公路动态称重系统的算法设计

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1、http://www.paper.edu.cn高精度的公路动态称重系统的算法设计代伟长安大学工程机械学院，西安（710054）E-mail:daveme_24@yahoo.com.cn摘要：随着经济的发展和经济区域分工的扩大，公路货运变得越来越繁荣，货运汽车超重现象越来越严重。公路动态称重系统就是利用传感器测量行使中的汽车的动态轮胎的受力信号，利用对这些受力信号的分析来计算相应的静态车辆重量的过程。本文通过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，并对系统中的各种噪声进行了分析。在此基础上，提出了汽车动态称重的算法：首先利用小波分解对信号

2、做分频，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，这样就得到去除了很多噪声的信号；称重模型是一个典型的ARMA模型，也就是线性最小二乘拟合问题，最终归结为3个自变量的近2000阶线性超定方程组的求解。软件方面本文用C语言实现了这个算法，实验证明这是一个相当好的算法。关键词：动态称重、信号、小波变换中图分类号：TB114.3文献标识码：A1.绪论1.1本课题提出的意义和目的随着经济的发展和经济区域分工的扩大，公路货运变得越来越繁荣，货运汽车

3、超重现象越来越严重。实验得到的“四次方法则”告诉我们：汽车的轴荷增大2倍，公里路面的损坏将增大原来的16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对公路的破坏（也就是汽车的载重）来收取过路费用。公路动态称重系统就是利用传感器测量行使中的汽车的动态轮胎的受力信号，利用对这些受力信号的分析来计算相应的静态车辆重量的过程。与传统的汽车静态称重不同，动态称重系统不需要汽车停车待称，只要汽车经过称重系统就可以实现称重，因此具有隐蔽性、及时性和连续性，既实现了称重，又不影响正常的交通流，因此是一个十分有价值的研究课题。

4、1.2公路动态称重系统的简单介绍下面简单介绍一下公路动态称重系统。汽车称重系统硬件设计方案可以有多种模式，本[1]文仅仅研究一种，也就是WIM(Weigh-In-Motion）系统。如图1所示，WIM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-1-http://www.paper.edu.cn图1WIM系统原理图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

5、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静态载荷。本文的主要目的是研究如何利用一组并排2个车轮的传感器数据来计算相应车轮的静态重量。整个流程如图2。-2-http://www.paper.edu.cn图2WIM系统流程1.3本文所做的工作本文总结了前人的一些结果，用真实的数据验证了算法的有效性。并且在实践中验证了该套系统与其他系统的优点所在。在大量的数值经验的基础上得到了一个更好的解决问题的算法：就是将多种算法集成在一起。2.公路动态称

6、重系统的物理分析及数学模型本章在对称重系统物理分析的基础上得到一个数学模型，从而为数值求解打下坚实的基础。2.1公路动态称重系统的力学分析下面我们对图1中的称重系统的物理过程进行分析。分析的对象有两个：车轮和支承板。假设车辆载荷沿着X轴正方向以匀速V通过x点时，支承板受到的作用力有：(1)车辆的稳态载荷，即由于车辆在当前车轮上分担的重量引起的载荷p(t)=Mgδ(x−vt)，其中1δ(•)为Dirac函数,M为车辆折合到车轮上的重量；(2)车辆的动态载荷(或者称为瞬态载-3-http://www.paper.edu.cn荷)p(t)，瞬态载荷产生的因素

7、很多,主要由以下三类：2[1]由车辆自身的各种因素引起的振动;[2]由路面不平造成的振动;[3]由车辆与地表耦合而产生的振动动态载荷p(t)在称重过程中是作为噪声出现的，应加以消除。2通过结构设计可以使水平方向的力对称重系统的影响相对动态载荷而言而言忽略不计，所以我们只需要考虑水平方向的力。当车轮行使到x位置的时候，WIM系统的力学分析如下：车轮受到的作用力(如图3)2dφF−Mg=−Ma−Mx（1）2dtdφ其中,F为承载板对车轮的作用力；a为科氏加速度，a=2•V；车辆正常行使的dt时候加速度a很小，可以忽略不计。图3车轮受力状况承载板受到的作用力

8、（如图4）22dφ2dφ−Fx+cL+KLφ=−I（2）02dtdtI：承载板转动惯量；c：折