數(shù)據(jù)融合技術(shù)在車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：基于車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，采用了一種基于最優(yōu)加權(quán)平均的數(shù)據(jù)融合處理方法，將其應(yīng)用到動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)中，并完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)融合前后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，可有效地降低傳感器在工作過(guò)程中受多種因素的交叉干擾影響，提高了車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)抗干擾能力，以保證參數(shù)檢測(cè)的可靠性和準(zhǔn)確性。
關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)；傳感器；加權(quán)平均；數(shù)據(jù)融合

    隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)區(qū)域分工的擴(kuò)大，公路交通量迅速增長(zhǎng)，尤其是貨運(yùn)汽車(chē)的數(shù)量逐年遞增，其中一些司機(jī)不顧車(chē)輛和公路承載能力和行車(chē)安全，擅自對(duì)車(chē)輛進(jìn)行超載改裝，使公路遭到嚴(yán)重破壞，由此而引發(fā)的交通事故日益增多。因此，為保護(hù)公路完好暢通，嚴(yán)格限制超限車(chē)輛勢(shì)在必行。
    動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)是利用傳感器測(cè)量行使中動(dòng)態(tài)輪胎的受力信號(hào)，再對(duì)這些受力信號(hào)的分析來(lái)計(jì)算相應(yīng)靜態(tài)車(chē)輛重量的過(guò)程。與傳統(tǒng)的汽車(chē)靜態(tài)稱(chēng)重不同，動(dòng)態(tài)稱(chēng)重不需要汽車(chē)停車(chē)待稱(chēng)，只要汽車(chē)經(jīng)過(guò)稱(chēng)重傳感器即可以實(shí)現(xiàn)稱(chēng)重，因此具有及時(shí)性、隱蔽性和連續(xù)性，既實(shí)現(xiàn)了稱(chēng)重，又不影響正常的交通，是一個(gè)十分有價(jià)值的研究課題。

1 電路設(shè)計(jì)
    車(chē)輛稱(chēng)重系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，壓力傳感器、測(cè)速傳感器、模擬信號(hào)處理電路、A／D轉(zhuǎn)換電路、按鍵、液晶顯示模塊、打印機(jī)、PC機(jī)。電路主要芯片包括CPU為T(mén)2368BI，A／D轉(zhuǎn)換芯片AD7799，RS232電平轉(zhuǎn)換器芯片SP3223EEY以及LCD接口電路和鍵盤(pán)接口電路。

    當(dāng)汽車(chē)通過(guò)壓力板時(shí)，壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，再通過(guò)儀表放大器送到A／D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量進(jìn)行采樣處理，把處理結(jié)果作為動(dòng)態(tài)稱(chēng)重重量送到LCD上顯示，同時(shí)將數(shù)據(jù)送入打印機(jī)打印，或者可以將數(shù)據(jù)通過(guò)RS232電平轉(zhuǎn)換器送入計(jì)算機(jī)中儲(chǔ)存或進(jìn)一步進(jìn)行處理。

2 常用數(shù)據(jù)融合理論
    傳感器數(shù)據(jù)融合是指對(duì)來(lái)自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行多級(jí)別、多方面、多層次的處理與綜合，從而獲得更精確、更可靠的有用信息。與只采用單一傳感器的系統(tǒng)相比，來(lái)自多個(gè)傳感器的信息具有冗余性、互補(bǔ)性、關(guān)聯(lián)性。多傳感器數(shù)據(jù)融合就是要充分利用多個(gè)傳感器的資源，通過(guò)對(duì)各種傳感器及其觀測(cè)信息的合理支配與使用，將各種傳感器在空間和時(shí)間上的互補(bǔ)與冗余信息根據(jù)某種優(yōu)化準(zhǔn)則組合起來(lái)。目前，在國(guó)外，多傳感器融合系統(tǒng)已被廣泛地應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)分析監(jiān)視、彈道導(dǎo)彈防御、目標(biāo)跟蹤、機(jī)器人、自動(dòng)小車(chē)、輔助駕駛、復(fù)雜智能制造系統(tǒng)以及核電站監(jiān)控等領(lǐng)域。根據(jù)傳感器采集信息的多樣性，智能儀表的多傳感器信息融合采用了3種方式：相關(guān)信息融合、互補(bǔ)信息融合和協(xié)同信息融合。
2．1 相關(guān)信息融合
    相關(guān)信息是指由一組傳感器獲取的關(guān)于同一環(huán)境特征的信息。例如在對(duì)某一對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可在同一區(qū)域中放置多個(gè)傳感器，這些傳感器的輸出信息即為關(guān)于檢測(cè)對(duì)象的相關(guān)信息。
2．2 互補(bǔ)信息融合
    互補(bǔ)信息就是兩個(gè)或更多個(gè)獨(dú)立傳感器從不同面對(duì)同一對(duì)象或環(huán)境的描述，彼此間又不相互重復(fù)的多個(gè)信息?；パa(bǔ)信息的融合可以給出關(guān)于對(duì)象和環(huán)境的更全面、更完整的描述：有時(shí)可以使多傳感器系統(tǒng)感知到那些每個(gè)單一傳感器無(wú)法獲得的對(duì)象和環(huán)境特征。
2．3 協(xié)同信息融合
    協(xié)同信息是指在多傳感器系統(tǒng)中，傳感器獲得的相互依賴(lài)或相互配合的多源數(shù)據(jù)信息。
    總之，多傳感器數(shù)據(jù)融合的目標(biāo)即通過(guò)組合獲得比任何單個(gè)傳感器更準(zhǔn)確的信息，達(dá)到傳感器之間最佳協(xié)調(diào)的結(jié)果，即通過(guò)多傳感器之間的協(xié)調(diào)和性能互補(bǔ)的優(yōu)勢(shì)來(lái)提高整個(gè)傳感器系統(tǒng)的性能。

