（机械电子工程专业论文）高速公路动态称重系统关键问题的研究.pdf

摘要 随着经济的发展和经济区域分工的扩大，公路货运汽车超重现象越来越严 重。实验得到的“四次方法则”告诉我们：汽车的载荷增大2 倍，公里路面的损 坏将增大原来的1 6 倍。这就使得高速公路等在设计、修建的过程中要对通过车 辆的载重有所了解，而且有必要按照汽车的载重来收取过路费用。由此就产生了 高速公路动态称重系统w l m ( w e i g h i n m o t i o n ) 系统，而且对其称重精度的 要求也越来越严格。如何在保证称重精度的前提下，减小称重系统的结构尺寸， 进一步提高车辆的通过速度，是动态称重系统设计中急切需要解决的问题。 本文所作的工作是对公路动态称重系统的受力分析，得到了动态称重的数学 模型，并以此数学模型为基础对系统中的各种噪声进行分析，根据不同频域中噪 声信号的特点，提出了汽车动态称重的算法：首先利用小波分析对信号做分频处 理，然后在各个不同频域中有针对性地识别和剔除噪声，特别是用非线性数据拟 合的方法识别和剔除了低频信号中由于汽车轮胎对传感器弹簧冲击造成的低频 周期干扰，然后重构信号，通过称重信号采集与控制单片机系统对实际测量的信 号进行数据处理后，去除了相关噪声信号。同时，本文在理论研究和算法分析的 基础上进行了w i m 系统的硬件设计，并进行了室内模拟试验研究。研究结果表 明，小波分析方法的应用，在较高的车辆通行速度下，提高了w i m 系统的称重 精度，效果明显。 关键词：动态称重、小波分析、动态检测 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m ya n de c o n o m yr e g i o n a ld i v i s i o no fw o r k e x p a n s i o n ，t h et h r u w a yf r e i g h ta u t o m o b i l ep h e n o m e n o ni sm o r ea n dm o r eg r a v e d t h em e t h o do f b i q u a d r a t i ce q u a t i o n ”t h a tt h ee x p e r i m e n tg e t si st ot e l lu s t h ea u t o m o b i l ea x i sl o t u se n h a n c e s2 t i m e s ，t h er o a ds u r f a c eb r e a k d o w nw i l le n h a n c eo r i g i n a l1 6t i m e s t h i sf e a s i b l ee x p r e s sh i g h w a y w a i tt ob eg o i n gt oh a v eg a i n e ds o m eu n d e r s t a n d i n gt ot h el o a dp a s s i n gav e h i c l ei nt h ep r o c e s s d e s i g n i n gt h a t ，b u i l d i n g , a n db en e c e s s a r ya c c o r d i n gt ot h a tt h ea u t o m o b i l ec o l l e c t st h ec o s t p a s s i n gb yt h el o a do fa na u t o m o b i l et ot h eh i g h w a y t h es y s t e mo fw e i g h t i n gi nh i g h w a y d ) r i l a i i l i c _ - w i m ( w e i g h - i n m o t i o n ) w a sp r o d u c e d ，a n di t sr e q u i r e m e n to fp r e c i s i o ni sr i g o r m o r ea n dm o r e h o wt h ea c c u r a c yp r e m i s em o v e sd o w n w a r d si ng u a r a n t e ew e i g h i n g ，s t r u c t u r e d i m e n s i o nd i m i n i s h i n gw e i g h i n gs y s t e m a t i c a l l y , r a i s i n gav e h i c l e sf u r t h e rp a s s e ss p e e d ，i st h a t d y n a m i cw e i g h i n gn e e d st h ep r o b l e ms o l v i n gi nah u r r yi ns y s t e md e s i