidlo bude použito dvoumístné terénní vozidlo dále v textu nazývané bugyna. Pro měření je zapotřebí připojit napájecí napětí k baterii bugyny (12 V) k napájecímu vstupu ochranného boxu (Obrázek 10). Odtud je napětí rozvedeno do zdroje a všech zařízení. Zdroj je připevněn na ochranném boxu a je na něm vypínač, kterým lze odpojit baterii od celého měřicího systému. Zdroj obsahuje 3 napěťové výstupy: Nestabilizovaný přibližně 12 V – stejné napětí jako napětí baterie. Stabilizovaný 5 V ± 0,2 V Stabilizovaný, filtrovaný 6 V ± 0,2 V Zdroj obsahuje i 2 pojistky, jednu na přívodním vedení a druhou na 5 V okruhu. 12 V výstup slouží pro napájení měřicího zařízení cRIO, 5 V je pro napájení WiFi, PDA a může být použito i pro napájení některých snímačů. Výstupní napětí 6 V je určeno výhradně pro
7
napájení akcelerometrů připojených přes CAN. Blokové schéma zapojení je na obrázku (Obrázek 12). Ochranný box
cRIO Zdroj
Obrázek 10 Ochranný box se zdrojem
WiFi Měřicí zařízení- cRIO WiFi anténa
Snímač zrychlení Obrázek 11 Umístění zařízení na bugyně
Na obrázku (Obrázek 11) je umístění celého měřicího systému na bugyně. Měření bude prováděno během jízdy, proto musí být všechny zařízení i kabely dostatečně připevněny. CAN a 6 V
WiFi
LAN
12 V
WiFi 5V
Obrázek 12 Blokové schéma zapojení
8
4. Rozšíření bezdrátové sítě V průběhu provozních měření, kdy měřicí zařízení na vozidle je obsluhováno z notebooku umístěného mimo vozidlo a zařízení komunikují přes WiFi síť, kterou zajišťuje WiFi AP na vozidle, za určitých okolností dochází k výpadkům sítě. Omezujícím faktorem jsou různé překážky, vzdálenost, ale i terénní nerovnosti. Při krátkodobém výpadku se zpravidla podaří spojení zpátky navázat, ale obsluha u notebooku nemá přehled o aktuálních měřených parametrech. Řešením je použití systému pro rozšíření sítě na značně větší vzdálenost. Zde je k tomu účelu použito vysílačů WH-9000-MESH od společnosti Air Live (Obrázek 13). 1
2 3
4
5 6 7
Obrázek 13 Vysílač WH-9000-MESH
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
kontrolky stavu Anténa 2,4 GHz (TX+RX) RX anténa 2,4 GHz WAN/LAN konektor (vodotěsný RJ-45) pro připojení napájecího modulu. Konzolový port Restartovací tlačítko Konektor Bridge antény 5 GHz (TX+RX)
Rozšíření WiFi sítě na potřebnou vzdálenost je provedeno pomoci čtyř přenosných WiFi modulů (WH-9000-MESH), z nichž, každý obsahuje dva paralelní WiFi vysílače pro dvě různé frekvence. Jeden vysílač je označován jako Bridge a slouží pro propojení jednotlivých WiFi modulů mezi sebou (signál 5 GHz), druhý je pro pokrytí testovací dráhy WiFi signálem (signál o frekvenci 2,4 GHz). Notebook a experimentální vozidlo s měřicím systémem se k této síti (2,4 GHz) připojí a komunikují s nejbližším vysílacím modulem WH-9000-MESH. Pokud notebook a vozidlo nejsou v dosahu stejného vysílače, pak dojde k předání dat pomoci paralelní WiFi sítě do ostatních vysílačů, takže je zaručeno propojení všech zařízení v dosahu celé sítě. Notebook je možné k WiFi modulu připojit i pomoci síťového kabelu (Obrázek 14). Jednotlivé body jsou napájeny z akumulátorů 12 V, které jsou dimenzovány pro zajištění napájecího napětí po dobu minimálně deseti hodin. Napájecí modul (Obrázek 14) je připevněn k úchytu vysílače, spolu se stojanem a anténou tak tvoří jeden celek.
