CN106441531A - 一种车辆匀速运动下动态称重的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车辆匀速运动下动态称重的方法和系统，称重传感器获取动态称重数据信号，采用滑动平均法对动态称重数据作滤波处理，抑制秤台振动和车辆振动叠加以后产生的随机误差，得到滤波后的数据信号。但滑动平均法滤波本身会引起方法误差，因此再进行B样条最小二乘法计算，对滤波后的数据信号进行拟合，消除秤体振动信号，减少滑动平均滤波本身所引起的方法误差。最后将车辆上秤的原始动态称重信号和车辆刚下秤时的动态称重信号分别代入最小二乘拟合曲线进行最小二乘拟合，求取二者差值即为消除汽车振动和秤体振动后的动态称重信号。并且结合上述汽车振动特性，可计算出在车辆匀速运动下动态称重的系统中秤体承载器的长度范围。

Description

一种车辆匀速运动下动态称重的方法和系统

技术领域

本发明涉及动态称重方法领域，特别涉及车辆匀速运动下的动态称重。

背景技术

我国自2001年开始试行高速公路计重收费至今已达15年，至2011年我国已全面实行高速公路货车计重收费。近年来，动态称重设备经历了多次技术升级，依次为弯板、单台面秤、双台面秤、轴组秤与整车秤。长期以来，动态称重技术的主要研究方向通过延长秤体承载器长度，增大车辆称重时间来提高动态称重精度。从车辆匀速行驶的动态称重精度来看，目前整车秤已达到动态1级，基本满足了市场需求。但是也存在以下两个问题：一是没有从理论上分析秤体承载器长度，导致秤体越来越大，成本越来越高，占地面积越来越大，施工周期越来越长，通行效率也变差；二是占据大半市场的存量设备单台面秤、双台面秤的动态称重精度得不到有效提高，若更换已有设备成本又非常高。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种车辆匀速运动下的动态称重方法，能够在不增加秤体承载器长度的情况下，提高动态称重精度。

为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：车辆匀速运动下的动态称重方法的具体流程如下：

步骤一：获取动态称重数据信号；

步骤二：采用滑动平均法对动态称重数据作滤波处理，抑制秤台振动和车辆振动叠加以后产生的随机误差的影响，得到滤波后的数据信号；

步骤三：采用B样条最小二乘法，对滤波后的滤波后的数据信号进行拟合，消除秤体振动信号，减少滑动平均滤波本身所引起的方法误差，并得到最小二乘拟合曲线；

步骤四：车辆上秤的原始动态称重信号为y1(n)，车辆刚下秤时的动态称重信号为y2(n)，将y1(n)和y2(n)分别代入最小二乘拟合曲线，进行最小二乘拟合，并求取二者差值即为消除汽车振动和秤体振动后的动态称重信号。

进一步的，步骤二对动态称重数据作滤波处理为：选择一个长度为N的数组，沿全长N个数据逐一小区间上进行不断的局部平均，得到滤波后的数据信号。

进一步的，所述滤波后的数据信号输出为k＝n+1,n+2,…,N-n。

进一步的，步骤三最小二乘拟合曲线为Q^C＝N(N^TN)^-1N^TY。

进一步的，最小二乘拟合曲线为插值于端点的最小二乘拟合曲线。

进一步的，一种车辆匀速运动下动态称重的系统，包括称体承载器、称重传感器、滑动平均滤波器、单片机和上位机，称体承载器与单片机相连接其中称重传感器、滑动平均滤波器、单片机和上位机依顺次连接；称重传感器用于获取动态称重数据信号，滑动平均滤波器用于对动态称重数据作滤波处理，单片机用于对滤波后的数据信号进行拟合并计算出消除秤体振动后的动态称重信号，上位机用于显示和存储相关信号数据。

