CN115855213A - 一种基于雷达的非接触式的梁称重方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于雷达的非接触式的梁称重方法和系统，该方法通过对LFMCW雷达的线性调频信号的拉伸处理系统接收的信号采用FFT处理，以得到形变值R_a，随后基于重力方向为始终垂直于水平结构梁向下的原理，将形变值R_a与挠度值W_max实现等值替换，并将形变值R_a代入可用于称重的挠度计算公式中，变形得到物体的质量计算公式。本发明的方法能够对梁的承重能力进行非接触式的精确计算和校准，且取消了接触式的称重装置，有效的防止因称重装置老化引起的称重失效和无法实时在线校准称重装置的问题。

Description

一种基于雷达的非接触式的梁称重方法和系统

技术领域

本发明属于雷达测量技术领域，特别是涉及一种基于如线性调频连续波等雷达的非接触式的梁称重方法和系统。

背景技术

在建筑施工等诸多领域中，梁是承受竖向荷载，以受弯为主的构件，梁可水平放置，用来支撑板并承受板传来的各种竖向荷载和梁的自重，梁还可以和板共同组成建筑的楼面和屋面结构，与其他的横向受力结构(如桁架，拱等)相比，梁的受力性能是较差的，但它分析简单，制作方便，故在中小跨度等建筑中仍得到了广泛应用，梁在荷载作用中主要承受弯矩和剪力，有时也承受扭矩。

在一般情况下，承重梁、桥梁、支架梁等梁在力的作用下会弯曲产生挠度，而挠度大小往往与梁受力位置、力的大小、梁横截面惯性矩及材料的弹性模量有关，但是其弯曲的微小形变量不易直接接触测量，且对梁进行称重的装置往往易于发生老化而引起称重失效，从而导致现有技术中难以对梁的承重能力进行精确的计算和校准。

因此，对于道路、桥梁及承重梁等诸多应用场景的车辆、支架等梁的称重或者承重问题，急需设计一种非接触式的梁称重方法和系统，在实现对梁的承重能力进行非接触式的精确计算和校准的基础上，防止因称重装置老化引起的称重失效和无法实时在线校准称重装置的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于此，本发明公开了一种基于雷达的非接触式的梁称重方法和系统，该方法能够对梁的承重能力进行非接触式的精确计算和校准，且取消了接触式的称重装置，有效的防止因称重装置老化引起的称重失效和无法实时在线校准称重装置的问题。

(二)技术方案

本发明公开了一种基于雷达的非接触式的梁称重方法，包括以下步骤：

步骤1：通过雷达测量得到梁上靶点的形变值R_a；

所述步骤1中的雷达为线性调频连续波LFMCW雷达，将雷达采集的信号进行FFT计算，最终得到梁上靶点的微小形变值R_a：

其中，ΔF为LFMCW带宽，L为一帧内的数据点数，k_T为因目标距离导致有效数据的减少点数，f₀为LFMCW起始频率，c为光速，FFT序列的目标序号l_T对应的FFT值为Y(l_T01)，其中Y⁽¹⁾(l_T01)的上标(1)表示第1次监测，上标(2)表示第2次监测；上标则*表示求复数的共轭，arg函数表示对复数求(-π,π]范围内的辐角；

步骤2：将形变值R_a与挠度值W_max等值替换，并将形变值R_a代入称重用的挠度计算公式中；

步骤3：将挠度计算公式变形得到梁上物体质量m的计算公式。

优选的，所述步骤2中的挠度计算公式为：

其中，W_max为挠度值，F为作用在梁上的载荷力，EI是梁的弯曲刚度，l是梁的长度。

优选的，所述步骤3中物体质量的计算公式为：

其中，F＝mg，m为物体质量，g为重力加速。

优选的，所述步骤2中具体包括：将形变值R_a与挠度值W_max实现绝对值下的等值替换，即满足

优选的，所述步骤1中还包括：基于FFT的频偏进行补偿后的相位估计计算，其补偿方法如下：

FFT每次测相需要估计频率值以便确定频偏，此时采用时移相位差频率校正法，即将两个长度为N的延时量为N的序列分别进行FFT，再取主谱线的相位差值来估计频率，从而确定频偏；并获取补偿后的相位估计值；