9
3 1 2
Obrázek 14 Napájecí modul pro WH-9000-MESH
1. Napájení z akumulátoru 12 V 2. WAN/LAN kabel s napájením pro WH-9000-MESH, nesmí se zde připojit jiné zařízení, jinak může dojít k jeho poškození nebo zničení 3. LAN přípojka například pro notebook
Obrázek 15 Znázornění rozmístění jednotlivých zařízení na testovací dráze
Jednotlivé vysílače WH-9000-MESH jsou označeny C1, C2, C3 a ROOT. Poslední jmenovaný musí být připojen vždy.
5. Způsob měření dat Pro tuto úlohu bylo použito měřící zařízení NI cRIO-9014, ke kterému je připojen alespoň jeden 3 osý akcelerometr typu MMA7456. Jde o digitální snímač, který se svým okolím (i s cRIO) komunikuje přes sběrnici CAN. CAN je sériová sběrnice, která se hojně využívá v automobilové technice. Propojují se pomocí ní různé řídicí jednotky, které tak mohou spolu snadno komunikovat. Sběrnice je dostatečně rychlá a odolná proti rušení. V cRIO je sběrnice CAN připojena k CAN modulu (NI cRIO-9853). Jednotlivé moduly se zasouvají do programovatelného pouzdra, kde běží aplikace, která vysokou frekvencí sbírá data z CAN a zpátky posílá různé příkazy. Hlavní část aplikace je vytvořená v realtime části cRIO, která se chová podobně jako PC. Mezi oběma aplikacemi jsou vytvořeny 2 DMA FIFO fronty, které
10
zabraňují ztrácení dat, které by jinak vznikaly při komunikaci mezi aplikacemi s různou rychlostí (na RT části rychlost jednotlivých částí aplikace kolísá v závislosti na právě prováděné operaci). Výše popsaná struktura měřicího zařízení je na obrázku (Obrázek 16).
Obrázek 16 Struktura měřicího zařízení
6. Popis ovládání aplikace Před spuštěním samotné měřicí aplikace je potřeba nejprve spustit projekt (Vyhodnoceni_konfortu_jizdy.lvproj). Po spuštění projektu se zobrazí struktura projektu (Obrázek 17), ze které se dají spustit měřicí aplikace (Pohodli_CAN.vi) a aplikace pro vyhodnocení měření (Analyza_pohodli.vi).
Aplikace pro vyhodnocení měření (PC)
Měřicí aplikace (cRIO)
Obrázek 17 Projekt s potřebnými aplikacemi.
Měřicí aplikace (Obrázek 21) má velice jednoduché ovládání, postačí pouze spustit tlačítkem v podobě šipky na horní liště okna aplikace (Obrázek 18), provede se načtení všech připojených snímačů, jejich nastavení a výpočet offsetu (Obrázek 22).
11
Spuštění aplikace Obrázek 18 Spuštění aplikace v LabView
Uživatel si může zvolit název souboru pro ukládání i dobu ukládání dat. Pro spuštění ukládání dat je potřeba stisknout tlačítko START, data jsou pak ukládána po předem nastavený čas nebo do ukončení měření tlačítkem STOP. Data se automaticky naměří a uloží do souboru. Po zastavení měření se ještě provede uspořádání dat (Obrázek 20), časová náročnost této operace závisí na délce měření. V případě, že se tato operace nezdaří (příliš velký soubor), musí se uspořádání dat provést na počítači pomoci aplikace Setrideni_dat.exe. Aplikace pro setřídění dat umožňuje zvolit typ souboru do kterého se má ukládat (.txt nebo .xls). V případě zvolení xls formátu se soubor s naměřenými daty rozdělí na několik souborů, aby bylo možné zobrazit všechna data, protože Excel dokáže zobrazit jen přibližně 65530 řádků (několik řádků je rezervováno pro popis). V případě zvolení uložení dat do textového souboru .txt se data uspořádají do jednoho souboru. Aby bylo možné soubor správně uspořádat, je ke každému souboru s naměřenými daty vytvořen i informativní soubor (název_Info.txt). Během měření je možné zobrazovat signál ze snímače a spustit průběžný výpočet 1/3 oktávového spektra pro vybraný snímač a osu. Analýza dat a 1/3 oktávové spektra jsou popsány v kapitole (7 Vyhodnocení dat) Aplikace uvnitř obsahuje vyrovnávací paměti, v případě, že se naplní nad určitou mez, dojde z důvodu šetření výkonu cRIO k zastavení průběžné analýzy. V aplikaci je také možné popsat si připojené snímače.
