(論文)動態(tài)汽車衡的動態(tài)特性分析與數(shù)據(jù)處理(2013年優(yōu)秀畢業(yè)設計論文)

北京化工大學 碩士學位論文 動態(tài)汽車衡的動態(tài)特性分析與數(shù)據(jù)處理 姓名：張剛 申請學位級別：碩士 專業(yè)：機械電子工程 指導教師：王琳 20090612 摘要 動態(tài)汽車衡動態(tài)特性分析和數(shù)據(jù)處理 摘要 隨著國內高速公路建設的快速發(fā)展，同時伴隨汽車超載狀況的加 劇，車輛動態(tài)計費系統(tǒng)由傳統(tǒng)的按車型計費逐步發(fā)展為動態(tài)稱重計費 系統(tǒng)。動態(tài)汽車衡因其能在汽車行駛中進行稱重，具有速度快、效率 高、不干擾正常交通等特點，在實際工作中得到廣泛應用。這些產品 主要問題有：適應車速范圍小，測量精度不高。如何提高適應車速范 圍和動態(tài)稱重精度，就成了車輛動態(tài)稱重系統(tǒng)中的技術難點和關鍵。 在動態(tài)汽車衡承載器的設計過程中，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 將承載器部件轉化為柔性體模型后導入虛擬 仿真平臺M D A D A M S 中進行仿真，得到承載器在汽車通過的形變以 及各傳感器支點的受力，為設計提供更為準確的理論依據(jù)，并判斷設 計完成的承載器能否滿足實際的工作需要。 在算法改進部分，采用基于參數(shù)估計識別算法，基于參數(shù)估計的 軸重辨識方法：根據(jù)動態(tài)汽車衡的動態(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)進行系統(tǒng)參數(shù)辨識，識別出參數(shù)， 進而得到被測汽車的重量。本文采用輔助變量法的參數(shù)估計法，通過 引入輔助變量的方法而達到對參數(shù)辨識模型的無偏估計，使得基于輔 北京化T 人學碩L ：學位論文 助變量法的參數(shù)辨識比最小二乘法具有更高的精度，尤其當噪聲為 有色噪聲和噪聲模型結構不好確定時，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量效果。 在數(shù)據(jù)傳輸部分，收費系統(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)庫平臺，通過A D O 進行數(shù)據(jù)庫訪問，利用串口實現(xiàn)數(shù)據(jù) 的傳送。程序界面友好性、操作方便快捷和準確數(shù)據(jù)庫連接穩(wěn)定是本 文設計的重點。 關鍵詞：A D A M S ；V C + + 6 0 ；輔助變量法；動態(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 北京化工人學碩J ：學位論文 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 北京化工大學碩士學位論文 北京化工大學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下， 獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經注明引用的內容外， 本論文不含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的作品成果。對 本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標 明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。 作者簽名：j 弛叢韭L日期：l 是L 關于論文使用授權的說明 學位論文作者完全了解北京化工大學有關保留和使用學位論文 的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學位期間論文工作的知識產權單位屬 北京化工大學。學校有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的 復印件和磁盤，允許學位論文被查閱和借閱；學?？梢怨紝W位論 文的全部或部分內容，可以允許采用影印、縮印或其它復制手段保 存、匯編學位論文。 保密論文注釋：本學位論文屬于保密范圍，在廿解密后適用 本授權書。非保密論文注釋：本學位論文不屬于保密范圍，適用本 授權書。 作者簽名： 蔓魚豳 導師簽名：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容 1 1 1 問題提出 超限超載問題是經濟和社會發(fā)展到一定階段，車輛生產與管理、運輸市場、 管理體制等諸多矛盾在運輸環(huán)節(jié)的集中反映。