專利名稱：一種實現(xiàn)車載動態(tài)稱重的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明內(nèi)容屬于車載稱重技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種可實現(xiàn)車載動態(tài)稱重的信號處理方法。
背景技術(shù)：
隨著市場經(jīng)濟的不斷發(fā)展以及物流行業(yè)的快速增長，車輛超限超載、道路擁堵、基礎(chǔ)設(shè)施安全等一系列問題也隨之而來，這些都對超限檢測、計重收費等應(yīng)對措施提出了新的要求，由此引出的對于能夠滿足稱重精度與通行效率之間的平衡的車載稱重新技術(shù)的探索業(yè)已被提上日程。目前在車載稱重領(lǐng)域公知的測量方式多采用稱重與行駛狀態(tài)分離的方式，即在車輛靜止?fàn)顟B(tài)下進行計量的方式實現(xiàn)，并且主要在特定工程車輛上得到一定程度的應(yīng)用。但由于車輛在動態(tài)運行過程中的載荷稱量受多種因素的影響，例如車輛的類型、路面的情況 與粗糙度、車輛的速度及加速度、車輛的動平衡、輪胎的狀態(tài)以及駕駛員的操作能力等，故在行駛狀態(tài)下實現(xiàn)車載稱重較為困難。如何在上述這些因素影響下提取有用信息，進而得到車輛在整個行駛過程中各種狀態(tài)下采集信號的區(qū)別與關(guān)聯(lián)，以形成適用的數(shù)據(jù)模型，長期以來一直是本領(lǐng)域科研人員致力于解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題加以解決，提供一種實現(xiàn)車載動態(tài)稱重的方法，該方法可根據(jù)車輛在整個行駛過程中各種狀態(tài)下采集信號的區(qū)別與關(guān)聯(lián)，重點考慮車輛速度、加速度、振動、路面坡度等因素，形成適用的數(shù)據(jù)模型，最后通過插值算法的計算，得到具有較高精度的車載稱重結(jié)果。本發(fā)明提供的實現(xiàn)車載動態(tài)稱重的方法包括以下的實施步驟I、設(shè)置由CPU模塊、多通道AD模塊、速度傳感器模塊、加速度傳感器模塊、集線器和多個稱重傳感器組成的車載動態(tài)稱重系統(tǒng)(CPU模塊、多通道AD模塊、速度傳感器模塊和加速度傳感器模塊又構(gòu)成系統(tǒng)的稱重處理單元，參見附圖)，其中各稱重傳感器的輸出端通過模擬信號總線經(jīng)集線器與多通道AD模塊的輸入端聯(lián)接，多通道AD模塊的輸出端通過SPI總線與CPU模塊的稱重信號輸入端聯(lián)接，速度傳感器模塊和加速度傳感器模塊的輸出端通過串行總線分別與CPU模塊的速度信號輸入端和加速度信號輸入端聯(lián)接；2、在載貨車輛底部的每個車軸上按車身縱向中心線對稱安裝多個稱重傳感器，在車輛行駛狀態(tài)中使用集線器對安裝在車輛上的多個稱重傳感器以車輛獨立軸組上安裝的傳感器分類成組進行采集，采集信號經(jīng)多通道AD模塊處理后通過SPI總線送入CPU模塊；在車體上安裝速度傳感器模塊和加速度傳感器模塊，二者的采集信號通過串行總線送入(PU模塊(即CPU模塊由AD模塊獲得載荷參量、由速度傳感器模塊獲得速度參量，由加速度模塊獲得加速度參量和傾斜角度參量)；3、由CPU模塊對即時檢測得到的各采集信號進行處理，處理方式如下
