劉沙，伍銀波

（1.河南省計(jì)量測(cè)試科學(xué)研究院，鄭州 450000；2.廣東技術(shù)師范大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣州 510665）

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

早期國內(nèi)關(guān)于公路貨車不停車稱重系統(tǒng)的研究主要集中在收費(fèi)、測(cè)速等方面，而在數(shù)據(jù)采集、稱重方面的研究較少[5]。目前國內(nèi)對(duì)于公路貨車超限超載治理主要通過入口稱重方式實(shí)現(xiàn)，該方法主要通過在公路上設(shè)置稱重設(shè)施來檢測(cè)貨車是否超載超限，同時(shí)還要求貨車必須在指定時(shí)間內(nèi)駛離稱重設(shè)施，且不能停留和進(jìn)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(xué)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(guān)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(shí)際應(yīng)用上能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式稱重，同時(shí)記錄車輛其他屬性信息，具有一定的應(yīng)用價(jià)值，但是在動(dòng)態(tài)稱重方面，測(cè)量精度比較低，缺少對(duì)行駛車輛各種干擾因素的深度分析，在信號(hào)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(hào)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(shè)計(jì)

在稱重系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)上，主要針對(duì)系統(tǒng)信號(hào)采集問題，設(shè)計(jì)信號(hào)采集模塊?；诙鄠鞲衅鞯男盘?hào)采集模塊硬件設(shè)計(jì)主要包括傳感器及其電路、信號(hào)調(diào)理電路、AD 轉(zhuǎn)換電路、微處理器電路、無線通訊模塊和電源電路等，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 稱重系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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(hào)分別通過AD 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，然后送至微處理器進(jìn)行處理。多路數(shù)據(jù)采集模塊電路包括雙電壓比較器、2 個(gè)AD 轉(zhuǎn)換器（型號(hào)為MSP430F149）、電源管理芯片（型號(hào)為NCP1342）和一塊大容量存儲(chǔ)器（型號(hào)為LPC2131）等。其中，單片電壓比較器能將兩路信號(hào)分別放大，并進(jìn)行比較。當(dāng)兩路信號(hào)電壓差大于設(shè)定閾值時(shí)，將通過比較器的輸出端輸出低電平[12-14]。AD 轉(zhuǎn)換芯片采用AD7606，該芯片是一種四線數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)高精度的模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能。電源管理芯片采用MSP430F149，該芯片具有4 路獨(dú)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(hào)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(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過微處理后結(jié)果即可呈現(xiàn)在顯示裝置上。利用傳感器獲得的數(shù)據(jù)，結(jié)合軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容即可實(shí)現(xiàn)公路貨車不停車動(dòng)態(tài)稱重。

2 公路貨車不停車稱重系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 確定車輛荷載

為了得到準(zhǔn)確的車輛荷載，需要確定多個(gè)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(chǎng)標(biāo)定確定各傳感器的安裝位置。結(jié)合測(cè)量車輛在路面行駛產(chǎn)生的振幅和頻率，計(jì)算得到車輛的動(dòng)態(tài)荷載。當(dāng)車輛通過現(xiàn)場(chǎng)傳感器時(shí)，根據(jù)采集信號(hào)的峰值計(jì)算車輛軸載。計(jì)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(hào)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(chǔ)上，根據(jù)車輛受力情況，建立車輛受迫振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)微分方程：

式中：m1和m2表示車輛非后懸掛部分的質(zhì)量和后懸掛部分的質(zhì)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(duì)車輪的激勵(lì)；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(jì)算參數(shù)，即可計(jì)算出車輛附加動(dòng)荷載為

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

2.2 檢測(cè)車輛軌跡線橫向位置

當(dāng)車輛經(jīng)過稱重臺(tái)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)振動(dòng)信號(hào)，通過分析振動(dòng)信號(hào)中的頻率成分，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛行駛軌跡線橫向位置的檢測(cè)。這是因?yàn)楫?dāng)車輛經(jīng)過稱重臺(tái)時(shí)，振動(dòng)信號(hào)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(jīng)過稱重臺(tái)時(shí)的橫向位置信息。由于車軸的轉(zhuǎn)動(dòng)并不是勻速的，因此振動(dòng)信號(hào)在經(jīng)過稱重臺(tái)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。同時(shí)由于高頻信號(hào)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(duì)車輛通過稱重臺(tái)時(shí)車輪軸向橫向位移進(jìn)行補(bǔ)償?？柭鼮V波器用卡爾曼算法對(duì)低頻振動(dòng)信號(hào)進(jìn)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(shí)為了防止測(cè)量過程中車輪軸向橫向位移數(shù)據(jù)出現(xiàn)波動(dòng)而影響檢測(cè)結(jié)果，使用了一種自適應(yīng)閾值濾波方法。當(dāng)測(cè)量值與閾值之間誤差超過設(shè)定的閾值時(shí)，該算法會(huì)將測(cè)量結(jié)果輸出為高電平來進(jìn)行報(bào)警。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該濾波方法能有效抑制車輛通過稱重臺(tái)時(shí)的高頻振動(dòng)信號(hào)。在獲得補(bǔ)償后的振動(dòng)信號(hào)后，計(jì)算車輛的行駛速度和軸距，再根據(jù)傳感器的軸數(shù)對(duì)車輛進(jìn)行分類。相關(guān)計(jì)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(cè)時(shí)刻；t1表示檢測(cè)結(jié)束時(shí)刻；d 表示軸距。

