（计算机应用技术专业论文）汽车动态称重系统算法研究.pdf

摘要 随着交通运输业的飞速发展，汽车超载现象也日益严重。车辆超载不仅破坏了 道路的结构和基础设施建设，而且影响了正常的交通运输，严重破坏了行车秩序和 行车安全，引发了大量的交通事故。有效抑制车辆超载的重要手段就是实现对车辆 的计重收费，而计重收费的关键技术就是车辆的动态称重。 目前汽车动态称重主要有检测轴载荷和轮载荷两种称重方法，本文使用轴载荷 称重的方法进行动态称重技术的研究。论文首先分析了动态载荷对动态称重精度的 影响，基于动态载荷分离的轴重信号处理思想，采用经验模态分解方法和非线性拟 合方法对动态轴重信号进行处理。 动态称重系统中汽车的速度和称重精度往往是相互矛盾的，为了解决这个问 题，论文中分别针对汽车过称台时速度的不同，采取不同的数据处理方法。在汽车 以低速和中速( 速度小于1 6 k r n h ) 通过称台时，采用经验模态分解的方法处理采集 到的数据序列。但是经验模态分解方法存在严重的端点效应。为了解决其端点效应， 论文中主要采用了镜像延拓法、次端点镜像延拓法和极值平移法三种方法抑制经验 模态分解的端点效应，对其进行了改进。在汽车以高速( 速度大于1 6 k m h ) 通过称 台时，采用非线性拟合的方法处理采集到的数据序列。 实验结果表明，汽车在速度小于1 6 k m h 时，采用改进的经验模态分解的方法 处理汽车的轴重信号，其称重精度在4 以内，达到了a s t me 1 3 1 8 9 4 标准的第 类动态称重系统的精度要求。汽车在速度大于1 6 k m h 时，采用非线性拟合的方法 处理汽车的轴重信号，其称重精度在4 以内，达到了a s t me 1 3 1 8 9 4 标准的第 类动态称重系统的精度要求。 关键词t动态称重，动态载荷，经验模态分解，非线性拟合 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h et r a n s p o r t a t i o ni n d u s t r y ，t h ev e h i c l e so v e r l o a di s c o m i n gf r o mb a dt ow o r s e t h ev e h i c l e so v e r l o a dn o to n l yd e s t r o y st h er o a d s s t r u c t u r e a n dt h ei n f r a s t r u c t u r a lf a c i l i t i e s ，b u ta l s oa f f e c t st h en o r m a lt r a n s p o r t a t i o n ，d e s t r o y st h e d r i v i n go r d e ra n dt h et r a f f i cs e r i o u s l y ，a n dc a u s e sal a r g en u m b e ro ft r a f f i ca c c i d e n t s t h ei m p o r t a n tm e a n st oe f f e c t i v e l yr e s t r a i no v e r l o a d i n gi st oc h a r g eb yw e i g h t ，a n dt h e k e yt e c h n o l o g yo fc h a r g i n gb yw e i g h ti sw e i g h - i n m o t i o n ( w i m ) a tp r e s e n t ，t h ew i m s y s t e m sw e r es t u d i e do nt h eb a s eo fw h e e ll o a da n da x l el o a d ， t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ew a yo fa x l el o a d t h ei n f l u e n c eo ft h ed y n a m i cl o a do nt h e w e i g h i n ga c c u r a c yw a sa n a l y z e d t h ep r o c e s sm e t h o db a s e do nt h ed y n a m i cl o a d s e p a r a t i o nw a sp r o p o s e d t h ep a p e ru s e de m p i r i c a lm o d ed e e o m p o s i t i o n ( e m d ) a n d n o n l i n e a rc u r v e - f i t t i n gm e t h o d st os e p a r a t et h ed y n a m i cl o a dc o n t a i n e di nw i m s i g n a l i nt h ew i