一种基于TVLP-MF的动态检重秤快速滤波方法及系统

技术领域

本发明涉及检重秤动态称重技术，具体涉及一种基于TVLP-MF的动态检重秤快速滤波方法及系统。

背景技术

检重秤是将不同质量的预包装分立载荷按其质量与标称设定点的差分值细分为两类或更多类的一种质量分类自动秤。随着现代工农业的快速发展，检重秤在生产线上的需求量日益增长，它能够在被测物体非静止，生产线不停机等状态下，快速准确估计被测物体重量并进行分检，提升生产线效率，保障产品质量。然而，在动态称量过程中，动态称量持续时间较短，且存在机械振动、电磁干扰以及外界环境噪声等因素的影响，称重信号难以达到平稳状态，从而严重影响检重秤的分拣效率和称量准确性。

为了解决动态称量信号中各种干扰问题，国内外学者已提出各种解决办法。在车辆动态称重滤波方面，已经授权的中国专利ZL 200710018456.0公开了一种“车辆动态称重衡称重信号的自适应滤波方法”，但该方法借助于经验模态分解方法，在实际应用过程难以嵌入式实现。针对检重秤的信号频谱分析中，干扰相对于称量信号主要分布在高频范围，因此低通滤波器不失为一种有效的信号处理方法。通过设置合适的截止频率能够有效抑制各类干扰的影响，提高动态检重秤称量结果的准确性。然而，传统线性低通滤波器在性能与响应速度之间存在矛盾，其截止频率越低，滤波器响应时间越长。从而导致检重秤高速运行情况下，滤波器的响应时间大于被测物体的加载时间，造成测量准确性降低。

Piskorowski J等人，于2008年在文献“Dynamic compensation of load cellresponse: A time-varying approach”中提出一种时变低通滤波器（Time-Variant Low-Pass Filter, TVLP）并应用于动态检重秤，弥补了传统线性低通滤波器在跃变信号处理上响应时间过长的不足。通过在信号发生跃变时，滤波器带宽会在输入信号跃变时间内调整变大，使得边沿信号得以快速响应，在跃变结束后逐渐将带宽调回最佳值，使得信号中的干扰被有效滤除。虽然时变低通滤波器兼顾了滤波效果和响应速度问题，但在检重秤高速工况（速度100 m/min以上）的实际应用中，时变低通滤波器依然难以取得满意的结果。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种基于TVLP-MF的动态检重秤快速滤波方法及系统，本发明旨在消除动态检重秤自身机械结构以及外界环境产生的振动干扰，提升动态检重秤的运行效率和称量准确度，具有运算简单、计算速度快、鲁棒性能好等优点，有效提升了动态检重秤的测量效率与称量结果准确性。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于TVLP-MF的动态检重秤快速滤波方法，包括：

1）将称重传感器的采样信号通过时变低通滤波器进行滤波以消除干扰；

2）对滤波后的输出信号通过形态学滤波器进行滤波以提升响应速度；

3）基于形态学滤波器的输出进行估计，得到被测物体的重量值。

可选地，步骤1）中时变低通滤波器对采样信号的处理包括：在信号跃变时将带宽调大，使边沿信号得以快速响应；在信号跃变结束后，逐渐将带宽调回最佳值，使采样信号中的干扰被有效滤除。

可选地，步骤1）中时变低通滤波器为多个一阶无限冲击响应滤波器的级联，其中一阶无限冲击响应滤波器的函数表达式为：

上式中，

可选地，时变参数

上式中，

可选地，步骤2）中对时变低通滤波器滤波后的输出信号通过形态学滤波器进行滤波是指通过改进形态学滤波器IMF采用加权形态学滤波操作，且改进形态学滤波器IMF的输出信号

上式中，

上式中，

可选地，所述形态学开操作和形态学闭操作运算的计算函数表达式为：

上式中，

上式中，

可选地，步骤3）中基于形态学滤波器的输出进行估计的函数表达式为：

上式中，

此外，本发明还提供一种基于TVLP-MF的动态检重秤快速滤波系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器或微处理器所连上位机被编程或配置以执行所述基于TVLP-MF的动态检重秤快速滤波方法的步骤。