按如下公式进行补偿：

其中

θ——补偿后的相位估计值

——输入信号序列的FFT峰值谱相位值

N——FFT阶数

Δk——频偏，Δk∈[-0.5,0.5]

那么对于公式中：

补偿快速得到其中的复数辐角值arg{[Y⁽²⁾(l_T01)][Y⁽¹⁾(l_T01)]^*}＝θ₂-θ₁；其中，θ₁为第一次补偿后的相位估计值；θ₂为第二次补偿后的相位估计值。

优选的，所述步骤1的梁为路面、地面或桌面时，采用互易原理对梁上的靶点的形变量R_a进行测量。

优选的，述靶点处设置标靶，所述标靶至于梁的上部或者底部。

优选的，通过摄像头采集的所述物体的图像信息，以分辨出特定的重物，并根据配置信息进行受力分析及数据修正，得出准确的重物质量。

优选的，所述步骤3中的EI和l为预先输入的参数。

在第二方面，本发明还公开了一种基于雷达的非接触式的梁称重系统，包括：

至少一个处理器；以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：

所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如上述任一项所述的基于雷达的非接触式的梁称重方法。

在第三方面，本发明还公开了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如上述任一项所述的基于雷达的非接触式的梁称重方法。

(三)有益效果

(1)本发明的称重方法是可用于桥梁上车辆、道路上车辆、支架上重物的梁称重方法，该方法取消了设置在梁上的接触式称重装置，通过微变雷达有效的防止因称重装置老化引起的称重失效，并实现了实时在线校准称重装置，还通过一个雷达可同时对多个标靶监测点进行称重测量，且该方法随着称重重量的增加测量精度也越高。

(2)本发明的称重方法通过对LFMCW雷达的线性调频信号的拉伸处理系统接收的信号采用快速傅里叶变换FFT处理，以得到形变值R_a，随后基于重力方向为始终垂直于水平结构梁向下的原理，将形变值R_a与挠度值W_max实现绝对值下的等值替换，并将形变值R_a代入可用于梁体称重的挠度计算公式中，最终变形得到物体质量m的计算公式。此外，本发明的方法由于只有静止的雷达和微位移的靶点，无其他的接触式称重等附加部件，在测量时也可以基于互易原理测量，故操作和计算都较为简易，且适用的测量范围广。

(3)另外，本发明还进一步基于FFT的频偏对形变值进行补偿后的相位估计计算，从而减少幅角函数的计算量，以提高形变值R_a的精确度和计算效率。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明中基于雷达的非接触式的梁称重系统的系统结构图；

图2为LFMCW雷达回波信号频率与本振信号(与发射信号同步)的差拍关系示意图，图中ΔF为信号带宽；

图3为水平设置的梁的挠度计算示意图；

图4为本发明实施例中的1号重物和2号重物的称重示意图，其中(a)图为1号重物，(b)图为2号重物；

图5为本发明实施例中雷达放置在桌面实验台上的环境搭建实物图；

图6为本发明实施例中1号重物和2号重物放置在图5环境中的实物图，其中(a)图为1号重物放置在桌面实验台上，(b)图为1号和2号重物放置在桌面实验台上；

图7为图6中(a)图状态下的雷达测量波形图；

图8为图6中(b)图状态下的雷达测量波形图；

图9为大桥挠度测量的实物场景搭建图，其中雷达放置在桥面底部水平面上，桥底部设有两个对称的靶点；

图10为图9中对应的大车静态位于大桥上时测试测量出的波形图，产生形变量的地方位于波形中的凹陷处。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明进行清楚、完整地描述，同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

参见图1所示，为了对各种应用场景中的梁的承重量进行称重测量，本发明公开了一种基于雷达的非接触式的梁称重系统，梁称重系统包括计算交互中心、与计算交互中心通信连接的雷达和梁，雷达与计算交互中心之间通信连接，计算交互中心用于通过雷达测量梁上靶点的形变值(刚性结构的梁的形变量较小，一般为mm以下级别)，以得到梁上承载物的质量，从而最终对梁上的物体进行称重测量。其中，系统中各个组成部分的介绍如下：