ms y s t e m ，v e h i c l es p e e da n dt h ew e i g h i n ga c c u r a c ya r eo f t e nc o n f l i c t i n g i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，w et o o kd i f f e r e n td a t ap r o c e s s i n gm e t h o d sa c c o r d i n gt o t h ed i f f e r e n tv e h i c l es p e e d w eu s e de m dm e t h o dt op r o c e s st h ed a t as e q u e n c ew h e nt h e v e h i c l es p e e dw a sl e s st h a n16 k r n h b u tt h ee m dm e t h o de x i s t ss e r i o u se n de f f e c t t h e p a p e rp r e s e n t e dm i r r o r c o n t i n u a t i o nm e t h o d ，s e c o n de n d p o i n tm i r r o rc o n t i n u a t i o n m e t h o da n de x t r e a mv a l u et r a n s l a t i o nm e t h o dt or e s t r a i nt h ee n de f 诧c to ft h ee m d m e t h o d w eu s e dn o n l i n e a rc u r v e - f i t t i n gm e t h o dt op r o c e s st h ed a t as e q u e n c ew h e nt h e v e h i c l es p e e dw a sg r e a t e rt h a n16 k m h t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l tm a n i f e s t e d ：t h ee m dm e t h o dw h i c hu s e dt op r o c e s st h e d a t as e q u e n c ew h e nt h ev e h i c l es p e e di sl e s st h a n16 k m hr e a c h e dt h es t a n d a r do fa s t m e13 9 8 9 4s p e c i f i c a t i o nt y p ei vw i ms y s t e m a n di t sw e i g h i n ga c c u r a c yi si n4 t h e n o n l i n e a rc u r v e - f i t t i n gm e t h o dw h i c hu s e dt op r o c e s st h ed a t as e q u e n c ew h e nt h ev e h i c l e s p e e di sg r e a t e rt h a n16 k m hr e a c h e do fa s t me13 9 8 9 4s p e c i f i c a t i o nt y p ei vw i m s y s t e m a n di t sw e i g h i n ga c c u r a c yi si n4 k e yw o r d s ：w e i g h i n - m o t i o n ，d y n a m i cl o a d ，e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ， n o n l i n e a rc u r v e - f i t t i n g 长安大学硕士学位论文 1 1 课题的意义和目的 第一章绪论 随着经济的快速发展和高科技的迅速提高，交通运输业逐渐成为国民经济的重要命 脉，货物运输、人们出行等等都离不开交通运输业的发展。正因为如此，我国对公路建 设所投入的人力、物力、财力也逐渐加大。但是，很多不法商户为了谋取最大的经济利 益，客车超员、货车超重的现象已屡见不鲜。尤其在一些较为严重的地区，几乎所有的 客车、货车都有不同程度的超载、超重现象。车辆超载破坏了公路的结构设施、造成了 交通拥堵、引发了大量交通事故，后果非常恶劣。为了维护和修缮损坏的公路设施建设， 维护交通的顺畅和人们的正常出行，我国每年投入到公路维护和修缮的费用高达几百亿 元。因此，为了促进交通运输业和经济的更好发展，我们必须深刻地认识到车辆超载造 成的严重后果，并采取有效措施进行预防和治理车辆超载。车辆超载造成的危害十分显 著，可以概括为以下三个方面： ( 1 ) 损害了道路的结构和基础设施建设【1 3 1 ，降低了道路的质量，缩短了道路的使 用年限。