g n t h em a i nt a s ko ft h i sd i s q u i s i t i o ni st h a ts y s t e m a t i ca c c e p t i n gi ss t r e n u o u s l ya n a l y t i c a lt o h i g h w a yd y n a m i cw e i g h i n g ，m a t h e m a t i cm o d e lh a v i n gg o td y n a m i cw e i g h i n g ，m a t h e m a t i cm o d e l a n a l y s e so nt h i sa c c o u n tf o rt h eb a s i si si np r o g r e s st ov a r i o u sn o i s ei ns y s t e m ，n o i s es i g n a l c h a r a c t e r i s t i c , h a sb r o u g h tf o r w a r da u t o m o b i l ed y n a m i cw e i g h i n ga l g o r i t h mi n s i d et h ec o u n t r y a c c o r d i n gt od i f f e r e n tf r e q u e n c y ：t h ef r e q u e n c ym a k i n gu s eo fw a v e l e ta n a l y s i st ob eu s e df o r m a r kt ot h es i g n a lf i r s ti sh a n d l e d ，i sh a v et h ep e r t i n e n c e sf i e l dt od i s t i n g u i s ha n dg e tr i do fn o i s e a n dt h e ni no n eb yo n ed i f f e r e n tf r e q u e n c yr e g i o n ，t h em e t h o du s i n gt h en o n l i n e a r i t yd a t af i t t i n g e s p e c i a l l yh a sd i s t i n g u i s h e da n dg o tr i do ft h es i g n a ld i s t u r b i n g ，a n dt h e nh i g h l yv a l u i n gs t r u c t u r e i nl o wf r e q u e n c ys i g n a ls i n c et h ed o u g h n u tp o u n d st h el o wf r e q u e n c yp e r i o db r i n g i n ga b o u tt o s e n s o rs p r i n g ，t h es i g n a lt h a tt h es i g n a la c q u i s i t i o na n dt h er e a l i t yc o n t r o h i n gm o n o l i t h i cm a c h i n e s y s t e mt ot h a tm e a s u r eb yw e i g h i n gc a r r i e so u tt h ed a t ah a n d l i n gq u e e n ，g o e st oe x c e p tr e l e v a n c e n o i s es i g n a l v i at h es t u d i e so fh a r d w a r ed e s i g n i n gh a v i n ga n dh a v i n gw i ms y s t e mo nt h e a l g o r i t h ma n a l y s i sb a s i si nt h e o r y , t h ei n t e r i o ra n a l o g u et e s ti sh a v i n gb e e ni np r o g r e s ss t u d i e s t h e r e s u l ti si n d i c a t e d ，w a v e l e ta n a l y s i sm e t h o da p p l i c a t i o n ，u n d e rs p e e dm o r ec u r r e n tt h a nh i g h v e h i c l e ，h a v ei m p r o v e ds y s t e m a t i cw e i g h i n go fw i ms y s t e ma c c u r a c y , a