本發(fā)明涉及動(dòng)態(tài)稱重方法領(lǐng)域，特別涉及車輛勻速運(yùn)動(dòng)下的動(dòng)態(tài)稱重。

背景技術(shù)：

我國(guó)自2001年開始試行高速公路計(jì)重收費(fèi)至今已達(dá)15年，至2011年我國(guó)已全面實(shí)行高速公路貨車計(jì)重收費(fèi)。近年來(lái)，動(dòng)態(tài)稱重設(shè)備經(jīng)歷了多次技術(shù)升級(jí)，依次為彎板、單臺(tái)面秤、雙臺(tái)面秤、軸組秤與整車秤。長(zhǎng)期以來(lái)，動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)的主要研究方向通過(guò)延長(zhǎng)秤體承載器長(zhǎng)度，增大車輛稱重時(shí)間來(lái)提高動(dòng)態(tài)稱重精度。從車輛勻速行駛的動(dòng)態(tài)稱重精度來(lái)看，目前整車秤已達(dá)到動(dòng)態(tài)1級(jí)，基本滿足了市場(chǎng)需求。但是也存在以下兩個(gè)問(wèn)題：一是沒有從理論上分析秤體承載器長(zhǎng)度，導(dǎo)致秤體越來(lái)越大，成本越來(lái)越高，占地面積越來(lái)越大，施工周期越來(lái)越長(zhǎng)，通行效率也變差；二是占據(jù)大半市場(chǎng)的存量設(shè)備單臺(tái)面秤、雙臺(tái)面秤的動(dòng)態(tài)稱重精度得不到有效提高，若更換已有設(shè)備成本又非常高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種車輛勻速運(yùn)動(dòng)下的動(dòng)態(tài)稱重方法，能夠在不增加秤體承載器長(zhǎng)度的情況下，提高動(dòng)態(tài)稱重精度。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過(guò)如下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：車輛勻速運(yùn)動(dòng)下的動(dòng)態(tài)稱重方法的具體流程如下：

步驟一：獲取動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)信號(hào)；

步驟二：采用滑動(dòng)平均法對(duì)動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)作濾波處理，抑制秤臺(tái)振動(dòng)和車輛振動(dòng)疊加以后產(chǎn)生的隨機(jī)誤差的影響，得到濾波后的數(shù)據(jù)信號(hào)；

步驟三：采用B樣條最小二乘法，對(duì)濾波后的濾波后的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行擬合，消除秤體振動(dòng)信號(hào)，減少滑動(dòng)平均濾波本身所引起的方法誤差，并得到最小二乘擬合曲線；

步驟四：車輛上秤的原始動(dòng)態(tài)稱重信號(hào)為y1(n)，車輛剛下秤時(shí)的動(dòng)態(tài)稱重信號(hào)為y2(n)，將y1(n)和y2(n)分別代入最小二乘擬合曲線，進(jìn)行最小二乘擬合，并求取二者差值即為消除汽車振動(dòng)和秤體振動(dòng)后的動(dòng)態(tài)稱重信號(hào)。

進(jìn)一步的，步驟二對(duì)動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)作濾波處理為：選擇一個(gè)長(zhǎng)度為N的數(shù)組，沿全長(zhǎng)N個(gè)數(shù)據(jù)逐一小區(qū)間上進(jìn)行不斷的局部平均，得到濾波后的數(shù)據(jù)信號(hào)。

進(jìn)一步的，所述濾波后的數(shù)據(jù)信號(hào)輸出為k＝n+1,n+2,…,N-n。

進(jìn)一步的，步驟三最小二乘擬合曲線為Q^C＝N(N^TN)^-1N^TY。

進(jìn)一步的，最小二乘擬合曲線為插值于端點(diǎn)的最小二乘擬合曲線。

進(jìn)一步的，一種車輛勻速運(yùn)動(dòng)下動(dòng)態(tài)稱重的系統(tǒng)，包括稱體承載器、稱重傳感器、滑動(dòng)平均濾波器、單片機(jī)和上位機(jī)，稱體承載器與單片機(jī)相連接其中稱重傳感器、滑動(dòng)平均濾波器、單片機(jī)和上位機(jī)依順次連接；稱重傳感器用于獲取動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)信號(hào)，滑動(dòng)平均濾波器用于對(duì)動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)作濾波處理，單片機(jī)用于對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行擬合并計(jì)算出消除秤體振動(dòng)后的動(dòng)態(tài)稱重信號(hào)，上位機(jī)用于顯示和存儲(chǔ)相關(guān)信號(hào)數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步的，稱體承載器的長(zhǎng)度最小值為2.5m。