將上述計(jì)算結(jié)果與采集信號(hào)的時(shí)間波形相結(jié)合，可得到車輛估計(jì)在路面上的橫向位置，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的車輛動(dòng)態(tài)稱重。至此，公路貨車不停車稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成。

3 系統(tǒng)性能測(cè)試與分析

3.1 測(cè)試對(duì)象

在公路貨車不停車稱重系統(tǒng)軟硬件開發(fā)設(shè)計(jì)完成后，對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用性能展開測(cè)試，在測(cè)試結(jié)束后，根據(jù)多組測(cè)試結(jié)果對(duì)稱重系統(tǒng)的抗干擾能力進(jìn)行分析與討論。

公路貨車不停車稱重系統(tǒng)測(cè)試的對(duì)象為六輪載貨貨車，在系統(tǒng)性能測(cè)試開始前，對(duì)貨車的輪胎胎壓值進(jìn)行標(biāo)定，具體數(shù)據(jù)如表1 所示。數(shù)據(jù)的實(shí)際采集過程是，在貨車載重為0 的節(jié)點(diǎn)，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(jù)，將測(cè)量數(shù)據(jù)作為測(cè)試樣本數(shù)據(jù)。將測(cè)試樣本數(shù)據(jù)作為稱重系統(tǒng)的輸入，針對(duì)稱重系統(tǒng)的抗干擾性能設(shè)計(jì)信號(hào)采集干擾測(cè)試方案和系統(tǒng)精度測(cè)試方案，通過這2 組測(cè)試驗(yàn)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(hào)采集干擾測(cè)試結(jié)果及分析

在信號(hào)采集干擾測(cè)試中，在相同配置的計(jì)算機(jī)搭載稱重系統(tǒng)并運(yùn)行，在任務(wù)完成后，利用計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)采集的延遲時(shí)間，測(cè)試結(jié)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(shí)的信號(hào)采集延遲情況，曲線b 表示系統(tǒng)距離超過50 m時(shí)的信號(hào)采集延遲情況。觀察圖中顯示的測(cè)試結(jié)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(hào)采集延遲均比較小，說明受到通信距離干擾較小，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

圖3 信號(hào)延遲時(shí)間測(cè)試結(jié)果Fig.3 Test results of signal delay time

3.3 系統(tǒng)精度測(cè)試結(jié)果及分析

系統(tǒng)精度測(cè)試中，主要包括線性測(cè)試、重復(fù)性測(cè)試以及偏載測(cè)試，使用測(cè)力機(jī)測(cè)試。測(cè)力機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 測(cè)力機(jī)測(cè)試結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of testing structure of force measuring machine

在測(cè)試過程中，將稱重臺(tái)安放在測(cè)力機(jī)平臺(tái)上，適當(dāng)調(diào)整位置，與計(jì)算機(jī)連接，在稱重板中心點(diǎn)按照不同載荷量進(jìn)行加載測(cè)試，并記錄各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的數(shù)值。測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)精度測(cè)試結(jié)果Fig.5 System accuracy test results

按照以往的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，線性誤差和重復(fù)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(cè)試結(jié)果可以看出，提出的基于多傳感器采集軸重信號(hào)的稱重系統(tǒng)的線性誤差、重復(fù)性誤差和偏載誤差滿足上述標(biāo)準(zhǔn)。由此可知，提出的多傳感器采集軸重信號(hào)的稱重系統(tǒng)稱重誤差小、精度高。

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

4 結(jié)語

本論文提出了一種基于多傳感器采集軸重信號(hào)的公路貨車不停車稱重系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。該系統(tǒng)可同時(shí)檢測(cè)車輛軸型、軸重、總重及時(shí)間等信息，并可將相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到監(jiān)控中心進(jìn)行保存和處理，同時(shí)還可為相關(guān)部門提供其他工作的數(shù)據(jù)支撐。本系統(tǒng)具有稱重準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)顯示、操作簡(jiǎn)單和信號(hào)干擾小等優(yōu)點(diǎn)，適用于對(duì)貨車超載超限治理。

由于本論文所設(shè)計(jì)的公路貨車不停車稱重系統(tǒng)還存在一些問題，如：數(shù)據(jù)采集部分在信號(hào)傳輸過程中會(huì)出現(xiàn)斷線現(xiàn)象、車輛經(jīng)過時(shí)會(huì)有一定的振動(dòng)干擾等。在下一步研究中，將在此基礎(chǔ)上對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)和完善，以更好地服務(wù)于公路貨運(yùn)行業(yè)。