a)事先確定一個固定的采集周期T(周期可調(diào))，在該采集周期內(nèi)，CPU模塊通過解析由AD模塊傳遞的數(shù)據(jù)實時獲取傳感器稱重內(nèi)碼值，并通過二級平滑均值濾波算法濾除稱重信號中高頻噪聲部分對信號的干擾，獲得該周期內(nèi)的實時動態(tài)載荷采樣值y(t)；b) CPU模塊通過解析速度模塊傳遞的數(shù)據(jù)實時獲取車輛的行駛速度信號，并通過簡單平均計算出該周期內(nèi)的平均速度v(t);c)CPU模塊通過解析加速度模塊傳遞的數(shù)據(jù)實時獲取車輛的加速度和傾角，并通過公式計算出取該周期內(nèi)的傾斜角度Ψ和加速度a(t)，其中加速度參量數(shù)a(t)=a0(t) + gsin￥,式中Btl(t)為車輛在坡度為O的路面行駛的加速度，Ψ為路面坡度，-10° < Ψ < 10° ;加速度模塊指內(nèi)置于稱重處理單元的加速度監(jiān)測集成電路，它能提供X、Y、Z方向的加速度及傾斜角度數(shù)據(jù)；車輛行駛加速度、振動及路面角度對重量的影響主要體現(xiàn)在對車輛產(chǎn)生的垂直加速度分量對重量的影響，這里只重點考慮這部分因素影響；另外根據(jù)實際情況綜合考慮，優(yōu)化算法主要應(yīng)對的是平直路面行駛過程中的稱重問題，對于路面坡度大于10°的情形，優(yōu)化算法暫不做考慮；
4、通過上述步驟獲得車載稱重的計算模型公式為y (t) =y0+k1v (t) +k2a (t) +k3F (t) O ^ sin Ψ ^ 0. 17式中y(t)為實時動態(tài)載荷采樣值，y0為車輛靜態(tài)載荷零點采樣值，v(t)為實時車輛行駛速度，a (t)為實時車輛加速度，F(xiàn) (t)為實時動態(tài)載荷，Ψ為路面坡度，ki、k2、k3S相關(guān)修正系數(shù)；根據(jù)上述公式，通過標(biāo)定確定參數(shù)，在載荷F(t)恒定的情況下，保持一定速度v(t)下勻速行駛，得到多個加速度點aUh-aUh下對應(yīng)的y (th-y (t)n ;在載荷F(t)恒定的情況下，在不同速度下￥(011(011勻速行駛，得到同一加速度點&(0下對應(yīng)的yah-yah ;根據(jù)以上測試結(jié)果進行插值計算，得到不同速度、加速度范圍下的Vk2、k3系數(shù)標(biāo)定值表，由此，通過公式F (t) = [y (t) Icrk1V (t) ~k2a (t) ] /k3計算得到車輛運動過程中的動態(tài)載荷值。綜上所述，本發(fā)明的技術(shù)解決方案總體而言包含兩部分內(nèi)容A、信號采集對載貨車廂底盤進行有限元分析，找出敏感區(qū)應(yīng)變大小與分布，為稱重傳感器的安裝位置提供理論依據(jù)；將傳感器采集到的信號進行線性疊加，并以此作為原始數(shù)據(jù)參與優(yōu)化算法；同時，同步采集速度傳感器、加速度傳感器提供的速度、加速度、角度等信號，再由CPU模塊完成多傳感器數(shù)據(jù)融合，按照優(yōu)化算法進行相關(guān)處理，得到最終處理結(jié)果。B、稱重模型的建立車輛在動態(tài)運行過程中的載荷稱量易受多種因素的影響，包括車輛的類型、路面的情況與粗糙度、車輛的速度及加速度、車輛的動平衡、輪胎的狀態(tài)以及駕駛員的操作能力等。本發(fā)明通過觀察車輛在整個行駛過程中各種狀態(tài)下采集信號的區(qū)別與關(guān)聯(lián)，利用優(yōu)化算法從中篩除隨機性過大、情況過于復(fù)雜的輪胎狀態(tài)、駕駛員操作能力等因素，著重考慮具有共性的因素，即車輛的速度、加速度、車輛振動和路面坡度。本發(fā)明采用的優(yōu)化算法針對的是車輛在運動過程中的載荷稱量，期間車輛的運行速度及加速度對稱量結(jié)果的影響是不可忽略的，在本發(fā)明確立的稱重模型中，增加速度及加速度因子能夠更好地檢測稱量信號，進而計算出運行過程中的動態(tài)載荷重量。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的特點和有益效果是一、采用多傳感器融合技術(shù)，同步采集稱重傳感器、速度傳感器、及加速度傳感器信號，從車輛動態(tài)稱重信號中分離出實際靜態(tài)載荷信號；二、稱重模型中增加速度、加速度、角度等因子，使得動態(tài)稱重信號處理結(jié)果更準(zhǔn)確的反映實際載荷；三、采用濾波算法、插值算法，并據(jù)此設(shè)計了稱重信號的優(yōu)化處理算法，建立動態(tài)稱重信號與實際靜態(tài)載荷的對應(yīng)關(guān)系，提高了車輛運行過程中動態(tài)稱重的精度，可實現(xiàn)車輛隨時隨地進行載荷稱量。