超载车辆会破坏道路的内部结构，使其产生微小损伤，当损伤积累到一定的程 度，路面就会发生塑性变形。因此，道路的使用寿命受汽车轴重大小的影响。美国有关 专家曾研究过汽车的轴重与其对道路的破坏程度之间的关系，并在1 9 8 5 年提出了汽车 对道路的破坏程度与汽车轴重的n 次方成正比，如式( 1 1 ) 所示。 e f = n o m = ( 只昂) “ ( 1 1 ) 式( 1 1 ) 中：0 为在标准情况下车的通行次数；m 为实际情况下车的通行次数；p o 为 在标准情况下车的轴重；为实际情况下车的轴重；e ，为汽车对道路的破坏系数；系 数1 1 的取值在不同国家是不同的，一般在4 到5 之间。例如，在美国n = 4 2 ，在日本n = 4 0 ， 在中国则n = 4 3 5 。由式( 1 1 ) 可知，汽车超载对道路的损害程度是非常严重的。 ( 2 ) 严重破坏了行车秩序和行车安全【1 捌，引发了大量的交通事故。一方面，车辆 超载会增加轮胎的负荷，增大轮胎与路面的摩擦，使轮胎的温度升高，引起轮胎爆破， 从而引发交通事故。另一方面，当车辆长时间处于超重状态时，车辆的操纵和制动功能 就会大大减弱，从而增加了交通事故的发生概率。 ( 3 ) 影响了正常的交通运输【”】，降低了交通的通行能力。超重车辆由于超载会使其 第一章绪论 速度较正常情况下小，尤其在一些道路不平坦、坡度较大的路段更为明显，从而影响正 常的交通，降低公路的通行能力。根据通行能力计算公式，如式( 1 2 ) 所示。 ：! q q q ! ：( 1 2 ) ( 2 + 工) + v 3 6 + v 2 2 5 4 妒 式( 1 2 ) 中n 为车流量( 辆1 1 ) ：v 为车辆速度( k r r c h ) ；l 为计算的汽车平均长度( m ) ；妒 为粘着系数。 由式( 1 2 ) 知，在汽车平均长度l 不变的情况下，道路的通行能力就只与车速v 、 粘着系数咖等值有关。假设汽车平均长度l = 6 1 m ，如果正常速度为v o = 11 0 k m h ，拥堵 速度v l = 3 0 k m h ，则此路段的通行能力将由1 3 2 4 辆l l 降低到8 3 6 辆l l ，原路段通行能力 降低了3 7 。 如何有效治理车辆超载已经成为目前公路交通的重点和难点【1 ，3 1 。准确测量汽车的轴 重对于整治车辆超载具有非常重要的意义。传统的测量汽车轴重的方法是汽车静态称 重，即汽车停在称台上时测量其轴重。其优点是能获得较高的精度，误差很小。但是这 样会影响车辆的正常行驶，破坏正常的交通秩序。针对静态称重的不足，提出了动态称 重( w e i g h - i n - m o t i o n ，w l m ) 的概念，即当汽车以一定速度通过称台时，测得汽车的轴 重，而不是在汽车停止时称重。其优点是不影响正常交通，效率高。随着中华人民共 和国道路交通安全法的实施，对动态称重技术产生了巨大的市场需求。因此，汽车动 态称重技术的研究具有重要的理论意义和实用价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 2 0 世纪5 0 年代，美国首先开始进行汽车动态称重技术的研究，当时主要的研究领 域是汽车衡和桥梁式称重( b r i d g ew e i g h - i n - m o t i o n ，b w l m ) 两种形式。7 0 年代末， 随着传感器技术的发展，使称重传感器埋入路面成为可能，于是美国又开始进行动态轴 重称量技术的研究。9 0 年代中期，美国联邦公路局( a m e d c a nf e d e r a lh i g h w a y a d m i n i s t r a t i o n ，f h w a ) 开始o n b o a r dw i m 技术的研究。 欧洲对汽车动态称重技术的研究要比美国晚一些。在欧洲，2 0 世纪7 0 年代，法国 和英国首先开始进行动态称重技术的研究。随着科学技术的迅猛发展，欧洲对动态称重 技术的需求日益增加。1 9 9 2 年，欧洲国家公路研究实验室论坛( t h ef o r u mo f e u r o p e a n 2 长安大学硕士学位论文 h i g h w a yr e s e a r c hl a b o r a t o r i e s ，f e h r l ) 规定动态称重技术作为欧洲合作技术的一个重 点研究内容之一。随后运输科学和技术合作( c o - o p e r a t i o ni ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ， c o s t ) 计划中的重点内容之一c o s t 3 2 3 1 4 - 6 ( w l m l o a d ，1 9 9 3 1 9 9 8 ) 开始实施。1 9 9 6 年9 月，欧洲又开始了另一个大的合作项目w a v e t 7 - 9 ( w e i g h - i n - m o t i o no fa x l e sa n d v e h i c l e sf o re u r o p e ) 的研究工作。 