進(jìn)一步的，還包括計(jì)時(shí)開關(guān)和溫度傳感器，其中計(jì)時(shí)開關(guān)、溫度傳感器和滑動(dòng)平均濾波器依順次連接，用于探測(cè)稱重環(huán)境的溫度。

進(jìn)一步的，還包括輸入模塊，輸入模塊與單片機(jī)相連接，用于設(shè)置稱重單位、分度值。

發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明的一種車輛勻速運(yùn)動(dòng)下動(dòng)態(tài)稱重的方法和系統(tǒng)，稱重傳感器獲取動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)信號(hào)后，滑動(dòng)平均濾波器采用滑動(dòng)平均法對(duì)動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)作濾波處理，抑制秤臺(tái)振動(dòng)和車輛振動(dòng)疊加以后產(chǎn)生的隨機(jī)誤差，得到濾波后的數(shù)據(jù)信號(hào)。但滑動(dòng)平均法濾波本身會(huì)引起方法誤差，因此，再通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行B樣條最小二乘法計(jì)算，對(duì)濾波后的濾波后的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行擬合，消除秤體振動(dòng)信號(hào)，減少滑動(dòng)平均濾波本身所引起的方法誤差。最后將車輛上秤的原始動(dòng)態(tài)稱重信號(hào)和車輛剛下秤時(shí)的動(dòng)態(tài)稱重信號(hào)分別代入最小二乘擬合曲線進(jìn)行最小二乘擬合，并求取二者差值即為消除秤體振動(dòng)后的動(dòng)態(tài)稱重信號(hào)。最終得到的動(dòng)態(tài)稱重信號(hào)在上位機(jī)上顯示并存儲(chǔ)。

動(dòng)態(tài)稱重的振動(dòng)信號(hào)主要由穩(wěn)態(tài)荷載、動(dòng)態(tài)荷載及高頻噪聲三部分組成，其中動(dòng)態(tài)載荷產(chǎn)生的原因主要是汽車振動(dòng)和秤體振動(dòng)，它是影響車輛動(dòng)態(tài)稱重準(zhǔn)確度的關(guān)鍵因素之一，消除或減緩了汽車振動(dòng)和秤體振動(dòng)的干擾后，車輛勻速運(yùn)動(dòng)下的動(dòng)態(tài)稱重更加精準(zhǔn)。

并且結(jié)合上述汽車振動(dòng)特性，可計(jì)算出在車輛勻速運(yùn)動(dòng)下動(dòng)態(tài)稱重的系統(tǒng)中秤體承載器的長(zhǎng)度范圍。

附圖說(shuō)明

圖1為一種車輛勻速運(yùn)動(dòng)下動(dòng)態(tài)稱重的方法的流程圖。

圖2為一種車輛勻速運(yùn)動(dòng)下動(dòng)態(tài)稱重的系統(tǒng)的原理圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體實(shí)施方式，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

本發(fā)明公開了一種車輛勻速運(yùn)動(dòng)下動(dòng)態(tài)稱重的方法和系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)稱重的振動(dòng)信號(hào)主要由穩(wěn)態(tài)荷載、動(dòng)態(tài)荷載及高頻噪聲三部分組成。其中，動(dòng)態(tài)載荷產(chǎn)生的原因主要是汽車振動(dòng)和秤體振動(dòng)，表現(xiàn)為低頻周期動(dòng)態(tài)載荷，它是影響車輛動(dòng)態(tài)稱重準(zhǔn)確度的關(guān)鍵因素之一，使真實(shí)靜態(tài)軸重信號(hào)淹沒在各種復(fù)雜的動(dòng)態(tài)軸重信號(hào)中，因此需要有效消除或減緩。

車輛行駛通過(guò)秤臺(tái)時(shí)，秤臺(tái)和汽車均處于振動(dòng)狀態(tài)，使稱重信號(hào)夾雜一個(gè)由于振動(dòng)引起的波動(dòng)分量，從而造成測(cè)量誤差。為了便于數(shù)學(xué)分析，可以將汽車和秤體的振動(dòng)力學(xué)模型等效為由彈簧、阻尼器組成的二階系統(tǒng)。用二階系統(tǒng)微分方程描述該系統(tǒng)為：

公式(1)中m為汽車質(zhì)量，f(t)為汽車振動(dòng)載荷，K為汽車結(jié)構(gòu)的彈性系數(shù)，C為汽車的阻尼系數(shù)，x為汽車振動(dòng)產(chǎn)生的垂向位移。

