专利名称：车辆动态称重系统的轴重估算方法
技术领域：
本发明涉及一种车辆动态称重系统的轴重估算方法，属于车辆称重领域。
背景技术：
在公路车辆轴载超载预判、桥梁超载报警、公路收费中以及轴载动态 称重计量中广泛应用车辆动态称重系统，并且随着基础建设的加快需求不 断增加。但在车辆动态称重系统中，干扰信号主要来自于高频干扰信号和 低频干扰信号，高频干扰信号能通过高频滤波器进行消除，但低频信号无 法用低通滤波的方法滤除，而低频干扰信号又占干扰信号的大部分，因此
当车辆的行驶速度高于10km/h时，测量精度会出现较大的偏差，重复性 也大为降低，因此平均误差在5% 30%不等，由于动态轴重估计精度差， 因此限制了其应用范围，提高动态轴重系统的轴重估计精度是非常有必要 的，而提高动态轴重枰的轴重估计精度关键在于其计算方法。但传统计算 方法，如ADV法、DV法、V法、平均法等，不能满足实际应用需求，而现 代计算方法，如滤波法、智能法等，因其计算太复杂并对硬件系统要求高 等原因而不能应用在实际的动态称重系统中。
发明内容
本发明的目的是提供一种能减少计算和降低对硬件系统要求，并能提 高称重精度的车辆动态称重系统的轴重估算方法。
本发明为达到上述目的的技术方案是 一种车辆动态称重系统的轴重 估算方法，其特征在于
(1) 、车辆通过动态轴重秤时称重传感器采集每根车轴的原始轴重信号， 原始轴重信号包括静态轴重信号、低频干扰信号和高频干扰信号，并统计 采样点数；
(2) 、滤除频率》50Hz的高频干扰信号；
(3) 、根据采样点数、设定的采样频率及车辆通过动态轴重秤的行程计 算车轴速度；
(4) 、根据车轴速度截取车辆通过动态轴重秤时的有效采样点数，得到 有效轴重信号；
(5) 、在有效轴重信号的基础上抽取10 150个数据点，组成用于简化 计算的轴重信号；
(6) 、用轴重信号获得非线性拟合所需的参数，并用非线性拟合算法得 出近似低频干扰信号；
(7) 、用有效轴重信号或轴重信号减去近似低频干扰信号，得到估算的 静态轴重信号。
本发明采用上面的技术方案其优点在于
1、 本发明根据采集信号的采样点数，动态估计车辆通过动态轴重秤时 每根轴的速度，并用基于速度的方法截取有效采样点数而得到有效轴重信 号，可保证截取的有效轴重信号准确可靠。
2、 本发明针对非线性拟合算法，如Levenberg-Marquardt拟合算法对 硬件平台要求高、不能满足实际应用的情况，采用对有效轴重信号进行抽 取处理的方法，即保证了计算精度，又简化了计算复杂程度，可应用在现 有的动态称重系统中。
3、 本发明针对低频干扰信号频率不定的情况，采用频率可变的非线性 拟合算法对干扰信号进行拟合处理，能得到近似低频干扰信号，由于提高 除去低频干扰信号的准确性，而提高动态轴重秤的称重精度。
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的详细描述。
图1是本发明车辆动态轴重称重系统的示意图。
图2是本发明车辆动态称重系统的轴重估算方法的流程图。
图3是本发明根据轴速度截取后所得到有效轴重信号的波形图。
图4是本发明有效轴重信号与经处理后估算的静态轴重信号的波形图。
具体实施例方式
当车辆沿图1所示的方向通过动态轴重秤的秤台1时，通过秤台1两 侧光幕2的通、断来识别是否有车辆通过，再经轮胎识别器3对轮轴进行 识别，地感线圈4作为光幕2的备用，由安装在秤台1下面的四个称重传
感器或更多的称重传感器采集轴重数据，并采用基于RAM的信号处理平台， 采用51芯片作为信号控制平台，两者之间通过并口通信。
本发明的车辆动态称重系统的轴重估算方法见图2所示，由安装在秤 台1下面的称重传感器采集每根车轴的原始轴重信号，原始轴重信号包括 静态轴重信号、低频干扰信号和高频干扰信号，并统计采样点数，原始轴 重信号的离散数学模型可为
<formula>complex formula see original document page 7</formula>
上述式中，y(w)为原始轴重信号的离散数学模型，vv为车辆的静态轴重， ^为低频干扰信号的幅值，/为低频干扰信号的频率，FS为称重系统设定 的采样频率，p为低频干扰信号的相位，4为高频干扰信号的幅值，/为高 频干扰信号的频率，^为高频干扰信号的相位。
用FIR、 IIR型低通滤波器对原始轴重信号进行预处理，滤除原始轴重 信号中所含的高频千扰信号，滤波器滤除频率》50Hz的高频干扰信号，此 时轴重信号基本上就只含静态轴重以及低频干扰信号。