1 2 2 国内研究现状 改革开放前中国的经济发展非常缓慢，人们出行基本都是靠步行的，尤其是在农村， 有自行车的农户也屈指可数，公路和车辆也非常少，在这个时候，动态称重技术的研究 还未起步；改革开放后，随着经济的快速发展和科技的迅速提高，车辆和公路逐渐增加， 同时车辆超载现象也开始渐露端倪，在这个时候，对动态称重技术的需求开始增大。2 0 世纪8 0 年代，首先开始了对汽车整车称重技术的研究，并且取得了一定的成绩，但是 限于当时的条件，汽车必须完全进入秤台后才能进行整车称重，效率很低，称重误差较 大，并且影响正常的交通秩序；进入9 0 年代，又开始进行轴重秤的研究，并取得了一 定的成效；2 0 0 0 年，国家颁布了超限运输车辆行驶公路管理规定，其实施加快了动 态称重技术研究的步伐；2 0 0 4 年，国家又颁布了中华人民共和国道路交通安全法， 其实施掀起了研究动态称重技术的高潮。目前国内常见的动态称重方式主要有两种： ( 1 ) 便携式动态称重系统 便携式低速动态称重系统主要由引桥、秤台、数据采集和处理箱等几部分组成，如 图1 1 所示。便携式低速动态称重系统必需安装在一段非常平坦的路面上，这样才能获 得较高的准确度。首先把左、右秤台分别平放在路面上，然后在秤台前、后方向安装引 桥和斜坡。为了保证轴重称量的精度，秤台前后的引桥需要保持平坦，引桥的长度至少 应大于车辆的最大轴距。其主要特点是：安装方便、便于携带及流动，可以方便有效地 检测超载车辆。但是称量精度较低。 l 左秤台 | i 右秤台 图1 1 便携式低速称重系统 3 第一章绪论 ( 2 ) 应变式动态称重系统 应变式轴重秤是国内最常用的动态称重系统。如图1 2 所示，在平坦的路面上挖一 个基坑，并用水泥浇注基坑的四周和底面，把电阻应变片式传感器安装在基坑底面，然 后在传感器上安装秤台，并使秤台和路面保持平行。为了识别双联轴或多联轴，秤台的 长度l ( 汽车前进方向) 一般小于0 9 米。其主要特点是：结构简单、称量精度高，精 度可达到1 5 ，可以用于计重收费、交通执法等方面。但是对汽车过称台的速度 有严格的要求，一般要求速度必须小于l o k m h 。 图1 2 应变轴重秤 1 3 现有数据处理方法及存在问题 称重信号的处理方法是影响汽车动态称重系统称量精度的最主要的因素。要想获得 较高的称量精度，就要选择合适的数据处理方法。下面主要介绍几种在汽车动态称重系 统中常用的数据处理方法： 1 基于取平均值的方法 基于取平均值【7 ，8 】的方法是选取数据序列的平稳区段，然后对其求平均值，从而得到 汽车的真实轴重。理论上该方法是可行的，并且可以取得一定的称量精度。但是在实际 应用中，由于轮胎与路面的摩擦、发动机的偏心振动、油料燃烧不均匀等诸多原因引起 的动态载荷的存在，很难在数据序列中找到相对平稳的区段，从而此方法变得不可行。 2 基于系统辨识和参数估计的方法 基于系统辨识和参数估计的方法【9 l 川是把汽车动态称重系统简化成质量弹簧一阻尼 的单自由度或双自由度称量模型( 其模型图分别如图1 3 和图1 4 所示1 1 1 】) 。然后根据牛 顿定律，建立汽车动态称重系统模型的动力学方程，采用最小二乘法对参数进行估计， 根据模型参数的估计就可以计算出汽车动态称重系统中汽车的真实轴重。 在实际应用中，基于系统辨识和参数估计的方法存在的主要问题是：汽车必须关闭 4 长安大学硕士学位论文 发动机滑行通过称台才可以。虽然在徐光华的实验中取得了良好的实验效果，但在实 际应用中是不适用的。 s l s 图1 3 质量弹簧阻尼的双自由度称量模型 其中毛，q 为汽车的刚度和阻尼系数；k ，c 为传感器的刚度和阻尼系数；m 为作用 在弹簧霸的等效质量；m 为称台的质量；q 为汽车的轴重；s 和而分别为称重台面位移 和汽车减振簧上支撑点的位移。 图1 4 质量弹簧阻尼的单自由度称量模型 其中m 为被测车的质量；m 为称重平台的质量；k ，f 分别为系统的刚度和阻尼系 数。 3 基于神经网络的数据处理方法 神经网络可以实现网络输入和输出之间任意精度的映射。从理论上讲，只要训练样 本足够多、足够全面( 在汽车动态称重系统中主要指各种车型、各种速度、各种载重、 各种车况、各种路面等等) ，就能建立轴重信号的特征量和汽车实际轴重的非线性模型， 消除各种干扰因素对称量精度的影响，提高动态称重精度。但在实际应用中要获得足够 多、足够全面的训练样本是十分困难的，其代价也是很大的。因此只能根据有限的训练 样本( 若干种车型、速度、载重) 得到合理的网络结构和网络参数，并且使该网络结构 5 6to q f 第一章绪论 和网络参数具有良好的通用性。 4 经验模态分解( e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ，e m d ) 的数据处理方法 经验模态分解方法是由美国国家航空航天局( n a t i o n a la e r o n a u t i c sa n ds p a c e a d m i n i s t r a t i o n ，n a s a ) 的h u a n g 1 2 1 在1 9 9 8 年提出的。