由于經濟利益的驅動，一些地方 政府對治理違章超限運輸?shù)膽B(tài)度不積極，在解決經濟利益驅動問題上辦法不多， 措施不力；公安、交通部門只注重路面執(zhí)法，而對源頭和治本方面沒有配套的 治理措施；車輛“大噸小標”、汽車非法改裝問題突出，大噸小標車輛已占全 社會車輛的8 0 以上；交通、公安兩家在治理超限超載中，由于標準不一，重 復處罰現(xiàn)象時有發(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。車輛超限超載運輸對交通安 全、運輸市場及汽車生產秩序造成了極大危害，主要體現(xiàn)在： ( 1 ) 交通稅收嚴重流失。目前，我國公路的養(yǎng)護費、管理費、通行費都是按 車管部門核定的噸位來收的，一旦有車輛超載，其余車輛跟風超載，且有過之 而無不及，而超載就必然導致這部分費用的流失，對那些守法經營者也帶來不 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遠超過了公路和橋 梁的設計承受荷載，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，美國科學家提出了一種計算超載對路面造成傷害程度的經驗公式表明：如 果標準軸重是1 0 噸，而超載車輛的軸重是2 0 噸，那超載的車輛對路面造成的 傷害是標準軸重車輛對路面造成傷害程度的8 到l O 倍。據(jù)交通部門測算，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 ，給國家財產造成了巨額損失。 ( 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、制動性等安全 系數(shù)都會大幅度地下降，帶來的后果就是交通事故率的大幅度上升，嚴重威脅 著人的生命和財產安全。每年的交通事故中，由于車輛超載而引起的約占4 5 左右，直接經濟損失達數(shù)十億元。 隨著治理力度的加大，一些高速公路收費處，隨意加收交通費，使得運輸 司機只增加運輸量，更加重道路系統(tǒng)的損壞速度，并且這種罰款帶有任意性， 也損害了運輸司機的利益，同時給社會安定帶來不安定因素。我國運輸市場上 北京化丁人學碩f ：論文 出現(xiàn)“怪圈”：汽車超載被罰，罰后再拼命超載，運價越來越高，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”。 交通部治超執(zhí)法“五不準： 一、沒有執(zhí)法資格的人員，不準上路執(zhí)法； 二、上路執(zhí)法人員，不準不開收費票據(jù)和亂收費、亂罰款； 三、車輛沒有稱重檢測的，不準認定超限超載； 四、車輛沒有卸載消除違章行為的，不準放行； 五、同一違章行為已被處理的，不準重復處罰。 由治理超載的五不準可以看出，我們需要一種測量設備，能準確的確定被 檢驗車輛的超載情況，既要有利于治理超載，又要使貨運司機的合法利益得到 保障，由于公交路口的收費站車流比較的大，要求檢測必須方便，快捷。 I 1 2 本課題的主要研究內容 1 ) 秤臺的三維模型。根據(jù)目前通常使用的秤臺的長度和寬度，建立其參數(shù) 模型，包括承載器的結構構件，傳感器的支撐點，并對其靜態(tài)參數(shù)進行分析計 算。包括：強度特性，剛度特性，振動周期特性。 2 ) 動態(tài)特性分析。在建立的模型的基礎上，使用A D A M S 分析在加載和卸載 時，秤臺的動態(tài)響應特性，分別仿真出汽車的速度，加速度等對精度的影響。 3 ) 數(shù)據(jù)采集和處理，對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行處理，并改進算法，提高稱 量精度。 4 ) 信號的傳輸。對處理后的數(shù)據(jù)，采用V C + + 進行編程，基于W i n d o w s 平臺， 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 來進行數(shù)據(jù)庫管理。 1 2 動態(tài)汽車衡及其構成與分類 I 2 1 動態(tài)汽車衡的構成 動態(tài)稱重系統(tǒng)是測量行駛車輛的動態(tài)輪胎受力并計算相應的靜態(tài)車輛重量 的過程。一個完整的公路動態(tài)稱重系統(tǒng)是一套傳感器和支持儀器，用來測量在 特定地點特定時間一輛行駛車輛的出現(xiàn)及其動態(tài)輪胎受力，計算車輛的重量， 并且處理顯示和存儲這些信息動態(tài)稱重系統(tǒng)一般由稱重平臺、信號調理電路、 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 動態(tài)汽車衡采用軸重測量的方法，要測出單軸的質量再進行疊加，得到車 輛的實際質量。