(論文)動(dòng)態(tài)汽車衡的動(dòng)態(tài)特性分析與數(shù)據(jù)處理(2013年優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)論文)

北京化工大學(xué) 碩士學(xué)位論文 動(dòng)態(tài)汽車衡的動(dòng)態(tài)特性分析與數(shù)據(jù)處理 姓名：張剛 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士 專業(yè)：機(jī)械電子工程 指導(dǎo)教師：王琳 20090612 摘要 動(dòng)態(tài)汽車衡動(dòng)態(tài)特性分析和數(shù)據(jù)處理 摘要 隨著國(guó)內(nèi)高速公路建設(shè)的快速發(fā)展，同時(shí)伴隨汽車超載狀況的加 劇，車輛動(dòng)態(tài)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)由傳統(tǒng)的按車型計(jì)費(fèi)逐步發(fā)展為動(dòng)態(tài)稱重計(jì)費(fèi) 系統(tǒng)。動(dòng)態(tài)汽車衡因其能在汽車行駛中進(jìn)行稱重，具有速度快、效率 高、不干擾正常交通等特點(diǎn)，在實(shí)際工作中得到廣泛應(yīng)用。這些產(chǎn)品 主要問題有：適應(yīng)車速范圍小，測(cè)量精度不高。如何提高適應(yīng)車速范 圍和動(dòng)態(tài)稱重精度，就成了車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)中的技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵。 在動(dòng)態(tài)汽車衡承載器的設(shè)計(jì)過程中，通常通過選取合適承載器剛度、 優(yōu)化電路以及改進(jìn)數(shù)據(jù)算法等方式來提高稱量精度。 本文采用P r o e 建立承載器的模型，并采用M S C 公司的有限元分 析軟件M S C t r a n n a s t r a n 將承載器部件轉(zhuǎn)化為柔性體模型后導(dǎo)入虛擬 仿真平臺(tái)M D A D A M S 中進(jìn)行仿真，得到承載器在汽車通過的形變以 及各傳感器支點(diǎn)的受力，為設(shè)計(jì)提供更為準(zhǔn)確的理論依據(jù)，并判斷設(shè) 計(jì)完成的承載器能否滿足實(shí)際的工作需要。 在算法改進(jìn)部分，采用基于參數(shù)估計(jì)識(shí)別算法，基于參數(shù)估計(jì)的 軸重辨識(shí)方法：根據(jù)動(dòng)態(tài)汽車衡的動(dòng)態(tài)模型，建立含有未知參數(shù)的模 型，然后利用系統(tǒng)的輸入、輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)，識(shí)別出參數(shù)， 進(jìn)而得到被測(cè)汽車的重量。本文采用輔助變量法的參數(shù)估計(jì)法，通過 引入輔助變量的方法而達(dá)到對(duì)參數(shù)辨識(shí)模型的無偏估計(jì)，使得基于輔 北京化T 人學(xué)碩L ：學(xué)位論文 助變量法的參數(shù)辨識(shí)比最小二乘法具有更高的精度，尤其當(dāng)噪聲為 有色噪聲和噪聲模型結(jié)構(gòu)不好確定時(shí)，輔助變量法更加有效。它能夠 在數(shù)據(jù)很少的條件下取得滿意的測(cè)量效果。 在數(shù)據(jù)傳輸部分，收費(fèi)系統(tǒng)以V i s u a lC 十+ 6 0 為開發(fā)工具， A C C E S S 為數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，通過A D O 進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)訪問，利用串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù) 的傳送。程序界面友好性、操作方便快捷和準(zhǔn)確數(shù)據(jù)庫(kù)連接穩(wěn)定是本 文設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：A D A M S ；V C + + 6 0 ；輔助變量法；動(dòng)態(tài)汽車衡 I I 摘要 1 、。 a n a l ) “ a n dD a t ap r o c e s s i n g D y n a m i c s a n a l y s i sa n a t aD r o c e s s l no f 。 D y n a m i ct r u c ks c a l e A B S T R A C T V e h i c l eW e i g h i n M o t i o n ( W I M ) s y s t e m sw e r er a p i d l yd e v e l o p e d f o l l o w i n gt r a n s p o r t a t i o nc o n s t r u c t i o n ，e n r o l l i n gs e r i o u sv e h i c l e so v e r l o a d a n dw e i g h i n gc h a r g e F o ri tw a sq u i c k l y , e f f i c i e n t l ya n dw i t h o u ti n t e r r u p t D y n a m i c t r u c ks c a l e ( D T S ) b a s e do nW I M s y s t e m sw h i c hC a na c c o u n tb y t h ew e i g h to ft h ec a ri sn o wi nw i d e s p r e a du s e H o w e v e r ；T h eW I M s y s t e m ss t i l l n e e di m p r o v ei ns o m ed e t a i l s ：l i m i to ft h eC a rv e l o c i t y , m e a s u r e m e n ta c c u r a c y , w h i c hi st h ek e yc o n t e n ti nm yp a p e r T h el o a d r e c e p t o ri st h ek e yc o m p o n e n t so fD y n a m i ct r u c ks c a l e ，t h ea p p r o p r i a t e s t i f f n e s so fi ti se s s e n t i a lt oi m p r o v et h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yi nt h e d e s i g np r o c e s s T oo p t i m i z et h ec i r c u i ta n di m p r o v ed a t aa l g o r i t h ma l s o b e n e f i tf o rt h i s I no r d e rt oc h o o s et h ea p p r o p r i a t es t r e s sa n ds t r a i n ，t h ed y n a m i c s m e c h a n i c sm o d e lb a s e do nM D A D A M Sa n dM S C P a t r a n N a s t r a ni S e s t a b l i s h e df o rl o a dr e c e p t o ro fd y n a m i ct r u c ks c a l e T h ek e yp o i n ti st o o b t a i nt h es t r e s sa n ds t r a i no ft h el o a dr e c e p t o r T h er e s u l tC a np r o v i d e t h e o r e t i c a ls u p p o r