n dt h ee f f e c ti so b v i o u s k e y w o r d s ：d y n a m i cw e i g h i n g ，w a v e l e t a n a l y s i s ，d y n a m i cc h e c k s n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 叙仟 p 屏 论文知识产权权属声明 舌只| e l 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： q 年6 只ie t 涉年易月亏e t 爱 、钗确 长安大学硕+ 学位论文 1 1 本课题研究的背景 第一章绪论 目前，国际上许多国家，高速公路车辆在运输货物时，普遍存在着超重现象，而且 超重车辆占相当高的比例。据调查，德国超重车辆达5 0 ；美国4 0 - - - , 6 0 的大型载货 汽车超重。美国高速公路协会经试验研究，提出了反映汽车轴载质量与高速公路路面之 间关系的著名的“四次方法则”，就是当汽车的轴载增大至原来的2 倍，高速公路路面 的损坏将增大原来的1 6 倍左右( 即2 4 ) 。这表明：首先，重车引起的道路破坏要大得 多，单轴载的增加引起路面被损坏程度加大，很明显，不仅需要监视货车重量，而且要 强制货车重量的最大极限的扩展。其次，如果不了解路面将承受的轴载，路面设计参数 不符合实际，路面寿命就远达不到要求的使用年限；已设计的路面没能达到预期的使用 年限，也是因为路面受到了原设计没有考虑到的某些力作用。轴载质量和总质量的增加 势比增加发动机功率这将产生更严重的噪声、振动、空气污染等环境问题，这样运输部 门的经济效益虽然提高，但是社会整体综合效益并得不到提高。 随着我国市场经济的飞速发展，高速公路交通量迅速增长，各种载货车、大平板车、 拖挂汽车和集装箱运输汽车的数量和比重逐年递增，一些运输单位或个人不顾车辆、公 路承载能力及行车安全，擅自对车辆进行改装增加载重量。超重车辆对道路、桥梁的破 坏呈几何级数( 四次方法则) 上升，造成公路设施在设计使用年限之前就损坏，大大减 少公路、桥梁的使用寿命、增加维护维修成本。此外，超重运输车辆的行使，还影响高 速公路的行车安全。 目前，在国外高速公路中已普遍使用了动态称重系统，我国该系统的应用存在的问 题比较突出。其原因是运输市场的不规范，超限与超限管理之间的矛盾比较突出。要有 效治理超限超载，就必须有对车辆是否超限超载进行精确判断，也就是说必须进行超限 超载测量。但是如何实现快速科学地衡量通过车辆的重量一直是治理超限超载运输和不 停车计重收费中遇到的关键问题。目前对车辆的超限超载监测有静态和动态两种方法： 静态称重虽然精度高，但其规模较大，引人注目，往往使许多超限超载车辆易于逃避， 同时静态称重还容易造成交通不畅，难以发挥高速公路的优越性；而动态称重系统能实 现超载治理和不停车计重收费系统的完美结合，因此动态称重是现代交通中超限超载运 输测量的主要手段和发展方向，是不停车计重收费的基础。但由于影响动态称重精度的 第一章绪论 因素较多，例如，汽车的振动、路面的不平度、汽车的速度等等。这些因素势必会使测 量精度降低，使测量结果不准确、不具说服力，为了提高动态称重系统的测量精度，国 内很多科研机构和公司一直在致力于动态称重系统的研究，但是一直以来并没有太大的 突破。而国外的设备价格十分昂贵而且没有知识产权，因此对动态称重系统进行进一步 的研究具有重要的理论和实际意义。 1 2 动态称重系统( wim ) 概述 1 2 1 动态称重系统的定义 动态称重是大宗散装货物快速自动称重计量的有效手段，在继续进行研究之前首先 明确一下公路动态称重( w e i g h i n m o t i o n 简称w i m ) 系统的定义是非常有用的。 动态称重是测量行驶车辆的动态轮胎受力并计算相应的静态车辆重量的过程；一个 动态称重系统是一套传感器和支持仪器，用来测量在特定地点特定时间一辆行驶车辆的 出现及其动态轮胎受力，计算车辆的重量、车速、轴距、车辆类型以及有关车辆的其它 参数并且处理显示和存贮这些信息。 目前国外的w i m 系统单轴载称重平均误差从5 o 3 0 不等，相应置信度为 9 0 或9 5 ，最好的w i m 系统单轴载称重误差可以优于5 0 ，但仅适应于低速场 合且成本昂贵。对大量用于轴载调查的称量系统的误差一般控制在1 5 2 5 之 内，置信度为9 0 。 1 2 2 动态称重的目的 动态称重出现之前，所有的车辆称重都是在其静止时进行的，静态车辆称量时作用 在车辆轮胎上的力正好与静态车辆向下的地心引力相等，并通过检测元件( 如传感器) 检测出来，这种整车称量是最准确的方法。但是，这种静态称重一般只是测定车辆的总 重很难测定各个单轴的重量，同时需要的路旁或路口设置专用场地或称重站，测定效率 低。澳大利亚实测结果表明，在同一条路上，永久式称重站测出的超载车辆为0 5 ， 而用动态称重装置测出的超载车辆竟达3 0 ，差别十分明显。 目前，公路车辆动态称重的目的大体可分为：贸易结算：法令规定的强制计 量；交通数据的采集。