进一步的，称体承载器的长度最小值为2.5m。

进一步的，还包括计时开关和温度传感器，其中计时开关、温度传感器和滑动平均滤波器依顺次连接，用于探测称重环境的温度。

进一步的，还包括输入模块，输入模块与单片机相连接，用于设置称重单位、分度值。

发明的有益效果：

本发明的一种车辆匀速运动下动态称重的方法和系统，称重传感器获取动态称重数据信号后，滑动平均滤波器采用滑动平均法对动态称重数据作滤波处理，抑制秤台振动和车辆振动叠加以后产生的随机误差，得到滤波后的数据信号。但滑动平均法滤波本身会引起方法误差，因此，再通过单片机进行B样条最小二乘法计算，对滤波后的滤波后的数据信号进行拟合，消除秤体振动信号，减少滑动平均滤波本身所引起的方法误差。最后将车辆上秤的原始动态称重信号和车辆刚下秤时的动态称重信号分别代入最小二乘拟合曲线进行最小二乘拟合，并求取二者差值即为消除秤体振动后的动态称重信号。最终得到的动态称重信号在上位机上显示并存储。

动态称重的振动信号主要由稳态荷载、动态荷载及高频噪声三部分组成，其中动态载荷产生的原因主要是汽车振动和秤体振动，它是影响车辆动态称重准确度的关键因素之一，消除或减缓了汽车振动和秤体振动的干扰后，车辆匀速运动下的动态称重更加精准。

并且结合上述汽车振动特性，可计算出在车辆匀速运动下动态称重的系统中秤体承载器的长度范围。

附图说明

图1为一种车辆匀速运动下动态称重的方法的流程图。

图2为一种车辆匀速运动下动态称重的系统的原理图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

本发明公开了一种车辆匀速运动下动态称重的方法和系统，动态称重的振动信号主要由稳态荷载、动态荷载及高频噪声三部分组成。其中，动态载荷产生的原因主要是汽车振动和秤体振动，表现为低频周期动态载荷，它是影响车辆动态称重准确度的关键因素之一，使真实静态轴重信号淹没在各种复杂的动态轴重信号中，因此需要有效消除或减缓。

车辆行驶通过秤台时，秤台和汽车均处于振动状态，使称重信号夹杂一个由于振动引起的波动分量，从而造成测量误差。为了便于数学分析，可以将汽车和秤体的振动力学模型等效为由弹簧、阻尼器组成的二阶系统。用二阶系统微分方程描述该系统为：

公式(1)中m为汽车质量，f(t)为汽车振动载荷，K为汽车结构的弹性系数，C为汽车的阻尼系数，x为汽车振动产生的垂向位移。

设系统的固有角频率阻尼比

汽车的振动特性：

汽车的阻尼非常小，可以忽略不计。假设汽车在外力作用下获得一向下的速度v₀，代入初始条件可解得：

由上述可得：汽车的振动是一个自由无阻尼振动，主要来于悬挂系统系统，而汽车的振动频率与汽车的质量、载重及弹簧刚度等因素有关，大约为2.5Hz～10Hz，振幅则与车辆速度和路面状况有关，其峰值一般为恒定分量的10％左右。

秤体的振动特性：

汽车上秤后，秤体受到的外力可看作阶跃函数f₁(t)的汽车重力和汽车作无阻尼自由振动的力f₂(t)，

设ω₀为秤体的固有频率，依据线性系统的叠加原理，分别求出在力f₁(t)和力f₂(t)的作用下的位移x₁、x₂，进而求出秤台的总位移为：

其中W₁＝mg，

由此可看出，秤体衰减振荡的频率以及衰减幅度的大小与秤台的固有频率ω₀、重量及阻尼有关，一般情况下，秤台的重量越大，衰减过程就会越慢，且振荡的频率也越低。秤体的振动频率和振幅与车辆轮胎状况和自身特性有关，频率大约为10～20Hz，振幅大约为恒定分量的5％左右。