梁：需要预先指出的是，本发明中提及的梁不限于背景技术中例举出的建筑物梁结构，其泛指包括任何能够发生弹性微小形变的承重支架、物体，例如路面、桥梁、地面、桌面和支架等刚体类承力结构。一个梁一般可根据实际情况设有一个或者多个测量用的靶点，以正确计算梁的承重量。

雷达：微变雷达上有发射天线和接收天线，例如可以使用图2所示的LFMCW线性调频连续波雷达，以生成连续的调制波，并利用相位差法可实时监测梁的形变值，并将数据上传至计算交互中心；同时雷达还具备形变值复位功能，可接收计算交互中心发出的复位等控制指令，并对指定靶点的形变值进行重新测量。由于LFMCW雷达的差拍法测量属于常规手段，故此处不赘。

标靶：为了避免雷达无法对准靶点进行正常测量，还可在图1中梁的靶点处设置标靶，标靶可放到梁的上部或者底部，标靶可选择为合适大小的角反，以保证雷达电磁波可照射。此外，由于对于体积较大的梁结构通过一个微变值的测量点无法准确计算得到梁的称重量，故可以在梁的部位放置多个标靶(主要是发生弯曲挠度较大且典型受力的点)，雷达最多可同时监测64个靶点，以综合多个靶点形变值求出物体质量。

计算交互中心：计算交互中心是通过雷达测量梁上靶点发生形变值的控制和处理终端，用户可以修改配置梁的载荷变形场景、弹性模量、惯性矩、受力位置、梁的失效应力等信息。此外，计算交互中心还可以选择连接摄像头，摄像头用于采集梁上的重物图像信息。测量时，计算交互中心将雷达测出的形变值及摄像头图像进行AI识别，分辨出特定的重物，根据配置信息进行受力分析及数据修正，得出最终的重物质量，例如可以使用摄像头采集特定标重为10t的卡车，并对10t标准的形变量测量和存储，以用于后续的称重校正中，从而验证计算精度。同时，计算交互中心还可以通过靶点形变量计算梁的应力大小，如果超出梁的失效应力，将进行报警提示。

参见图2所示，本发明中还对应于图1所示的梁称重系统设计了一种基于雷达的非接触式的梁称重方法，该方法的测量原理大致如下：首先，通过雷达测量得到靶点的精确形变值R_a，从而将形变值R_a与挠度值W_max等值替换，随后将形变值R_a代入用于称重用的挠度计算公式，并得到梁上物体重力F的公式，最终得到物体的质量m。此外，为了得到靶点上微小的精确形变值，本发明还针对LFMCW雷达的线性调频信号的拉伸处理系统接收的信号采用FFT处理(即对采样后A/D转换的信号进行FFT谱分析)，并基于频偏进行补偿后的相位估计计算，以补偿得到精确的形变值R_a。

具体的，本发明的一种基于雷达的非接触式的梁称重方法，包括以下步骤：

步骤1：通过雷达测量得到梁上靶点的形变值R_a。

具体的，在步骤1中，本发明的雷达使用线性调频技术，利用相位差法进行形变测量，雷达具体为线性调频连续波LFMCW雷达，参见图2所示，其回波信号频率与发射信号频率存在差拍关系，图中各个参数变量的定义如下表1-2所示。

表1一帧数据序列的相关参数

表2LFMCW信号的相关参数

本发明中使用了快速傅里叶变换FFT进行LFMCW雷达的频谱分析，将雷达采集的信号进行FFT计算，最终得到微小的形变值R_a：

参见表1-表2可知，上述公式中各个基本参数的定义如下：ΔF为LFMCW带宽，L为一帧内的数据点数，k_T为因目标距离导致有效数据的减少点数，f₀为LFMCW起始频率，c为光速，FFT序列的目标序号l_T对应的FFT值为Y(l_T01)，其中Y⁽¹⁾(l_T01)的上标(1)表示第1次监测，上标(2)表示第2次监测；上标则*表示求复数的共轭，arg函数表示对复数求(-π,π]范围内的辐角。

此外，k_T可通过如下方式计算：

其中，R为目标粗估计距离，c为光速，ceil函数是向上取整，f_s为采样频率。

进一步，为了计算得到更精确的的形变值R_a，本发明还在步骤1中基于FFT的频偏进行补偿后的相位估计计算，其补偿方法如下：

FFT每次测相需要估计频率值以便确定频偏，此时采用时移相位差频率校正法，即将两个长度为N的延时量为N的序列分别进行FFT，再取主谱线的相位差值来估计频率，从而确定频偏；并获取补偿后的相位估计值。