因此系統(tǒng)需要識別測得的數(shù)據(jù)是否是l 叫一輛車的軸重。汽車動 態(tài)稱重系統(tǒng)一般都是和不停車收費結合使用的。在收費站入口處安放地感線圈， 當有物體從其上經過時，其電感發(fā)生改變當沒有物體經過時，電感不會改變。 當單車、半掛車以及全掛車經過時，由于掛車之間也有連接，陶此，連接部分 經過時，感線圈電感仍然會發(fā)生改變，只要地感線圈的電感持續(xù)變化，系統(tǒng)就 認為是同一輛車經過收費站。同時，在路側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。這兩者結合，保證了稱重檢測數(shù) 據(jù)與車輛的一一對應關系，不會出現(xiàn)由于誤判而產生多車或少車現(xiàn)象。 1 ) 紅外車輛分離器( 也稱光幕) ：由一對紅外光發(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完全通過。 2 ) 電感線圈( 也稱收尾線圈或地感線圈) ：用來進行車輛的輔助分離。通過 電磁感應判斷是否有車輛通過線圈。當電感線圈用于輔助收尾時，又稱為收尾線 幽。 2 車輛輪胎淤別器 在實際的汽車動態(tài)測量中，一般采用車輛輪胎識別器來進行輪胎數(shù)的識別， 當汽車通過時，會! F 識別器，通過感應到H 力的識別器的數(shù)量，c f 以知道單 個軸輪胎數(shù)量。識* l 器的簡圖如圖l2 ： 北京化工人學碩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 車輛輪胎識別器簡圖 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，得到車輛輪胎瞬時重量信號， 該信號進人電器控制系統(tǒng)，經過A D 轉化得到秤臺上的瞬時重量，并由數(shù)據(jù)處理 系統(tǒng)進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、輪胎識別器等，。它負責傳 感器，地感線圈，輪胎識別器等數(shù)據(jù)的采集和處理，并將處理過的數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦?控機上，并根據(jù)工控機發(fā)出的信號，控制顯示屏，這也是汽車衡的核心部位。 5 牌照識別系統(tǒng) 包括攝像系統(tǒng)和識別系統(tǒng)，能夠準確的識別汽車車牌，集合數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，可 以得到汽車車體的信息和以往的稱重結果。 6 稱重收費顯示屏 負責顯示車輛信息結果的平臺。 1 2 2 動態(tài)汽車衡的分類 對動態(tài)汽車衡進行分類的目的是：了解不同種類汽車衡的種類以及它們的 功能，方便選用正確的產品。汽車衡有不同的分類方法，比如按安裝方式、產 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 超限超載檢測系統(tǒng) 系統(tǒng)由動態(tài)稱重系統(tǒng)、車型判別子系統(tǒng)、超限執(zhí)法子系統(tǒng)構成，并可根據(jù) 用戶實際需要擴展車道控制子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控子系統(tǒng)、 超限報警指示子系統(tǒng)。具有檢測效率高、檢測數(shù)據(jù)準確、操作簡便靈活等特點， 但只檢測汽車是否超載，不進行具體軸中的稱量。 2 計重收費系統(tǒng) 通過安裝在收費車道前端的動態(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計算機，收費計算機根據(jù)計重收費費率，對貨運車輛按實 際重量計收通行費。具有稱重準確、性能穩(wěn)定、長期可靠等特點。 3 便攜式動態(tài)汽車衡 便攜式動態(tài)汽車衡，其承載體是由高強度鋁合金制成，集成了圖像采集， 4 雄 緗滄 訓算機控制，大屏幕顯示器等設施。片獨特的1 力感應方式，使其小儀可以對 行進中的車輛輪軸載荷進行動靜芯有效稱重，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。 圜 j j 。 