高速公路动态称重系统关键问题的研究

论文摘要

随着经济的发展和经济区域分工的扩大,公路货运汽车超重现象越来越严重。实验得到的“四次方法则”告诉我们:汽车的载荷增大2倍,公里路面的损坏将增大原来的16倍。这就使得高速公路等在设计、修建的过程中要对通过车辆的载重有所了解,而且有必要按照汽车的载重来收取过路费用。由此就产生了高速公路动态称重系统——WIM （Weigh-In-Motion）系统,而且对其称重精度的要求也越来越严格。如何在保证称重精度的前提下,减小称重系统的结构尺寸,进一步提高车辆的通过速度,是动态称重系统设计中急切需要解决的问题。本文所作的工作是对公路动态称重系统的受力分析,得到了动态称重的数学模型,并以此数学模型为基础对系统中的各种噪声进行分析,根据不同频域中噪声信号的特点,提出了汽车动态称重的算法:首先利用小波分析对信号做分频处理,然后在各个不同频域中有针对性地识别和剔除噪声,特别是用非线性数据拟合的方法识别和剔除了低频信号中由于汽车轮胎对传感器弹簧冲击造成的低频周期干扰,然后重构信号,通过称重信号采集与控制单片机系统对实际测量的信号进行数据处理后,去除了相关噪声信号。同时,本文在理论研究和算法分析的基础上进行了WIM系统的硬件设计,并进行了室内模拟试验研究。研究结果表明,小波分析方法的应用,在较高的车辆通行速度下,提高了WIM系统的称重精度,效果明显。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题研究的背景
• 1.2 动态称重系统（WIM）概述
• 1.2.1 动态称重系统的定义
• 1.2.2 动态称重的目的
• 1.2.3 动态称重系统的结构
• 1.3 国外高速公路动态称重系统的研究现状
• 1.4 国内高速公路动态称重系统的研究现状及存在的问题
• 1.5 本文研究的内容综述
• 1.6 本章小结
• 第二章 高速公路动态称重系统（WIM）模型的设计
• 2.1 WIM 系统设计原则
• 2.1.1 准确度影响因素及主要对策
• 2.1.2 WIM 系统的设计原则
• 2.2 WIM 系统结构设计
• 2.2.1 WIM 系统结构设计原理
• 2.2.2 WIM 系统结构设计
• 2.3 称重模型参数识别方法的设计
• 2.3.1 称重模型的推导
• 2.3.2 模型参数的辨识
• 2.4 本章小结
• 第三章 WIM 系统信号处理方法的研究
• 3.1 低频周期随机干扰消除方法
• 3.2 求解非线性问题的最小二乘算法
• 3.3 多分辨分析与 Mallat 算法
• 3.3.1 多分辨分析
• 3.3.2 Mallat 算法
• 3.4 信号分解与重构的实现
• 3.4.1 信号的分解过程
• 3.4.2 信号的重建过程
• 3.5 WIM 信号预处理方法的研究
• 3.5.1 小波基的选择
• 3.5.2 边界的处理与滤波处理
• 3.5.3 信号的预处理
• 3.6 本章小结
• 第四章 WIM 系统的软硬件设计
• 4.1 单片机系统设计
• 4.1.1 单片机最小系统设计
• 4.1.2 单片机的复位电路
• 4.2 电源电路的设计
• 4.3 A/D 转换接口电路设计
• 4.4 系统通信接口设计
• 4.4.1 仿真接口设计
• 4.4.2 串行接口设计
• 4.5 本文设计的信号处理硬件系统
• 4.5.1 硬件系统的 PCB 板设计
• 4.5.2 本文设计的硬件电路板
• 4.6 动态称重系统的软件设计
• 4.6.1 系统软件的通信格式
• 4.6.2 系统软件流程图
• 4.6.3 系统软件调试
• 4.7 本章小结
• 第五章 WIM 系统试验平台的设计及实验结果分析
• 5.1 WIM 系统试验平台的设计
• 5.1.1 试验平台的设计原理
• 5.1.2 试验平台机械部分设计
• 5.1.3 试验传感器的选择
• 5.2 WIM 系统试验平台动态性能的检测
• 5.2.1 WIM 系统动态性能的数值计算
• 5.2.2 WIM 系统的动态性能检测
• 5.3 试验称重信号处理方法
• 5.4 试验方法的设计
• 5.4.1 质量标准的选定
• 5.4.2 试验结果数据的计算
• 5.4.3 WIM 系统的静态标定
• 5.5 试验分析
• 5.6 试验结论
• 5.6.1 WIM 系统的有关规范
• 5.6.2 试验结论
• 5.7 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