ta n da m e l i o r a t i o nm e t h o df o rs t r u c t u r ed e s i g no ft h e l o a dr e c e p t o r 1 I I 北京化工人學(xué)碩J ：學(xué)位論文 T h ea p p l i c a t i o no fp a r a m e t e re s t i m a t i o ni nW I Mo fv e h i c l e si s p r e s e n t e d O nt h eb a s i so fd i s c u s s i o no ft h em o d e l so fW I M ，t h e p a r a m e t e re q u a t i o no fa x l ew e i g h ti so b t a i n e d R e c o g n i z eam e t h o d m a i n l yk n o w l e d g ea c c o r d i n gt ot h ef i r s tc h e c ko ft h ee x a m i n a t i o ns y s t e m a c c o r d i n gt ot h er o u n dh e a v yd y n a m i c s t a t eo f p a r a m e t e re s t i m a t e ，d e d u c e t oi m p l yt h em o d e lw h i c hd i d n tk n o wp a r a m e t e r , t h e nm a k eu s eo ft h e i m p o r t a t i o n ，e x p o r t a t i o nd a t ao fs y s t e mt oc a r r yo ns y s t e mp a r a m e t e rt o r e c o g n i z e R e c u r s i v ei n s t r u m e n t a lv a r i a b l ea l g o r i t h m ( R I V ) b a s e do n l e a s ts q u a r e sm e t h o d ，i ti n t r o d u c i n gi n s t r u m e n t a lv a r i a b l em a t r i xt o e l i m i n a t ec o l o r n o i s ei nt h es i g n S y s t e mi d e n t i f i c a t i o nw i t hi n s t r u m e n t a l v a r i a b l em e t h o di sm o r ea c c u r a t ea n de f f e c t i v et h a nw i t hl e a s ts q u a r e m e t h o d ，e s p e c i a l l yi nt h ec a s eo fc o l o rn o i s ea n du n c e r t a i nn o i s e S s t r u c t u r e I ti sa ni m p r o v e da l g o r i t h mt ot h eW I Ma n do b t a i n ss a t i s f i e d r e s u l tw i t hs m a l ln u m b e ro fd a t a R e a l i z i n g m e t h o do f s y s t e md e s i g n i n g V i s u a l C + + 6 0w h i c h d e v e l o p m e n tt o o la n dA C C E S S2 0 0 3w h i c hi sd a t a b a s e ，a n dd e p e n d i n g o nA D Ot e c h n o l o g yl i n kd a t a b a s ea n ds e r i o u sc o m m u n i c a t i o na n d l o n g - d i s t a n c ed a t a t r a n s m i t T h ep a p e ra i m e da tf r i e n d l yi n t e r f a c e ， c o n v e n i e n to p e r a t i o na n da c c u r a t ed a t a b a s ec o n n e c t i o n K e yw o r d ：A D A M S ；V i s u a lC + + 6 O ：R I V ；D y n a m i ct r u c ks c a l e I V 北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文 北京化工大學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下， 獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外， 本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對(duì) 本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo) 明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 作者簽名：j 弛叢韭L日期：l 是L 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 學(xué)位論文作者完全了解北京化工大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文 的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)單位屬 北京化工大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的 復(fù)印件和磁盤，允許學(xué)位論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論 文的全部或部分內(nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保 存、匯編學(xué)位論文。 保密論文注釋：本學(xué)位論文屬于保密范圍，在廿解密后適用 本授權(quán)書。非保密論文注釋：本學(xué)位論文不屬于保密范圍，適用本 授權(quán)書。 作者簽名： 蔓魚豳 導(dǎo)師簽名：盈盟 日期： i 2 2 。b ! 1 日期： 豳：魚：L 一 第一章緒論 第一章緒論 1 1 論文選題的背景及主要內(nèi)容 1 1 1 問題提出 超限超載問題是經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展到一定階段，車輛生產(chǎn)與管理、運(yùn)輸市場(chǎng)、 管理體制等諸多矛盾在運(yùn)輸環(huán)節(jié)的集中反映。由于經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動(dòng)，一些地方 政府對(duì)治理違章超限運(yùn)輸?shù)膽B(tài)度不積極，在解決經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)動(dòng)問題上辦法不多， 措施不力；公安、交通部門只注重路面執(zhí)法，而對(duì)源頭和治本方面沒有配套的 治理措施；車輛“大噸小標(biāo)”、汽車非法改裝問題突出，大噸小標(biāo)車輛已占全 社會(huì)車輛的8 0 以上；交通、公安兩家在治理超限超載中，由于標(biāo)準(zhǔn)不一，重 復(fù)處罰現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。由于以上深層次的問題沒有得到根本解決，致使全國(guó)治 理超限超載工作開展了近四年，但效果并不明顯。車輛超限超載運(yùn)輸對(duì)交通安 全、運(yùn)輸市場(chǎng)及汽車生產(chǎn)秩序造成了極大危害，主要體現(xiàn)在： ( 1 ) 交通稅收嚴(yán)重流失。