痧乙二0 a 承載器b 稱霞儀表 圖卜3 便攜式動態(tài)汽1 衡 F i g1 3C o e n le n tD T S 4 高速預檢稱暈系統(tǒng) 對在行車道上】F 常行駛的戡貨車輛進行重量預檢測，如宵4 三輛超過系統(tǒng)設 定的限載值，則該車輛的檢測數(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，同時，車輛前方的門架上配置可變情報板， 用以顯示違章車輛的車牌照號碼及警不信息，酣合路側的交通標志，0 I 導違章 車輛進入前方執(zhí)法站內，經過低速動態(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、車速快的高等級公路上，具有檢測效率高，檢測糾 對性強的特點。 1 3 本課題相關領域的歷史、現(xiàn)狀和前沿發(fā)展情況 1 3l 國外汽車衡的發(fā)展 在上世紀許多國家的道路運輸普遍存在超載現(xiàn)象，為了避免超載車輛對公 路造成早期破壞歐共體成員圍和美國、同術、加拿大等同在上世紀5 0 年代就 開始對汽車動忐稱重系統(tǒng)進行研究并取得了帽應的成果。1 9 7 4 年，美國首次在 車輛載荷研究中使用w 【M 系統(tǒng)；同年法同取得了一項壓電纜動態(tài)車輛稱暈器的 專利，叩V 【b t - a c o a x 。上世紀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)研究實驗室聯(lián)盟( F E H R I ) 發(fā)起，按照歐盟運輸委 北京化T 人學碩1 ：論文 員會( E C T D ) 的程序框架制定了C O S T 3 2 3 計劃，該計劃主要內容就是研究對公路 行駛車輛進行動態(tài)載荷監(jiān)控的相關問題，其中最重要的一項測試是在瑞士進行 的為期3 0 個月的W l M 系統(tǒng)實際應用測試。1 9 9 4 年，歐盟開始進行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行產品系統(tǒng)測試，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 ) 測試。結果表明德國P A T 、瑞士K i s t l e r 、美國M i k r o s 等公司的產品在測 量性能方面處于領先水平。2 0 0 0 年I T S 年會上展出了一種由美國M S I 公司開發(fā) 的共聚物壓電軸傳感器，可以同時測量車速、車軸數(shù)、軸距并進行車型分類和 動態(tài)稱重。具體產品歷史如下： 1 9 5 8 年，美國開始了為期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態(tài)車輛稱重器的研究。 1 9 7 4 年，美國首次在車輛載荷研究中使用W I M 系統(tǒng)：同年，法國取得了一 項壓電纜動態(tài)車輛稱重器的專利，即V i b r a c o a x 。 1 9 8 2 年，美國的S t r e e t r e 、英國的G o l d e n b e r g 公司在南非專利基礎上采 用先進電子技術，使性能大大提高。 1 9 8 3 年，V i b r a c o a x 動態(tài)稱重系統(tǒng)首次在法國投入使用。同時P V D F 壓電材 料用作動態(tài)稱重的研究在美國開始。這一年九月，美國聯(lián)邦公路管理總署( F I - I W A ) 提議研究“低成本動態(tài)車輛稱重系統(tǒng)”。 1 9 8 4 年，美國的3 6 個州均安裝了W l M 系統(tǒng)。 1 9 8 5 年，美國的“低成本動態(tài)稱重系統(tǒng)“ 在現(xiàn)場投入運行并提交美國聯(lián)邦 公路部署推廣使用。 1 9 8 8 年，英國研制了一種性能優(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，在美國舉行的“國際交通數(shù)據(jù)采集技術會議上，西德P A l 的平 板式傳感器性能較理想。同時展示數(shù)種低成本的動態(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。在安裝條件很好的情況下，能使統(tǒng)計平均誤 差控制在1 5 左右。 1 9 9 2 年，由歐洲高速公路系統(tǒng)研究實驗室聯(lián)盟( F E H R I ) 發(fā)起，按照歐盟運 輸委員會E C T D ) 的程序框架制定了C O S T 3 2 3 計劃，該計劃主要內容就是研究對 公路行駛車進行動態(tài)載荷監(jiān)控的相關問題，其中最重要的一項測試是在瑞士進 行為期3 0 個的W I M 系統(tǒng)實際應用測試。 1 9 9 4 年，在中國舉行的“國際交通自動化技術會議“ 上，德國展示了采用 平板式傳感器的S A W l 0 0 動態(tài)稱重系統(tǒng)及其在自動收費站的應用。 