1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 公路车载动态称重系统的设计与开发 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 公路车载动态称重系统的设计对于保护公路的正常使用有着重要的经济意义和社会价值。随着公路运输工业生产和商业贸易的不断 发展 ,产生了对公路车辆进行动态称重越来越严格的要求 ,动态称重是路政部门加强正常运输、强制超载超限、提高管理工作效率 ,实现路政系统管理现代化、科学化的一项关键技术。就公路车载动态称重系统而言 ,称重的精度是最重要的性能指标 ,它标志着公路车载动态称重系统的技术水平的高低。 分析近年来电子衡器对称重传感器的
2、新要求，不难得出小型化，集成化，多功能化和智能化将是 称重传感器的发展趋势 和重要特点。 传统的建模和算法都存在着严重的不足，在前人的研究基础上，提出了 BP神经网络技术，这种善于非线性建模技术，包括其基本思路、计算方 法和过程，优缺点。由于在动态称重系统中，精确度严重制约着系统，在常用方法无法精确表示出结果的情况下，提出使用 BP 算法，说明 BP结构和其计算方法，在几种 BP算法中选择非线性建模法作为最终方法来解决精度问题。 关键词： 动态称重， BP 神经网络，建模 II DESIGN AND EXPOLDER OF HIGHWAY CAR-LOADING DYNAMIC WEIGHIN
3、G SYSTEM ABSTRACT Highway Vehicle Dynamic Weighing System for the protection of the normal road use has important economic significance and social value. With the road transport of industrial production and the continuous development of commercial trade， produced a dynamic weighing of highway vehicl
4、es become increasingly stringent requirements, WIM is the way government departments to strengthen the normal transport, forced the overload, improve management efficiency, management of road administration system to achieve modernization, a key scientific technique. Car on highway dynamic weighing
5、system, weighing accuracy is the most important performance indicators,it marked the road vehicle dynamic weighing system technology level of. In recent years, electronic weighing of the new requirements of the load cell,it is not difficult to draw small, integrated, multi-functional and intelligent
6、 will be the development trend of the load cell and important features. Traditional modeling and algorithms there is a serious shortage of, based on previous studies, BP neural network is proposed, the good nonlinear modeling techniques,including its basic ideas, computational methods and processes,
7、 advantages and disadvantages. As the dynamic weighing system, severely restricts the accuracy of the system, common methods can not be accurately expressed in the results of the case, make use of BP algorithm,and that BP structure and its calculation method, BP algorithm in several select the compe
8、nsation law as the ultimate way to solve the accuracy problem. Keywords:dynamic vehicle, BP neural network,modeling III 目录 摘要 . I ABSTRACT . II 1 绪论 . 1 1.1 国内车载动态研究现状 . 1 1.2 国外车载动态研究现状 . 2 1.3 车载动态称重发展趋势 . 2 1.4 汽车超载的危害 . 3 1.5 本文的主要设计方向 . 4 1.6小结 . 4 2 系统的 思路 设计 . 5 2.1 传感器的设计 . 5 2.1.1 传感器的应用原理
