周尚儒， 李麗宏， 張劍勇， 楊 軍

(1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；2.山西萬立科技有限公司，山西 太原 030032)

0 引 言

目前,公路計重系統(tǒng)的稱量設(shè)備多數(shù)為動態(tài)汽車衡，據(jù)調(diào)研，目前已安裝的動態(tài)軸重稱量設(shè)備的典型誤差為5 %[1,2]，但實際安裝使用后均達不到。其原因主要是安裝現(xiàn)場的條件遠達不到產(chǎn)品的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，主要是廠家標(biāo)稱精度的測試數(shù)據(jù)是在保證勻速通過的前提下得到的，而現(xiàn)場使用時車輛卻不是勻速的。影響動態(tài)稱重精度的因素較多，例如:車輛速度、車輛加速度、秤臺寬度、車輛振動等[3,4]，造成測量結(jié)果誤差大和不準(zhǔn)確，導(dǎo)致公路計重系統(tǒng)不具有很強的說服力和廣泛的公信度，因此,提高車輛動態(tài)稱重精度具有重要的理論和實際意義。

本文提出了一種以CCD為前端測量裝置采集汽車的圖像信號，以單片機為核心處理芯片進行相關(guān)運算的汽車瞬時速度測量的方法，并將測量的速度和加速度對稱重數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的補償[5]，實驗證明:經(jīng)補償后的動態(tài)稱重系統(tǒng)精度大大提高。

1 系統(tǒng)組成原理

本系統(tǒng)可對車輛瞬時速度進行測量，其基本原理是：在道路同一側(cè)相距一定距離安裝2只CCD，每只CCD前端均安裝合適的鏡頭[6]，當(dāng)檢測到有汽車通過時，兩路傳感器以一定的頻率同時采集汽車通過傳感器時產(chǎn)生的圖像信號，經(jīng)濾波、放大處理和A/D轉(zhuǎn)換后送給C8051F010單片機[7]進行相關(guān)運算，算出車輛同一位置處2組信號波形的相位差，由于采樣的時間間隔已知，可以算出汽車通過2只傳感器的時間差τ；2只傳感器安裝的距離固定為L，則v=L/τ可計算出汽車速度[8，10]。將采集的圖像信號實時分段進行相關(guān)運算，即可計算出車輛的瞬時速度系統(tǒng)原理如圖1所示。

2 相關(guān)算法

2.1 基本原理

相關(guān)函數(shù)用來研究2個序列的相似性。通常在實際應(yīng)用中這2個信號往往是由同一原因產(chǎn)生的，由于接收點的位置不同，信號在x(t)與y(t)序列中出現(xiàn)的時間也不同，因此,可利用2個序列的線性相關(guān)性來找出信號的延遲時間。相關(guān)算法的原理是：存在2個連續(xù)的隨機信號x(t)與y(t)，當(dāng)這2個信號是實數(shù)且為周期函數(shù)時，相關(guān)函數(shù)可定義為[11]

圖1 CCD測速原理圖

(1)

通常在計算時，由t=0開始，因此，式(1)可寫成

(2)

如果x(t)與y(t)是同一信號，則稱Rxy(τ)為自相關(guān)函數(shù);否則,稱Rxy(τ)為互相關(guān)函數(shù)。若x(t)與y(t)是緊密相關(guān)或十分相近，Rxy(τ)的波形將會有一個很突出的峰值出現(xiàn)。Rxy(τ)的大小表示2組波形相似程度，當(dāng)Rxy(τ)達到峰值時，表明此時2組波形的相關(guān)度最大，也就是說2組波最相似。在本系統(tǒng)中從傳感器采集的兩路信號僅差一個時間延遲，故在有車輛通過時將采集的兩路數(shù)據(jù)作相關(guān)運算，并記錄移位個數(shù)，當(dāng)移位到2組數(shù)據(jù)的對應(yīng)點都相同時，相關(guān)度最大，通過這一最大的相關(guān)值對應(yīng)的移位個數(shù)，即可求出時間差τ。因而，對兩路信號作相關(guān)運算，找出其相關(guān)值最大時的移位個數(shù)成為系統(tǒng)的關(guān)鍵。

對于C8051F010內(nèi)的信號處理，需要先將公式(2)離散化，然后對離散數(shù)據(jù)作相關(guān)運算

(3)