实施例1

如图1所述车辆匀速运动下动态称重的方法，其具体步骤如下：

首先，获取原始动态称重数据信号。

其次，采用滑动平均法对动态称重数据作滤波处理，抑制秤台振动和车辆振动叠加以后产生的随机误差的影响，得到滤波后的数据信号。其中，对动态称重数据作平滑和滤波处理为：选择一个长度为N的数组，沿全长N个数据逐一小区间上进行不断的局部平均。对于N个非平稳数据，视之为每m个相邻数据的小区间内是接近平稳的，即其均值接近于常量。滤波后的数据信号输出为：

然后，采用B样条最小二乘法，对滤波后的滤波后的数据信号进行拟合，消除秤体振动信号，减少滑动平均滤波本身所引起的方法误差，并得到最小二乘拟合曲线。

设有m个平面有序数据点集对应参数向量R＝{r₀,r₁,r₂…，r_m-1}，在非递减的节点向量T＝{t₀,t₁,t₂…，t_n+k}已知的情况下讨论B样条曲线的最小二乘拟合，其中m>n，定义一条k次B样条曲线：

公式(5)中，D＝{d0,d1,…,dn-1}表示控制顶点，N_jk(r)是定义在节点向量T上的B样条基函数，其递推关系式为：

节点向量T满足如下周期性条件:

设为拟合曲线上对应参数r_i的点，应用标准的最小二乘技术，则要找到的函数：

使公式(8)达到最小。若点集落在B样条曲线上,即q_i＝C(r_i)，则问题可归结为求解线性方程组：

记B样条矩阵:

有序数据点阵

则公式(5)写成矩阵形式为：

N^TND＝N^TY (10)

最后由:

Q^C＝N(N^TN)^-1N^TY (11)

得到插值于端点的最小二乘拟合曲线。

最后，设车辆上秤的原始动态称重信号为y1(n)，车辆刚下秤时的动态称重信号设为y2(n)，将y1(n)和y2(n)分别代入公式(11)，进行最小二乘拟合，求取二者差值即为消除秤体振动后的动态称重信号。

实施例2

如图2所述，车辆匀速运动下动态称重的系统包括秤体承载器、称重传感器、滑动平均滤波器、单片机和上位机，其中称体承载器与单片机相连接，称重传感器、滑动平均滤波器、单片机和上位机依顺次连接。称重传感器用于获取动态称重数据信号，滑动平均滤波器用于对动态称重数据作滤波处理，采用滑动平均法对动态称重数据作滤波处理，抑制秤台振动和车辆振动叠加以后产生的随机误差的影响，得到滤波后的数据信号。单片机用于对滤波后的数据信号进行拟合并计算出削弱或消除了秤体振动后的动态称重信号，单片机上包括计算模块，计算模块采用B样条最小二乘法对经滑动平均滤波器滤波处理后的数据信号进行拟合并计算。上位机用于显示和存储相关信号数据。

作为上述技术方案的进一步改进，称体承载器的长度的最小长度为2.5m。结合上述汽车振动特性，设汽车振动频率为f_v，通行速度v_t，轮胎着地宽度为w_v可计算秤体承载器长度L为：

根据交通运输部《收费公路联网电子不停车收费技术要求》，ETC车道的限速为20km/h。汽车振动频率大约为2.5Hz～10Hz，轮胎着地宽度0.3m，那么由公式12可知，保证全周期波形的最小秤体长度为2.5m。

作为上述技术方案的进一步改进，车辆匀速运动下动态称重系统还包括计时开关和温度传感器，计时开关、温度传感器和滑动滤波器依顺次连接。在一些地区，昼夜温差较大，温度的不同会严重影响称重传感器的误差。将温度传感器设置在称重传感器的附近，计时开关每隔10分钟导通，温度传感器探测温度。由于温度传感器本身也有误差存在，仍采用滑动平均滤波器对温度数据作滤波处理，单片机再对温度数据信号进行拟合并计算出削弱或消除了误差的温度数据。

