[发明专利]一种对人体行走足底地面反应力的卡尔曼滤波方法

说明书

本发明公开了一种对人体行走足底地面反应力的卡尔曼滤波方法，具体包括如下步骤：S1：根据步行过程中人腿的受力特征，建立动力学控制方程；S2：根据所述动力学控制方程，构建地面测试反应力方程；S3：将所述地面测试反应力方程进行离散化，并根据噪声影响，建立卡尔曼滤波的状态更新方程和测量更新方程；S4：所述卡尔曼滤波的状态更新方程和测量更新方程对测试数据进行滤波处理，得到所述滤波处理后的测试数据。本发明的卡尔曼滤波方法利用卡尔曼原理实现非波动测试地面反应力的快速滤波，有效处理了地面反应力测试信号的信噪比，为测试信号的进一步处理奠定了基础，能够很好的处理实际测试获得的地面反应力滤波问题。

技术领域

本发明涉及土木工程结构预测技术领域，尤其涉及一种对人体行走足底地面反应力的卡尔曼滤波方法。

背景技术

随着社会的发展，建筑师在土木工程设计过程中追求结构的纤细美观外表，其带来的直接结构问题是：结构体系的尺度在不断增大，频率和阻尼耗能能力在不断减小，当频率减小到一定程度时接近于人的激励频率容易导致共振发生，由此带来很多结构使用的舒适性问题。为探索结构在行人作用下的振动机理，工程师和研究学者需要对人对结构的因双足反作用力进行测试，以提取单个步态下人对结构的荷载激励特征。然而由于测试仪器收到周围本身制造误差以及周围电磁等环境的影响，导致测量型号中含有许多噪声，这些噪声不仅会影响分析结果，严重时会导致测试信号的重度失真，因此在测试信号应用于工程计算之前需要做滤波处理。然而由于传统的滤波方法大都基于振动信号，不能直接应用于带有显著非波动的地面反应力测试信号。

发明内容

发明目的：针对人体足底产生地面反应力是非波动性信号，传统滤波算法难以处理的问题，本发明提出一种对人体行走足底地面反应力的卡尔曼滤波方法。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：

一种对人体行走足底地面反应力的卡尔曼滤波方法，所述卡尔曼滤波方法具体包括如下步骤：

S1：根据步行过程中人腿的受力特征，建立动力学控制方程；

S2：根据所述动力学控制方程，构建地面测试反应力方程；

S3：将所述地面测试反应力方程进行离散化，并根据噪声影响，建立卡尔曼滤波的状态更新方程和测量更新方程；

S4：所述卡尔曼滤波的状态更新方程和测量更新方程对测试数据进行滤波处理，得到所述滤波处理后的测试数据。

进一步地讲，在所述步骤S1中，建立所述动力学控制方程，具体如下：

S1.1：根据步行过程中人腿的受力特征，获取足底在空间纵向、侧向和竖向作用力的合成力，具体为：

其中：F为足底在空间纵向、侧向和竖向作用力的合成力，F_x为足底在空间纵向的作用力，F_y为足底在空间侧向的作用力，F_z为足底在空间竖向的作用力；

S1.2：通过所述足底在空间纵向、侧向和竖向作用力的合成力、足底在空间竖向的作用力，获取人腿和重力方向之间的夹角，具体为：

其中：θ为人腿和重力方向之间的夹角，F_z为足底在空间竖向的作用力，F为足底在空间纵向、侧向和竖向作用力的合成力；

S1.3：根据所述人腿和重力方向之间的夹角，建立所述动力学控制方程，具体为：

其中：θ为人腿和重力方向之间的夹角，t为时间变量，m为人体重量，c为阻尼，k为弹簧刚度，为腿的轴向加速度，为腿的速度，u为腿的位移，g为重力加速度。