附圖為本發(fā)明采用的車載動態(tài)稱重系統(tǒng)的工作原理圖。
具體實施例方式以下將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明內(nèi)容做進一步說明，但本發(fā)明的實際應(yīng)用形式并不僅限于下述的實施例。實施例參見附圖，本發(fā)明所述的實現(xiàn)車載動態(tài)稱重的方法是一種新型的實現(xiàn)車輛隨時隨地進行載荷稱量的方法，其實施步驟如下所述。I、設(shè)置由CPU模塊、多通道AD模塊、速度傳感器模塊、加速度傳感器模塊、集線器和多個稱重傳感器組成的車載動態(tài)稱重系統(tǒng)(CPU模塊、多通道AD模塊、速度傳感器模塊和加速度傳感器模塊又構(gòu)成系統(tǒng)的稱重處理單元)，其中各稱重傳感器的輸出端通過模擬信號總線經(jīng)集線器與多通道AD模塊的輸入端聯(lián)接，多通道AD模塊的輸出端通過SPI總線與(PU模塊的稱重信號輸入端聯(lián)接，速度傳感器模塊和加速度傳感器模塊的輸出端通過串行總線分別與CPU模塊的速度信號輸入端和加速度信號輸入端聯(lián)接。具體實施結(jié)構(gòu)中，CPU模塊可采用飛利譜公司型號為NXP2368的器件，多通道AD模塊可采用美國ADI公司型號為AD7799的器件。2、在載貨車輛底部的每個車軸上按車身縱向中心線對稱安裝2 4個稱重傳感器，在車輛行駛狀態(tài)中使用集線器對安裝在車輛上的稱重傳感器以車輛獨立軸組上安裝的傳感器分類成組進行采集，采集信號經(jīng)多通道AD模塊處理后通過SPI總線送入CPU模塊；在車體上安裝速度傳感器模塊和加速度傳感器模塊，二者的采集信號通過串行總線送入(PU模塊。3、由CPU模塊對即時檢測得到的各采集信號進行處理，處理方式如下a)確定一個固定的采集周期T = 10秒，在該采集周期內(nèi)，CPU模塊通過解析由AD模塊傳遞的數(shù)據(jù)實時獲取傳感器稱重內(nèi)碼值，并通過二級平滑均值濾波算法濾除稱重信號中高頻噪聲部分對信號的干擾，獲得該周期內(nèi)的實時動態(tài)載荷采樣值y(t)。二級平滑均值濾波是指以第一級平滑濾波處理結(jié)果作為第二級平滑濾波輸入，以第二級平滑濾波結(jié)果作為整個濾波輸出結(jié)果，第一級平滑濾波采用周期T內(nèi)可調(diào)的η個采集數(shù)的均值計算，第二級平滑濾波進行周期T內(nèi)的一級濾波結(jié)果進行均值計算。
計算示例設(shè)定每秒10個采樣值(nzliOyUth-yKt)^!,去掉最大值、最小值,取8
8
個采樣值計算平均值>’2(0 = Σ.ν1⑴;7/8，在周期內(nèi)T=IO內(nèi)得到10組計算值y2 (t) ry2 (t) 10,
M=I
B
去掉最大值、最小值，再次取平均值，得到.)·</) = ν>；2(/)^/8 3