上述不同的目的的称重对于称重系统的质量要求也不相同。 贸易称重用于车辆进行整车称重，要求误差小；法定强制称重包括检测整车重以及轮荷、 轴荷、轴组荷，用于这一目的的称重，每次称量的误差也较小，而且需要在不同的位置 长安大学硕士学位论文 设置大量的检测仪，便于执法人员发现超载；各种车辆的重量、轴载、速度、轴距、车 辆类型等交通数据，对高速公路的规划、设计、建造、运行、维护、管理以及投资都必 不可少，用于此目的时，大量低精度的采样数据较少量高精度的采样数据，在分析中能 提供更好的预测资料。 1 2 3 动态称重系统的结构 从各国先后研制的w i m 系统来看，目前，w i m 系统主要有以下几种不同的结构， 如表1 1 所示。其基本差别在于车轮力的检测技术。w i m 系统检测装置的安装方法有 三种：传感器安装在路面中( 平台、平板、狭窄板) ；传感器在路面之上( 网纹板、 窄板、缆索) ；传感器在桥梁或涵洞的结构件上。 表1 1w i m 系统常见结构及相应精度 测定称重装置测定 称重装置名称设置方式精度设置方式精度 内容 名称 内容 静电电容式 称重桥静载固定式动载可移式单轴1 0 衰减器 总重1 0 利用桥梁的 总重2 3 平台式动载固定式动载可移式 单轴5 测定装置单轴2 1 2 总重5 应变片平板式 动载固定式静载4 ； 单轴4 车载式 装在车上 总重1 0 专用 压电电缆动载固定式动载 单轴1 0 1 5 尽管w i m 系统具体结构不同，但是，各国对w i m 系统研究的共同要求是：精 度高；便于移动；测定时的有效性高；耐久性，可靠性好；测定时的易隐 藏；便于维修保养；标定容易；数据存贮可靠、容量大；信息传递性好； 测定安全；o d 应备有使系统运转的电源；q 乃总成本( 设置费用、维修费用、测试 费用) 低。 与静态称重秤体结构不同的是，动态称重秤体不能自由浮动，而应该固定不动，以 减缓车辆过衡时产生的水平方向的摇晃和振动。如果可能的话，在垂直方向上也应该加 以约束，以减小秤体的垂直方向上可能产生的较大的振动。 动态称重秤体结构的动态响应特性的设计也应该给予足够的重视。合理地设计秤体 结构的固有频率蛾和阻尼比 等动态参数，以得到较快的动态响应速度。 第一章绪论 1 3 国外高速公路动态称重系统的研究现状 1 9 5 8 年，美国开始对w i m 系统进行研究；1 9 6 8 年，西德的p a t 公司开始对平板 式车辆动态称重器进行研究；1 9 7 4 年，美国首次在车辆载荷研究中使用动态称重系统； 同年法国取得了一项压电动态车辆称重器的专利，即v i b r a c o a x ；1 9 8 4 年，美国3 6 个州 推广安装动态称重系统；1 9 8 8 年，英国研制了一种性能优于v i b r a c o a x 的新型称重压电 传感器v e b e t e k 5 ；1 9 9 1 年改型为v e b e t e k 2 0 ；1 9 9 2 年，由欧洲高速公路系统研究室联盟 发起，按照欧盟运输委员会( e c t d ) i 拘程序框架制定了c o s t 3 2 3 计划，该计划主要内容 就是研究对公路行驶车辆进行动态载荷监控的相关问题，其中最重要的一项测试是在瑞 士进行为期3 0 个月的w i m 系统实际应用测试。1 9 9 4 年，欧盟开始进行w a v e 计划一 一从1 9 9 7 年6 月到1 9 9 8 年6 月在瑞典寒冷条件下进行产品系统测试，即著名的c e t ( c o l de n v i r o n m e n tt e s t ) 测试，结果表明德国p a t 、瑞士k i s t l e r 、美国m i k r o s 等公司 的产品在测量性能方面处于领先水平；2 0 0 0 年i t s 年会上展出了一种由美国m s i 公司 开发的共聚物压电轴传感器，可以同时测量车速、车轴数、轴距并进行车型分类和动态 称重。 1 4 国内高速公路动态称重系统的研究现状及存在的问题 在我国，从八十年代开始引进和消化吸收国外的动态称重系统，同时也开始了对 动态称重系统的研究。但是，引进的称重系统大都是国外的已经被替换下来的产品，存 在着各种问题，比如速度范围小，传感器庞大等。国内研究较早的是重庆公路科学研究 所，他们先后开发出了s m 2 0 0 0 、s m 3 0 0 0 动态车辆称重系统，可以应用于公路自动化 交通调查、轴载检测、限重执法等领域。山西计量测试研究所和太原工学院也联合开发 出轴计量式汽车衡，天津理工大学也开发出一套智能化动态车辆称重系统。特别是最近 几年来，国内工业界对汽车动态称重的需求有了很大的增长，许多生产厂家和公司都相 继推出了自己的动态汽车称重产品。部分典型动态称重系统有德峰精密机械有限责任公 司生产的b d z - - a e 型便携式动态轴重检测仪、合肥市正茂称重系统有限公司生产的 g c s 便携式电子汽车轴重检测仪、广东华普电器实业集团有限公司生产的x k 3 1 2 1 双 路多功能称重仪。1 9 9 6 年我省首次采用公路车辆低速动态称重设备，安装在公路超限 运输车辆行驶的路段上，在取得明显效果的基础上，对称重设备进行了改造和完善。