作为上述技术方案的进一步改进，车辆匀速运动下动态称重系统还包括输入模块，输入模块与单片机相连接，用于根据使用者的要求设置称重单位、分度值。

实施例3

由于目前大部分已安装长度分别为0.8m和1.6m的单台面秤、双台面秤，试验制造了0.8m、1.6m、2.6m及3m长度的四种秤体规格。

试验车辆采用两轴刚性货车，实际重量为17955kg，根据奈奎斯特定理，试验采样频率为1khz。车辆匀速通过秤体经采样处理后的部分动态称重试验统计数据如表1所示。

表1两轴刚性货车动态称重试验统计数据

由试验数据可知，车辆以约为5km/h和12km/h以内的速度分别通过长度为0.8m和1.6m的称体承载器，重量误差在0.5％以内，满足国家1级秤标准，与公式(12)计算的理论值4.5km/h、11.7km/h相符。因此，长度为0.8m和1.6m的称体承载器其车辆速度最优值应设定为5km/h和12km/h。

同理，由公式(12)计算的长度为2.6m和3m的称体承载器的理论速度限值分别为20.7和24.3，试验车辆在这样的限速内通过后，统计可得出重量误差在0.5％以内，满足国家1级秤标准。因此，车辆速度在20km/h以内时，秤体承载器长度的最优值为不小于2.5m。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种车辆匀速运动下动态称重的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：获取动态称重数据信号；

步骤二：采用滑动平均法对动态称重数据作滤波处理，抑制秤台振动和车辆振动叠加以后产生的随机误差，得到滤波后的数据信号；

步骤三：采用B样条最小二乘法，对滤波后的数据信号进行拟合，消除秤体振动信号，减少滑动平均滤波本身所引起的方法误差，并得到最小二乘拟合曲线；

步骤四：车辆上秤的原始动态称重信号为y1(n)，车辆刚下秤时的动态称重信号为y2(n)，将y1(n)和y2(n)分别代入最小二乘拟合曲线，进行最小二乘拟合，并求取二者差值即为消除汽车振动和秤体振动后的动态称重信号。

2.根据权利要求1所述的一种车辆匀速运动下的动态称重方法，其特征在于：所述步骤二对动态称重数据作滤波处理为：选择一个长度为N的数组，沿全长N个数据逐一小区间上进行不断的局部平均，得到滤波后的数据信号。

3.根据权利要求2所述的一种车辆匀速运动下的动态称重方法，其特征在于：所述滤波后的数据信号输出为

4.根据权利要求1所述的一种车辆匀速运动下的动态称重方法，其特征在于：所述步骤三最小二乘拟合曲线为Q^C＝N(N^TN)^-1N^TY。

5.根据权利要求4所述的一种车辆匀速运动下的动态称重方法，其特征在于：所述最小二乘拟合曲线为插值于端点的最小二乘拟合曲线。

6.一种车辆匀速运动下动态称重的系统，其特征在于，包括：称体承载器、称重传感器、滑动平均滤波器、单片机和上位机，所述称体承载器与单片机相连接，所述称重传感器、滑动平均滤波器、单片机和上位机依顺次连接；

所述称重传感器用于获取动态称重数据信号，所述滑动平均滤波器用于对动态称重数据作滤波处理，所述单片机用于对滤波后的数据信号进行拟合并计算出消除秤体振动后的动态称重信号，所述上位机用于显示和存储相关信号数据。

7.根据权利要求6所述的一种车辆匀速运动下动态称重的系统，其特征在于，所述称体承载器的长度最小值为2.5m。

8.根据权利要求6所述的一种车辆匀速运动下动态称重的系统，其特征在于，还包括计时开关和温度传感器，所述计时开关、温度传感器和滑动平均滤波器依顺次连接，用于探测称重环境的温度。

9.根据权利要求6所述的一种车辆匀速运动下动态称重的系统，其特征在于，还包括输入模块，所述输入模块与单片机相连接，用于设置称重单位、分度值。