3 數(shù)據(jù)融合在車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)重技術(shù)中的應(yīng)用
    在車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)中主要應(yīng)用了兩種數(shù)據(jù)融合方法，稱(chēng)重板同類(lèi)傳感器的多傳感器數(shù)據(jù)融合和壓力傳感器、加速度傳感器的異類(lèi)傳感器數(shù)據(jù)融合。(這里采用最優(yōu)加權(quán)平均進(jìn)行數(shù)據(jù)融合)。
3．1 同類(lèi)傳感器的多數(shù)據(jù)融合
    設(shè)第i個(gè)傳感器(i=1，2，…，P)，Q個(gè)測(cè)量周期中得到的第s個(gè)命題As(s=1，2，…，K)，它的單傳感器多測(cè)量周期融合后驗(yàn)基本可信度分配函數(shù)為
   
3．2 異類(lèi)傳感器數(shù)據(jù)融合
    假定壓力傳感器和加速度傳感器測(cè)量誤差是相互獨(dú)立、零均值和恒定方差的高斯分布隨機(jī)變量，則
    x(t+1)=φ(t)x(t)+B(t)u(t)+Γ(t)w(t)           (1)
    yi(t)=Hi(t)x(t)+Vi(t)                       (2)
    上式中x(t)∈Rn是壓力測(cè)量值，i=1，2……，l是測(cè)量結(jié)果u(t)∈Rp是控制輸入，w(t)∈Rr是加速度測(cè)量值，Vi(t)∈Rmi，i=1，2……，l而φ(t)，B(t)，Γ(t)，Hi(t)是時(shí)變矩陣。
    車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)重關(guān)鍵是智能壓力檢測(cè)，采用最優(yōu)加權(quán)平均進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的智能壓力檢測(cè)系統(tǒng)由4部分構(gòu)成：傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)融合中心模塊和顯示電路等。其工作過(guò)程為：傳感器和信號(hào)調(diào)理模塊完成對(duì)輸入信號(hào)的檢測(cè)和處理工作，融合中心綜合各傳感器的信息，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理后，最終結(jié)果由顯示電路顯示出來(lái)。如圖2所示。

    1)傳感器部分輸出2個(gè)電壓信號(hào)，其中U1為被測(cè)壓力P的電壓輸出信號(hào)，U2為一個(gè)非目標(biāo)參量的檢測(cè)電壓信號(hào)。
一個(gè)理想的壓力傳感器，其輸出U應(yīng)為輸入壓力的一元函數(shù)值，即U=f(P)。其反函數(shù)為P=f(U)。
    2)融合中心。融合中心采取的是基于加權(quán)平均的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，使用加權(quán)平均法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合實(shí)際上就是求各傳感器輸出數(shù)據(jù)的加權(quán)平均值。若傳感器i(i=1、2…n)輸出為xi，測(cè)量結(jié)果均方差為σi，權(quán)值為Wi，數(shù)據(jù)融合結(jié)果為y=WX=[w1，w2，…，wn][x1，x2，…，xn]T。權(quán)值分配得當(dāng)，融合效果較好；分配不合理。
    對(duì)系統(tǒng)的精度和可靠性提高不大。權(quán)值最優(yōu)分配的準(zhǔn)則如下：
   

4 數(shù)據(jù)融合處理的效果
    為了驗(yàn)證多傳感器數(shù)據(jù)融合方法的效果，本文進(jìn)行了一系列稱(chēng)重測(cè)量實(shí)驗(yàn)：傳感器承受重量初始值為4噸，以后每次加重2噸，依次加載到22噸。數(shù)據(jù)融合前和融合后的重量值誤差對(duì)比如下表所示。

    由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明可見(jiàn)：在相同溫度變化和電源波動(dòng)的情況下，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)融合后的數(shù)據(jù)誤差明顯減少，其誤差值小于靜態(tài)時(shí)稱(chēng)重值的1．39％，非線性誤差為1．16％，由此可見(jiàn)，融合后的值更接近理論值。所以說(shuō)基于最優(yōu)加權(quán)分配原則的多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)能夠有效降低或消除傳感器在工作過(guò)程中受多種因素的交叉干擾影響。

5 結(jié)束語(yǔ)
    針對(duì)車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，筆者采用了幾種數(shù)據(jù)融合計(jì)算方法，有效地提高車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)抗干擾能力，保證測(cè)量的可靠性和準(zhǔn)確性。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，文中設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)達(dá)到：在靜態(tài)模式時(shí)，精確度高于20 kg；動(dòng)態(tài)模式時(shí)，車(chē)輛以低于20 km／h的速度通過(guò)，誤差小于靜態(tài)時(shí)稱(chēng)重值的1．39％非線性誤差為1．16％(軸載荷和總重)。本動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)主要特性包括重量輕，便于攜帶；可外接計(jì)算機(jī)輔助設(shè)備；具有動(dòng)靜態(tài)兩種工作方式；精確測(cè)量動(dòng)態(tài)車(chē)輛的重量；自動(dòng)將所測(cè)車(chē)輛重量與存儲(chǔ)資料比較以確定車(chē)輛的凈重或車(chē)是否超重等數(shù)據(jù)；全自動(dòng)化的稱(chēng)重過(guò)程；資料自動(dòng)存儲(chǔ)以便檢索、統(tǒng)計(jì)。