1 9 9 8 年，省政府发布河南省人民政府关于加强超限运输车辆行驶公路管理的通告之后， 长安大学硕士学位论文 该系统在全省超限运输监控中推广使用。 目前，尽管国内对w i m 系统的研究已经有了很大进展，但在研究过程中还存在 许多问题亟待解决。主要表现在测量精度不够，适用速度范围小，所采用的传感器过于 庞大，给安装施工带来不便。其次在精度校准方面存在问题。究其原因，这主要由于以 往的称重系统采用的传感器精度不够，而且存在漂移及自校准问题。且对称重信号只做 简单的数学滤波处理，而缺乏更深一层次的信号处理技术。所以这需要较长的承载板或 较低的车辆通过速度，以保证信号经过一定的时间的衰减，稳定到一定程度才开始计量 处理。因此，必须从称重系统的硬件设计、称重信号的处理方法及动态称重的计算方法 等几方面入手，解决上述问题。 综上所述，可以发现以往w l m 系统的研究存在着下述不足： 1 ) 对车辆的动态载荷产生的干扰缺乏完整的分析，以往的研究主要致力于结构的 改进、传感器的设计等硬件方面，使其动态性能更加完善；但称重精度没有得 到应有的回报。 2 1 缺乏对w i m 系统设计理论的研究，至今w i m 系统设计大部份仍沿用静态称重 设计方法。 3 1 缺乏对车辆动态载干扰的抑制方法的研究。 钔对动态称重数据的计算方法缺乏深入的研究。 1 5 本文研究的内容综述 根据对以往国内外w i m 系统研究的分析，针对过去研究工作的不足之处，本文从 提高w i m 系统的称重精度和车辆通过速度、使高速公路w i m 系统的技术水平上一个 新台阶入手，进行了一系列关于w i m 系统设计的研究工作。 一、综合对w i m 系统称重精度影响因素以及数据处理方法，提出了全新的w i m 系统设计的基本原则，并进行称重计算模型的推导以及计算方法的设计。该方 法可以大幅度降低w i m 系统的生产、使用成本，同时充分利用称重信号蕴含 的信息。为提高车辆的通过速度提供了保证。 二、根据现有的w i m 系统滤波算法存在的不足，提出几种不同的比较先进的数 字滤波算法，排除现在普遍存在的车辆干扰，并进行比较确定出一种好的算法 从而保证在较高的车辆通过速度下w i m 系统具有较高的精度。 三、设计出全新的w i m 系统的硬件系统，改进数据传输速度，传感器精度以及 第一章绪论 漂移问题。为在保证称重精度的情况下，提高车辆的通过速度创造了巨大的空 间。 四、 利用上述提出的设计理论进行试验研究，以及试验数据的处理分析，验证 了本文提出的设计理论的正确性。 1 6 本章小结 本章主要阐述了高速公路动态称重系统的研究背景和意义，给出了动态称重系统的 定义，目前国内外的动态称重系统研究现状及存在的问题，最后说明课题研究所要做的 主要工作。 长安大学硕士学位论文 第二章高速公路动态称重系统( w lm ) 模型的设计 2 1wim 系统设计原则 2 1 1 准确度影响因素及主要对策 如图2 1 所示，被称物体( 包括汽车和载货) 用一个平行六面体代表。当它在动态 下通过称台时可以导致几个方向的运动：沿x ，y ，z 各轴移动；围绕x ，y ，z 各轴转 动。在x 轴上的摆动，表示车轴重量从车轴的一个侧面向另一侧转移；在y 轴上晃动， 表示在车轴重量前后移动；在z 轴上旋转，表示车辆在x o y 面的移动。伴随这些运动 必然引起相应的力，它们之间的相互作用和影响，使要求的重力即沿z 轴向下的力受到 严重干扰，其变化波动不断，给称重带来极大的麻烦。为了获得较为理想的结果，除了 要充分估计各干扰因素所造成的效应后果外，还应针对要害，采取行之有效的对策。克 服和解决存在的问题，现将有关情况阐述如下： 图2 1 被称重车辆的运动状态示意图 对于围绕z 轴的旋转运动和沿x 、y 轴的移动所形成的力，抑制方法主要有两 种：一是设置约束限位器，使秤台在所约束的方向上几乎没有活动间隙，而对其它方向 上则无限制，处于自由状态，常见的有滚珠式、转轮式、拉杆式等结构形式。二是选择 抗侧向力好的称重传感器，使侧向力影响最小，通过以上两种方法的采用，对水平运动 的干扰就可以得到基本的控制和消除。 对于沿x 或y 轴的摆动和晃动，因条件等差异会引起不同影响，特别是与计量 方式密切相关。在整车计量方式中，因摆动、晃动所导致的被称物重量分布的改变，对 称量结果影响较小。在车轴计量方式中，被称物重量分布的变化，会使称量结果出现较 第二章高速公路动态称重系统( w l m ) 模型的设计 大的误差。例如，在称量瞬间，被称轴重量增大，则读数变大；反之，变小。对于称台 而言，不论是高于路面( 指靠近秤台的) 还是低于路面，影响会加剧。如果再把后面牵 引拖车的情况考虑进去，其影响就更为严重。为此，车轴计量方式应对称台与路面的高 度一致性、路面质量等提出严格要求，以免产生过大的秤量误差。 动态称量的秤体结构应比单纯静态称量的秤体结构有更好的机械强度与刚度， 以保证被称车辆通过的瞬间有较小的变形，立即会将重力传递给称重传感器，获得称量 结果。为了具有较高的振动频率以及良好的动态特性，可参照动态轨道衡的做法，将其 与称重传感器一体化，即把传感器直接粘贴在秤体的承重梁上。