根据采样点数、设定的采样频率及车辆通过动态轴重秤的行程计算车 轴速度；该车轴速度的数学表达式为v-i^^Z + AV/ewgA,其中，v为车 辆通过动态轴重秤时每根轴的速度，FS为采样频率，而Z + A为车辆上下动 态轴重秤的行程，丄为动态轴重秤的秤台宽度，A为补偿系数，A在0.2 0.8之间，/ewg^为采样点数。
根据计算得到的车轴速度，截取车辆通过动态轴重秤时的有效采样点 数，得到有效轴重信号，见图3所示，为有效轴重信号的波形图，由于采 集轴重信号中包括了车辆上动态轴重秤段、车辆在动态轴重秤上的有效称 重段以及车辆下动态轴重秤段共三段，因此可通过除去车辆上动态轴重秤 段和下动态轴重秤段的采样点数而得到有效采样点数，该有效采样点数可 通过计算获得，其数学表达式为丄2 = /6唯^-2",其中丄2为有效釆样点数， 丄l为车辆上动态轴重秤段和下动态轴重秤段的采样点数，由于车辆上动态 轴重秤和车辆下动态轴重秤段的采样点数i:i与车轴速度v成反比，因此可通 过计算得出，其数学表达式为Zl-M"/v，其中S为车辆上动态轴重秤段 和下动态轴重秤段经过的位移量，由于去掉了车辆上下动态轴重秤时的波动部分，故能提高车重估算的准确性。
在有效轴重信号的基础上抽取10 150个数据点，在抽样过程中，可 采用滑动平均、简单抽取等方式，经抽样后的有效轴重信号组成用于简化
计算的轴重信号，该轴重信号的数学表达式为
xO) = w + A'*sin(2*/7/*/*"*/W+<)，其中xO)为离散数学模型，,为抽取 后的低频干扰信号的幅值，/为低频干扰信号的频率，FS'为抽取后的采样 频率，^为抽取后的相位，由于能得到点数更少的有效轴重信号，故能满 足在RAM、 DSP等嵌入式系统中能够应用非线性算法处理该有效轴重信号
用轴重信号获得非线性拟合所需的参数，从轴重信号的数学表达式中 可以得知，用非线性拟合算法拟合该模型，需要四个参数，即轴重初始值w。、 低频干扰信号的幅值初始值4 、低频干扰信号的频率初始值/。和低频干扰 信号的相位初始值p。。其中，轴重初始值w。可通过计算轴重信号的平均值 获得，而N为抽样后的数据点数，或采用轴重信号的最大值或最小值获得，
其数学表达式为:
<formula>complex formula see original document page 8</formula>
而低频干扰信号的幅值初始值^用轴重信号中最大值Mox与最小值 Mn的一半获重,其数字表达式为4=|(Max-M>7)。而低频干扰信号的频
率初始值/。可选用1Hz 5Hz，或用对应轴重信号的最大值坐标M邵、最小 值坐标M甲以及抽取后的采样频率FS'计算获得，其数学表达式为 /。-i^'/(iikfcp-M甲l)，由于能保证极大值与极小值在一定的范围内，故能 保证满足低频干扰信号的频率的范围。低频干扰信号的相位初始值伊。可选 用0.5 2，或用对应轴重信号的第一个极值点坐标pp、低频干扰信号频率 初始值/。以及抽取后的采样频率^计算，再转化到0 2;r范围内，其数学
表达式为<formula>complex formula see original document page 8</formula>，得到低频干扰信号的相位初始值^。，
用非线性拟合算法得出近似低频干扰信号，近似低频干扰信号的数学表达
式为<formula>complex formula see original document page 9</formula> ，其中，」为拟合得到的低频干扰的幅
值，/为拟合得到的低频干扰的频率，^为拟合得到的相位。
最后用有效轴重信号或轴重信号减去近似低频干扰信号，即可得到估 算的静态轴重信号，从图4波形图可以看出，估算的静态轴重信号的波形 与轴重信号波形相比比较平滑。
用本发明的车辆动态称重系统的轴重估算方法对采集的轴重信号处 理，车辆速度在《20 km/h，车轴总重估计误差控制在士2. 5%以内，提高了
动态轴重秤的称重精度。
权利要求
1、一种车辆动态称重系统的轴重估算方法，其特征在于(1)、车辆通过动态轴重秤时称重传感器采集每根车轴的原始轴重信号，原始轴重信号包括静态轴重信号、低频干扰信号和高频干扰信号，并统计采样点数；(2)、滤除频率≥50Hz的高频干扰信号；(3)、根据采样点数、设定的采样频率及车辆通过动态轴重秤的行程计算车轴速度；(4)、根据车轴速度截取车辆通过动态轴重秤时的有效采样点数，得到有效轴重信号；(5)、在有效轴重信号的基础上抽取10～150个数据点，组成用于简化计算的轴重信号；(6)、用轴重信号获得非线性拟合所需的参数，并用非线性拟合算法得出近似低频干扰信号；(7)、用有效轴重信号或轴重信号减去近似低频干扰信号，得到估算的静态轴重信号。