Obrázek 19 Aplikace pro setřídění velkých souborů
12
Obrázek 20 Uspořádání dat v souboru
1
3
2
4 5
7
10
6 9
8
Obrázek 21 Aplikace pro měření vibrací s CAN senzory.
1 2 3 4 5
Zastavení aplikace Čas probíhajícího měření Výběr snímače Zastavení vykreslování grafů Nastavená vzorkovací frekvence
6 7 8 9 10
Počet vzorků pro analýzu a zobrazení Pole s dalšími funkcemi Časový průběh snímače (3 osy) Křivka maximálních povolených vibrací Vyhodnocení vibrací na vozidle
Všechny potřebné parametry jsou nastaveny při spuštění aplikace, uživatel si však může zvolit některé parametry podle vlastní potřeby (délku měření, název souboru a některé parametry v průběžné analýze). V poli s dalšími funkcemi je spouštění, nastavovaní a vyhodnocování pohodlí, frekvenční analýzy a filtru. Je zde i popis připojených snímačů a nastavení a spouštění ukládání dat.
13
x
y
z
Obrázek 22 Princip nastavení offsetu
Nastavení offsetu je vyrovnání os vzhledem ke gravitačnímu poli Země. Výpočet je vhodné několikrát po sobě zopakovat, dochází tak k jeho zpřesnění (nejlépe 5 až 8 krát). Vypočtené hodnoty jsou zapsány přímo do MEMS akcelerometru a zůstanou v něm do jeho vypnutí. Pro výpočet offsetu je nutné, aby byl snímač v měřicí poloze a v klidu.
7. Vyhodnocení dat Pro vyhodnocení dat slouží aplikace Analyza_pohodli.vi (Obrázek 25) Aplikace pro analýzu dat může být používána i na počítači na kterém není nainstalováno Labview. Pro tento případ byl vytvořen balíček, po jehož nainstalování je možné aplikaci pro analýzu spouštět pomoci souboru Analyza_pohodli.exe (Obrázek 23). Aplikace je určena pro operační systémy Windows XP a novější. Je použitelná pro českou i anglickou verzi Windows, ale je potřeba to nastavit v aplikaci (použití desetinných čárek nebo teček). Aplikace pro uspořádání souboru Aplikace pro analýzu dat
Obrázek 23 Spuštění aplikace pro analýzu dat na PC
Analýza dat je zde téměř stejná jako v aplikaci pro měření s tím rozdílem, že v měřicí aplikaci se provádí průběžná analýza z části naměřených dat a v aplikaci Analyza_pohodli jsou vyhodnocována data z celého záznamu. Vkládání dat se dá provést buď vložením (Ctrl + V) jednoho sloupce dat do připravené kolonky, v tomto případě je nutné zadat vzorkovací frekvenci měření a jednotky zrychlení, nebo otevřením správně naformátovaného souboru.