这样就无需再另外选取 称重传感器，无需考虑如何连接、限位等问题。 称重传感器是动态汽车衡的核心环节，其性能的优劣和准确度的高低，将对衡 器产生直接影响。目前，普遍采用电阻应变式称重传感器，特别对其提出动态特性要求， 原因在于人们对客观需要认识不足，有待于规范、统一。动态汽车衡的称量时间大多为 几十毫秒到上百毫秒。在这样短的时间内，被称物的重量要经过秤体、称重传感器、采 样、放大、a d 转换、数据处理等环节传递作用，最后把结果反映出来。称重传感器作 为其中的一个关键环节，就必须具有较好的动态特性。按时域法，应有对阶跃响应的上 升时间、峰值时间、稳定时间、超调量等参数；按频域法，应有对正弦力的频宽、峰值、 相频带等参数。它们虽然在有关规程中给出了较明确的技术指标，但在目前国内外生产 的称重传感器性能中，极少见到这些参数，逼得使用者不得不在实践中摸索。为了促进 动态称重技术的发展，需要加强协调工作，制定有关的统一标准。对动态称重的特点， 称重传感器的其它性能指标，如抗侧向力、过载、温度影响、密封防潮、装卸更换等， 也不能忽视。 尽管在秤体结构设计、干扰无约束、传感器选择等方面做出了努力，但仍避免 不了动态称量输出信号的起伏波动，这与车辆的自重、载货量、行驶速度、路面状况等 密切相关。其频率较低，约3 2 0 h z ，幅值变化大时可达1 0 左右。对于因振动而引 起的干扰成分，若不积极采取技术措施处理，称量精度就很难达到预定指标。以往采用 的技术方法和措施在绪论中己述及，这些方法都没有针对车辆振动引起的低频干扰提出 可行的解决办法，致使系统精度无法提高。 2 1 2w im 系统的设计原则 由上述介绍可以看出，影响目前w i m 系统计量精度提高的主要因素是汽车行驶产 长安大学硕士学位论文 生的动态荷载对w i m 系统干扰。因为在实际使用时通过慎重选择场地，适当安装、校 准和维护可将道路的不利影响减至很小；通过规范称重操作，可避免不利的环境影响。 而车辆的速度、加速度、悬挂系统、轮胎状态等车辆因素是最不可控制的。车辆动载的 振动频率在3 - 2 0 h z 的低频范围，同时，由于轴载激励的w i m 系统的几何尺寸受到车 辆双联轴，轴间距及轮胎着地长度的限制，一般宽度( 沿车辆通过的方向) 小于l m 。 假定车辆的行驶速度为1 8 k a n h ，车辆的动态载荷频率为5 h z ，在w i m 系统固有频率 足够的情况下，w i m 系统的采样信号的长度仅为动载干扰的0 5 倍，而且动载的幅值 变化可达静载的1 0 左右，这一状况导致目前通用数学噪声消除方法失效。从而严重影 响轴载激励的w i m 系统精度和车辆通过速度的提高。( 低频噪声抑制方法，后面将作 详细的讨论) 。 由此可以看出，w i m 动态称重系统实际工况决定了以测量力为基础计算静态重量 的称重系统，在精度一定的情况下，车辆通过速度的提高存在一个极限。这也是目前提 高系统固有频率和为便于携带而减小几何尺寸的一类w i m 系统的局限所在。同时由于 工艺上的原因，像采用组合应变片金属薄片和压电电缆等，虽然系统固有频率可以做的 很高，但是若要增加尺寸宽度( 沿行车方向) 非常困难( 要求各应变片参数尽可能一致， 承载板材料尽可能均质) ，而且使用中维修、标定工作十分困难，由于传感器直接和车 轮接触，车轮冲击力很大，其可靠性和耐久性受到威胁。因此应寻求新的称重计量方法， 降低对w i m 系统固有频率的要求，以增加w i m 系统的几何尺寸，从而增加系统采样 数据的信息量。对于一个固定的w i m 系统，当称量的轴载质量不同，其动态响应是不 同的，如果能够充分利用称量时w i m 系统的动态信号就可以增加称重信号的信息量的 利用率，降低对w i m 系统自身性能的要求。 2 2wim 系统结构设计 2 2 1w im 系统结构设计原理 为了在车辆外形尺寸限制的条件下获得尽可能多的数据，同时减少维修、检测和标 定时的复杂性，采用承载单元支撑承载板的结构，这一结构通常被认为是由于承载板的 存在导致w i m 系统固有频率太低，从而影响测量时车辆的通过速度，而实际上是由于 车辆高速通过时检测到的信号太短，以致利用常规的去除噪声的方法无法有效的去除车 辆振动的低频干扰所致。这一结构在设计时除了保证承载板的自身结构刚度外，还应保 证系统具有足够的固有频率。 第二章 高速公路动态称重系统( w l m ) 模型的设计 对系统的固有频率的进行初步计算，并以此作为传感器选择的依据，为便于问题说 明以常见的四只传感器支撑承载板工作原理简图( 图2 2 ) 为例，来说明设计过程： 假定：承载板( 长宰宽) ：3 0 0 0 拳1 0 0 0 ( m m ) 承载板重量：m = l ( t ) 称量最大载荷：m = l o ( t ) 传感器刚度：k 系统阻尼比：亭 车辆动态干扰频率：允妇= 3 2 0 ( h z ) 图2 2 称重系统原理图 假定设计车辆通过速度为3 6 k m h ，此时车辆通过的时l 司出= 0 1 s ；当最低低频干 扰为5 h z 时，可获得大于0 5 个干扰周期的称重信号。