目前，我國(guó)公路的養(yǎng)護(hù)費(fèi)、管理費(fèi)、通行費(fèi)都是按 車管部門核定的噸位來收的，一旦有車輛超載，其余車輛跟風(fēng)超載，且有過之 而無不及，而超載就必然導(dǎo)致這部分費(fèi)用的流失，對(duì)那些守法經(jīng)營(yíng)者也帶來不 小的沖擊。 ( 2 ) 公路、橋梁的壽命急劇下降。超限超載車輛的荷載遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了公路和橋 梁的設(shè)計(jì)承受荷載，致使路面損壞、橋梁斷裂，正常使用年限大大縮短。1 9 5 8 年，美國(guó)科學(xué)家提出了一種計(jì)算超載對(duì)路面造成傷害程度的經(jīng)驗(yàn)公式表明：如 果標(biāo)準(zhǔn)軸重是1 0 噸，而超載車輛的軸重是2 0 噸，那超載的車輛對(duì)路面造成的 傷害是標(biāo)準(zhǔn)軸重車輛對(duì)路面造成傷害程度的8 到l O 倍。據(jù)交通部門測(cè)算，超載 使水泥路面縮短使用年限4 0 ，瀝青路面縮短3 0 n 1 。全國(guó)公路每年因車輛超限 超載造成的損失超過3 0 0 億元乜1 ，給國(guó)家財(cái)產(chǎn)造成了巨額損失。 ( 3 ) 造成交通事故頻繁發(fā)生。車輛超載后其平穩(wěn)性、操縱性、制動(dòng)性等安全 系數(shù)都會(huì)大幅度地下降，帶來的后果就是交通事故率的大幅度上升，嚴(yán)重威脅 著人的生命和財(cái)產(chǎn)安全。每年的交通事故中，由于車輛超載而引起的約占4 5 左右，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)十億元。 隨著治理力度的加大，一些高速公路收費(fèi)處，隨意加收交通費(fèi)，使得運(yùn)輸 司機(jī)只增加運(yùn)輸量，更加重道路系統(tǒng)的損壞速度，并且這種罰款帶有任意性， 也損害了運(yùn)輸司機(jī)的利益，同時(shí)給社會(huì)安定帶來不安定因素。我國(guó)運(yùn)輸市場(chǎng)上 北京化丁人學(xué)碩f ：論文 出現(xiàn)“怪圈”：汽車超載被罰，罰后再拼命超載，運(yùn)價(jià)越來越高，公路遭到破 壞，交通事故不斷。為了解決這一問題，交通制定了治超執(zhí)法“五不準(zhǔn)”。 交通部治超執(zhí)法“五不準(zhǔn)： 一、沒有執(zhí)法資格的人員，不準(zhǔn)上路執(zhí)法； 二、上路執(zhí)法人員，不準(zhǔn)不開收費(fèi)票據(jù)和亂收費(fèi)、亂罰款； 三、車輛沒有稱重檢測(cè)的，不準(zhǔn)認(rèn)定超限超載； 四、車輛沒有卸載消除違章行為的，不準(zhǔn)放行； 五、同一違章行為已被處理的，不準(zhǔn)重復(fù)處罰。 由治理超載的五不準(zhǔn)可以看出，我們需要一種測(cè)量設(shè)備，能準(zhǔn)確的確定被 檢驗(yàn)車輛的超載情況，既要有利于治理超載，又要使貨運(yùn)司機(jī)的合法利益得到 保障，由于公交路口的收費(fèi)站車流比較的大，要求檢測(cè)必須方便，快捷。 I 1 2 本課題的主要研究?jī)?nèi)容 1 ) 秤臺(tái)的三維模型。根據(jù)目前通常使用的秤臺(tái)的長(zhǎng)度和寬度，建立其參數(shù) 模型，包括承載器的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，傳感器的支撐點(diǎn)，并對(duì)其靜態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析計(jì) 算。包括：強(qiáng)度特性，剛度特性，振動(dòng)周期特性。 2 ) 動(dòng)態(tài)特性分析。在建立的模型的基礎(chǔ)上，使用A D A M S 分析在加載和卸載 時(shí)，秤臺(tái)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，分別仿真出汽車的速度，加速度等對(duì)精度的影響。 3 ) 數(shù)據(jù)采集和處理，對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并改進(jìn)算法，提高稱 量精度。 4 ) 信號(hào)的傳輸。對(duì)處理后的數(shù)據(jù)，采用V C + + 進(jìn)行編程，基于W i n d o w s 平臺(tái)， 采用基于串口的數(shù)據(jù)方式，利用A C C E S S 2 0 0 3 來進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)管理。 1 2 動(dòng)態(tài)汽車衡及其構(gòu)成與分類 I 2 1 動(dòng)態(tài)汽車衡的構(gòu)成 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)是測(cè)量行駛車輛的動(dòng)態(tài)輪胎受力并計(jì)算相應(yīng)的靜態(tài)車輛重量 的過程。一個(gè)完整的公路動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)是一套傳感器和支持儀器，用來測(cè)量在 特定地點(diǎn)特定時(shí)間一輛行駛車輛的出現(xiàn)及其動(dòng)態(tài)輪胎受力，計(jì)算車輛的重量， 并且處理顯示和存儲(chǔ)這些信息動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)一般由稱重平臺(tái)、信號(hào)調(diào)理電路、 數(shù)據(jù)采集電路、車速采集電路、處理器以及屏幕顯示、通信電路等組成，如圖 I - I 所示。 2 第一審緒論 車輛 電感線圈 重量顯示屏 分方礦鄉(xiāng)碧 拶夕7 圖卜1 汽午衡的布描 F i gl 一1L a y o u to f D I S 1 分車器 動(dòng)態(tài)汽車衡采用軸重測(cè)量的方法，要測(cè)出單軸的質(zhì)量再進(jìn)行疊加，得到車 輛的實(shí)際質(zhì)量。因此系統(tǒng)需要識(shí)別測(cè)得的數(shù)據(jù)是否是l 叫一輛車的軸重。汽車動(dòng) 態(tài)稱重系統(tǒng)一般都是和不停車收費(fèi)結(jié)合使用的。在收費(fèi)站入口處安放地感線圈， 當(dāng)有物體從其上經(jīng)過時(shí)，其電感發(fā)生改變當(dāng)沒有物體經(jīng)過時(shí)，電感不會(huì)改變。 當(dāng)單車、半掛車以及全掛車經(jīng)過時(shí)，由于掛車之間也有連接，陶此，連接部分 經(jīng)過時(shí)，感線圈電感仍然會(huì)發(fā)生改變，只要地感線圈的電感持續(xù)變化，系統(tǒng)就 認(rèn)為是同一輛車經(jīng)過收費(fèi)站。同時(shí)，在路側(cè)安裝紅外光柵分車器，它能消除跟 車現(xiàn)象，將半掛車、全掛車、單車可靠分離。這兩者結(jié)合，保證了稱重檢測(cè)數(shù) 據(jù)與車輛的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，不會(huì)出現(xiàn)由于誤判而產(chǎn)生多車或少車現(xiàn)象。 1 ) 紅外車輛分離器( 也稱光幕) ：由一對(duì)紅外光發(fā)射器、紅外光接收器組成， 相向分置車道兩旁。用| 三【判斷是否有車輛通過車道以及何時(shí)完全通過。 2 ) 電感線圈( 也稱收尾線圈或地感線圈) ：用來進(jìn)行車輛的輔助分離。通過 電磁感應(yīng)判斷是否有車輛通過線圈。當(dāng)電感線圈用于輔助收尾時(shí)，又稱為收尾線 幽。 2 車輛輪胎淤別器 在實(shí)際的汽車動(dòng)態(tài)測(cè)量中，一般采用車輛輪胎識(shí)別器來進(jìn)行輪胎數(shù)的識(shí)別， 當(dāng)汽車通過時(shí)，會(huì)! F 識(shí)別器，通過感應(yīng)到H 力的識(shí)別器的數(shù)量，c f 以知道單 個(gè)軸輪胎數(shù)量。識(shí)* l 器的簡(jiǎn)圖如圖l2 ： 北京化工人學(xué)碩I ：論文 l| 朱 kl 懶I 例；l 黝；l形刎I拌8 氏，侏ff 八l。