Obrázek 24 Nástroj pro otevření souboru s daty a volbou snímače
Při načítání dat ze souboru není potřeba zadávat vzorkovací frekvenci (nastaví se automaticky). Ze souboru se načítají se všechny snímače a všechny jejich osy, uživatel si tak může vybrat požadovaný snímač podle jeho ID. U každého snímače se také po jeho vybrání a spuštění zobrazí popis. V aplikaci je z naměřených dat vytvořeno 1/3 oktávové spektrum. V záložce Časový záznam (Obrázek 25) je zobrazen načtený soubor v čase a je možné z něj vybrat i jeho část. Také je
14
zde informace o délce záznamu v sekundách a o počtu naměřených vzorků. Další záložka FFT pak obsahuje nástroje pro frekvenční analýzu. Pro 1/3 oktávové spektrum byla nastavena nejnižší frekvence 0,125 Hz a nejvyšší frekvence 80 Hz. Jde o první a poslední středy pásem 1/3 oktávového spektra (tabulka 2). K vyhodnocování naměřených dat se při posuzování jízdního pohodlí používají 1/3 oktávové spektra (kapitola - 1/3 oktávové spektrum). Ty jsou dále přepočítány v závislosti na použité normě směru působení vibrací a typu měření různou váhovou funkcí. A to z toho důvodu, že vibrace na různých frekvencích mají na lidský organismus jiný vliv. Při těchto analýzách se pracuje s efektivní hodnotou zrychlení (RMS), která se vypočítá:
a RMS
a
( 1)
2
[TŮMA 2006] a – amplituda harmonického signálu aRMS – efektivní hodnota harmonického signálu 1
8
9
2 7
3 4
10 5
6 11
Obrázek 25 Ukázka aplikace pro vyhodnocování měření
1 2 3 4 5 6
Spuštění analýzy vybraného souboru Vypnutí aplikace Zobrazení dat v [m.s-2] nebo [dB] Výběr osy snímače Čas, pro který se nastaví povolená úroveň vibrací Načtení souboru pro analýzu
7 8 9 10 11
Pole s výsledky analýz a časovým průběhem Vzorkovací frekvence měření Načtení dat pro analýzu Data ze zobrazených analýz Volba verze operačního systému
Při měření vibrací se často výsledky nezobrazují v m.s-2, ale v dB (decibely). Pro efektivní hodnoty (RMS) veličin se decibely vypočítají:
15
RMS RMS 0
dB 20 log 10
( 2)
[TŮMA 2006] RMS0 – referenční hodnota efektivní hodnoty. Pro vibrace ve zrychlení je RMS0 = 1.10-6 m.s-2 V tomto měření bude využito frekvenční vážení podle normy ČSN ISO 2631-1 (Obrázek 27).
1/3 oktávové spektrum K vyhodnocování naměřených dat se při posuzování jízdního pohodlí používají 1/3 oktávové spektra. U těchto spekter je na ose x frekvence a na ose y zrychlení v m.s -2 nebo v dB. Frekvenční osa je dále rozdělena na pásma (Obrázek 26), která na sebe navazují a jejichž střední frekvence jsou uvedeny v tabulce (tabulka 2). V grafech jsou jednotlivá pásma reprezentována sloupci ( Obrázek 25). Výška sloupce je dána výkonem signálu na daném pásmu (frekvenčním rozsahu). Střední frekvence nebo mezní frekvence sousedních pásem tvoří geometricko řadu jejíž kvocient je 3 2 (vzdálenost středních frekvencí dvou sousedních pásem). tabulka 2 Střední frekvence 1/3 oktávového spektra
0,1 1 10 100
0,125 1,25 12,5
0,16 1,6 16
0,2 2 20
0,25 2,5 25
0,315 3,15 31,5
0,4 4 40
0,5 5 50
0,63 6,3 63
0,8 8 80
Jednotlivá pásma
0,8
1
1,25
1 3 2
1,6
2
f [Hz]
1,25 3 2
Střední frekvence pásem
Střední frekvence pásem
Obrázek 26 Výřez frekvencí 1/3 oktávového spektra.
