[發明專利]基于壓縮感知的測功機信號采集方法

在審

• 申請號: 202010432301.7
• 申請日: 2020-05-20
• 公開（公告）號: CN111649855A
• 公開（公告）日: 2020-09-11
• 發明（設計）人: 黃銀國;馬曉松;鄭葉龍;趙美蓉
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01L3/24
• 分類號: G01L3/24
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 杜文茹

一種基于壓縮感知的測功機信號采集方法，包含：利用安裝在內燃機旋轉軸和缸蓋上的扭矩傳感器和加速度計對內燃機的扭矩信號和振動信號進行采集，并將采集到的數據存儲在DSP開發板中，記為原始信號；將原始信號與高斯隨機矩陣相乘，得到的結果記為壓縮數據，實現對原始信號的壓縮，通過RS485總線將壓縮數據傳輸給上位機；在上位機內利用基于Dice系數的正交匹配?子空間追蹤算法對壓縮數據進行重構，得到重構數據；上位機將重構數據實時顯示在上位機界面的波形圖顯示區，用于數據分析和處理。本發明減小數據的存儲和傳輸壓力，有效地降低了系統運行負擔、數據傳輸量和硬件實現成本，顯著提高了測功機信號采集系統數據采集的實時性和抗干擾能力。

技術領域

本發明涉及一種測功機信號采集方法。特別是涉及一種基于壓縮感知的測功機信號采集方法。

背景技術

測功機信號采集系統是發動機性能檢測和試驗的主要手段，用于對動力和旋轉機械進行機械性能測試。隨著計算機技術和傳感技術的迅速發展和應用，各種類型的傳感器引入到測功機信號采集系統中，測功機信號采集系統需要測量的參數種類增多，面對測功機系統中來自各路傳感器的大量的動態信息，如果采用以奈奎斯特(Nyquist)采樣定理為基礎的傳統數據信號處理方法，需要在滿足奈奎斯特采樣定理的采樣頻率下進行采樣，加大了海量數據的存儲、傳輸和處理難度，若降低采樣頻率必定會造成有用信息的缺失。因此，需要研究一種高效的數據壓縮采樣方法，減小數據的存儲和傳輸壓力，保證測功機數據采集系統的測量精度和系統穩定性。

壓縮感知理論打破了傳統奈奎斯特采樣定理對帶寬的限制，提供了一種將采樣和壓縮同時進行，以較低的速率進行信號采樣與壓縮，利用少量的采樣值恢復出原始信號的方法，很好的解決了現實中高帶寬和巨量信號采集和傳統的采樣理論之間的矛盾，有效節約了信號傳輸、存儲、處理等資源。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供一種能夠實時采集、壓縮測功機信號并高精度壓縮重構的基于壓縮感知的測功機信號采集方法。

本發明所采用的技術方案是：一種基于壓縮感知的測功機信號采集方法，包含如下步驟：

1)利用安裝在內燃機旋轉軸和缸蓋上的扭矩傳感器和加速度計對內燃機的扭矩信號和振動信號進行采集，并將采集到的數據存儲在DSP開發板中，記為原始信號x；

2)將原始信號x與高斯隨機矩陣Φ相乘，得到的結果記為壓縮數據y，實現對原始信號x的壓縮，通過RS485總線將壓縮數據y傳輸給上位機；

3)在上位機內利用基于Dice系數的正交匹配-子空間追蹤算法對壓縮數據y進行重構，得到重構數據

4)上位機將重構數據實時顯示在上位機界面的波形圖顯示區，用于數據分析和處理。

步驟3)包括：

(1)將壓縮數據y記為第一次迭代下的信號的殘差r₀：r₀＝y；將高斯隨機矩陣Φ與離散傅里葉基Ψ相乘，結果記為傳感矩陣A：A＝Φ·Ψ；傳感矩陣A中的第i個元素記為將原始信號x的稀疏度記為K；將第一次篩選出來的原子集合記為原始的支撐集Λ₀，該支撐集Λ₀初始值為空集：將第一次篩選出來的原子的列記為原始的列集合為A₀，該列集合初始值為空集：當前迭代次數記為i，迭代次數初始值為：i＝1；

(2)利用Dice系數尋找當前迭代次數i下的最優原子λ_i，并將最優原子λ_i對應的索引值更新到第i次迭代的信號的支撐集Λ_i中；最優原子λ_i和支撐集Λ_i的更新由如下公式給出：