I刁 I 圖卜2 車輛輪胎識(shí)別器簡(jiǎn)圖 F i g 1 2D i a g r a mf o rt y r ei d e n t i f i c a t i o ns e n s o ro fD T S ： 3 承載器 通過承載器下面的傳感器所受到的壓力變化，得到車輛輪胎瞬時(shí)重量信號(hào)， 該信號(hào)進(jìn)人電器控制系統(tǒng)，經(jīng)過A D 轉(zhuǎn)化得到秤臺(tái)上的瞬時(shí)重量，并由數(shù)據(jù)處理 系統(tǒng)進(jìn)行建模處理得到車輛每根軸的重量，它是汽車衡的核心部件。 4 電器控制柜 電器控制柜控制光幕、地感線圈、稱重傳感器、輪胎識(shí)別器等，。它負(fù)責(zé)傳 感器，地感線圈，輪胎識(shí)別器等數(shù)據(jù)的采集和處理，并將處理過的數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦?控機(jī)上，并根據(jù)工控機(jī)發(fā)出的信號(hào)，控制顯示屏，這也是汽車衡的核心部位。 5 牌照識(shí)別系統(tǒng) 包括攝像系統(tǒng)和識(shí)別系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確的識(shí)別汽車車牌，集合數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，可 以得到汽車車體的信息和以往的稱重結(jié)果。 6 稱重收費(fèi)顯示屏 負(fù)責(zé)顯示車輛信息結(jié)果的平臺(tái)。 1 2 2 動(dòng)態(tài)汽車衡的分類 對(duì)動(dòng)態(tài)汽車衡進(jìn)行分類的目的是：了解不同種類汽車衡的種類以及它們的 功能，方便選用正確的產(chǎn)品。汽車衡有不同的分類方法，比如按安裝方式、產(chǎn) 品用途、稱重傳感器數(shù)量和用途等，本文采用的是按用途分類的方法。 1 超限超載檢測(cè)系統(tǒng) 系統(tǒng)由動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)、車型判別子系統(tǒng)、超限執(zhí)法子系統(tǒng)構(gòu)成，并可根據(jù) 用戶實(shí)際需要擴(kuò)展車道控制子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控子系統(tǒng)、 超限報(bào)警指示子系統(tǒng)。具有檢測(cè)效率高、檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)便靈活等特點(diǎn)， 但只檢測(cè)汽車是否超載，不進(jìn)行具體軸中的稱量。 2 計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng) 通過安裝在收費(fèi)車道前端的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，將采集到的車輛重量、車型等 信息傳送至車道收費(fèi)計(jì)算機(jī)，收費(fèi)計(jì)算機(jī)根據(jù)計(jì)重收費(fèi)費(fèi)率，對(duì)貨運(yùn)車輛按實(shí) 際重量計(jì)收通行費(fèi)。具有稱重準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定、長(zhǎng)期可靠等特點(diǎn)。 3 便攜式動(dòng)態(tài)汽車衡 便攜式動(dòng)態(tài)汽車衡，其承載體是由高強(qiáng)度鋁合金制成，集成了圖像采集， 4 雄 緗滄 訓(xùn)算機(jī)控制，大屏幕顯示器等設(shè)施。片獨(dú)特的1 力感應(yīng)方式，使其小儀可以對(duì) 行進(jìn)中的車輛輪軸載荷進(jìn)行動(dòng)靜芯有效稱重，而日重量輕、外形小還可以直 接在路面上使用，具宵捷、便饋的特點(diǎn)。 圜 j j 。 痧乙二0 a 承載器b 稱霞儀表 圖卜3 便攜式動(dòng)態(tài)汽1 衡 F i g1 3C o e n le n tD T S 4 高速預(yù)檢稱暈系統(tǒng) 對(duì)在行車道上】F 常行駛的戡貨車輛進(jìn)行重量預(yù)檢測(cè)，如宵4 三輛超過系統(tǒng)設(shè) 定的限載值，則該車輛的檢測(cè)數(shù)據(jù)、車輛圖像及面 別出的車牌照弓碼等，被傳 輸?shù)角胺降闹卫沓蕹d執(zhí)法站內(nèi)，同時(shí)，車輛前方的門架上配置可變情報(bào)板， 用以顯示違章車輛的車牌照號(hào)碼及警不信息，酣合路側(cè)的交通標(biāo)志，0 I 導(dǎo)違章 車輛進(jìn)入前方執(zhí)法站內(nèi)，經(jīng)過低速動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)精確稱重，作為執(zhí)法依據(jù)。適 用于在車流量大、車道多、車速快的高等級(jí)公路上，具有檢測(cè)效率高，檢測(cè)糾 對(duì)性強(qiáng)的特點(diǎn)。 1 3 本課題相關(guān)領(lǐng)域的歷史、現(xiàn)狀和前沿發(fā)展情況 1 3l 國(guó)外汽車衡的發(fā)展 在上世紀(jì)許多國(guó)家的道路運(yùn)輸普遍存在超載現(xiàn)象，為了避免超載車輛對(duì)公 路造成早期破壞歐共體成員圍和美國(guó)、同術(shù)、加拿大等同在上世紀(jì)5 0 年代就 開始對(duì)汽車動(dòng)忐稱重系統(tǒng)進(jìn)行研究并取得了帽應(yīng)的成果。1 9 7 4 年，美國(guó)首次在 車輛載荷研究中使用w 【M 系統(tǒng)；同年法同取得了一項(xiàng)壓電纜動(dòng)態(tài)車輛稱暈器的 專利，叩V 【b t - a c o a x 。上世紀(jì)8 0 年代t ，期莢圜各卅l 開始推廣安裝wr M 系統(tǒng)。 1 9 9 2 年，山歐洲高速公路系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室聯(lián)盟( F E H R I ) 發(fā)起，按照歐盟運(yùn)輸委 北京化T 人學(xué)碩1 ：論文 員會(huì)( E C T D ) 的程序框架制定了C O S T 3 2 3 計(jì)劃，該計(jì)劃主要內(nèi)容就是研究對(duì)公路 行駛車輛進(jìn)行動(dòng)態(tài)載荷監(jiān)控的相關(guān)問題，其中最重要的一項(xiàng)測(cè)試是在瑞士進(jìn)行 的為期3 0 個(gè)月的W l M 系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用測(cè)試。1 9 9 4 年，歐盟開始進(jìn)行W A V E ( W e i g h i n g i nM o t i o no fA x l ea n dV e h i c l e sf o rE u r o p e ) 計(jì)劃從1 9 9 7 年6 月到1 9 9 8 年6 月在瑞典寒冷條件下進(jìn)行產(chǎn)品系統(tǒng)測(cè)試，即著名的C E T ( C o l dE n v i r o n m e n t T e s t ) 測(cè)試。結(jié)果表明德國(guó)P A T 、瑞士K i s t l e r 、美國(guó)M i k r o s 等公司的產(chǎn)品在測(cè) 量性能方面處于領(lǐng)先水平。2 0 0 0 年I T S 年會(huì)上展出了一種由美國(guó)M S I 公司開發(fā) 的共聚物壓電軸傳感器，可以同時(shí)測(cè)量車速、車軸數(shù)、軸距并進(jìn)行車型分類和 動(dòng)態(tài)稱重。具體產(chǎn)品歷史如下： 1 9 5 8 年，美國(guó)開始了為期1 6 年的W I M 系統(tǒng)研究。 1 9 6 8 年，南非獲取了第一個(gè)電容式W l M 傳感器專利。西德的P A l ，公司也 在這一年開始了平板式動(dòng)態(tài)車輛稱重器的研究。 1 9 7 4 年，美國(guó)首次在車輛載荷研究中使用W I M 系統(tǒng)：同年，法國(guó)取得了一 項(xiàng)壓電纜動(dòng)態(tài)車輛稱重器的專利，即V i b r a c o a x 。 