该方法认为【1 2 】任何信号都可以分 解为若干个不同的本征模态函数( i n t r i n s i cm o d ef u n c t i o n ，i m f ) 和一个残余量( 稳态 量) 。其中各个本征模态函数反映了信号的局部特性，残余量反映了信号的趋势或均值。 于哲峰【1 3 】利用经验模态分解方法进行了汽车动态称重的仿真实验，取得了良好的效果。 但是他的实验仅局限在对汽车模型进行仿真实验，并没有进行实测车辆的实验。并且他 在用经验模态分解方法进行数据处理时，没有考虑经验模态分解方法本身存在的端点效 应、虚假模态、模态混叠等问题。 由上述可以看出，现有的数据处理方法主要是以取平均值的方法和系统辨识的方法 为主，对影响汽车动态称重精度的动态载荷缺乏认知，没有从原理上消除动态载荷对称 量精度的影响。 1 4 论文所做的主要工作 论文主要围绕如何采取有效的数据处理方法减弱或消除动态载荷对动态称重的影 响，从而提高汽车动态称重系统的称量精度。论文所做的主要工作有：( 1 ) 动态载荷的 有关知识。分析动态载荷的分类以及对动态称重的影响；( 2 ) 基于经验模态分解的数据 处理方法。分析了经验模态分解方法本身存在的问题：端点效应、虚假模态、模态混叠 等等，并给出了解决这些问题的方法，然后将改进的经验模态分解的方法应用到汽车动 态称重中，并进行了m a t l a b 仿真；( 3 ) 非线性拟合的方法。在汽车动态称重系统中， 针对汽车速度大于1 6 k m h 时不能用经验模态分解方法进行数据处理的问题，给出了非 线性拟合的方法处理数据，并进行了m a t l a b 仿真。本文具体组织结构如下所示： 第一章：绪论 分析了课题的研究背景及研究意义，概括了国内外现状，总结了现有的汽车动态称 重系统的数据处理方法，并分析了每种方法的特点及存在的问题。 第二章：汽车动态称重系统的构成和运动状态分析 概括分析了汽车动态称重系统的构成，分析了汽车整体运动状态。分析了动态载荷 对汽车动态称重精度的影响。 第三章：基于经验模态分解的称重信号的处理 6 长安大学硕士学位论文 介绍了经验模态分解的方法，分析了经验模态分解方法本身存在的端点效应、虚假 模态和模态混叠等问题，并给出了镜像延拓法、次端点镜像法、极值平移法三种方法处 理经验模态分解方法的端点效应，改进了经验模态分解方法。并将改进的经验模态分解 方法应用到汽车动态称重系统中。在汽车速度不大于1 6 k m h 时，用此方法处理采集到 的数据序列取得了较好的效果，其称重精度在4 以内，达到了a s t me 1 3 1 8 9 4 标准的 第类动态称重系统的精度要求。 第四章：非线性拟合方法的称重信号处理 针对在汽车动态称重系统中汽车速度大于1 6 k m h 时经验模态分解方法不适用的问 题，给出了非线性拟合方法处理。其称重精度在4 以内，达到了a s t me 1 3 1 8 9 4 标准 的第类动态称重系统的精度要求。 第五章：总结与展望 对本文的工作进行了总结，并对以后的工作进行了展望。 7 第二章汽车动态称重技术 第二章汽车动态称重技术 2 1 汽车动态称重系统构成 汽车动态称重系统由称重台面系统( 主要包括称重平台、称重梁、拉杆限位装置) 、 电阻应变片称重传感器、接线盒和数据处理与显示单元四部分组成。其系统构成示意图 如图2 1 所示。 称重平台 图2 1 汽车动态称重系统构成图 在一段平整的路面上挖一个基坑，用混凝土浇注好基坑的四周及底面，把四支电阻 应变片称重传感器安装在基坑的底面，把称重平台安置在传感器上，并使之与路面平行。 当汽车以一定的速度经过称重平台时，称重平台将汽车的轴重传递给电阻应变片称重传 感器，传感器将感受到的汽车轴重按比例转换成模拟电信号，四只传感器的输出通过接 线盒后送到数据处理单元，数据处理单元将接收到的模拟电信号经过a d 转换后变成数 字信号，经一系列数据处理后计算出汽车的真实轴重值。 2 2 汽车动态称重相关规范 目前，国际上关于汽车动态称重系统的标准是由美国德克萨斯大学在1 9 9 5 年公布 的a s t me 1 3 1 8 9 4 标准【1 4 1 ，该标准是通过了美国试验及材料协会( a m e r i c a ns o c i e t yf o r t e s t i n gm a t e r i a l , a s t m ) 标准委员认定。a s t me 1 3 1 8 9 4 标准是目前国际上唯一一个正 式发布的汽车动态称重系统标准，在国际上被广泛采用。表2 1 给出了汽车动态称重系 统的基本分类，根据车速范围、应用场合和车道的不同将汽车动态称重系统分为i 、i i 、 、四类【1 4 】。表2 2 为不同类型汽车动态称重系统的精度要求，分别给出了i 、i i 、 、四类汽车动态称重系统中的轮载荷、轴载荷、轴群载荷、车辆载荷的精度要求。 r 长安大学硕士学位论文 表2 1a s t m 动态称重系统类型分类( e 1 3 1 8 - 9 4 标准) 分类 项目 i 类 i i 类 类类 车速范围 1 6 1 l3 k m h1 6 11 3 k m h2 4 8 0 k m h0 1 6 k r n h 应用场合交通数据采集交通数据采集车辆载荷检查站车辆载荷检查站 车道四车道以上四车道以上二车道以上二车道以上 表2 2a s t m 动态称重系统精度要求( e 1 3 1 8 - 9 4 标准) 精度( 置信度9 5 ) 功能 i 类类类 类 轮载荷 2 5 2 0 4 5 轴载荷 2 0 3 0 1 5 4 0 轴群载荷1 5 2 0 1 0 4 4 车辆载荷 l o 1 5 6 4 - 4 0 由表2 1 可以看出，不同类型的汽车动态称重系统的车速范围和应用场合是不同的。 