只要能够找到这种短周期信号状 况下低频噪声的抑制方法，从理论上来说在这一速度下可以保证称量精度。 为保证这时有用信号( 频率无删2 古。1 0 舷) ，不失真的被检测到，系统最小固有 频率( 当系统阻尼很小时) 应为5 k ，= 5 0 h z ，同时，为后续数据便于处理，应使在 称量时被称物体质量加上承载板的质量和传感器组成的系统的自振同车辆的振动区分 开。此时，取系统自振频率6 0 h z ，由于这一频率大于前面保证信号不失真检测的固有 频率5 0 h z 。因此，根据这一频率6 0 h z ，选择传感器的类型。 根据动力学原理：当系统阻尼较小时，系统的固有颇率： 厶= 去撬堋舷 k 苫1 6 x 1 0 9 n m 也就是说，当w i m 系统的传感器刚度采用这一值时，可保证信号不失真的通过承 载板被检测到，同时称量物体时w l m 系统自身产生的激励响应和车辆振动干扰可以区 分开。 当w l m 系统传感器具有这- - n u 度时，不进行称量时系统的固有频率主要取决于承 载板的质量，此时，自振频率： ，嗽一去篪 ；一1 ，堡掣。2 0 1 舷 2 石、j 面“叭成 长安大学硕士学位论文 这一频率是w i m 系统称量时可能出现的最高频率( 被称物体最轻时) 。它将决定 传感器最小工作频带宽度，进而决定了w i m 系统的称重范围的下限。 这一刚度和工作频带目前的电阻应变式传感器即可满足。比如：弹性体为圆柱或圆 筒形的传感器其刚度一般在1 0 1 0n m 数量级，固有频率大于1 k h z 。而压电式传感器的 性能更好，一般可达几十千赫。 2 2 2w im 系统结构设计 本文设计的w i m 系统工作原理如图2 3 所示，系统的由支承板、传感器、固定链、 监视器、计算机软件以及待称重载荷。支承板长宽约1 米，长4 5 米横放在路中间，下 面是与之想连的传感器和固定链，用来采集一对车轮的载荷传感器数据，监视器用来分 析车的类型和车牌号码：首先是获取车牌号码，以确定当前称重汽车的身份；其次分析 该车的类型，以判断其有多少排车轮，以对获取的连续数据流做恰当的分割并推断特定 载荷是属于哪个汽车的。计算机根据传感器数据计算静态载荷( 每排车轮) 的重量，并 根据监视器的结果计算各个车辆的动态载荷。 图2 3w m 系统原理图 2 3 称重模型参数识别方法的设计 2 3 1 称重模型的推导 根据这一结构为充分利用系统响应的动态信息，本文提出以下重量的计量办法。为 第二二章高速公路动态称重系统( w l m ) 模型的设计 推导称重模型对上述称重系统结构作一个简化，如图2 4 所示。 图2 4 动态称重原理图 车辆从左向右以一定的速度v 通过时，承载板受到作用力有：( 1 ) 车辆的稳态载荷： p 。( f ) = m 9 6 ( x v t ) ，其中6 ( ) 为d i r a c 函数，m 为车辆折合到车轮上的重量；( 2 ) 车辆的 动态载荷p ：o ) ，在称重过程中作为噪声在信号的预处理中予以消除。当车轮行驶到距 离铰接轴线x 位置处，w l m 系统的动力学分析如下： 1 ) 车轮受到的作用力( 见图2 5 ) ： f 一心一胁一地d f 出_ a ： ( 2 1 ) 其中，f 为承载板对车轮的作用力；a 为科氏加速 度，口：2 掣y ；车辆正常行使的时候加速度口 很小，可以忽略不计。 2 ) 承载板受力( 见图2 6 ) ： 一f x + c o l 2 d _ 矿_ _ 垒膨一，窘 ( 2 2 ) ，：承载板转动惯量； c 。：折合到传感器端的等效阻尼 由( 2 1 ) 和( 2 2 ) 得 图2 5 车轮受力图 图2 6 承载板受力图 i + m x 窘+ c o l 2 儿+ k l 2 驴一姆 ( 2 3 ) 对于式( 2 3 ) 时变系统，无法应用传统的控制理论进行分析，目前也没有比较成熟而 且较实用的处理方法，所以在分析过程中采用分段线性化，把时变非线性系统看成多个 击卜 长安大学硕士学位论文 时l 刚i 司隔的线性系统，以简化分析过程。假设在一个小时i 司段l t o , o + a t j 内，式( 2 3 ) 可 以简化为： 口+ 尬。丝d t 2 + c o l 2d 口e f , + k l 2 妒= 柳+ 姆。 进行拉氏变换 妒( 5 ) 2 碱f m 瓦g x o 丽o ) + i 等而，( s ) ( 2 4 ) + 蕊f 苞丽吖p ) ( 2 川 + 吐慨券一 其中( s ) 一班，r ( s ) 一i s 2 。 实际应用中，数据处理是在离散状态下进行的，为此对( 2 4 ) 式进行z 变换 + 脚去 刍三：丝三：旦 1 4 - 口，z 一1 4 - 口，z 一2 1 一z 一1 j 圳去尚 其中口。，口：，b ，b ：与k ，l ，c 。，【j + 尬；】有关；b 3 与k ，l ，c o ，【，+ 尬；】，驴( f 。) ，驴“) 有关。 两边同乘1 ( 1 一z 。) ， 注，理论上n 只需要大于1 即可，实际中取决于w i m 的 分辨率和采样频率，本文n = 1 0 ，整理后的 1 赇，：害专仁5 ， 其中，w 与k ，l ，c 。，【，+ m x 2 ，驴( 1 0 ) ，驴( 1 0 ) 有关。 