Na obrázku (Obrázek 26) je vidět, že okraje jednotlivých frekvenčních pásem se částečně překrývají. To je dáno jejich realizací pomoci digitálních pásmových filtrů (pro každé pásmo je použit jeden digitální filtr). Osa x (frekvence) je v logaritmickém měřítku, to znamená že šířky jednotlivých pásem (rozsah frekvencí, které obsahují) jsou různé, i když na první pohled vypadají v grafu stejně. Šířka jednotlivých pásem se zvětšuje se zvyšující se frekvencí. [TŮMA 2006]
16
Vážení Na obrázku (Obrázek 27) je znázorněno frekvenční vážení používané pro měření jízdního pohodlí na sedadle podle normy ČSN ISO 2631-1. Udává kolik bude na různých frekvencích změřené zrychlení uměle ztlumeno. Nejvíce jsou tlumeny nízkofrekvenční vibrace (okolo 0,1 Hz) a vibrace o vyšší frekvenci (okolo 80 Hz). Toto vážení se aplikuje na 1/3 spektrum, výsledný sloupcový graf se následně vyhodnocuje nebo srovnává s podobnými záznamy (úpravy na sedačce, jiná rychlost na stejném povrchu vozovky, různé povrchy). Křivky frekvenčního vážení 10
Frekvenční vážení [dB]
0 -10 -20
Vertikální směr
-30
Horizontální směr
-40 -50 -60 0,1
1
10
100
Frekvence [Hz]
Obrázek 27 Křivky frekvenčního vážení
Vyhodnocení vibrací Vyhodnocení naměřených vibrací se posuzuje podle maximální hladiny zrychlení, ta je stanovena nařízením vlády o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací. Pro vertikální a horizontální směr zrychlení jsou různé maximální hladiny zrychlení (Obrázek 28). Povolená hladina vibrací pro 8 hodin
Zrychlení [m.s^-2]
10
Vertikální směr
1
Horizontální směr
0,1 0,1
1
10
100
Frekvence [Hz]
Obrázek 28 Nejvyšší přípustné hodnoty vibrací pro 1/3 oktávová spektra
17
Tyto limitní hodnoty slouží pro hodnocení 1/3 oktávových spekter. Přípustná mez zrychlení je dána spojnicí bodů, jejichž souřadnice pro osmihodinové působení jsou v tabulce (Tabulka 3). Tabulka 3 Maximální přípustné hodnoty vibrací pro horizontální a vertikální směr.
f [Hz] 0,5 0,63 0,8 1 1,25 1,6 2 2,5 3,15 4 5 6,3 8 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80
Vertikální 8 hod. Přípustná hodnota zrychlení [m.s-2] 0,63 0,63 0,63 0,63 0,56 0,5 0,45 0,4 0,36 0,32 0,32 0,32 0,32 0,4 0,5 0,63 0,8 1 1,25 1,6 2 2,5 3,15
Horizontální 8 hod. Přípustná hodnota zrychlení [m.s-2] 0,22 0,22 0,22 0,22 0,22 0,22 0,22 0,28 0,36 0,45 0,56 0,71 0,9 1,12 1,4 1,8 2,24 2,8 3,55 4,5 5,6 7,1 9
Pro jinou dobu než 8 hodin se musí použít přepočet: K 10. log
480 dB nebo k 480 T T
( 3)
[KÖKÖRČENÝ, 2006] Přípustná hladina vibrací se posune o korekci K [dB] nebo vynásobí korekcí k. T je skutečná doba působení vibrací v minutách. Čas T (t) tedy udává jak dlouho může být člověk naměřeným vibracím vystaven. V aplikaci je přípustná hodnota vibrací vypočítávána podle nastaveného času a přímo zobrazena v grafu 1/3 oktávového spektra. Další způsob vyhodnocování jízdního pohodlí vychází z povolených hladin vibrací pro celkové vážené hodnoty zrychlení. Nejvyšší přípustné hodnoty vibrací naměřené na sedačce jsou uvedeny v tabulce (tabulka 4). Celková vážená hodnota zrychlení (vibrací) se určí podle vztahu: 1
2 2 a w Wi ai i
( 4)
[ČSN ISO 2631-1]
18
aw – frekvenčně vážené zrychlení Wi – váhový činitel i-tého 1/3 oktávového pásma ai – efektivní hodnota zrychlení v i-tém 1/3 oktávovém pásmu tabulka 4 Nejvyšší přípustné hodnoty vibrací pro 8 hodin
Nejvyšší přípustná celková Nejvyšší přípustná celková hladina zrychlení [dB] hladina zrychlení [m.s-2] Celkové vertikální vibrace 115 0,56 Celkové horizontální vibrace 112 0,4 Tyto hladiny (tabulka 4) jsou pro 8 hodinové působení, pro jiné než osmihodinové působení se musí přepočítat. [SMETANA, 1998]
8. Postup měření Cílem měření je porovnat vibrace působící na řidiče při jízdě na alespoň 2 různých typech povrchů (asfalt, terén) a zjištění, jak dlouho se může vozidlo po daném povrchu pohybovat bez ohrožení zdraví řidiče (podle přípustného zrychlení). Aby bylo možné měření porovnávat, musí vozidlo na dané testovací dráze jet ustálenou rychlostí. Postup: Umístit ochranný box s cRIO, WiFi, a anténu na místa vyznačené na obrázku ( 1) Obrázek 29). Přívodní napětí 12 V Baterie 12 V
WiFi
Měřicí zařízení- cRIO WiFi anténa
Snímač zrychlení
Zapojení konektoru snímače Obrázek 29 Rozmístění zařízení na vozidle.