其中,rxy(m)為x(n)和y(n)的互相關(guān)函數(shù)。該式表示rxy(m)在時刻m的值為將x(n)保持不變，而y(n)移動m個抽樣周期后2個序列對應(yīng)相乘再相加的結(jié)果。

2.2 算法改進

實際使用式(3)時，由于所取的數(shù)據(jù)長度是有限的一部分，當(dāng)對2列有限的數(shù)據(jù)計算移位個數(shù)尋找rxy(m)的最大值時，具有一定的局限性，而且計算結(jié)果不準(zhǔn)確,故將式(3)改寫為

(4)

其中,N為作相關(guān)運算相乘的次數(shù)，即為采樣個數(shù)；當(dāng)Rxy(m)取最大值時的m即為2組數(shù)列的移位個數(shù)，m乘以采樣間隔T就可以得到兩列波形的時間差τ。

實際使用離散形式的互相關(guān)函數(shù)為[8]

(5)

其中,δ為對信號采樣的時間間隔；N為采樣序列的總組數(shù)；m,n為自然整數(shù)。

由于在程序運行過程中，計算量過大導(dǎo)致系統(tǒng)運行速度降低，故對式(5)進行優(yōu)化得

(6)

此時，Rxy(m)取最小值時，2組數(shù)據(jù)最相關(guān)，故此時的m即為2組數(shù)列的移位個數(shù)。這種優(yōu)化算法在實際應(yīng)用中具有準(zhǔn)確度高，計算速度快等優(yōu)點。

3 實驗結(jié)果與分析

當(dāng)有車輛通過時，傳感器采集的兩路信號僅差一個時間延遲，將此兩路信號作相關(guān)運算，計算出兩路信號的時間差。對現(xiàn)場采集信號作相關(guān)運算，結(jié)果如圖2所示，第一個波形表示第一路CCD所采集到車輛信號的數(shù)據(jù)，第二個波形表示第二路CCD采集到車輛信號的數(shù)據(jù)，最后一個波形表示前2組數(shù)據(jù)作相關(guān)運算的波形，波形的峰值表示2組數(shù)據(jù)的最大的相似度，此時對應(yīng)的橫坐標(biāo)即是2只傳感器對物體同一部位采集的相位差n=20，相位差n乘以AD的采樣周期T即為兩路信號的時間差τ，此時車輛的速度為v=L/τ。

圖2 相關(guān)測速仿真圖

將兩路CCD采集的車輛所有數(shù)據(jù)分段后作相關(guān)運算，即可計算出車輛的瞬時速度。如圖3所示，第一個波形表示第一路CCD所采集到整車車輛信號的數(shù)據(jù)，第二個波形表示第二路CCD采集到整車車輛信號的數(shù)據(jù)，最后一個波形表示前兩組數(shù)據(jù)分段后作相關(guān)運算的波形，波形中標(biāo)出來的各值即為分段后兩路信號的各相位差ni(i為分段計算次序)，分別將ni乘以AD的采樣周期T即為兩路信號的時間差τi，此時車輛的瞬時速度為vi=L/τi。

圖3 瞬時速度測量仿真圖

在實際應(yīng)用中，由于L=10 cm，T設(shè)置為2 ms，每次取200個數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理，結(jié)合圖3，可計算出車輛的速度和加速度，如表1所示。

由重量加速度補償公式[7,8]即可計算出車輛總重

(7)

其中,G為修正后的車輛總重，G0為車輛動態(tài)測量結(jié)果，ΔG為車輛加速度補償值，a為車輛加速度，H為重心距地面的距離，M為車輛動態(tài)總質(zhì)量，L1,L2分別為汽車重心到前、后軸的水平距離。

表1 現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)分析

4 結(jié) 論

本文給出了一種測量汽車瞬時速度的方法。通過實驗發(fā)現(xiàn)，利用優(yōu)化后的相關(guān)算法可以很方便地計算出2組圖像信號的相位差，同時還可以滿足對車輛瞬時速度的精確度要求，具有結(jié)構(gòu)簡單、測量方便、精度高等優(yōu)點。

但是該系統(tǒng)還存在著一些不足之處，如,相關(guān)算法的計算公式較復(fù)雜，運行時單片機內(nèi)存使用率高；對CCD硬件系統(tǒng)缺乏足夠的研究。如果能進一步改進該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和提高A/D轉(zhuǎn)換的精度，系統(tǒng)的測量精度將大大提高。

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