2、 根据权利要求1所述的车辆动态称重系统的轴重估算方法，其特 征在于所述车轴速度的数学表达式为v = FS*(Z + A)//ewg^，其中，v为 车辆通过动态轴重秤时每根轴的速度；FS为采样频率；Z为动态轴重秤的 秤台宽度；A为补偿系数，A在0.2 0.8之间，/MgA为采样点数。
3、 根据权利要求1所述的车辆动态称重系统的轴重估算方法，其特 征在于所述有效采样点数的数学表达式为Z2 = /e"gA-2i:i，其中丄2为 有效采样点数，丄l为车辆上动态轴重秤段和下动态轴重秤段的采样点数， 该采样点数的数学表达式为Zl-FS"/v，其中S为车辆上动态轴重秤段 和下动态轴重秤段经过的位移量。
4、 根据权利要求1所述的车辆动态称重系统的轴重估算方法，其特 征在于所述轴重信号的数学表达式jc(") = w + A' * sin(2 M'+力， 其中x(n)为离散数学模型，J'为抽取后的低频干扰信号的幅值，/为低频 干扰信号的频率，FS'为抽取后的采样频率，p'为抽取后的相位。
5、 根据权利要求1所述的车辆动态称重系统的轴重估算方法，其特 征在于所述非线性拟合的参数包括轴重初始值w。、低频干扰信号的幅值 初始值4 、低频干扰信号的频率初始值/。和低频干扰信号的相位初始值 %。
6、 根据权利要求5所述的车辆动态称重系统的轴重估算方法，其特征在于所述轴重初始值^。通过计算轴重信号的平均值、最大值或最小值 获得，其数学表达式为<formula>complex formula see original document page 3</formula>
7、 根据权利要求5所述的车辆动态称重系统的轴重估算方法，其特 征在于所述低频干扰信号的幅值初始值4)为轴重信号中最大值Mox与最小值Mz'"的一半，其数字表达式为A =- M")。
8、 根据权利要求5所述的车辆动态称重系统的轴重估算方法，其特 征在于所述低频干扰信号的频率初始值/。取值范围在lHz 5Hz，或用对 应轴重信号的最大值坐标Ma^、最小值坐标M坤以及抽取后的采样频率计算获得，其数学表达式为/。 = /(| M似p - M甲I)。
9、 根据权利要求5所述的车辆动态称重系统的轴重估算方法，其特 征在于所述低频干扰信号的相位初始值％取值范围在0. 5 2，或用对应 轴重信号的第一个极值点坐标PP、低频干扰信号频率初始值/。以及抽取后 的采样频率W计算，再转化到0 2;r范围内，其数学表达式为<formula>complex formula see original document page 3</formula> 极大值 <formula>complex formula see original document page 3</formula> 极小值
10、根据权利要求1所述的车辆动态称重系统的轴重估算方法，其特 征在于所述近似低频干扰信号的数学表达式为<formula>complex formula see original document page 3</formula>其中^为拟合得到的低频干扰的幅值，/为拟合得到的低频干扰的频率，^为拟合得到的相位,
全文摘要
本发明涉及一种车辆动态称重系统的轴重估算方法，(1)车辆通过动态轴重秤时称重传感器采集每根车轴的原始轴重信号，原始轴重信号包括静态轴重信号、低频干扰信号和高频干扰信号，统计采样点数；(2)滤除频率≥50Hz的高频干扰信号；(3)计算车轴速度；(4)根据车轴速度截取车辆通过动态轴重秤时的有效采样点数，得到有效轴重信号；(5)在有效轴重信号的基础上抽取10～150个数据点，组成用于简化计算的轴重信号；(6)用轴重信号获得非线性拟合所需的参数，并用非线性拟合算法得出近似低频干扰信号，(7)用有效轴重信号或轴重信号减去近似低频干扰信号，得到估算的静态轴重信号。本发明能减少计算和降低对硬件系统要求，能提高动态轴重秤的称重精度。
文档编号G01G19/03GK101196421SQ200710191890
公开日2008年6月11日 申请日期2007年12月18日 优先权日2007年12月18日
发明者亮 周, 峰 戴, 毕留刚 申请人:梅特勒-托利多(常州)称重设备系统有限公司;梅特勒-托利多(常州)精密仪器有限公司;梅特勒-托利多(常州)测量技术有限公司