6 第一章緒論 1 9 9 4 年，歐盟開始進行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行產品系 統(tǒng)測試，即著名的C E T ( C o l dE n v i r o n m e n tT e s t ) 測試，結果表明德國P A T 、瑞 士K i s t l e r 、美國M i k r O S 等公司的產品在測量性能方面處于領先水平： 2 0 0 0 年工T S 年會上展出了一種由美國M S I 公司開發(fā)的共聚物壓電軸傳感 器，可以同時測量車速、車軸數(shù)、軸距并進行車型分類和動態(tài)稱重。 1 3 2 國內汽車動態(tài)稱重產品的歷史與現(xiàn)狀 國內超載現(xiàn)象在某些省份特別嚴重，尤其是存在礦產資源的地區(qū)。我國“七 五“ 期間開始引進和消化國外動態(tài)稱重系統(tǒng)，同時也開始對動態(tài)稱重系統(tǒng)進行 研制；但引進的產品都屬于國外換代產品，主要問題有：適應速度范圍小( 一般 在l O k m h 以下) ，測量精度不高，傳感器過于龐大，安裝施工及維護不便。1 9 9 4 年一種動、靜態(tài)兩用電子軌道衡在太原鋼鐵公司通過了鑒定；該產品集動態(tài)和 靜態(tài)軌道衡的優(yōu)點于一身，較好地解決了檢測精度與車輛通過速度之間的矛盾。 作為國家“八五”期間重點科技項目，交通部重慶公路科學研究所研制了一種 固定式動態(tài)車輛稱重系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一套稱重傳感器和一臺電子測量儀器構成， 每車道布置兩只傳感器，每臺儀器可測量1 4 個車道，軸重誤差小于i 0 $ ， 置信度為9 5 。1 9 9 9 年，德國P A T 載荷監(jiān)控產品開始進入中國市場，云南航天 新技術工程有限公司引進其技術并于1 9 9 9 年8 月獲得了國家技術監(jiān)督局頒發(fā)的 計量器具型式批準證書。由于對動態(tài)汽車衡投入的不斷加大，國內的技術水 平也逐步提高，并且在軟件和算法方面已經達到國際水平。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系統(tǒng)通過交通部I T S 檢測中心E T C 物理層 測試和互操作性測試。 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施造成損害，國外從上世紀5 0 年代后期就開始 對車輛超載檢測技術進行了研究，到上世紀9 0 年代基本上形成了成熟產品，產 品也由靜態(tài)的整車測量發(fā)展到了動態(tài)的軸重檢測，這就是人們熟知的動態(tài)稱重 W I M ( w e i g h i n M o t i o n ) 技術。在過去幾十年的動態(tài)稱重技術研究中，在如何保 持檢測精度的前提下提高汽車通過速度一直是各研究機構所致力解決的問題， 不懈的努力使動態(tài)稱重技術已經得到了很大的發(fā)展，綜述國內外資料，目前動 態(tài)稱重算法主要有以下幾種： 7 北京化- T 人學碩+ ：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態(tài)稱重問題所提出來的，其測 量思路是同時或單獨測量重物移動的位移、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 使用多種不同類型傳感器而難以實現(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確度較差，且往往只適于噪聲很小的場合。 2 ) 位移積分法哺1 該方法是目前國內多個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)的輸出信號對一小段位移L 。沿其長 度L 方向積分，L ，的兩端通過對稱重系統(tǒng)各傳感器的輸出信號進行比較而定， 如圖所示。動態(tài)分量在積分區(qū)間被平均，使汽車振動造成的干擾影響較小，因 此精度相對也較高。這種方法需要較長的數(shù)據(jù)才能保證精度，但是由于需要很 長的時間，故對數(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)估計法吲8 1 9 1 該方法把動態(tài)測量作為一個參數(shù)估計和預測問題來處理，即首先根據(jù)有關 稱重測力系統(tǒng)的先驗知識，推導出一個含有未知參數(shù)的模型，然后用該模型去 擬合稱重測力過程的輸出信號，從而獲得最小平方誤差意義上的參數(shù)估計。由 于被測重量或力值可以看成是稱重測力過程的終值，因此它們可以用模型參數(shù) 進行估計或預測。