按如下公式进行补偿：

其中

θ——补偿后的相位估计值

——输入信号序列的FFT峰值谱相位值

N——FFT阶数

Δk——频偏，Δk∈[-0.5,0.5]

那么对于上述公式中：

即可补偿得到其中的arg{[Y⁽²⁾(l_T01)][Y⁽¹⁾(l_T01)]^*}＝θ₂-θ₁；其中，θ₁为第一次补偿后的相位估计值；θ₂为第二次补偿后的相位估计值。通过以上的补偿方式，可以提高针对刚性梁进行测量的形变值R_a的计算精度和计算量。

还需要指出的是，由于LFMCW雷达本身有测量误差和精度的限制，目前的LFMCW雷达只能适用于测量能使梁产生大于0.005mm的挠度的物体。

步骤2：将形变值R_a与挠度值W_max等值替换，并将形变值R_a代入称重用的挠度计算公式中。

具体的，由于应用场景复杂，挠度的产生可能有一种或多种情况的叠加。考虑到步骤2中称重用的挠度计算公式为梁在水平放置时向下受力情况下的计算公式，如图3所示，故本发明选择参考了《材料力学I第6版刘鸿文高等教育出版社》第195页中6.1表1-10序号8中的情况，在该情况下，梁对重力等向下的载荷力的F的挠度计算公式为：

其中，W_max为挠度值，F为作用在梁上的载荷力，EI是梁的弯曲刚度，l是梁的长度。

在步骤2中，本发明将形变值R_a与挠度值W_max实现绝对值下的等值替换，并将形变值R_a代入称重用的挠度计算公式中，即可得到：

/>

步骤3：将挠度计算公式变形得到梁上物体质量m的计算公式。

基于步骤2中的公式，在F视为载荷力的情况下，可知F＝mg，变形得到梁上物体质量m的计算公式：

其中，g为重力加速度，m为梁上的物体质量。式中的EI和l为预先在计算交互中心输入的参数，另外也可以根据摄像头采集的梁的图像信息以辅助获得上述的EI或l的参数。另外，对于大型的梁的称重，一般还可以设置多个靶点i来测量获得每个点处测得的质量m_i，以综合多个质量m_i来拟合或者校正计算得到大型梁体的称重重量m。

实施例：

为了明确本发明中基于雷达的非接触式的梁称重方法和系统的优点，本发明还对基于以下的实施例和图4-图10对上述的方法进行了实验测量和结果验证。

参见图4所示，对1号重物和2号重物的桶装水进行标准化称重，重量分别为18.95kg和18.10kg。参见图5-图6所示，再将两者先后分别放置在至于桌面上雷达的左右两侧，此时整个承重的桌面视为梁结构，由于雷达不便于安装放置在垂直于桌面的天花板上对桌面变形量进行测量，故此时采用测量中的互易原理，反之以天花板作为靶点，而雷达的放置处则作为不动点(以天花板作为靶点，这样桌面产生的挠度等同于靶点处的挠度)，使用雷达对天花板的靶点进行形变量测量，从而先后得到1号重物、1号重物和2号重物的重量。

参见图7-8所示，放置1号重物和测量出的形变值为0.624mm，再次叠加放置2号重物(重物左右对称，保证两边受力相等)和测量出的形变值为1.214mm；根据形变值等同的挠度值，并结合桌面的弹性模量、惯性矩不难求出重物重量m，根据材料力学公式序号8中的水平结构梁的承重受力情况，并结合我们的推导公式

估算求出重量：

其中，48EI/gl³提前已知：30010.032258kg/m，重物1时形变量为：0.624mm，即为0.000624m，

求出重物1的质量m1为：m1＝30010.032258kg/m*0.000624m＝18.73kg，误差在0.22/18.95＝1.12％；

求出重物1和重物2的总质量m12为：m12＝30010.032258kg/m*0.00124m＝37.21kg，误差在0.16/37.05＝0.43％，由此可见，本发明的梁称重方法精确度高，且随着重量越重，其测量精度也越高。