9、. 5 2.1.2 传感器分类 . 6 2.1.3 传感器特性 . 8 2.2 数据采集及传输系统的设计 . 9 2.2.1 数据采集系统定义 . 9 2.2.2 数据采集系统种类 . 10 2.3 计算机 PC端 . 10 2.3.1 数据预处理 . 10 2.3.2 数据处理 . 10 2.4 显示器打印机 . 11 2.5 键盘电路 . 11 2.6 辅助接口和设备 . 11 2.7 小结 . 11 3 系统建模 . 12 3.1 动态称重模型传统建模方法 . 12 3.2 动态称重模型 BP网络建模方法 . 13 3.2.1 BP神经网络的结构 . 13 3.2.2 BP算法的基本思想
10、 . 14 3.2.3 BP算法的具体步骤 . 14 3.2.4 BP算法的优点和缺陷 . 16 3.2.5 BP网络算法存在缺陷的原因分析及改进措施 . 17 3.3 小结 . 19 IV 4 基于 BP神经网络的 模型设计 . 20 4.1 动态称重数据处理方法比较和分析 . 20 4.1.1 ADV法、 DV法、 V法 . 20 4.1.2 位移积分法 . 20 4.1.3 补偿法 . 20 4.1.4 专家系统 . 20 4.1.5 参数估计法 . 20 4.1.6 算法比较 . 21 4.2 传统建模方法的缺陷 . 21 4.3 BP神经网络模型的建立 . 21 4.4 小结 . 2
11、6 5 全文总结 . 27 参考文献 . 28 致谢 . 错误 !未定义书签。 附录一 宇鑫衡器商行采集的部分数据 . 30 附录二 BP神经网络训练仿真程序（部分） . 32 车载称重系统 1 1 绪论 1.1 国内车载动态研究现状 公路车载动态称重系统的设计对于保护公路的正常使用有着重要的经济意义和社会价值。随着公路运输工业生产和商业贸易的不断发展 ,产生了对公路车辆进行动态称重越来越严格的要求 ,动态称重是路政部门加强正常运输、强制超载超限、提高管理工作效率 ,实现路政系统管理现代化、科学化的一项关键技术。就公路车载动态称重系统而言 ,称重的精度是最重要的性能指标 ,它标志着公路车载动态
12、称重系统的技术水平的高低。目前国内公路车载动态称重系统由于对采集的信号只能简单的处理 ,加上建立的数学模型不适合 非线性对象的特殊性 ,同时缺乏对干扰因素以及各种干扰因素之间的关系做深层次的研究和处理 ,所以系统的精度难以得到很大的提高。 国内的超载现象在某些矿产资源省份特别严重。中国在不同时期对超载现象提出过相应的管理措施： 1987年国务院颁布了中华人民共和公路管理条例，1988 年交通部颁布了中华人民共和国公路管理实施细则， 2000 年交通部颁布了超载运输车辆行驶公路管理规定， 2004 年实施了关于在全国开展车辆超限超载治理工作的实施方案。伴随着国家法规的不断颁布，国内科研机构对车辆
13、超载检测技术的研究也未曾停 止，其中也包括引进国外的一些技术。 “七五”期间，中国开始对动态称重系统予以高度关注，从引进技术，自行琢磨，到后来的动手研制，都铺垫了不少人的心血。但是毕竟是刚起步，存在的问题诸多，主要是机子敏感范围不广，测量的准确度不高，而且类似于第一代计算机一样，体型庞大，当然，不可能有那么大，但是确实存在很多的不便，同时也使维修维护等造成了困难。大概是在一九八四年出现了电子汽车衡，标志了新时代的到来。它由二种形式：带基坑和无基坑，所谓带基坑就是下部有填充物，可以延缓一些冲击。“八五”时期，交通部重庆公路科学研究所研制了一种固定式动态车辆称重系统，该系统可以测量多个车道，最多可
14、以测量 4个，轴重误差小于 10%，置信度为 95%。 1999 年，德国 PAT载荷监控产品在大陆市场悄然流行，不为别的，因为它有过硬的技术，因此获得了国家技术监督局颁发的计量器具型式批准证书。 国内动态称重系统研究起步晚、时间短，在研究过程中未能对行驶车辆的干扰因素作深入的系统分析，对动态监测信号处理简单，为了提高监测精确度，往往要求信号在经过一定时间衰减并到达稳定后开始测量。因此，使得这类产品往往需要较长的受荷板或较低的车辆通过速度，监测精度也不高 ，一般平均误差为（ 5%-30%）。 车载称重系统 2 1.2 国外车载动态研究现状 一九五三年，也就是新中国刚成立时期，中国大陆忙着建设，
15、在太平洋的另一头的美国已经开始对 WIN 系统进行研究。一九六八年，德国 PAT 公司开始研究平板式的车辆动态称重器。一九七四年，美国运用 WIN系统在承载研究中，WIN系统就是 Vibracoax。当八十年代末的时候，美国觉得 WIN系统技术已经比较成熟，开始在全世界着手推广使用。一九八八年英国研发了一种新型压电称重传感器，取名为 Vibetek5,该系统在当时超越了美国的 WIN 系统。一九九 二年，由欧洲高速公路系统研究实验室联盟发起，按照欧盟运输委员会的程序框架进行了 COST323 计划，该计划是用于研究车辆行驶时候的称重，也就是所谓的动态称重问题，运用的系统是美国的 WIN 系统，
16、地点是瑞士，时间是漫长的2 年半。一九九四年，欧盟又开始了另一个计划，取名为 WAVE（ Weighing in motion of Axle and Vehicles for Europe）计划，地点改在了瑞典，系统是当时世界各个公司的称重产品。瑞典气候寒冷，在温度成为严重影响测量结果的情况下进行为期一年的测试。结果表明：德 国 PAT、瑞士 Kistler、美国 Mikros等公司的产品较同类的产品是佼佼者。 2000 年 ITS年会上美国展示了由 MSI公司开发的一种共聚物压电轴传感器，可以同时测量车速，动态时重量，车型分辨多个数据。可以说，动态称重技术已经逾越到一个相当高的水平。 1.