， 4 ) 補償法n 訓 針對當傳感器響應速度慢和超調量大時限制了動態(tài)稱重速度和準確度的情 況，該方法提出通過設計補償元件，在比“稱重傳感器穩(wěn)定時間”更短的時間 8 第一章緒論 內完成測量，動態(tài)稱重裝置主要由稱重傳感器和動態(tài)補償元件組成。對于動態(tài) 吊秤，有人提出為了削弱縱向振動所導致的高頻干擾，可進行橋式動態(tài)補償與 閾值動態(tài)補償；為削弱橫向擺動所導致的低頻干擾，可進行三點式補償。但該 方法在車輛再根據(jù)該模型和網(wǎng)絡輸入數(shù)據(jù)得到車重，并期望提高檢測精度。 5 ) 神經網(wǎng)絡1 郵2 1 n 3 1 該方法主要是基于并行技術的思想，以神經網(wǎng)絡技術為控制核心，采取多 因素協(xié)調，將檢測過程中對影響稱重精度和限制車輛通過速度起主導作用的因 素作為訓練樣本，通過訓練獲得較好的網(wǎng)絡模型。 6 ) 專家系統(tǒng)： 該方法引入知識模型構成專家系統(tǒng)1 ，即把優(yōu)秀稱重測量專家的思維過程 固化到測量程序中，并與計算機修正程序結合起來，進而提高計量儀器的測試 能力和故障檢測能力。 2 承載器的設計方法 動態(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面上 產生主彎矩的一種結構，從設計上講它應具有足夠滿足最大載荷的強度和剛度， 承載器設計變化不大。： 1 ) 型材并聯(lián)結構 采用國標槽型鋼作邊框，采用Q 2 3 5 鋼板作主筋板?？筛鶕?jù)承載器的長度不 同的選用不同型號的槽鋼和不同厚度的鋼板，此機構焊接方便，易于校正，為 國內外廠家采用。 i：l 圖卜5 承載器的型材結構 F i g 1 - 5D T So f s h a p es t r u c t u r e 2 ) 箱體結構 箱體結構是將相同厚度的鋼板，焊接成幾組箱體梁。這種結構把型鋼更換 成冷彎槽、減少內部布筋、降低臺面鋼板厚度有很多優(yōu)點【1 0 】：( 1 ) 使承載器的 整體重量明顯降低，可以在相同的強度和剛度條件下，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 ) 此結構的秤體備料方便， 適合制造成模塊化單元，模塊單元組合成任意長度的秤體，非常適合大批量生產。 但是由于在焊接過程中容易扭曲變形，在實際中采用此設計方法的廠家不多。 9 北京化1 = 人學碩J j 論義 圖1 _ 6 承載器的箱體結構 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 對W I M 系統(tǒng)的共同要求如下：( 1 ) 精度高：( 2 ) 安裝方便：( 3 ) 測定時的 有效性高：( 4 ) 可靠性好，壽命長；( 5 ) 便于測試，不影響汽車通行：( 6 ) 維 護方便：( 7 ) 標定簡單方便；( 8 ) 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡化，統(tǒng)一管理：( 9 ) 設計合理，造 價低廉：( 1 0 ) 測定安全，抗干擾能力強，能預防各種人為的作弊行為。經過了 幾十年的研究，現(xiàn)在的汽車動態(tài)稱重系統(tǒng)已經取得了一定的成果，但汽車動態(tài) 稱重系統(tǒng)在國內的研究應用時間還很短，已有的動態(tài)汽車重系統(tǒng)主要是從國外 引進的技術，做的二次開發(fā)?！捌呶濉?期間開始引進和消化吸收國外動態(tài)稱重系 統(tǒng)，同時也開始對動態(tài)稱重系統(tǒng)的研制。但是，不論引進或研制的系統(tǒng)都屬于 國外換代的產品。缺乏核心技術，加上道路和被測量汽車的種類繁多，動態(tài)稱 重系統(tǒng)在國內外都處于比較前沿的位置，技術都還沒有完全成熟，主要問題有： 適應速度范圍小( 低速范圍) ，測量精度不高，以及傳感器過于龐大，給安裝旌 工以及維護帶來很大的不便。特別是測量的精度、汽車的通行速度、系統(tǒng)結構 三方面都需要很大的改進。 1 測量精度 目前動態(tài)稱重系統(tǒng)精確度低，主要是因為加在傳感器平臺上的力除了汽車 的真實重量之外，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、輪胎驅動力等，汽車的真實重量有可能淹沒在了各種干擾中，如何從 外界隨機不確定的干擾力中獲取真實的車重，是動態(tài)稱重技術的難點和關鍵。 國內研制出的固定式動態(tài)稱重系統(tǒng)的軸重誤差通常為( 5 一1 0 ) ，但是在有些 場合還是不能滿足，提高精確度是動態(tài)稱重技術的迫切需要。 