1 9 8 2 年，美國(guó)的S t r e e t r e 、英國(guó)的G o l d e n b e r g 公司在南非專利基礎(chǔ)上采 用先進(jìn)電子技術(shù)，使性能大大提高。 1 9 8 3 年，V i b r a c o a x 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)首次在法國(guó)投入使用。同時(shí)P V D F 壓電材 料用作動(dòng)態(tài)稱重的研究在美國(guó)開始。這一年九月，美國(guó)聯(lián)邦公路管理總署( F I - I W A ) 提議研究“低成本動(dòng)態(tài)車輛稱重系統(tǒng)”。 1 9 8 4 年，美國(guó)的3 6 個(gè)州均安裝了W l M 系統(tǒng)。 1 9 8 5 年，美國(guó)的“低成本動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)“ 在現(xiàn)場(chǎng)投入運(yùn)行并提交美國(guó)聯(lián)邦 公路部署推廣使用。 1 9 8 8 年，英國(guó)研制了一種性能優(yōu)于V i b r a c o a x 的新型稱重壓電傳感器 V i b e t e k s 。1 9 9 1 年已改型T V i b e t e k 2 0 。 1 9 9 0 年，在美國(guó)舉行的“國(guó)際交通數(shù)據(jù)采集技術(shù)會(huì)議上，西德P A l 的平 板式傳感器性能較理想。同時(shí)展示數(shù)種低成本的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，它們主要基于 壓電纜、壓電膜和電容傳感技術(shù)。在安裝條件很好的情況下，能使統(tǒng)計(jì)平均誤 差控制在1 5 左右。 1 9 9 2 年，由歐洲高速公路系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室聯(lián)盟( F E H R I ) 發(fā)起，按照歐盟運(yùn) 輸委員會(huì)E C T D ) 的程序框架制定了C O S T 3 2 3 計(jì)劃，該計(jì)劃主要內(nèi)容就是研究對(duì) 公路行駛車進(jìn)行動(dòng)態(tài)載荷監(jiān)控的相關(guān)問題，其中最重要的一項(xiàng)測(cè)試是在瑞士進(jìn) 行為期3 0 個(gè)的W I M 系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用測(cè)試。 1 9 9 4 年，在中國(guó)舉行的“國(guó)際交通自動(dòng)化技術(shù)會(huì)議“ 上，德國(guó)展示了采用 平板式傳感器的S A W l 0 0 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)及其在自動(dòng)收費(fèi)站的應(yīng)用。 6 第一章緒論 1 9 9 4 年，歐盟開始進(jìn)行w A V E ( W e i g h i n gi nM o t i o no fA x l ea n dV e h i c l e s f o rE u r o p e 計(jì)劃，從1 9 9 7 年6 月到1 9 9 8 年6 月在瑞典寒冷條件下進(jìn)行產(chǎn)品系 統(tǒng)測(cè)試，即著名的C E T ( C o l dE n v i r o n m e n tT e s t ) 測(cè)試，結(jié)果表明德國(guó)P A T 、瑞 士K i s t l e r 、美國(guó)M i k r O S 等公司的產(chǎn)品在測(cè)量性能方面處于領(lǐng)先水平： 2 0 0 0 年工T S 年會(huì)上展出了一種由美國(guó)M S I 公司開發(fā)的共聚物壓電軸傳感 器，可以同時(shí)測(cè)量車速、車軸數(shù)、軸距并進(jìn)行車型分類和動(dòng)態(tài)稱重。 1 3 2 國(guó)內(nèi)汽車動(dòng)態(tài)稱重產(chǎn)品的歷史與現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)超載現(xiàn)象在某些省份特別嚴(yán)重，尤其是存在礦產(chǎn)資源的地區(qū)。我國(guó)“七 五“ 期間開始引進(jìn)和消化國(guó)外動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，同時(shí)也開始對(duì)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)進(jìn)行 研制；但引進(jìn)的產(chǎn)品都屬于國(guó)外換代產(chǎn)品，主要問題有：適應(yīng)速度范圍小( 一般 在l O k m h 以下) ，測(cè)量精度不高，傳感器過于龐大，安裝施工及維護(hù)不便。1 9 9 4 年一種動(dòng)、靜態(tài)兩用電子軌道衡在太原鋼鐵公司通過了鑒定；該產(chǎn)品集動(dòng)態(tài)和 靜態(tài)軌道衡的優(yōu)點(diǎn)于一身，較好地解決了檢測(cè)精度與車輛通過速度之間的矛盾。 作為國(guó)家“八五”期間重點(diǎn)科技項(xiàng)目，交通部重慶公路科學(xué)研究所研制了一種 固定式動(dòng)態(tài)車輛稱重系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一套稱重傳感器和一臺(tái)電子測(cè)量?jī)x器構(gòu)成， 每車道布置兩只傳感器，每臺(tái)儀器可測(cè)量1 4 個(gè)車道，軸重誤差小于i 0 $ ， 置信度為9 5 。1 9 9 9 年，德國(guó)P A T 載荷監(jiān)控產(chǎn)品開始進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，云南航天 新技術(shù)工程有限公司引進(jìn)其技術(shù)并于1 9 9 9 年8 月獲得了國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局頒發(fā)的 計(jì)量器具型式批準(zhǔn)證書。由于對(duì)動(dòng)態(tài)汽車衡投入的不斷加大，國(guó)內(nèi)的技術(shù)水 平也逐步提高，并且在軟件和算法方面已經(jīng)達(dá)到國(guó)際水平。2 0 0 8 年7 月，北京 萬集科技有限公司的電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)通過交通部I T S 檢測(cè)中心E T C 物理層 測(cè)試和互操作性測(cè)試。 1 3 3 前人的研究成果 1 算法方面的研究成果 為了抑制汽車超載給道路設(shè)施造成損害，國(guó)外從上世紀(jì)5 0 年代后期就開始 對(duì)車輛超載檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究，到上世紀(jì)9 0 年代基本上形成了成熟產(chǎn)品，產(chǎn) 品也由靜態(tài)的整車測(cè)量發(fā)展到了動(dòng)態(tài)的軸重檢測(cè)，這就是人們熟知的動(dòng)態(tài)稱重 W I M ( w e i g h i n M o t i o n ) 技術(shù)。在過去幾十年的動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)研究中，在如何保 持檢測(cè)精度的前提下提高汽車通過速度一直是各研究機(jī)構(gòu)所致力解決的問題， 不懈的努力使動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，綜述國(guó)內(nèi)外資料，目前動(dòng) 態(tài)稱重算法主要有以下幾種： 7 北京化- T 人學(xué)碩+ ：論文 1 ) A D V 法、D V 法、V 法瞄兒4 兒副 該類方法是8 0 年代的日本小野敏郎為解決動(dòng)態(tài)稱重問題所提出來的，其測(cè) 量思路是同時(shí)或單獨(dú)測(cè)量重物移動(dòng)的位移、速度和加速度，然后用直接方法或 數(shù)值積分方法求解稱重過程的微分方程以獲得力值。