平板式动态称重系统的算法设计

郁峰

摘 要： 目前国内对于超载超限车辆的治理和执法普遍采用板式和条状传感器作为感知元件的动态称重系统。鉴于这两种动态称重系统受车辆自身振动信号的干扰，且没有一种行之有效的滤波算法进行彻底滤除，导致称重误差偏大、不能完全满足超载超限执法对称重精度的要求。因此本文从车辆自身振动产生的原因分析入手，针对性的对平板式动态称重系统提出解决方案。

关键词： 板式传感器;条状传感器;动态称重系统;振动;平板式动态称重系统

【中图分类号】TH715.12     【文献标识码】B     【文章编号】1674-3733（2020）17-0212-02

1 车辆振动与荷载研究

车辆在路面上行驶，轮胎对路面产生的作用除了车辆、货物的重力外，还有汽车振动产生的振动冲击力[21]等。这些力随路况、交通工具状况不同而变化，其中有竖向力、横向力和纵向力等。如何消除各种干扰力的影响，得到真实的汽车重量信号，成为了平板式动态称重研究的核心问题。

1.1 车辆运动状态分析

对于动态荷载测量而言，测量的对象就是车辆由于运动产生的动态轮胎力。动态轮胎力是由车辆运动产生的，所以我们首先来研究车辆的动态状态对动态荷载测量的影响。汽车运动，狭义来讲，只是沿其行驶方向移动;广义来讲，则不仅仅只是沿行驶方向移动，而是在所有方位上都存在着各种不同形式的运动。运动是力存在的表现形式。有运动就有力的存在，这些力将影响动态荷载测量系统的准确性。

图1 简化的车辆运动模型

如图 1 所示长方体被称物体 （包括汽车和载货）用一平行六面体代表。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軸上的滚动，表示车轴重量从轴的一侧向另一侧转移;在Y轴 上俯仰，表示在车轴重量从前轴向后轴移;在 Z轴上旋转，表示在 XOY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，给称重带来了极大的麻烦。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。

1.2 车辆动态荷载分析

设有车辆荷载沿X轴以匀速 V运动，车辆对路面的作用力

F（x，t，V）=P0（t） δ（x-Vt）

P0（t）：称为动力荷载，它由稳态荷载P1（t）和动态（或瞬态）荷载P2（t）组成;

P1（t）：是车辆自身重量引起，也是本文需要求出的;

P2（t）：产生的因素很多，但主要是由车辆自振引起：

如果为了描述车辆的振动情况，但又不希望过于复杂，那么可用简谐振动的荷载来进行分析; 随机振动荷载是比较完善的模型，实际应用中可用：

P2（t）=∑∞k=1Aksin（kωt+θk）

由此可以得出重量信号的数学模型为：

Y（t）=M+P2（t）

M——稳态载荷;

k——噪声包含正弦分量的个数;

Ak——各正弦分量的幅值;

θk——各正弦分量初始相位;

对于车辆称重中自振的低频周期干扰研究已经非常多，而且大部分车辆的振动频率都在1-6（Hz）的低频范围内。鉴于一般动态称重系统都安装于国省道路上，车流量大、车速快。因此称重仪在计算重量的过程中算法不能过于复杂而占用太多的时间。本论文规定了一些参数，采样频率为5Khz，取样样本为每间隔10ms取一个数据，取7个样本。每辆车只取一次谐波。根据所述参数建立数学模型就相对简单了，数学模型简化为：

Y（t）=M+Asin（2πft+θ）

表1为7组采集样本数据：

把7个样本数据和1-6 （Hz）的6个频率依次代入模型中利用最小二乘法拟合出M、A、θ等参数，最后对不同频率拟合出来的曲线做偏差平方和，取偏差平方和最小的那组参数做为我们所要求的精度最高的稳态载荷。

通过图2计算流程最终得出本车辆在自振频率为5Hz情况下，也就是：

Y（t）=M+Asin（10πt+θ）

公式拟合最接近实测波形平方差和最小，曲线拟合如图4.11：

T=∑0.06t=0[f（t）-Y（t）]2

通过以下方程组就可以求解出M、A、C的值。

TM（M，A，C）=0

TC（M，A，C）=0

TA（M，A，C）=0

拟合结果参数：

M=6312;A=-556;θ=-0.873π;

由参数得出完整公式：

Y（t）=6312-556sin（10πt-0.873π）

其中M为车辆的真实重量即6312Kg。以上实验数据由江西赣州的点位测试得来，测试车辆为2轴重量6.46吨卡车，相比误差为-2.29%，符合国标5级精度。由此说明本设定条件和算法拟合公式符合车辆动态称重的精度要求。

参考文献

[1] 汪兆栋等.动态称重系统的试验数据采集与处理方法[J].科技信息，2008，（09）：1-2.

[2] JJG 907-2006.动态汽车衡[S].

[3] JJG（豫）122-2000.动态轴重仪[S].

[4] 中华人民共和国交通部2002年公路水路交通行业发展统计公报[N].

[5] 全国治理车辆超限超载工作简报 第（4）期[N].

[6] 秦树伟，马丙辉，陈洁.动态称重系统在超载超限非现场执法中的应用研究[J].衡器，2019（11）：11-14.

[7] 高彤彤.基于压电薄膜的车辆动态称重系统的研究与实现[J].山西大学，2019（06）：54.

[8] 辛梅.基于神经网络的车辆动态称重系统设计和应用[J].微型电脑应用，2020（05）：142-144.

[9] 马毓宏.车辆动态称重数据采集处理系统的设计与实现[J].山西大学，2018（06）：75.