η=1b) CPU模塊通過解析速度模塊傳遞的數(shù)據(jù)實時獲取車輛的行駛速度信號，并通過 簡單平均計算出該周期內(nèi)的平均速度v(t)。c)CPU模塊通過解析加速度模塊傳遞的數(shù)據(jù)實時獲取車輛的加速度和傾角，并通過公式計算出取該周期內(nèi)的傾斜角度Ψ和加速度a(t)，其中加速度參量數(shù)a(t)=a0(t) + gsin￥,式中Btl(t)為車輛在坡度為O的路面行駛的加速度，Ψ為路面坡度，-10。彡 Ψ 彡 10°。4、通過上述步驟獲得車載稱重的計算模型公式為y (t) =y0+k1v (t) +k2a (t) +k3F (t) O ^ sin Ψ ^ 0. 17式中y(t)為實時動態(tài)載荷采樣值，y0為車輛靜態(tài)載荷零點采樣值，v(t)為實時車輛行駛速度，a (t)為實時車輛加速度，F(xiàn) (t)為實時動態(tài)載荷，Ψ為路面坡度，ki、k2、k3S相關(guān)修正系數(shù)。根據(jù)上述公式，通過標(biāo)定確定參數(shù)，在載荷F(t)恒定的情況下，保持一定速度v(t)下勻速行駛，得到多個加速度點aUh-aUh下對應(yīng)的y (th-y (t)n ;在載荷F(t)恒定的情況下，在不同速度下￥(011(011勻速行駛，得到同一加速度點&(0下對應(yīng)的yah-yah ;根據(jù)以上測試結(jié)果進行插值計算，得到不同速度、加速度范圍下的Vk2、k3系數(shù)標(biāo)定值表。計算方法如下I)同一載荷，同一加速度下測得兩組數(shù)據(jù)y (t) ^yo+kiV (t) i+k2a (t) +k3F (t)y (t) 2=y0+k1v (t) 2+k2a (t) +k3F (t)可計算出Ii1 = (y(t) ^y(O2)/( (v(t)「v(t)2)①2)同一載荷，同一速度下測得兩組數(shù)據(jù)y (t) ^yo+kiV (t) +k2a (t) ^k3F (t)y (t) 2=y0+k1v (t) +k2a (t) 2+k3F (t)可計算出 k2= (y (t) ry (t)2)/ ( (a (t) ra (t) 2)②3)其他參數(shù)已知，代入上式可求得k3k3= [y (t) -yo-kiV (t) -k2a (t) ] /F (t)③由此,通過公式F (t) = [y(t) I0-Ii1V (t)_k2a(t)]/k3④計算得到車輛運動過程中的動態(tài)載荷值F (t)。由于實際測量取值點分辨率問題，在工程應(yīng)用中采用分段計算的方法，在同一分段內(nèi)取同一 k值，理論上屬于分段插值計算方法。計算示例例速度按間隔10km/h分段,加速度按間隔lm/s2分段，以下求解10km/h 20km/h段,lm/s2 2m/s2段的k值。I)在載荷 F=20000kg, a^l. 5m/s2 情況下，測得 V1=ISkmA, v2=25km/h, Y1 = 2677,y2=2600,由公式①計算得Ic1 = -7. 7。2)在載荷 F=20000kg, V1=ISkmA 情況下，測得 a^l. 5m/s2, a2=2. 5m/s2, y1=2677,y2=2750,由公式②計算得k2=73。3)由公式③計算得k3=0. 13355ο4)以上計算出上述分段內(nèi)的Hk3，由此實測的速度、加速度在該分段內(nèi)的測量值均使用該k值，由公式④計算出F(t)。 5)同理得到其他分段k值，建立多種載荷、分段標(biāo)定值表。該方法通過分析車輛在整個行駛過程中各種狀態(tài)下采集的載重信號信息，建立了車載動態(tài)稱重信號模型，采用濾波算法、插值算法設(shè)計了稱重信號的優(yōu)化處理算法，該優(yōu)化方法原理簡單、運算速度快，且可以顯著提高車載稱重系統(tǒng)的稱量精度，適用于多種形式的車載稱量系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1. 