为了验证重量越重时测量精度越高的情况，发明人还进行了大桥挠度测量，如图9所示，此时雷达放置在桥面底部，靶点放置在桥底，在大车静态测试测量出的挠度值(图10中波形的凹陷处，取稳态下的平均值)，经过计算可知对于10t以上的物体，本发明称重方法的测量精度可以提高到99％以上。

除了图1中的称重系统以外，上述本发明的基于雷达的非接触式的梁称重方法可以作为软件程序或者计算机指令在非暂态计算机可读存储介质中执行或者在带有存储器和处理器的其它系统中执行，且其计算程序简单且运行快速。在本发明各个步骤和实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random AccessMemory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于雷达的非接触式的梁称重方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：通过雷达测量得到梁上靶点的形变值R_a；

所述步骤1中的雷达为线性调频连续波LFMCW雷达，将雷达采集的信号进行FFT计算，最终得到梁上靶点的微小形变值R_a：

其中，ΔF为LFMCW带宽，L为一帧内的数据点数，k_T为因目标距离导致有效数据的减少点数，f₀为LFMCW起始频率，c为光速，FFT序列的目标序号l_T对应的FFT值为Y(l_T01)，其中Y⁽¹⁾(l_T01)的上标(1)表示第1次监测，上标(2)表示第2次监测；上标则*表示求复数的共轭，arg函数表示对复数求(-π,π]范围内的辐角；

步骤2：将形变值R_a与挠度值W_max等值替换，并将形变值R_a代入称重用的挠度计算公式中；

步骤3：将挠度计算公式变形得到梁上物体质量m的计算公式。

2.根据权利要求1所述的基于雷达的非接触式的梁称重方法，其特征在于，所述步骤2中的挠度计算公式为：

其中，W_max为挠度值，F为作用在梁上的载荷力，EI是梁的弯曲刚度，l是梁的长度。

3.根据权利要求2所述的基于雷达的非接触式的梁称重方法，其特征在于，所述步骤3中物体质量的计算公式为：

其中，F＝mg，m为物体质量，g为重力加速。

4.根据权利要求2所述的基于雷达的非接触式的梁称重方法，其特征在于，所述步骤2中具体包括：将形变值R_a与挠度值W_max实现绝对值下的等值替换，即满足

5.根据权利要求1所述的基于雷达的非接触式的梁称重方法，其特征在于，所述步骤1中还包括：基于FFT的频偏进行补偿后的相位估计计算，其补偿方法如下：

FFT每次测相需要估计频率值以便确定频偏，此时采用时移相位差频率校正法，即将两个长度为N的延时量为N的序列分别进行FFT，再取主谱线的相位差值来估计频率，从而确定频偏；并获取补偿后的相位估计值；

按如下公式进行补偿：

/>

其中

θ——补偿后的相位估计值

——输入信号序列的FFT峰值谱相位值

N——FFT阶数

Δk——频偏，Δk∈[-0.5,0.5]

那么对于公式中：

补偿快速得到其中的复数辐角值arg{[Y⁽²⁾(l_T01)][Y⁽¹⁾(l_T01)]^*}＝θ₂-θ₁；其中，θ₁为第一次补偿后的相位估计值；θ₂为第二次补偿后的相位估计值。

6.根据权利要求1所述的基于雷达的非接触式的梁称重方法，其特征在于，所述步骤1的梁为路面、地面或桌面时，采用互易原理对梁上的靶点的形变量R_a进行测量。

7.根据权利要求1所述的基于雷达的非接触式的梁称重方法，其特征在于，所述靶点处设置标靶，所述标靶至于梁的上部或者底部。

8.根据权利要求1所述的基于雷达的非接触式的梁称重方法，其特征在于，通过摄像头采集的所述物体的图像信息，以分辨出特定的重物，并根据配置信息进行受力分析及数据修正，得出准确的重物质量。

9.根据权利要求3所述的基于雷达的非接触式的梁称重方法，其特征在于，所述步骤3中的EI和l为预先输入的参数。

10.一种基于雷达的非接触式的梁称重系统，其特征在于，包括：

至少一个处理器；以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：

所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求1-9中任一项所述的基于雷达的非接触式的梁称重方法。

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