基于多傳感器采集軸重信號的公路貨車不停車稱重系統(tǒng)

劉沙，伍銀波

（1.河南省計量測試科學研究院，鄭州 450000；2.廣東技術師范大學 自動化學院，廣州 510665）

近年來，公路貨車超限超載運輸問題越來越嚴重，不僅影響了公路交通安全，也影響了貨物運輸效率[1]。為了有效治理超限超載運輸問題，相關部門在近些年提出了關于公路制度改革的一些政策，包括逐步推進不停車稱重檢測系統(tǒng)建設[2-4]。

早期國內關于公路貨車不停車稱重系統(tǒng)的研究主要集中在收費、測速等方面，而在數(shù)據采集、稱重方面的研究較少[5]。目前國內對于公路貨車超限超載治理主要通過入口稱重方式實現(xiàn)，該方法主要通過在公路上設置稱重設施來檢測貨車是否超載超限，同時還要求貨車必須在指定時間內駛離稱重設施，且不能停留和進行其他操作，不適用于大型或超長車輛[6-8]。為解決上述問題，一些專家學者提出了很多具有研究意義的公路貨車不停車稱重系統(tǒng)，如基于系統(tǒng)關聯(lián)性的稱重系統(tǒng)、基于特高頻傳感器的稱重系統(tǒng)，這2 種系統(tǒng)在實際應用上能夠實現(xiàn)非接觸式稱重，同時記錄車輛其他屬性信息，具有一定的應用價值，但是在動態(tài)稱重方面，測量精度比較低，缺少對行駛車輛各種干擾因素的深度分析，在信號采集上處理方法不夠優(yōu)秀[9-11]。因此，本文提出基于多傳感器采集軸重信號的公路貨車不停車稱重系統(tǒng)，解決上述稱重系統(tǒng)中存在的問題。

1 公路貨車不停車稱重系統(tǒng)硬件設計

在稱重系統(tǒng)的硬件設計上，主要針對系統(tǒng)信號采集問題，設計信號采集模塊。基于多傳感器的信號采集模塊硬件設計主要包括傳感器及其電路、信號調理電路、AD 轉換電路、微處理器電路、無線通訊模塊和電源電路等，具體結構如圖1 所示。

圖1 稱重系統(tǒng)硬件結構示意圖Fig.1 Hardware structure diagram of weighing system

該模塊采用兩路無源三軸雙電子不停車稱重傳感器作為核心，分別采集車輛的軸型和軸重信息。其中，兩路傳感器的輸出信號分別通過AD 轉換電路轉化為數(shù)字信號，然后送至微處理器進行處理。多路數(shù)據采集模塊電路包括雙電壓比較器、2 個AD 轉換器（型號為MSP430F149）、電源管理芯片（型號為NCP1342）和一塊大容量存儲器（型號為LPC2131）等。其中，單片電壓比較器能將兩路信號分別放大，并進行比較。當兩路信號電壓差大于設定閾值時，將通過比較器的輸出端輸出低電平[12-14]。AD 轉換芯片采用AD7606，該芯片是一種四線數(shù)字轉換器，可實現(xiàn)高精度的模/數(shù)轉換功能。電源管理芯片采用MSP430F149，該芯片具有4 路獨立的電源管理功能[15]。該模塊的工作流程如圖2 所示。

圖2 信號采集模塊流程Fig.2 Flow chart of signal acquisition module

由圖可知，公路貨車在行駛過程中，通過多傳感器采集車輛信息，通過A/D 轉換器將模擬信號轉換為數(shù)字信號，經過微處理后結果即可呈現(xiàn)在顯示裝置上。利用傳感器獲得的數(shù)據，結合軟件設計內容即可實現(xiàn)公路貨車不停車動態(tài)稱重。

2 公路貨車不停車稱重系統(tǒng)軟件設計

2.1 確定車輛荷載

為了得到準確的車輛荷載，需要確定多個傳感器的安裝位置，通常需要利用車輛軸型、車軸間距、軸長、軸寬、軸距等參數(shù)，通過現(xiàn)場標定確定各傳感器的安裝位置。結合測量車輛在路面行駛產生的振幅和頻率，計算得到車輛的動態(tài)荷載。當車輛通過現(xiàn)場傳感器時，根據采集信號的峰值計算車輛軸載。計算公式如下：

式中：w 表示車輛軸載；M1表示車輛的軸重；umax表示采集電壓信號的峰值。

考慮可能存在路面不平整的情況，建立路面不平整函數(shù)：

式中：Y0表示路面不平整的幅值；η 表示路面不平整的波長；φ 表示初始相位。

在此基礎上，根據車輛受力情況，建立車輛受迫振動的運動微分方程：

式中：m1和m2表示車輛非后懸掛部分的質量和后懸掛部分的質量；y1表示車輪的垂直位移；c2表示車輛后懸掛部分阻尼系數(shù)；λ1表示車輛輪胎剛度系數(shù)；y0表示地面對車輪的激勵；λ2表示車輛后懸掛剛度系數(shù)；y2表示車身垂直位移；c1表示車輛后輪胎阻尼系數(shù)。

通過上述計算參數(shù)，即可計算出車輛附加動荷載為

通過車輛荷載的確定可以實現(xiàn)公路貨車的動態(tài)稱重需求。為了更好地判斷車道中車輛的動態(tài)變化情況，在車輛動態(tài)稱重的基礎上，檢測車輛軌跡線橫向位置，進一步判斷車輛的狀態(tài)。