這類方法有些因需要同時(shí) 使用多種不同類型傳感器而難以實(shí)現(xiàn)，有些雖然只使用同類傳感器，但由于采 用積分方法因而造成了準(zhǔn)確度較差，且往往只適于噪聲很小的場(chǎng)合。 2 ) 位移積分法哺1 該方法是目前國(guó)內(nèi)多個(gè)科研單位主要采用的方法，也是A D V 法、D V 法、V 法的一種沿襲。其原理大致是：將稱重系統(tǒng)的輸出信號(hào)對(duì)一小段位移L 。沿其長(zhǎng) 度L 方向積分，L ，的兩端通過對(duì)稱重系統(tǒng)各傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行比較而定， 如圖所示。動(dòng)態(tài)分量在積分區(qū)間被平均，使汽車振動(dòng)造成的干擾影響較小，因 此精度相對(duì)也較高。這種方法需要較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)才能保證精度，但是由于需要很 長(zhǎng)的時(shí)間，故對(duì)數(shù)據(jù)的選取和處理提出很高的要求。 圖1 _ 4 位移積分法不意圖 F i g 1 - 4S c h e m a t i cd i a g r a mf o ri n t e g r a ld i s p l a c e m e n t 3 ) 參數(shù)估計(jì)法吲8 1 9 1 該方法把動(dòng)態(tài)測(cè)量作為一個(gè)參數(shù)估計(jì)和預(yù)測(cè)問題來處理，即首先根據(jù)有關(guān) 稱重測(cè)力系統(tǒng)的先驗(yàn)知識(shí)，推導(dǎo)出一個(gè)含有未知參數(shù)的模型，然后用該模型去 擬合稱重測(cè)力過程的輸出信號(hào)，從而獲得最小平方誤差意義上的參數(shù)估計(jì)。由 于被測(cè)重量或力值可以看成是稱重測(cè)力過程的終值，因此它們可以用模型參數(shù) 進(jìn)行估計(jì)或預(yù)測(cè)。， 4 ) 補(bǔ)償法n 訓(xùn) 針對(duì)當(dāng)傳感器響應(yīng)速度慢和超調(diào)量大時(shí)限制了動(dòng)態(tài)稱重速度和準(zhǔn)確度的情 況，該方法提出通過設(shè)計(jì)補(bǔ)償元件，在比“稱重傳感器穩(wěn)定時(shí)間”更短的時(shí)間 8 第一章緒論 內(nèi)完成測(cè)量，動(dòng)態(tài)稱重裝置主要由稱重傳感器和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償元件組成。對(duì)于動(dòng)態(tài) 吊秤，有人提出為了削弱縱向振動(dòng)所導(dǎo)致的高頻干擾，可進(jìn)行橋式動(dòng)態(tài)補(bǔ)償與 閾值動(dòng)態(tài)補(bǔ)償；為削弱橫向擺動(dòng)所導(dǎo)致的低頻干擾，可進(jìn)行三點(diǎn)式補(bǔ)償。但該 方法在車輛再根據(jù)該模型和網(wǎng)絡(luò)輸入數(shù)據(jù)得到車重，并期望提高檢測(cè)精度。 5 ) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)1 郵2 1 n 3 1 該方法主要是基于并行技術(shù)的思想，以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為控制核心，采取多 因素協(xié)調(diào)，將檢測(cè)過程中對(duì)影響稱重精度和限制車輛通過速度起主導(dǎo)作用的因 素作為訓(xùn)練樣本，通過訓(xùn)練獲得較好的網(wǎng)絡(luò)模型。 6 ) 專家系統(tǒng)： 該方法引入知識(shí)模型構(gòu)成專家系統(tǒng)1 ，即把優(yōu)秀稱重測(cè)量專家的思維過程 固化到測(cè)量程序中，并與計(jì)算機(jī)修正程序結(jié)合起來，進(jìn)而提高計(jì)量?jī)x器的測(cè)試 能力和故障檢測(cè)能力。 2 承載器的設(shè)計(jì)方法 動(dòng)態(tài)汽車衡承載器是汽車衡的主要承載部件，它是用來承受載荷在臺(tái)面上 產(chǎn)生主彎矩的一種結(jié)構(gòu)，從設(shè)計(jì)上講它應(yīng)具有足夠滿足最大載荷的強(qiáng)度和剛度， 承載器設(shè)計(jì)變化不大。： 1 ) 型材并聯(lián)結(jié)構(gòu) 采用國(guó)標(biāo)槽型鋼作邊框，采用Q 2 3 5 鋼板作主筋板。可根據(jù)承載器的長(zhǎng)度不 同的選用不同型號(hào)的槽鋼和不同厚度的鋼板，此機(jī)構(gòu)焊接方便，易于校正，為 國(guó)內(nèi)外廠家采用。 i：l 圖卜5 承載器的型材結(jié)構(gòu) F i g 1 - 5D T So f s h a p es t r u c t u r e 2 ) 箱體結(jié)構(gòu) 箱體結(jié)構(gòu)是將相同厚度的鋼板，焊接成幾組箱體梁。這種結(jié)構(gòu)把型鋼更換 成冷彎槽、減少內(nèi)部布筋、降低臺(tái)面鋼板厚度有很多優(yōu)點(diǎn)【1 0 】：( 1 ) 使承載器的 整體重量明顯降低，可以在相同的強(qiáng)度和剛度條件下，可以節(jié)約大致2 0 左右 的鋼材；( 2 ) 秤體焊接量大大減少，焊條用量減少；( 3 ) 此結(jié)構(gòu)的秤體備料方便， 適合制造成模塊化單元，模塊單元組合成任意長(zhǎng)度的秤體，非常適合大批量生產(chǎn)。 但是由于在焊接過程中容易扭曲變形，在實(shí)際中采用此設(shè)計(jì)方法的廠家不多。 9 北京化1 = 人學(xué)碩J j 論義 圖1 _ 6 承載器的箱體結(jié)構(gòu) F i g 1 6D T So f B o xs t r u c t u r e 1 3 4 電子汽車衡的發(fā)展趨勢(shì) 對(duì)W I M 系統(tǒng)的共同要求如下：( 1 ) 精度高：( 2 ) 安裝方便：( 3 ) 測(cè)定時(shí)的 有效性高：( 4 ) 可靠性好，壽命長(zhǎng)；( 5 ) 便于測(cè)試，不影響汽車通行：( 6 ) 維 護(hù)方便：( 7 ) 標(biāo)定簡(jiǎn)單方便；( 8 ) 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化，統(tǒng)一管理：( 9 ) 設(shè)計(jì)合理，造 價(jià)低廉：( 1 0 ) 測(cè)定安全，抗干擾能力強(qiáng)，能預(yù)防各種人為的作弊行為。經(jīng)過了 幾十年的研究，現(xiàn)在的汽車動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)已經(jīng)取得了一定的成果，但汽車動(dòng)態(tài) 稱重系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的研究應(yīng)用時(shí)間還很短，已有的動(dòng)態(tài)汽車重系統(tǒng)主要是從國(guó)外 引進(jìn)的技術(shù)，做的二次開發(fā)?！捌呶濉?期間開始引進(jìn)和消化吸收國(guó)外動(dòng)態(tài)稱重系 統(tǒng)，同時(shí)也開始對(duì)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的研制。但是，不論引進(jìn)或研制的系統(tǒng)都屬于 國(guó)外換代的產(chǎn)品。缺乏核心技術(shù)，加上道路和被測(cè)量汽車的種類繁多，動(dòng)態(tài)稱 重系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外都處于比較前沿的位置，技術(shù)都還沒有完全成熟，主要問題有： 適應(yīng)速度范圍小( 低速范圍) ，測(cè)量精度不高，以及傳感器過于龐大，給安裝旌 工以及維護(hù)帶來很大的不便。特別是測(cè)量的精度、汽車的通行速度、系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 三方面都需要很大的改進(jìn)。 