17、3 车载动态称重发展趋势 对近几年来的汽车称重传感器进行分析，发展趋势非常明朗，小巧，集成度要高，功能要多，和电脑合并趋于智能化已经凸显在人们眼球。 称重系统要小巧，现代人已经习惯了笔记本电脑，这在几十年前还是以吨计的产品现在只需拎在手里。传感器也要小，质 量、大小都要适应现代人的接受范围。例如： 30t、 60t 弯曲环式结构，其外形尺寸分别为外径 120mm 和 150mm，高度只有 50mm和 60mm。 现在的人为了方便，都会把有用的事物集合在一起，这样可以节省很多时间，称重系统也不例外。结构集成是指称重系统的部件链接在一起而组成的新结构，例如：将称重板、称重轨、称重钩、称重环等结合在
18、一起。功能集成是指把各种功能都集于一身的称重器。这样的称重器可以更好的适应使用环境，毕竟功能多嘛。现在的称重器都是把重量信息采集、放大、变换、传输、处理和显示都合在一台机子上面， 使用起来很方便快捷。 功能的多少已经成为了现代评价一个物件好坏的标准。称重传感器理所当然是称重量的，但是如果还附加有其它有用的功能，在日益竞争激烈的市场上，车载称重系统 3 优势明显比同类高出许多。车载动态称重在称重量的同时还附加的测量车速，如果设备允许，交管部门定会把各种检测仪器兼于一身。 智能范围很广，机器人、电脑都是智能的代表。前面已经提过，国内的称重仪器弊端很突出，精确度低，受环境影响大，称重器件复杂，制作繁
19、琐，且不能远距离传输等，这些都与智能背道而驰的。 数字式智能称重传感器优点突出： （ 1）输出信号大，抗 干扰能力强，传输距离远，信噪比高； （ 2）通过数字补偿电路和数字补偿工艺，可进行线性、滞后、蠕变等补偿，改善了性能； （ 3）输出信号规格化； （ 4）增加了温度传感器，通过补偿软件可进行实时温度补偿，对环境温度适应性强； （ 5）各数字式智能称重传感器的地址可调，便于应用与互换。 智能传感器的确切定义，多年来一直在讨论，想给出一个确切的意思，但是都是众说纷纭。直到一九九七年的时候才有了比较相似的看法：把凡具有一种或多种敏感功能，能够完成信号探测和处理、逻辑判断、双向通讯、自检、自 校、
20、自补偿、自诊断和计算等全部或部分功能的器件叫做智能传感器。它的本身不管集成或者组装都是可以的。这个定义完全符合要求。此后，各种补偿电路相继发展，工艺和技术都有了提高。往往当技术快速发展的时候，价格会跌幅较大，称重仪器应该也会遵循这个道理。 1.4 汽车超载的危害 （ 1）严重破坏公路设施，增加公路维护费用，缩短公路使用寿命 有关专家进行过测试，车辆超载后对地面的损害不是单一的倍数关系，而是呈现一个上升的函数。超限 10%的货车对道路的损坏程度就是 140%，如果货车载重 3吨，当载上 6吨的货物时，对地面造成的是 1600%，这个数据是惊人的。 （ 2）人民群众的交通安全意识低 从事运输业的人
21、，受利益驱动，“多拉快跑，出事快跑”。为什么会出现这种情况？这主要与他们的交通安全意识是有关的。 4月我到嘉兴学院附近街道两旁的三轮车驾驶员群中进行问卷调查，提出了这样一个问题：如果你是一位个体户客车司机，为了你的利益，你会超载吗？有 90%的人笑着回答：“会，一定会，有钱赚什么都干。”正是因为这些交通安全意识浅薄、受利益诱惑的运输者，才导致了运输业畸形发展，造成国家经费大量流失，同时给公路建设的安全带来了极大的隐患。 车载称重系统 4 其实就嘉兴各县 情况来看，超限超载现象并不难看出，尤其是到了节假日人客流高峰期，每辆客车都是挤得满满的，几乎连站脚的地方都没有。有时一些个体户客车的售票员与售