2.2 檢測車輛軌跡線橫向位置

當車輛經過稱重臺時，會產生一個振動信號，通過分析振動信號中的頻率成分，就可以實現(xiàn)對車輛行駛軌跡線橫向位置的檢測。這是因為當車輛經過稱重臺時，振動信號中的低頻成分被放大，而高頻成分則被濾除。由此可以提取出車輛經過稱重臺時的橫向位置信息。由于車軸的轉動并不是勻速的，因此振動信號在經過稱重臺時也會產生相應的變化。同時由于高頻信號非常容易受到干擾，因此本系統(tǒng)采用了一種基于卡爾曼濾波的數(shù)字濾波器對車輛通過稱重臺時車輪軸向橫向位移進行補償。卡爾曼濾波器用卡爾曼算法對低頻振動信號進行處理，可以得到車輪軸向橫向位移與初始值之間的誤差。同時為了防止測量過程中車輪軸向橫向位移數(shù)據出現(xiàn)波動而影響檢測結果，使用了一種自適應閾值濾波方法。當測量值與閾值之間誤差超過設定的閾值時，該算法會將測量結果輸出為高電平來進行報警。經實驗驗證，該濾波方法能有效抑制車輛通過稱重臺時的高頻振動信號。在獲得補償后的振動信號后，計算車輛的行駛速度和軸距，再根據傳感器的軸數(shù)對車輛進行分類。相關計算公式如下：

式中：v 表示車輛行駛速度；L 表示行駛距離；t0表示初始檢測時刻；t1表示檢測結束時刻；d 表示軸距。

將上述計算結果與采集信號的時間波形相結合，可得到車輛估計在路面上的橫向位置，實現(xiàn)更精準的車輛動態(tài)稱重。至此，公路貨車不停車稱重系統(tǒng)設計完成。

3 系統(tǒng)性能測試與分析

3.1 測試對象

在公路貨車不停車稱重系統(tǒng)軟硬件開發(fā)設計完成后，對系統(tǒng)的應用性能展開測試，在測試結束后，根據多組測試結果對稱重系統(tǒng)的抗干擾能力進行分析與討論。

公路貨車不停車稱重系統(tǒng)測試的對象為六輪載貨貨車，在系統(tǒng)性能測試開始前，對貨車的輪胎胎壓值進行標定，具體數(shù)據如表1 所示。數(shù)據的實際采集過程是，在貨車載重為0 的節(jié)點，每次增重500 kg 載物，一直增加到10000 kg，每增加1 次記錄1 次數(shù)據，將測量數(shù)據作為測試樣本數(shù)據。將測試樣本數(shù)據作為稱重系統(tǒng)的輸入，針對稱重系統(tǒng)的抗干擾性能設計信號采集干擾測試方案和系統(tǒng)精度測試方案，通過這2 組測試驗證稱重系統(tǒng)的抗干擾性能。

表1 不同荷載下各輪胎胎壓數(shù)值表（kap）Tab.1 Numerical of tire pressure under different loads（kap）

3.2 信號采集干擾測試結果及分析

在信號采集干擾測試中，在相同配置的計算機搭載稱重系統(tǒng)并運行，在任務完成后，利用計算機輸出信號采集的延遲時間，測試結果如圖3 所示。圖中曲線a 表示系統(tǒng)通信距離不超過50 m 時的信號采集延遲情況，曲線b 表示系統(tǒng)距離超過50 m時的信號采集延遲情況。觀察圖中顯示的測試結果可以看出，提出的車輛稱重系統(tǒng)在2 種通信情況下，信號采集延遲均比較小，說明受到通信距離干擾較小，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

圖3 信號延遲時間測試結果Fig.3 Test results of signal delay time

3.3 系統(tǒng)精度測試結果及分析

系統(tǒng)精度測試中，主要包括線性測試、重復性測試以及偏載測試，使用測力機測試。測力機結構如圖4 所示。

圖4 測力機測試結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of testing structure of force measuring machine

在測試過程中，將稱重臺安放在測力機平臺上，適當調整位置，與計算機連接，在稱重板中心點按照不同載荷量進行加載測試，并記錄各個測試點的數(shù)值。測試結果如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)精度測試結果Fig.5 System accuracy test results

按照以往的測試標準，線性誤差和重復性誤差需滿足精度≤0.2%FS，偏載誤差需要滿足精度≤2%FS。從圖中顯示的測試結果可以看出，提出的基于多傳感器采集軸重信號的稱重系統(tǒng)的線性誤差、重復性誤差和偏載誤差滿足上述標準。由此可知，提出的多傳感器采集軸重信號的稱重系統(tǒng)稱重誤差小、精度高。

將系統(tǒng)精度測試結果與信號采集干擾測試結果相結合，經過綜合分析可知，提出的基于多傳感器采集軸重信號的公路貨車不停車稱重系統(tǒng)系統(tǒng)精度高、信號采集穩(wěn)定可靠延遲小。

4 結語

本論文提出了一種基于多傳感器采集軸重信號的公路貨車不停車稱重系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的關鍵技術進行了研究。該系統(tǒng)可同時檢測車輛軸型、軸重、總重及時間等信息，并可將相關數(shù)據實時傳送到監(jiān)控中心進行保存和處理，同時還可為相關部門提供其他工作的數(shù)據支撐。本系統(tǒng)具有稱重準確、實時顯示、操作簡單和信號干擾小等優(yōu)點，適用于對貨車超載超限治理。

由于本論文所設計的公路貨車不停車稱重系統(tǒng)還存在一些問題，如：數(shù)據采集部分在信號傳輸過程中會出現(xiàn)斷線現(xiàn)象、車輛經過時會有一定的振動干擾等。在下一步研究中，將在此基礎上對本系統(tǒng)進行進一步改進和完善，以更好地服務于公路貨運行業(yè)。