2) Zapojit tato zařízení podle schémat zapojení ( 19
3) Obrázek 29 a Obrázek 30 ) a připojit k baterii, tlačítko na zdroji musí být v poloze OFF. CAN a 6 V
WiFi
LAN
12 V
WiFi 5V
Obrázek 30 Blokové schéma zapojení
4) Připevnit snímač lepicí páskou na sedačku řidiče tak, aby byl přibližně uprostřed sedačky (mezi kyčelními klouby řidiče). Připojit snímač ( 5) Obrázek 29 ). 6) Zapnout zdroj na ochranném boxu. 7) Spustit notebook a aplikaci určenou pro měření. 8) Uvést vozidlo do klidu (zastavit na rovině, vypnout motor) a spustit měření. Na snímači se po startu automaticky nastaví offset – nulová pozice na všechny osy, proto musí být v naprostém klidu (tato operace netrvá déle než 15s). 9) Nastavit dobu měření zadanou cvičícím (neměly by být menší než 5 min), zadat název souboru a rozjet vozidlo po testovací dráze. 10) Při dosažení zadané rychlosti spustit měření (START). Udržovat ustálenou rychlost po dobu měření. Při každém měření (pro různé dráhy a rychlosti) spustit měření znovu, data pak budou ukládána do různých souborů. 11) Stáhnout data za asistence cvičícího z cRIO do PC. 12) Provést analýzu dat: Z každého záznamu provést analýzu pomoci 1/3 oktávového spektra (Analyza_pohodli.vi Obrázek 25) pro každou osu zvlášť. U výsledného grafu musí být uvedeno, za jakých podmínek bylo měření prováděno (rychlost, délka záznamu, popis povrchu testovací dráhy). Určit jak dlouho může být na daném povrchu a při dané rychlosti bugyna provozována aby nedošlo k překročení povolené hranici vibrací. Vypočítat celkovou váženou hladinu vibrací (například pomoci Excelu) pro vertikální vibrace. Ta se vypočítá podle vzorce (4) a zjistit jestli není celková hladina vibrací (tabulka 4) překročena pro 8 a 4 hodinovou směnu. Přepočet na 4 hodinovou směnu provést podle vzorce (3).
20
Literatura TŮMA J. Signal processing - Kapitoly o Zpracování signálů. Ostrava: Katedra ATŘ VŠB TU Ostrava, 2006. Odborná norma ČSN ISO 2631-1 Vibrace a rázy-Hodnocení expozice člověka celkovým vibracím. Odborná norma ČSN EN 30326-1 Vibrace-Laboratorní metoda hodnocení vibrací vozidlových sedadel. Odborná norma SAE J1013 Measurement of whole body vibration of the seated operator of off-highway work machines. SMETANA S. a kolektiv. Hluk a vibrace Měření a hodnocení. Praha: Sdělovací technika, 1998. ISBN 80-901936-2-5. BRÜEL&KJÆR A, Nařízení vlády o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací. KÖKÖRČENÝ M. Nařízení vlády o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací. [online] PS Bárta s.r.o. 2006, aktualizováno 10.10.2010 Dostupné z:
.
21