其中第1 类汽车动态称重系统为固定式系统，适用车速范围是1 6 k i n h - 11 3 k m h ，主要 用于交通数据采集；第1 i 类汽车动态称重系统为移动式系统，适用车速范围是 1 6 k m h - 1 1 3 k r n h ，主要用于交通数据采集；第1 类汽车动态称重系统为测重站系统，适 用车速范围为2 4 k m h 8 0 k m h ，主要用于识别可能超载的车辆，辅助实施限重法规；第 类汽车动态称重系统为测重站系统，适用车速范围为0 k m h - 1 6 k m h ，主要用于识别 超载车辆，辅助实施限重法规。 a s t me 1 3 1 8 9 4 标准有以下几个特剧1 5 】：在汽车动态称重系统中，规定高速动 态称重系统与低速动态称重系统区分的标准是：前者的速度大于1 6 k m h ，而后者的速 度小于1 6 k m h ；在汽车动态称重系统中，规定用于执法目的的高速动态称重系统( 第 i 类汽车动态称重系统) 的总重误差为6 ，用于执法目的的低速动态称重系统( 第 类汽车动态称重系统) 总重误差为1 1 0 0 k g ( 按最小秤重4 计算) ；在汽车动态称重 系统中，规定对于精度误差不采用绝对的最大允许误差概念，而采用置信度，这个规定 符合汽车动态称重的真实理论特性以及概率原理。 9 第二章汽车动态称重技术 2 3 汽车动态称重系统模型 汽车动态称重时，汽车以一定的速度通过称台，汽车在运动过程中由于发动机的偏 心转动、轮胎与称台的摩擦、油料燃烧不均匀等都会导致汽车运动的复杂性。作用在称 台上的力除汽车的真实重量外，还有许多因素产生的干扰，如：车辆自身谐振、路面激 励、轮胎驱动力等等。由于干扰因素的存在，使汽车的真实重量被淹没在各种干扰中， 严重影响了汽车动态称重的精度。下面将分析汽车的整体运动、动态载荷、汽车的速度 对汽车动态称重的影响。 2 3 1 汽车整体运动分析 汽车的运动，不仅指汽车沿其行驶方向的移动，还存在所有方位上的各种不同形式 的运动。由物理学知识知：运动是物体受力的外在表现形式，有运动必然存在力。汽车 运动时的受力情况在很大程度上影响汽车动态称重的准确性。目前国内外通常采用图 2 2 所示的力学模型研究两轴式汽车的运动状态和动力特性【1 6 】。此模型用一个放置在三 维坐标系中的六面体来代表行驶汽车。在该模型中通常是设汽车在平整的路面上行驶， 汽车行驶的坐标系x - y z ，以汽车纵向水平轴为x 轴，前进方向为正；在x 轴所在的 水平面上，过原点与x 轴垂直方向为y 轴，以左侧为正；过原点与x - y 轴垂直的方向 为z 轴，以向上为正，坐标系符合右手定则。下面就来分析其在不同方位上的运动状况 并分析各种干扰力及其对动态称重的影响程度，从而简化模型。 图2 2 汽车运动和动力分析模型 运动着的汽车有如下六类运动状态：分别沿x ，y ，z 轴方向的平移运动和分别绕 x 轴的滚动、绕y 轴的俯仰运动、绕z 轴的旋转运动，六个自由度的运动。通过大量 1 0 长安大学硕士学位论文 的实践表明其中只有绕y 轴的俯仰运动和沿z 轴方向的平移运动动对汽车的动态称重 有影响【1 7 】。现对这两个方向的运动做分析。 ( 1 ) 汽车绕y 轴的俯仰运动 汽车绕y 轴的俯仰，是指汽车的重量从前轴转移到后轴或者从后轴转移到前轴。轮 轴之间重量的转移会影响汽车动态称重的精确度。例如，当汽车遇到下俯的情况时，在 前轴称重瞬间，前轴的下俯会使后轴重量部分转移到前轴，因此，会造成前轴轴重的测 量值偏大；继而在后轴驶入平台时，后轴的下俯也会使前轴重量部分转移到后轴，因此， 会造成后轴轴重测量值偏大。当汽车遇到上仰的情况时，与汽车下俯的情况刚好相反， 其测量值会偏小。 ( 2 ) 汽车沿z 轴方向的平移运动 汽车沿z 轴方向的平移运动，是指汽车沿z 轴方向的上下运动。很显然这种运动将 影响重量读数，因为它会像俯仰一样产生垂直分力。 对于影响汽车动态称重精度的汽车绕y 轴的俯仰运动和汽车沿z 轴方向的平移运 动这两类运动，其中汽车绕y 轴的俯仰运动可以通过下列两个方法予以减弱或消除： 保持道路表面的平整度，使道路表面光滑平坦；汽车在称台上行驶时要以一定的速度 匀速通过，禁止突然刹车、突然变速( 加速或者减速) 或者突然转弯。但汽车沿z 轴方 向的平移运动，即汽车垂直振动的影响是很难消除的，这与汽车本身的自重、发动机的 偏心转动、汽车的载货量、油料燃烧的不均匀、汽车的行驶速度、路面不平坦等因素有 关。下面将介绍汽车振动的影响。 2 3 2 汽车的动态载荷分析 在汽车行驶过程中，引起汽车振动的原因很多。主要分为以下三类【1 7 】： ( 1 ) 汽车自身的各种因素引起的振动。主要指轮胎本身的花纹引起的振动、汽车 行驶时发动机的偏心转动引起的振动、驾驶员操作不稳定性( 如变速、刹车、转向等) 引起的振动以及油料燃烧不均匀引起的振动等。 ( 2 ) 路面不平整引起的振动。由于路面总是存在一定程度的不平整，因而汽车在 上面行驶时会产生或大或小的位移扰动，从而引起汽车振动。尤其是在凹凸不平和高低 起伏的路面上，汽车的轮子发生位移扰动更为严重，引起的振动也更为严重。像路面的 裂缝、公路与桥梁的接缝等引起的汽车振动都属于不平整度引起汽车振动的范畴。 ( 3 ) 汽车路面耦合产生的振动。汽车在路面上行驶时，对路面施加了外力， 第二章汽车动态称重技术 路面在外力作用下会产生振动，这种振动会反作用在它上面行驶的汽车上，从而产生了 耦合振动。 为了区分汽车因自身重量产生的载荷汽车的静态轴重，把这种由于汽车振动造 成的载荷称为动态载荷1 7 1 。对汽车动态称重系统而言，在称重过程中作用在秤台上的力 可以看作是由汽车静态轴重和动态载荷两部分组成的【1 7 l 。其中动态载荷是影响汽车动态 称重精度的最主要因素1 7 1 。陈秉冲1 8 1 等人分析了动态载荷的三维频谱图，发现动态载荷 的频率范围主要在3 0 h z 以内。 2 3 3 汽车速度影响分析 大量实验证实，在汽车动态称重系统中，汽车通过称台时的速度会对称重精度有较 大影响。下面分别从汽车匀速运动和变速运动两个方面分析汽车速度对称重结果准确度 的影响【1 9 1 。 ( 1 ) 汽车匀速运动时速度对汽车轴重的影响【1 9 1 根据物理学知识知：汽车以一定速度驶过称台时，称台会产生振动。把称台看作一 个弹性系统，汽车自身谐振频率为q 。当汽车的一个轮轴通过称台时，称重系统的动力 学方程为： ( m 圳象+ y 鲁缸= m g c o s 郇 ( 2 1 ) 上式中，m 为汽车某一轮轴的静态轴重，k 为称重传感器的刚度，y 为称重传感器的阻 尼系数，x 为称台的位移，m 为称台本身的重量，g 为重力加速度。令 西= 熹挪= 忐，石= 而m ( 2 2 ) 其中j 8 为阻尼因数，为系统的固有角频率，则动力学方程变为： 拿埘鲁+ t 0 0 2 x _ - - 五c o s 婶 ( 2 3 ) 该方程的通解为： x - - - - 4 e 一肛c o s ( c o d + a ) + 4c o s ( 唧+ 缈) ( 2 4 ) 其中4 、鸣、a 、9 是由初始条件设定的， 咤= 西一卢2 ( 2 5 ) 1 2 长安大学硕士学位论文 式( 2 4 ) 中的e 一肛e o s ( c 0 2 t + a ) 为由阻尼引起的振动项，由于汽车过称台的时间非常短， 因而此项振幅的衰减可以忽略。4c o s ( o 。l t + 9 ) 为受迫力引起的谐振项，由于汽车过称台 时间非常短且汽车自身谐振频率低，此项可视为常数。这样微分方程( 2 3 ) 的解可表示 为： x = 4 c o s ( t 0 2 t + a ) + ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 中，而= 警。由于振动引起的称重绝对误差为： e = k x m g = 鸽c o s ( o d 2 t + a ) ( 2 7 ) 在动态称重系统中，称量误差与数据处理方法关系很大。目前，一般采用多次采样 或者积分采样求平均的方法来处理数据，此时引起的绝对误差为： 虿= 吾j c r 砌 ( 2 8 ) 式( 2 8 ) 中f = 三矿，v 为汽车行驶的速度，l 为称台台板长度。取口= 万2 ，则相对 误差为： 艿= 三= 三s i 。l l ( 生)泣2mg l _ x o ：v 9 ，d = = l _ 三l( 9 ) l 由上式可以发现，随着汽车速度的增加，相对误差也逐渐增大。当汽车的行驶速度 在o 5 k m h 时，相对误差较小【2 0 】。随着速度的不断提高，相对误差急剧增加，随后逐渐 趋于平缓凹1 。随着车速的提高，测量误差明显增大，当车速达到3 0 k m h 以上时，该误 差可以达到3 0 1 2 0 l 。 ( 2 ) 变速运动时对汽车称重结果的影响【1 9 1 当汽车以变速运动状态( 加速或减速) 通过称台时，汽车的受力分析如图2 3 所示。 i b 2 o b l 厂、厂 、 l ，切 bwa 图2 3 汽车加速时受力分析模型图 在图2 3 中，假设汽车以匀速直线运动方式通过称台时，其前轴的称重结果为， 1 3 第二章汽车动态称重技术 后轴的称重结果为，则汽车整车重量为w = 彤+ 。 当汽车以加速度a 通过称台时，假设前轴称重时驱动力为互，前轴称重结果为彤， 汽车重心到a 点的垂直距离为岛。后轴称重时驱动力为e ，后轴称重结果为形，汽车 重心到b 点的垂直距离为6 。汽车轮轴与地面的垂直距离为d ，汽车前轴与后轴的距离 为b 。汽车通过称台时，汽车对a 、b 两点的转轴的力矩应为0 。从而 前轴称重时对b 点： 鸭+ s a - - b ( 2 1 0 ) 后轴称重时对a 点： r v b , - 6 a = 哟 ( 2 1 1 ) 由( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 可得： = ( r r r b 2 + f , a ) b ( 2 1 2 ) 形= ( 眄一e a ) b ( 2 1 3 ) 汽车整车重量： 形= + 以= ( 吩+ 鸭+ 5 d - 6 a ) b 形 ( 2 1 4 ) 由以上论述可以得出，汽车以变速运动方式驶过称台时的称重结果与汽车以匀速运 动方式通过称台时的称重结果是不相等的。