2 汽車的通行速度 現(xiàn)在的動態(tài)稱重系統(tǒng)允許汽車通行速度比較低，每小時5 - 1 0 k i n 。但是隨著 不停車收費系統(tǒng)的普及，就要求在更高的汽車通行速度下準確測量，目前現(xiàn)有 應用的動態(tài)稱重系統(tǒng)就不能符合要求。為了滿足未來交通的需要，美國紐約州 立大學的研究人員己經研制出了在汽車時速高達8 8 k m ，路面應力達l O k g c m 2 的情況下，其測量精度可保持在2 以內的動態(tài)稱重系統(tǒng)，但是造價過高，目前 還不能推廣使用。所以國內的科研人員也可以在引進的技術中加以突破或者研 1 0 第一章緒論 制出具有自我知識產權的系統(tǒng)，在一定的精度保證下，降低價格，不斷提高汽 車的通行速度。 3 動態(tài)稱重系統(tǒng)的結構 現(xiàn)有應用的動態(tài)稱重系統(tǒng)，一般是固定安裝，建設周期長，造價比較高， 影響公路的J 下常運行。這就需要不斷的改進系統(tǒng)的結構設計，即在不影響測量 速度和精度的前提下，要盡量減小占地面積工程造價和安裝要求，簡化結構， 縮短工期，最好能不影響公路的正常運行。從發(fā)展的角度看，汽車動態(tài)稱重系 統(tǒng)今后可望在以下幾個方面有所進展： ( 1 ) 稱重時汽車的通行速度進一步提高。 ( 2 ) 動態(tài)稱重精度優(yōu)于3 ，并盡量提高。 ( 3 ) 盡量減小占地面積、工程造價和安裝要求。 1 4 課題的立論和意義 近年來，隨著國家治理超載超限的深入，動態(tài)汽車衡( 以下簡稱汽車衡) 以其準確的測量和便捷的操作，很快在全國得到推廣，現(xiàn)在通常的設計汽車衡 承載器過程中，通常只對他們靜態(tài)特性，比如強度、剛度進行校核，很少考慮 他們的動態(tài)特性，這種設計方法存在的問題是：雖然在汽車衡運行過程中，承 載器的強度可以達到稱重要求，但是可能存在由于剛度不夠，會給稱量帶來很 大的誤差。因此，分析承載器的動態(tài)特性是非常必要的。目前，隨著傳感器精 度的提高和對于數(shù)據(jù)處理的方法的改進，動態(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的出入口處，需要更快的速度通過檢測口。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， 對于抗干擾方面，也要盡可能的提高。 北京化T 人學碩I ：論文 第二章動態(tài)汽車衡的原理與動力學分析 隨著國內高速公路建設的快速發(fā)展，同時伴隨汽車超載狀況的加劇，車輛 動態(tài)計費系統(tǒng)由傳統(tǒng)的按車型計費逐步發(fā)展為動態(tài)稱重計費系統(tǒng)。動態(tài)汽車衡 因其能在汽車行駛中進行稱重，具有速度快、效率高、不干擾正常交通等特點， 在實際工作中得到廣泛應用。目前較為流行的是軸重稱量一軸重儀，即分別 測出車輛各軸軸載，再由測試系統(tǒng)計算出整車重量。在靜態(tài)稱重時，車輛的輪 胎平穩(wěn)地作用于軸重儀秤臺下，承載器只受到豎直向下的力，沒有外力的干擾， 因此容易實現(xiàn)高精度測量，結果較為準確。動態(tài)稱重時，車輛以一定的速度通 過軸重承載器上的力除真實軸重外，還有許多因素產生的干擾力，如車速、車 輛自身諧振、路面激勵、輪胎驅動力等。給動態(tài)稱重高精度測量造成很大困難。 因此，在外界隨機不確定干擾力作用下，如何準確測出真實軸重，就成為動態(tài) 軸重測試系統(tǒng)的技術難點和關鍵。故此對干擾力進行分類、整理、分析、綜合， 從動態(tài)測試系統(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 試方式，是提高稱量精度的必要方法n 4 ，。 目前就汽車的動態(tài)稱量而言，精度最高的是在靜態(tài)稱重基礎上改進形成的 動態(tài)汽車衡，多為整車計量。這樣以汽車的通過速度l O k m h 計算，如果承載器 結構和傳感器的響應時間為1 秒，那么，動態(tài)汽車衡的承載器臺面還需比靜態(tài) 稱重的汽車衡再增加3 m 以上的長度。這樣長度的承載區(qū)需要更高的機械強度 和更多數(shù)量的傳感器，大大增加了工程造價和制造難度，同時，由于汽車應用 的靈活性，這種整車計量的汽車衡對車型和拖掛狀態(tài)的適應性也很局限，再者， 使用時需要在路旁或路口設置專用場地或者稱重站，測定效率低。由于稱重信 號處理方法的局限，目前階段動態(tài)軸計量的精度還很低，要準確地進行動態(tài)稱 重，充分分析汽車動態(tài)稱重系統(tǒng)是基礎，只有充分分析了汽車衡的構成、原理、 動態(tài)特性( 包括承載器和傳感器) 以及外界對其精度的影響，才能更好地進行 動態(tài)汽車衡的設計和改進，達到提高稱量精度的目的。