設(shè)系統(tǒng)的固有角頻率阻尼比

汽車的振動(dòng)特性：

汽車的阻尼非常小，可以忽略不計(jì)。假設(shè)汽車在外力作用下獲得一向下的速度v₀，代入初始條件可解得：

由上述可得：汽車的振動(dòng)是一個(gè)自由無(wú)阻尼振動(dòng)，主要來(lái)于懸掛系統(tǒng)系統(tǒng)，而汽車的振動(dòng)頻率與汽車的質(zhì)量、載重及彈簧剛度等因素有關(guān)，大約為2.5Hz～10Hz，振幅則與車輛速度和路面狀況有關(guān)，其峰值一般為恒定分量的10％左右。

秤體的振動(dòng)特性：

汽車上秤后，秤體受到的外力可看作階躍函數(shù)f₁(t)的汽車重力和汽車作無(wú)阻尼自由振動(dòng)的力f₂(t)，

設(shè)ω₀為秤體的固有頻率，依據(jù)線性系統(tǒng)的疊加原理，分別求出在力f₁(t)和力f₂(t)的作用下的位移x₁、x₂，進(jìn)而求出秤臺(tái)的總位移為：

其中W₁＝mg，

由此可看出，秤體衰減振蕩的頻率以及衰減幅度的大小與秤臺(tái)的固有頻率ω₀、重量及阻尼有關(guān)，一般情況下，秤臺(tái)的重量越大，衰減過(guò)程就會(huì)越慢，且振蕩的頻率也越低。秤體的振動(dòng)頻率和振幅與車輛輪胎狀況和自身特性有關(guān)，頻率大約為10～20Hz，振幅大約為恒定分量的5％左右。

實(shí)施例1

如圖1所述車輛勻速運(yùn)動(dòng)下動(dòng)態(tài)稱重的方法，其具體步驟如下：

首先，獲取原始動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)信號(hào)。

其次，采用滑動(dòng)平均法對(duì)動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)作濾波處理，抑制秤臺(tái)振動(dòng)和車輛振動(dòng)疊加以后產(chǎn)生的隨機(jī)誤差的影響，得到濾波后的數(shù)據(jù)信號(hào)。其中，對(duì)動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)作平滑和濾波處理為：選擇一個(gè)長(zhǎng)度為N的數(shù)組，沿全長(zhǎng)N個(gè)數(shù)據(jù)逐一小區(qū)間上進(jìn)行不斷的局部平均。對(duì)于N個(gè)非平穩(wěn)數(shù)據(jù)，視之為每m個(gè)相鄰數(shù)據(jù)的小區(qū)間內(nèi)是接近平穩(wěn)的，即其均值接近于常量。濾波后的數(shù)據(jù)信號(hào)輸出為：

然后，采用B樣條最小二乘法，對(duì)濾波后的濾波后的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行擬合，消除秤體振動(dòng)信號(hào)，減少滑動(dòng)平均濾波本身所引起的方法誤差，并得到最小二乘擬合曲線。

設(shè)有m個(gè)平面有序數(shù)據(jù)點(diǎn)集對(duì)應(yīng)參數(shù)向量R＝{r₀,r₁,r₂…，r_m-1}，在非遞減的節(jié)點(diǎn)向量T＝{t₀,t₁,t₂…，t_n+k}已知的情況下討論B樣條曲線的最小二乘擬合，其中m>n，定義一條k次B樣條曲線：

公式(5)中，D＝{d0,d1,…,dn-1}表示控制頂點(diǎn)，N_jk(r)是定義在節(jié)點(diǎn)向量T上的B樣條基函數(shù)，其遞推關(guān)系式為：

節(jié)點(diǎn)向量T滿足如下周期性條件:

設(shè)為擬合曲線上對(duì)應(yīng)參數(shù)r_i的點(diǎn)，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的最小二乘技術(shù)，則要找到的函數(shù)：

使公式(8)達(dá)到最小。若點(diǎn)集落在B樣條曲線上,即q_i＝C(r_i)，則問(wèn)題可歸結(jié)為求解線性方程組：

記B樣條矩陣:

有序數(shù)據(jù)點(diǎn)陣

則公式(5)寫成矩陣形式為：

N^TND＝N^TY (10)

最后由:

Q^C＝N(N^TN)^-1N^TY (11)

得到插值于端點(diǎn)的最小二乘擬合曲線。

最后，設(shè)車輛上秤的原始動(dòng)態(tài)稱重信號(hào)為y1(n)，車輛剛下秤時(shí)的動(dòng)態(tài)稱重信號(hào)設(shè)為y2(n)，將y1(n)和y2(n)分別代入公式(11)，進(jìn)行最小二乘擬合，求取二者差值即為消除秤體振動(dòng)后的動(dòng)態(tài)稱重信號(hào)。