令， y ( z ) 一( 1 一z 一) k l 2 ( z ) 刖，、 善w 一。 川力5 高知 糍 土膨 坳 第二章高速公路动态称重系统( w i m ) 模型的设计 则( 2 5 ) 式简明为 y ( z ) 一t h ( z ) ( z )( 2 6 ) 变y ( z ) 为差分 y ( k ) ；k l 2 【妒( 七) 一妒( 七一) 】；k l 2 【( 七) 】n t ( 2 7 ) 通过对传感器数据的处理，我们可以得到的直接数据就是y ( 七) ，我们有如下的终值 定理： j i m y ( k ) f f i ；g 小姆酌 于是， ? ；专羔 ( 2 9 ) 因此，只要知道【t o , t o + a t 】内瞬时速度和系统的参数荟w 、口- 、口：，我们就可以计 算m 。图2 7 是一个典型的a r m a 模型。速度的测量只要用高精度的测速器就可以了， + 2 关键的问题是如何通过y ) 来获取参数荟耳、 图2 7 用于辩识目的的a r m a 模型 由上面公式推导的过程来看，采用这种动态称重方法，具有以下优点： 可以充分利用系统的动态信息而不需等待信号稳定。这一特点特别适合于车辆 长安大学硕士学位论文 的动态称重。 对于铰链结构的w i m 系统，随着车辆的行驶其模型是随着车轮的位置而变化 的：是一个时变非线性系统，所以它的跟踪误差也是随着车轮的位置不同而变化，且随 着车辆的不同而变化。而这一称重方法，不需考虑跟踪误差。 测量结果与系统的初始状态无关，因此不需考虑承载板的重量。 2 3 2 模型参数的辨识 从式( 2 6 ) 和( 2 9 ) 图2 8 出发动态称重问题已转化为一个参数识别问题。即根据一段 抽样的w i m 系统检测信号，例如从尺r 到( r + 1 ) r 共“1 点数据，估计出参数 q ：，巧，i e n + 2 】。由于上述推导过程采用了分段线性化方法，把时变非线性系统近似 看作许多小的时间段内的线性系统，并不能取无穷大，但是当f 取一个较大的数值时， 上述推导过程是近似成立的。 由于实际模型是随时间改变的，在算法的选择时应采用限定记忆的最d , - 乘算法， 这样随着时间的推移，不断补充新的信息，丢弃旧的信息。为此，先来探讨一下，参数 的可辨识性。 将差分方程和采样数据，采用矩阵符号表示： x k k 嚷+ 毛( 2 1 0 ) 式中： x k = 【y k ，y k + 1 ，y k + i 】1 ； 0 = 【a i , a 2 ，舛，k + 2 】r ； 最l 【气，气+ 1 ，e k + ，】1 ； k = 一几- 1一y i 2丁心z 地一一2 一y i一虮。l丁心+ 1 丁以一 r l y “，一1一儿+ ，2丁心“r 心+ ，一2 ( 2 1 1 ) 由于数据矩阵k 后面n 一1 列均为丁，可见，【巧k 】必奇异，一次完成型最小二乘 法不能提供唯一解。显然这里的问题与一般辨识问题有很大区别，这里的输入是给定的， 即阶跃序列，输出则属于过渡，非常短暂。如果根据一般的辨识理论，阶跃输入属于一 阶激励信号，意味着参数的可辨识条件没有满足。实际上这决不意味着完全不可辨识。 只要选用合适的算法，以避免某些形式上的困难，如嘭k 1 的求逆，完全可以获得有明 第二章高速公路动态称重系统( w i m ) 模犁的设计 确意义的结果。而逆推最小二乘算法正适合于这一情况，因为它不需要对该矩阵求逆。 然而，即便如此，我们仍无法得啄，k + ：】的独立的估计，但可得到它们之和善w 。 这是由于式中的数据矩阵k 中只有3 个独立的列，所以仅能产生3 个独立的估计，即 荟耳、口- 、口：。有了荟w 、口- 、口：以后，就已解决了动态稳重问题，在每一步递推 末了，均有： 坳：专黑 仁均 具体算法选择时，考虑到算法的稳定性及随着数据的增加在保留以前各时刻参数信 息的基础，根据新数据的信息更新参数，本文采用平方根超定递推辅助变量算法，下面 对该算法给以具体介绍：辅助变量算法在“系统辨识”特别是“动态系统参数估计中 是最受欢迎的算法之一，虽然不是非常精确，但是却相当稳健，而且比其它更精确的方 法较少受收敛问题的困扰，即使在对噪声的统计特性不知道的情况下也是如此。增加辅 助变量的数据可以提高参数的估计精度，特别是在短周期数据情况下。 辅助变量有许多选择方法。在a r m a 参数识别的问题中，通常选择输出变量的延 迟，按气zy h ， 辅助变量矩阵： z t = 此时甩一1 0 大于识别个数3 ，本文计算时取为1 4 。 这时我们的参数识别方程转化为：z ；x k 一刃k + z ；e 。 忽略e ，利用最小二乘的公式，有 口= 0 i r y ) - 1 何丁x ) 但是，实际上，这种算法是不可行的。因为：y 是一个历x 3 矩阵，当m 很大的时 候，y 7 y 和y 丁x 计算非常慢；另外得到的，y 常常是奇异的，所以丁y ) 。1 常常不存在。 长安大学硕士学位论文 我们可以直接写出0 的完整递推过程及计算步骤如表2 1 ， 表2 1 0 递推公式 通过不断更新数字y m ，进而更新向量乙+ 。，于是每一个循环中都可以利用新的信 a 号