1 測(cè)量精度 目前動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)精確度低，主要是因?yàn)榧釉趥鞲衅髌脚_(tái)上的力除了汽車 的真實(shí)重量之外，還有由許多因素引起的干擾力，如車速、車輛自身諧振、路 面激勵(lì)、輪胎驅(qū)動(dòng)力等，汽車的真實(shí)重量有可能淹沒在了各種干擾中，如何從 外界隨機(jī)不確定的干擾力中獲取真實(shí)的車重，是動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)的難點(diǎn)和關(guān)鍵。 國(guó)內(nèi)研制出的固定式動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的軸重誤差通常為( 5 一1 0 ) ，但是在有些 場(chǎng)合還是不能滿足，提高精確度是動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)的迫切需要。 2 汽車的通行速度 現(xiàn)在的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)允許汽車通行速度比較低，每小時(shí)5 - 1 0 k i n 。但是隨著 不停車收費(fèi)系統(tǒng)的普及，就要求在更高的汽車通行速度下準(zhǔn)確測(cè)量，目前現(xiàn)有 應(yīng)用的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)就不能符合要求。為了滿足未來交通的需要，美國(guó)紐約州 立大學(xué)的研究人員己經(jīng)研制出了在汽車時(shí)速高達(dá)8 8 k m ，路面應(yīng)力達(dá)l O k g c m 2 的情況下，其測(cè)量精度可保持在2 以內(nèi)的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，但是造價(jià)過高，目前 還不能推廣使用。所以國(guó)內(nèi)的科研人員也可以在引進(jìn)的技術(shù)中加以突破或者研 1 0 第一章緒論 制出具有自我知識(shí)產(chǎn)權(quán)的系統(tǒng)，在一定的精度保證下，降低價(jià)格，不斷提高汽 車的通行速度。 3 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 現(xiàn)有應(yīng)用的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，一般是固定安裝，建設(shè)周期長(zhǎng)，造價(jià)比較高， 影響公路的J 下常運(yùn)行。這就需要不斷的改進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即在不影響測(cè)量 速度和精度的前提下，要盡量減小占地面積工程造價(jià)和安裝要求，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)， 縮短工期，最好能不影響公路的正常運(yùn)行。從發(fā)展的角度看，汽車動(dòng)態(tài)稱重系 統(tǒng)今后可望在以下幾個(gè)方面有所進(jìn)展： ( 1 ) 稱重時(shí)汽車的通行速度進(jìn)一步提高。 ( 2 ) 動(dòng)態(tài)稱重精度優(yōu)于3 ，并盡量提高。 ( 3 ) 盡量減小占地面積、工程造價(jià)和安裝要求。 1 4 課題的立論和意義 近年來，隨著國(guó)家治理超載超限的深入，動(dòng)態(tài)汽車衡( 以下簡(jiǎn)稱汽車衡) 以其準(zhǔn)確的測(cè)量和便捷的操作，很快在全國(guó)得到推廣，現(xiàn)在通常的設(shè)計(jì)汽車衡 承載器過程中，通常只對(duì)他們靜態(tài)特性，比如強(qiáng)度、剛度進(jìn)行校核，很少考慮 他們的動(dòng)態(tài)特性，這種設(shè)計(jì)方法存在的問題是：雖然在汽車衡運(yùn)行過程中，承 載器的強(qiáng)度可以達(dá)到稱重要求，但是可能存在由于剛度不夠，會(huì)給稱量帶來很 大的誤差。因此，分析承載器的動(dòng)態(tài)特性是非常必要的。目前，隨著傳感器精 度的提高和對(duì)于數(shù)據(jù)處理的方法的改進(jìn)，動(dòng)態(tài)汽車衡的精度和速度有了很大程 度的提高，稱量的穩(wěn)定性和便捷性也得到保障，但是現(xiàn)代車流量的不斷加大， 要求汽車在通過檢測(cè)的出入口處，需要更快的速度通過檢測(cè)口。這就要求在數(shù) 據(jù)的采集和處理過程中，采集的數(shù)據(jù)要盡可能的少，并且采用的算法效率要高， 對(duì)于抗干擾方面，也要盡可能的提高。 北京化T 人學(xué)碩I ：論文 第二章動(dòng)態(tài)汽車衡的原理與動(dòng)力學(xué)分析 隨著國(guó)內(nèi)高速公路建設(shè)的快速發(fā)展，同時(shí)伴隨汽車超載狀況的加劇，車輛 動(dòng)態(tài)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)由傳統(tǒng)的按車型計(jì)費(fèi)逐步發(fā)展為動(dòng)態(tài)稱重計(jì)費(fèi)系統(tǒng)。動(dòng)態(tài)汽車衡 因其能在汽車行駛中進(jìn)行稱重，具有速度快、效率高、不干擾正常交通等特點(diǎn)， 在實(shí)際工作中得到廣泛應(yīng)用。目前較為流行的是軸重稱量一軸重儀，即分別 測(cè)出車輛各軸軸載，再由測(cè)試系統(tǒng)計(jì)算出整車重量。在靜態(tài)稱重時(shí)，車輛的輪 胎平穩(wěn)地作用于軸重儀秤臺(tái)下，承載器只受到豎直向下的力，沒有外力的干擾， 因此容易實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，結(jié)果較為準(zhǔn)確。動(dòng)態(tài)稱重時(shí)，車輛以一定的速度通 過軸重承載器上的力除真實(shí)軸重外，還有許多因素產(chǎn)生的干擾力，如車速、車 輛自身諧振、路面激勵(lì)、輪胎驅(qū)動(dòng)力等。給動(dòng)態(tài)稱重高精度測(cè)量造成很大困難。 因此，在外界隨機(jī)不確定干擾力作用下，如何準(zhǔn)確測(cè)出真實(shí)軸重，就成為動(dòng)態(tài) 軸重測(cè)試系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵。故此對(duì)干擾力進(jìn)行分類、整理、分析、綜合， 從動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的整體角度探討能減小或消除這些干擾力影響程度的措施和測(cè) 試方式，是提高稱量精度的必要方法n 4 ，。 目前就汽車的動(dòng)態(tài)稱量而言，精度最高的是在靜態(tài)稱重基礎(chǔ)上改進(jìn)形成的 動(dòng)態(tài)汽車衡，多為整車計(jì)量。這樣以汽車的通過速度l O k m h 計(jì)算，如果承載器 結(jié)構(gòu)和傳感器的響應(yīng)時(shí)間為1 秒，那么，動(dòng)態(tài)汽車衡的承載器臺(tái)面還需比靜態(tài) 稱重的汽車衡再增加3 m 以上的長(zhǎng)度。這樣長(zhǎng)度的承載區(qū)需要更高的機(jī)械強(qiáng)度 和更多數(shù)量的傳感器，大大增加了工程造價(jià)和制造難度，同時(shí)，由于汽車應(yīng)用 的靈活性，這種整車計(jì)量的汽車衡對(duì)車型和拖掛狀態(tài)的適應(yīng)性也很局限，再者， 使用時(shí)需要在路旁或路口設(shè)置專用場(chǎng)地或者稱重站，測(cè)定效率低。由于稱重信 號(hào)處理方法的局限，目前階段動(dòng)態(tài)軸計(jì)量的精度還很低，要準(zhǔn)確地進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱 重，充分分析汽車動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)是基礎(chǔ)，只有充分分析了汽車衡的構(gòu)成、原理、 動(dòng)態(tài)特性( 包括承載器和傳感器) 以及外界對(duì)其精度的影響，才能更好地進(jìn)行 動(dòng)態(tài)汽車衡的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，達(dá)到提高稱量精度的目的。