數據融合技術(shù)在車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統中的應用

摘要：基于車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統的結構和特點(diǎn)，采用了一種基于最優(yōu)加權平均的數據融合處理方法，將其應用到動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統中，并完成系統的軟硬件設計。通過(guò)對融合前后的實(shí)驗數據進(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)重系統抗干擾能力，以保證參數檢測的可靠性和準確性。
關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統；傳感器；加權平均；數據融合

隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展和經(jīng)濟區域分工的擴大，公路交通量迅速增長(cháng)，尤其是貨運汽車(chē)的數量逐年遞增，其中一些司機不顧車(chē)輛和公路承載能力和行車(chē)安全，擅自對車(chē)輛進(jìn)行超載改裝，使公路遭到嚴重破壞，由此而引發(fā)的交通事故日益增多。因此，為保護公路完好暢通，嚴格限制超限車(chē)輛勢在必行。
動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統是利用傳感器測量行使中動(dòng)態(tài)輪胎的受力信號，再對這些受力信號的分析來(lái)計算相應靜態(tài)車(chē)輛重量的過(guò)程。與傳統的汽車(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)現稱(chēng)重，因此具有及時(shí)性、隱蔽性和連續性，既實(shí)現了稱(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 電路設計
車(chē)輛稱(chēng)重系統硬件結構框圖如圖1所示，壓力傳感器、測速傳感器、模擬信號處理電路、A／D轉換電路、按鍵、液晶顯示模塊、打印機、PC機。電路主要芯片包括CPU為T(mén)2368BI，A／D轉換芯片AD7799，RS232電平轉換器芯片SP3223EEY以及LCD接口電路和鍵盤(pán)接口電路。

當汽車(chē)通過(guò)壓力板時(shí)，壓力傳感器將壓力信號轉換成模擬電信號，再通過(guò)儀表放大器送到A／D轉換器的模擬輸入端，將轉換后的數字量進(jìn)行采樣處理，把處理結果作為動(dòng)態(tài)稱(chēng)重重量送到LCD上顯示，同時(shí)將數據送入打印機打印，或者可以將數據通過(guò)RS232電平轉換器送入計算機中儲存或進(jìn)一步進(jìn)行處理。

2 常用數據融合理論
傳感器數據融合是指對來(lái)自多個(gè)傳感器的數據進(jìn)行多級別、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相比，來(lái)自多個(gè)傳感器的信息具有冗余性、互補性、關(guān)聯(lián)性。多傳感器數據融合就是要充分利用多個(gè)傳感器的資源，通過(guò)對各種傳感器及其觀(guān)測信息的合理支配與使用，將各種傳感器在空間和時(shí)間上的互補與冗余信息根據某種優(yōu)化準則組合起來(lái)。目前，在國外，多傳感器融合系統已被廣泛地應用于戰場(chǎng)分析監視、彈道導彈防御、目標跟蹤、機器人、自動(dòng)小車(chē)、輔助駕駛、復雜智能制造系統以及核電站監控等領(lǐng)域。根據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。例如在對某一對象進(jìn)行檢測時(shí)，可在同一區域中放置多個(gè)傳感器，這些傳感器的輸出信息即為關(guān)于檢測對象的相關(guān)信息。
2．2 互補信息融合
互補信息就是兩個(gè)或更多個(gè)獨立傳感器從不同面對同一對象或環(huán)境的描述，彼此間又不相互重復的多個(gè)信息?；パa信息的融合可以給出關(guān)于對象和環(huán)境的更全面、更完整的描述：有時(shí)可以使多傳感器系統感知到那些每個(gè)單一傳感器無(wú)法獲得的對象和環(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中，傳感器獲得的相互依賴(lài)或相互配合的多源數據信息。
總之，多傳感器數據融合的目標即通過(guò)組合獲得比任何單個(gè)傳感器更準確的信息，達到傳感器之間最佳協(xié)調的結果，即通過(guò)多傳感器之間的協(xié)調和性能互補的優(yōu)勢來(lái)提高整個(gè)傳感器系統的性能。

3 數據融合在車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)重技術(shù)中的應用
在車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統中主要應用了兩種數據融合方法，稱(chēng)重板同類(lèi)傳感器的多傳感器數據融合和壓力傳感器、加速度傳感器的異類(lèi)傳感器數據融合。(這里采用最優(yōu)加權平均進(jìn)行數據融合)。
3．1 同類(lèi)傳感器的多數據融合
設第i個(gè)傳感器(i=1，2，…，P)，Q個(gè)測量周期中得到的第s個(gè)命題As(s=1，2，…，K)，它的單傳感器多測量周期融合后驗基本可信度分配函數為

3．2 異類(lèi)傳感器數據融合
假定壓力傳感器和加速度傳感器測量誤差是相互獨立、零均值和恒定方差的高斯分布隨機變量，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是壓力測量值，i=1，2……，l是測量結果u(t)∈Rp是控制輸入，w(t)∈Rr是加速度測量值，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，采用最優(yōu)加權平均進(jìn)行數據融合的智能壓力檢測系統由4部分構成：傳感器模塊、信號調理模塊、數據融合中心模塊和顯示電路等。其工作過(guò)程為：傳感器和信號調理模塊完成對輸入信號的檢測和處理工作，融合中心綜合各傳感器的信息，并進(jìn)行相應的數據處理后，最終結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，其中U1為被測壓力P的電壓輸出信號，U2為一個(gè)非目標參量的檢測電壓信號。
一個(gè)理想的壓力傳感器，其輸出U應為輸入壓力的一元函數值，即U=f(P)。其反函數為P=f(U)。
2)融合中心。融合中心采取的是基于加權平均的數據處理技術(shù)，使用加權平均法進(jìn)行數據融合實(shí)際上就是求各傳感器輸出數據的加權平均值。若傳感器i(i=1、2…n)輸出為xi，測量結果均方差為σi，權值為Wi，數據融合結果為y=WX=[w1，w2，…，wn][x1，x2，…，xn]T。權值分配得當，融合效果較好；分配不合理。
對系統的精度和可靠性提高不大。權值最優(yōu)分配的準則如下：


4 數據融合處理的效果
為了驗證多傳感器數據融合方法的效果，本文進(jìn)行了一系列稱(chēng)重測量實(shí)驗：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。數據融合前和融合后的重量值誤差對比如下表所示。

由以上實(shí)驗數據表明可見(jiàn)：在相同溫度變化和電源波動(dòng)的情況下，經(jīng)過(guò)數據融合后的數據誤差明顯減少，其誤差值小于靜態(tài)時(shí)稱(chēng)重值的1．39％，非線(xiàn)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)加權分配原則的多傳感器數據融合技術(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 結束語(yǔ)
針對車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統的結構和特點(diǎn)，筆者采用了幾種數據融合計算方法，有效地提高車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統抗干擾能力，保證測量的可靠性和準確性。通過(guò)多次實(shí)驗，文中設計的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統技術(shù)參數達到：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(xiàn)性誤差為1．16％(軸載荷和總重)。本動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統主要特性包括重量輕，便于攜帶；可外接計算機輔助設備；具有動(dòng)靜態(tài)兩種工作方式；精確測量動(dòng)態(tài)車(chē)輛的重量；自動(dòng)將所測車(chē)輛重量與存儲資料比較以確定車(chē)輛的凈重或車(chē)是否超重等數據；全自動(dòng)化的稱(chēng)重過(guò)程；資料自動(dòng)存儲以便檢索、統計。