因此，在汽车动态称重系统中，汽车应以匀 速直线运动方式通过称台。 综上所述，在汽车动态称重系统中，汽车过称台时的行驶速度的大小以及速度大小 的变化( 加速、减速) 都会影响动态称重精度。为了获得较高的称重精度，汽车要以低 速且匀速状态通过称台。 综上所述，汽车过称台的速度对称重结果有着很大的影响。下面将通过对不同重量 的汽车在不同速度的情况下过秤台时的实际信号进行分析处理，来分析汽车重量和速度 对称重结果的影响。 2 4 实际信号分析 2 4 1 汽车过称台分析 理想情况下汽车经过秤台时的波形应为图2 4 中虚线所示的梯形波。其中上升沿和 下降沿分别是汽车上下秤台的过程，并且对于不同型号的汽车、不同的速度、不同的载重 其上升沿和下降沿的长度是不相同。但是实际测得的汽车驶过称台的信号却是如图2 4 中实线所示的波形。这主要是因为秤台是一个二阶阻尼系统，当汽车进入秤台后会产生过 1 4 长安大学硕士学位论文 冲现象【2 1 1 。对波形进行频谱分析，可以发现频率主要集中在低频部分，信号最高频率为 4 0 h z 。可以采用巴特沃兹低通数字滤波器滤除混杂在汽车动态称重信号中的高频干扰。 但是这种简单的滤波方法无法消除如下两类误差【2 2 1 ，第一类是轮胎刚度对动态称重精度 的影响：第二类是汽车振动对动态称重精度的影响。对于由轮胎刚度产生的影响，对称 重结果的影响不大，并且目前也没有好的方法消除这类影响，本文中暂不考虑。对于汽 车振动产生的影响，振幅有可能达到汽车真实轴重的1 0 ，所以必须采取有效的数据处 理方法消除其对动态称重的影响。 o 5 o 1 o 3 m v 0 2 o 1 0 0 1 实两 波j臣 7 ， 飞 l 理舞l 波眵 y ： ：j l 列 t 苎llk， 5 67 891 01 11 2 1 31 41 5x 1 0 0 图2 4 汽车轮胎经过称台波形图 2 4 2 实验数据分析 选取两组数据，主要分析速度和载重对动态载荷的影响。采样频率5 0 0 h z 。第一组 数据：一辆两轴卡车，车重5 0 0 0 k g 。第二组数据：一辆两轴卡车，车重15 0 0 0 k g 。图2 5 和图2 6 分别为此两辆车在不同速度和不同载重情况下的称重信号以及信号的频率分 析。 ( 曩) 速度5 1 u n h 时的称重信号( b ) 速度$ k m h 时的信号幅频图 1 5 第二章汽车动态称重技术 ( c ) 速度1 6 k m h 时的称重信号( d ) 速度1 6 k m h 时的信号幅频图 ( e ) 速度3 5 k l n h 时的称重信号( f ) 速度3 5 k m h 时的信号幅频图 图2 5 5 0 0 0 k g 卡车信号及其幅频 ( 曩) 速度5 k m h 时的称重信号( b ) 速度5 k m h 时的信号幅频图 图2 6 两轴1 5 0 0 0 k g 卡车信号及其幅频 由图2 5 中的( b ) 、( d ) 、( f ) 和图2 6 的( b ) 可以看出，汽车动态载荷的频率主 要集中在3 0 h z 以内。图2 5 ( b ) 、( d ) 中信号主要频率( 3 0 h z 以下频率) 分别为：6 6 2 、 l o 6 6 、1 3 5 4 、1 9 8 7 和7 2 0 、1 1 8 1 、1 4 1 l 、2 2 7 5 ，车速从5 k m h 变化到1 6 k m h 时频率 变化的绝对值为o 5 8 、1 1 5 、o 5 7 、2 8 8 ：图2 5 ( d ) 、( f ) 中信号主要频率( 3 0 h z 下频 率) 分别为：7 2 0 、1 1 8 1 、1 4 1 1 、2 2 7 5 和9 5 0 、1 6 4 2 、2 4 4 8 、3 0 8 2 ，车速从1 6 m h 1 6 长安大学硕士学位论文 变化到3 5 k m h 时频率变化的绝对值为2 3 0 、4 6 l 、1 0 3 7 、8 0 8 。因此可以看出，随着 汽车速度的增加，动态载荷的频率也增加了。图2 5 ( b ) 和图2 6 ( b ) 中信号主要频率 分别为：6 6 2 、1 0 6 6 、1 3 5 4 、1 9 8 7 、和6 6 2 、8 9 3 、1 1 8 1 、1 8 7 2 ，车量重量从5 0 0 0 k g 变化到1 5 0 0 0 k g 时频率变化的绝对值为0 、1 7 3 、1 7 3 、1 1 5 。可以看出随着汽车重量的 增加，动态载荷的频率降低了。 1 7 第三章基于经验模态分解的称重信号处理 第三章基于经验模态分解的称重信号处理 在前一章己经分析，汽车以一定速度通过称台时，由于汽车本身的因素( 发动机转 动、轮胎与地面的摩擦、汽车变速、刹车、转向、油料燃烧不均匀等) 、汽车一路面耦 合、路面不平整等因素引起汽车振动，形成动态载荷。由前一章知，动态载荷的振幅可 达到汽车真实轴重的1 0 以上，频率一般在3 0 h z 以内。仅靠数字滤波的方法并不能消 除这些动态载荷对动态称重的影响，