本章對(duì)動(dòng)態(tài)汽車衡系統(tǒng) 的構(gòu)成、基本原理以及影響測(cè)量精度的因素問題進(jìn)行的分析，為動(dòng)態(tài)汽車衡承 載器建立有效的數(shù)學(xué)模型：指出外界因素的影響和改進(jìn)方法，為后面汽車衡動(dòng)態(tài) 仿真和算法改進(jìn)提供必要的理論支持。 1 2 第二章動(dòng)態(tài)汽車衡的原理與動(dòng)力學(xué)分析 2 1 動(dòng)態(tài)汽車衡稱重系統(tǒng)的構(gòu)成與原理 2 1 1 動(dòng)態(tài)汽車衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 動(dòng)態(tài)稱汽車衡一般由承載器、壓力傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、電器控制柜、 處理器( 工控機(jī)) 核心部件以及輪胎識(shí)別器、車牌識(shí)別系統(tǒng)、稱重收費(fèi)顯示屏 等輔助部件，如圖卜1 所示。系統(tǒng)的承載器平面與公路路面處于同一水平面， 當(dāng)汽車通過承載器平面時(shí)，傳感器將汽車車軸對(duì)承載器的壓力量( 軸重) 轉(zhuǎn)化 為傳感器的電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大，數(shù)據(jù)采集電路并通過調(diào)整濾波后，傳輸處 理器( 工控機(jī)) ，處理器將測(cè)得的動(dòng)態(tài)車重信號(hào)和車速信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后得到 車輛的真實(shí)重量，輪胎識(shí)別器和車牌識(shí)別系統(tǒng)得到汽車的信息。稱重系統(tǒng)的收 費(fèi)平臺(tái)通過相關(guān)部分設(shè)定的費(fèi)率，并結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)內(nèi)原有存儲(chǔ)的汽車 稱重紀(jì)錄，計(jì)算出應(yīng)收的費(fèi)用，并通過稱重顯示屏顯示結(jié)果。 2 1 2 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)工作原理 當(dāng)車輛進(jìn)入稱重區(qū)時(shí)，首先檢測(cè)到有車輛進(jìn)入時(shí)開始稱重，車輛逐軸通 過承載器，在荷重力的作用下，傳感器的彈性體在彈性范圍內(nèi)發(fā)生與荷重力成 正比的變化，從而使彈性體上的應(yīng)變片阻值也發(fā)生正比的變化，配合檢測(cè)電橋， 得到與荷重力成正比的檢測(cè)信號(hào)，此電壓信號(hào)通過模擬濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波， 濾波后的模擬信號(hào)進(jìn)行放大并通過A D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)， p 轉(zhuǎn)換器將 數(shù)字信號(hào)送給處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)算法處理，同時(shí)根據(jù)測(cè)量的車輛速度進(jìn)行數(shù)學(xué)融 合進(jìn)而得出真實(shí)的車重值，然后進(jìn)行顯示，并根據(jù)需要和上位機(jī)進(jìn)行通信。更 完善的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，還應(yīng)該包括工控機(jī)系統(tǒng)，它接收分車器、車牌識(shí)別器和 輪胎識(shí)別器的信息，并結(jié)合工控機(jī)原有的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，能夠更多的了解汽車本 身的信息，既獲取稱重?cái)?shù)據(jù)，又可以在計(jì)算機(jī)上建立數(shù)據(jù)庫(kù)以便實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)管 理。具體的工作原理如2 - 1 圖所示。 1 3 北京化工人學(xué)碩一I ：論文 圖2 - 1 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)工作流程框圖 F 蟾2 1T h ew o r kf l o wo fW I Ms y s t c u n 2 2 影響稱量的準(zhǔn)確度因素 2 2 1 汽車運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)模型及分析 如圖2 - 2 所示，汽車用如圖所示平行六面體代表。當(dāng)它在動(dòng)態(tài)下通過動(dòng)態(tài) 汽車衡承載器時(shí)可以導(dǎo)致幾個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)：沿X ，Y ，Z 各軸移動(dòng)：圍繞X ，Y ，Z 各軸轉(zhuǎn)動(dòng)。它們之間的相互作用和影響，使要求的重力即沿Z 軸向下的力受到 嚴(yán)重干擾，其變化波動(dòng)不斷，給稱重帶來極大的麻煩n 鍆。 圖2 - 2 汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)示意圖 F i g 2 2D i a g r a mo fm o v i n gt r u c ks t a t e s 1 4 向 第二章動(dòng)態(tài)汽車衡的原理與動(dòng)力學(xué)分析 1 繞X 軸的轉(zhuǎn)動(dòng) 在汽車的行駛過程中，由于路面不平等情況的影響，會(huì)引起同一軸左右輪 不在同一水平面上，就造成了繞x 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。這就表示在同一個(gè)輪軸上的重量 從一個(gè)車輪向另一個(gè)車輪上轉(zhuǎn)移。如果路面的傾斜不大，或者汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)X 軸 的傾角不大，在軸重稱量中，由于左輪和右輪是同時(shí)測(cè)量，就能補(bǔ)償這種重量 的轉(zhuǎn)移。所以，在傾角比較小的時(shí)候，這種繞X 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)動(dòng)態(tài)稱量的結(jié)果影 響不大。 2 繞Y 軸的轉(zhuǎn)動(dòng) 汽車在進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱重的時(shí)候，由于路面或者稱重臺(tái)面等的影響，會(huì)造成汽 車的點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng)( 繞Y 軸轉(zhuǎn)動(dòng)) 。這種運(yùn)動(dòng)表示重量會(huì)從前軸移到后軸，或與之相 反，從后軸移至前軸。這種運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)稱重的結(jié)果造成很大的影響。 3 繞Z 軸的擺動(dòng) 表示汽車在水平面的運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)會(huì)引起車輪與稱重傳感器的接觸點(diǎn)發(fā) 生變化，這個(gè)變化局限于在水平面之內(nèi)。這就要求稱重傳感器對(duì)水平方向的力， 和對(duì)力的作用點(diǎn)的變化不敏感。事實(shí)上，一般的稱重傳感器都具備這樣的性質(zhì)。 所以，這種水平方向上的運(yùn)動(dòng)，對(duì)稱