實(shí)施例2

如圖2所述，車輛勻速運(yùn)動(dòng)下動(dòng)態(tài)稱重的系統(tǒng)包括秤體承載器、稱重傳感器、滑動(dòng)平均濾波器、單片機(jī)和上位機(jī)，其中稱體承載器與單片機(jī)相連接，稱重傳感器、滑動(dòng)平均濾波器、單片機(jī)和上位機(jī)依順次連接。稱重傳感器用于獲取動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)信號(hào)，滑動(dòng)平均濾波器用于對(duì)動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)作濾波處理，采用滑動(dòng)平均法對(duì)動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)作濾波處理，抑制秤臺(tái)振動(dòng)和車輛振動(dòng)疊加以后產(chǎn)生的隨機(jī)誤差的影響，得到濾波后的數(shù)據(jù)信號(hào)。單片機(jī)用于對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行擬合并計(jì)算出削弱或消除了秤體振動(dòng)后的動(dòng)態(tài)稱重信號(hào)，單片機(jī)上包括計(jì)算模塊，計(jì)算模塊采用B樣條最小二乘法對(duì)經(jīng)滑動(dòng)平均濾波器濾波處理后的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行擬合并計(jì)算。上位機(jī)用于顯示和存儲(chǔ)相關(guān)信號(hào)數(shù)據(jù)。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，稱體承載器的長(zhǎng)度的最小長(zhǎng)度為2.5m。結(jié)合上述汽車振動(dòng)特性，設(shè)汽車振動(dòng)頻率為f_v，通行速度v_t，輪胎著地寬度為w_v可計(jì)算秤體承載器長(zhǎng)度L為：

根據(jù)交通運(yùn)輸部《收費(fèi)公路聯(lián)網(wǎng)電子不停車收費(fèi)技術(shù)要求》，ETC車道的限速為20km/h。汽車振動(dòng)頻率大約為2.5Hz～10Hz，輪胎著地寬度0.3m，那么由公式12可知，保證全周期波形的最小秤體長(zhǎng)度為2.5m。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，車輛勻速運(yùn)動(dòng)下動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)還包括計(jì)時(shí)開關(guān)和溫度傳感器，計(jì)時(shí)開關(guān)、溫度傳感器和滑動(dòng)濾波器依順次連接。在一些地區(qū)，晝夜溫差較大，溫度的不同會(huì)嚴(yán)重影響稱重傳感器的誤差。將溫度傳感器設(shè)置在稱重傳感器的附近，計(jì)時(shí)開關(guān)每隔10分鐘導(dǎo)通，溫度傳感器探測(cè)溫度。由于溫度傳感器本身也有誤差存在，仍采用滑動(dòng)平均濾波器對(duì)溫度數(shù)據(jù)作濾波處理，單片機(jī)再對(duì)溫度數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行擬合并計(jì)算出削弱或消除了誤差的溫度數(shù)據(jù)。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，車輛勻速運(yùn)動(dòng)下動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)還包括輸入模塊，輸入模塊與單片機(jī)相連接，用于根據(jù)使用者的要求設(shè)置稱重單位、分度值。

實(shí)施例3

由于目前大部分已安裝長(zhǎng)度分別為0.8m和1.6m的單臺(tái)面秤、雙臺(tái)面秤，試驗(yàn)制造了0.8m、1.6m、2.6m及3m長(zhǎng)度的四種秤體規(guī)格。

試驗(yàn)車輛采用兩軸剛性貨車，實(shí)際重量為17955kg，根據(jù)奈奎斯特定理，試驗(yàn)采樣頻率為1khz。車輛勻速通過(guò)秤體經(jīng)采樣處理后的部分動(dòng)態(tài)稱重試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1兩軸剛性貨車動(dòng)態(tài)稱重試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，車輛以約為5km/h和12km/h以內(nèi)的速度分別通過(guò)長(zhǎng)度為0.8m和1.6m的稱體承載器，重量誤差在0.5％以內(nèi)，滿足國(guó)家1級(jí)秤標(biāo)準(zhǔn)，與公式(12)計(jì)算的理論值4.5km/h、11.7km/h相符。因此，長(zhǎng)度為0.8m和1.6m的稱體承載器其車輛速度最優(yōu)值應(yīng)設(shè)定為5km/h和12km/h。

同理，由公式(12)計(jì)算的長(zhǎng)度為2.6m和3m的稱體承載器的理論速度限值分別為20.7和24.3，試驗(yàn)車輛在這樣的限速內(nèi)通過(guò)后，統(tǒng)計(jì)可得出重量誤差在0.5％以內(nèi)，滿足國(guó)家1級(jí)秤標(biāo)準(zhǔn)。因此，車輛速度在20km/h以內(nèi)時(shí)，秤體承載器長(zhǎng)度的最優(yōu)值為不小于2.5m。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn),對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無(wú)論從哪一點(diǎn)來(lái)看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說(shuō)明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。

此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說(shuō)明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說(shuō)明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說(shuō)明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。