22、票员之间发生枪客现像，凡一看到手提行旅包、站在车站旁边候车的乘客，他们都会争相地冲过去拉客，把乘客的行旅包“夺走”，然后迅速地般上车去，往有限的车厢里塞人。就拿我县平湖市来说，经常坐公交的本人深有体会，平湖市区公交车辆容量较小，本身县区也不是很大，平时客流量一般，但是到了周末学生放学的高峰期，车内往往黑压压一片，更有 K161次班车，平时都客满，更别说周末或节假日了。有 的司机为了能够多跑几趟，他们拼命的把油门一踩到底，把车开的飞快，这种现象对已我们来说是司空见惯的。这样一来给交通安全带来了极大的隐患，严重影响了我县交通安全形象。 （ 3）交通事故隐患 容易引发道路交通事故，车辆超限运输长期处
23、于超负荷状态，就会导致车辆的制动和操作等安全性能迅速下降，表现为轮胎变形爆胎，刹车失灵，转向器轻飘抖动，钢板弹簧折断，半轴断裂等等。据统计载重货车道路交通事故中80%以上是由于超限超载运输所造成的。 1.5 本文的主要设计方向 根据上文所述内容，得出本文设计方向： （ 1）干扰因素处理问题 。国内研发的称重系统之所以无法和国外相比，不是传感器本身质量问题，也不是信息传输问题，而是对干扰信号的处理不当或者忽略，噪声、温度都是影响传感器的源头。 （ 2）目前国内的动态称重依旧沿用静态测量法，也就是相当于把商店的电子秤放大几千倍后的模型。平日可见的采石场或者水泥厂等，货物不是直接称重的，而是先将进去
24、载货的车辆称重，出来时候在称重，两者相减就是货物的重量。这种测量并不是动态的，因为车子是停在装有传感器的铁块上，当然也不是静态，因为车子是开动的，不可避免的抖动会使测量产生巨大的偏差。 （ 3） 没有一个涉及车速的具体公式来计算。在测量器上，汽车的车速不一定是稳定的，装有车速测量仪的车载系统，依旧无法准确测量出车速。主要是在短小的测量器上，路程较短，导致无法精确估算车速。 诸多专家无法解决的问题，对于一个即将毕业的大学生来说，无疑是困难重重，所以本人在导师指导下主要研究软件方面，同时用硬件加以辅助。 1.6 小结 本章通过阐述国内外目前的动态称重现状得出此项目的发展趋势，通过举实例表明超载的危
25、害得出此项目的研究重要性，最后提出本人研究的主要内容。 车载称重系统 5 2 系统的思路设计 无论多大的系统都是 由各个小模块组成的，本系统涉及的模块不多，主要是以下几个部分：传感器模块、数据采集及传输模块、计算机 PC 端、打印模块、键盘电路、外部接口模块。 图 2-1 动态称重系统硬件模型 2.1 传感器的设计 2.1.1 传感器的应用原理 利用物理形变后致使其他物理量改变的是物理效应，比如压电效应是应用形变使电压改变；磁致伸缩是利用磁性的改变，还有离化、极化、热电、光电、磁电等效应，都是将形变转化为电信号来表现。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因 果关系的传感器，被测信号
26、量的微小变化也将转换成电信号。一般传感器用 15V 电源，激磁电路中的晶体振荡器就会产生 400Hz 的方波，经过 TDA2030 功率放大器即产生交流激磁功率电源，通过能源环形变压器 T1 从静止的初级线圈传递至旋转的次级线圈，得到的交流电源通过轴上的整流滤波电路得到 5V 的直流电源，该电源做运算放大器 AD822 的工作电源；由基准电源 AD589 与双运放AD822 组成的高精度稳压电源产生 4.5V 的精密直流电源，该电源既作为电桥电源，又作为放大器及 V/F 转换器的工作电源。当弹性轴受扭时，应变桥检测 得到的 mV 级的应变信号通过仪表放大器 AD620 放大成 1.5v 1v的强信号，再通过 V/F 转换器 LM131 变换成频率信号，通过信号环形变压传感器 电源 模 拟 放大器 A/D 转换器 CPU 系统 计 算 机通讯 打印机 大屏幕