本章對動態(tài)汽車衡系統(tǒng) 的構成、基本原理以及影響測量精度的因素問題進行的分析，為動態(tài)汽車衡承 載器建立有效的數(shù)學模型：指出外界因素的影響和改進方法，為后面汽車衡動態(tài) 仿真和算法改進提供必要的理論支持。 1 2 第二章動態(tài)汽車衡的原理與動力學分析 2 1 動態(tài)汽車衡稱重系統(tǒng)的構成與原理 2 1 1 動態(tài)汽車衡系統(tǒng)結構 動態(tài)稱汽車衡一般由承載器、壓力傳感器、信號調理電路、電器控制柜、 處理器( 工控機) 核心部件以及輪胎識別器、車牌識別系統(tǒng)、稱重收費顯示屏 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， 當汽車通過承載器平面時，傳感器將汽車車軸對承載器的壓力量( 軸重) 轉化 為傳感器的電壓信號，經信號放大，數(shù)據(jù)采集電路并通過調整濾波后，傳輸處 理器( 工控機) ，處理器將測得的動態(tài)車重信號和車速信號進行數(shù)據(jù)處理后得到 車輛的真實重量，輪胎識別器和車牌識別系統(tǒng)得到汽車的信息。稱重系統(tǒng)的收 費平臺通過相關部分設定的費率，并結合計算機數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)內原有存儲的汽車 稱重紀錄，計算出應收的費用，并通過稱重顯示屏顯示結果。 2 1 2 動態(tài)稱重系統(tǒng)工作原理 當車輛進入稱重區(qū)時，首先檢測到有車輛進入時開始稱重，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發(fā)生與荷重力成 正比的變化，從而使彈性體上的應變片阻值也發(fā)生正比的變化，配合檢測電橋， 得到與荷重力成正比的檢測信號，此電壓信號通過模擬濾波器對信號進行濾波， 濾波后的模擬信號進行放大并通過A D 轉換器轉換成數(shù)字信號， p 轉換器將 數(shù)字信號送給處理器進行數(shù)據(jù)算法處理，同時根據(jù)測量的車輛速度進行數(shù)學融 合進而得出真實的車重值，然后進行顯示，并根據(jù)需要和上位機進行通信。更 完善的動態(tài)稱重系統(tǒng)，還應該包括工控機系統(tǒng)，它接收分車器、車牌識別器和 輪胎識別器的信息，并結合工控機原有的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，能夠更多的了解汽車本 身的信息，既獲取稱重數(shù)據(jù)，又可以在計算機上建立數(shù)據(jù)庫以便實現(xiàn)對數(shù)據(jù)管 理。具體的工作原理如2 - 1 圖所示。 1 3 北京化工人學碩一I ：論文 圖2 - 1 動態(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 影響稱量的準確度因素 2 2 1 汽車運動的動態(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。當它在動態(tài)下通過動態(tài) 汽車衡承載器時可以導致幾個方向的運動：沿X ，Y ，Z 各軸移動：圍繞X ，Y ，Z 各軸轉動。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 嚴重干擾，其變化波動不斷，給稱重帶來極大的麻煩n 鍆。 圖2 - 2 汽車的運動狀態(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 第二章動態(tài)汽車衡的原理與動力學分析 1 繞X 軸的轉動 在汽車的行駛過程中，由于路面不平等情況的影響，會引起同一軸左右輪 不在同一水平面上，就造成了繞x 軸的轉動。這就表示在同一個輪軸上的重量 從一個車輪向另一個車輪上轉移。如果路面的傾斜不大，或者汽車運動時X 軸 的傾角不大，在軸重稱量中，由于左輪和右輪是同時測量，就能補償這種重量 的轉移。所以，在傾角比較小的時候，這種繞X 軸的轉動對動態(tài)稱量的結果影 響不大。 2 繞Y 軸的轉動 汽車在進行動態(tài)稱重的時候，由于路面或者稱重臺面等的影響，會造成汽 車的點頭運動( 繞Y 軸轉動) 。這種運動表示重量會從前軸移到后軸，或與之相 反，從后軸移至前軸。這種運動會對動態(tài)稱重的結果造成很大的影響。 3 繞Z 軸的擺動 表示汽車在水平面的運動。這種運動會引起車輪與稱重傳感器的接觸點發(fā) 生變化，這個變化局限于在水平面之內。這就要求稱重傳感器對水平方向的力， 和對力的作用點的變化不敏感。事實上，一般的稱重傳感器都具備這樣的性質。 所以，這種水平方向上的運動，對稱