参数估计算法在汽车动态称重中的应用

　　1　引言

　　汽车动态称重信号中由于路面不平和车辆振动掺杂了复杂的干扰,而传统的单片机系统由于计算速度相对较慢不能进行复杂的数字滤波。目前PC机数据采集技术已发展的相当成熟,所以采用PC机采样汽车动态称重信号并对其进行相关信号分析与处理。

　　根据相关理论,汽车对公路的破坏与汽车轴载的四次方成正比,因此现阶段的汽车动态称重主要是指称量汽车的轴重。本称重系统实际的秤台如图(1)所示,秤台前后的立柱上各有一排光电传感器,用来确定采样的开始点与结束点。本系统秤台为0.75米长,秤台埋入地下,上表面与路面齐平,并且秤台前后100米的路面进行过平整化处理。

　　2　信号特点分析

　　理想情况汽车经过秤台的波形为图(2)中虚线所示的梯形波,上升和下降沿分别是汽车轮胎上下秤台的过程,对不同的轮胎上升和下降沿的长度有所不同。但是实际测得的汽车过秤信号却是如图(2)中实线所示的形状,主要原因在于秤台是一个二阶阻尼系统,因此当汽车进入秤台后会产生过冲现象。对波形进行频谱分析,可以发现频率主要集中在低频部分,汽车过秤的速度越快,信号频谱中高频的部分也就相应的增加。在30km/h的速度下,绝大部分频率集中在40Hz以下的低频部分。

　　由于信号最高频率为40Hz,采用巴特沃兹低通数字滤波器滤除掺杂入汽车动态称重信号中的高频噪声,截止频率选用30Hz。另外对采集的信号进行50Hz的窄带阻滤波,这样就完全滤除了信号中的高频和工频干扰。但是这种简单的滤波方法无法消除如下几类误差,第一种是轮胎的刚度对汽车重量信号的影响;另一种为汽车在行驶过程中的振动对其重量信号产生的影响。对于第一种情况,由于轮胎的种类很多,充气程度不一样,磨损程度不一样,导致轮胎对地表的作用力方向与大小都会产生变化,影响测量的准确性。目前的汽车动态称重系统仍然没有好的方法可以解决这个复杂的问题,由于它对测量结果影响不是很大,本文中暂不考虑。第二种噪声对测量结果影响很大,汽车在行驶过程中,由于路面不平和本身发动机的运行都会导致汽车在垂直方向上振动,而且振幅有可能达到汽车静态轴重的10%,所以必须采取相关措施消除这种噪声的影响。

　　3　信号处理

　　在本测量系统中秤台在汽车行驶方向为0.75m,车速20km/h时,过秤时间仅为135ms。而汽车的振动信号周期大约在3-20Hz的低频范围内,这样在整个135ms的信号中只包含半个周期左右的汽车振动信号混合在汽车的重量信号中。这样的干扰称为短历程的周期干扰,时域中的均值滤波和频域中的各种滤波方法对这种干扰都效果不大。为此,只有建立一个汽车轴重信号的数学模型,使用优化算法来估计模型中的参数从而减小这种干扰。