一種實現(xiàn)車載動態(tài)稱重的方法，其特征在于包括以下的實施步驟 I. I設(shè)置由CPU模塊、多通道AD模塊、速度傳感器模塊、加速度傳感器模塊、集線器和多個稱重傳感器組成的車載動態(tài)稱重系統(tǒng)，其中各稱重傳感器的輸出端通過模擬信號總線經(jīng)集線器與多通道AD模塊的輸入端聯(lián)接，多通道AD模塊的輸出端通過SPI總線與CPU模塊的稱重信號輸入端聯(lián)接，速度傳感器模塊和加速度傳感器模塊的輸出端通過串行總線分別與CPU模塊的速度信號輸入端和加速度信號輸入端聯(lián)接； I. 2在載貨車輛底部的每個車軸上按車身縱向中心線對稱安裝多個稱重傳感器，在車輛行駛狀態(tài)中使用集線器對安裝在車輛上的多個稱重傳感器以車輛獨立軸組上安裝的傳感器分類成組進行采集，采集信號經(jīng)多通道AD模塊處理后通過SPI總線送入CPU模塊；在車體上安裝速度傳感器模塊和加速度傳感器模塊，二者的采集信號通過串行總線送入CPU模塊； I. 3由CPU模塊對即時檢測得到的各采集信號進行處理，處理方式如下 a)事先確定一個固定的采集周期T，在該采集周期內(nèi)，CPU模塊通過解析由AD模塊傳遞的數(shù)據(jù)實時獲取傳感器稱重內(nèi)碼值，并通過二級平滑均值濾波算法濾除稱重信號中高頻噪聲部分對信號的干擾，獲得該周期內(nèi)的實時動態(tài)載荷采樣值y(t)； b)CPU模塊通過解析速度模塊傳遞的數(shù)據(jù)實時獲取車輛的行駛速度信號，并通過簡單平均計算出該周期內(nèi)的平均速度v(t)； c)CPU模塊通過解析加速度模塊傳遞的數(shù)據(jù)實時獲取車輛的加速度和傾角，并通過公式計算出取該周期內(nèi)的傾斜角度Ψ和加速度a(t)，其中加速度參量數(shù)a(t)=a0(t) + gsin￥,式中Btl(t)為車輛在坡度為O的路面行駛的加速度，Ψ為路面坡度，-10。彡 Ψ 彡 10° ; I.4通過上述步驟獲得車載稱重的計算模型公式為Y (t) =Yo+kiV (t) +k2a (t) +k3F (t) O ^ sin ψ ^ 0. 17 式中y(t)為實時動態(tài)載荷采樣值，車輛靜態(tài)載荷零點采樣值，v(t)為實時車輛行駛速度，a (t)為實時車輛加速度，F(xiàn) (t)為實時動態(tài)載荷，Ψ為路面坡度，ki、k2、k3為相關(guān)修正系數(shù)； 根據(jù)上述公式，通過標(biāo)定確定參數(shù)，在載荷F(t)恒定的情況下，保持一定速度V (t)下勻速行駛，得到多個加速度點S(Oraa)n下對應(yīng)的y (Orya)n ;在載荷F(t)恒定的情況下，在不同速度下V (t) rv (t) n勻速行駛，得到同一加速度點a (t)下對應(yīng)的y (t) ry (t) n ;根據(jù)以上測試結(jié)果進行插值計算，得到不同速度、加速度范圍下的kp k2、k3系數(shù)標(biāo)定值表，由此，通過公式 F (t) = [y (t) Icrk1V (t) -k2a (t) ] /k3 計算得到車輛運動過程中的動態(tài)載荷值。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種實現(xiàn)車載動態(tài)稱重的方法，該方法利用由CPU模塊、多通道AD模塊、速度傳感器模塊、加速度傳感器模塊、集線器和多個稱重傳感器組成的車載動態(tài)稱重系統(tǒng)，根據(jù)車輛在整個行駛過程中各種狀態(tài)下采集信號的區(qū)別與關(guān)聯(lián)，綜合考慮車輛速度、加速度、車身振動、路面坡度等因素，形成適用的數(shù)據(jù)模型，最后通過濾波算法、插值算法等進行數(shù)據(jù)處理，使車載稱重裝置達到了較高的稱量精度。本發(fā)明方法的原理簡單、運算速度快，適用于多種形式的車載稱量系統(tǒng)。
文檔編號G01G19/03GK102901550SQ201210461639
公開日2013年1月30日 申請日期2012年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月15日
發(fā)明者張偉, 許晨光, 袁玉華, 王文麗, 竇丹丹 申請人:陜西電器研究所