此外，本发明还提供一种基于TVLP-IMF的动态检重秤装置，包括控制单元，沿直线顺序布置的进料带、称量带以及分选带，所述称量带下侧设有称重传感器，所述控制单元包括相互连接的微处理器和存储器，所述称量带的进料侧上方设有前光电传感器、出料侧上方设有后光电传感器，所述前光电传感器、后光电传感器、称重传感器的输出端分别与微处理器相连，所述微处理器或微处理器所连上位机被编程或配置以执行所述基于TVLP-MF的动态检重秤快速滤波方法的步骤。

此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行所述基于TVLP-MF的动态检重秤快速滤波方法的计算机程序。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：

1、本发明采用数字时变低通滤波器作为一级滤波，可有效消除主要机械振动干扰，抑制称重信号在滤波过程中的相位失真。

2、本发明采用了对滤波后的输出信号通过形态学滤波器进行二级滤波以提升响应速度，对称重信号做进一步处理，加速了动态称重响应，提高了称量准确性。

3、本发明采用一级滤波和二级滤波的结合，在动态称重信号处理中，不仅消除了各种干扰，还抑制了信号的失真，从而取得了比现有的技术好的动态称重效果，对动态检重秤的性能具有重大提升。

4、本发明中针对两级滤波后信号进行被测物重量估计，得到最终估计值并输出，实现了动态检重秤高速高精度准确称量与分检。

5、本发明运算简单，计算速度快，易于嵌入式实时实现。

附图说明

图1为本实施例方法的基本流程示意图。

图2 为本实施例中动态检重秤称重信号以及光电信号标记示意图。

图3为本实施例中称重传感器的信号采集电路原理框图。

图4为本实施例中动态检重秤201.7g被测物体加载信号图。

图5为本实施例中动态检重秤201.7g加载信号数字时变低通滤波结果图。

图6为本实施例中动态检重秤201.7g加载信号TVLP滤波与TVLP-IMF滤波结果对比图。

图7为自动分检衡器国家标准参数表。

图8为本实施例中明TVLP-IMF滤波性能、TVLP滤波性能与国家标准要求对比图。

具体实施方式

以下结合附图与实施例，对本发明基于TVLP-MF的动态检重秤快速滤波方法及系统进行具体说明，应当理解，本实施例仅用于解释与说明本发明，但不局限于本发明。

如图1所示，本实施例基于TVLP-MF的动态检重秤快速滤波方法包括：

1）将称重传感器的采样信号通过时变低通滤波器（Time-Variant Low-Pass，简称TVLP）进行滤波以消除干扰；

2）对滤波后的输出信号通过形态学滤波器（Morphological Filter，简称MF）进行滤波以提升响应速度；

3）基于形态学滤波器的输出进行估计，得到被测物体的重量值。

本实施例中以2 kHz的采样频率对称重传感器的输出信号进行离散化采样，得到被测物体加载段离散信号

本实施例中以2 kHz采样率，分别对系统运行速度为30 m/min、60 m/min、90 m/min、120 m/min四种速度，静态重量为52.3 g、175.4 g、201.7 g、329.5 g的纸盒包装物件的传感器输出信号进行采集，每个物件在不同速度下，反复加载20次，得到320组不同工况下多种重量载荷信号。其中以201.7g被测物体在四种运行速度下单次加载采集到的数据为例，如图4(a)~(d)所示，其中光电标记信号为通过前、后两个光电传感器用于标记出物体的加载区间。

本实施例中，步骤1）中时变低通滤波器对采样信号的处理包括：在信号跃变时将带宽调大，使边沿信号得以快速响应；在信号跃变结束后，逐渐将带宽调回最佳值，使采样信号中的干扰被有效滤除。

本实施例中，步骤1）中时变低通滤波器为多个一阶无限冲击响应滤波器的级联，其中一阶无限冲击响应滤波器的函数表达式为：

上式中，

本实施例中，时变参数

上式中，

时变低通滤波器的滤波效果取决于初始截止频率

传送速度为30 m/min时的最优参数为：

传送速度为60 m/min时的最优参数为：

传送速度为90 m/min时的最优参数为：

传送速度为120 m/min时的最优参数为：

在空载阶段，设置固定截止频率为2Hz，在第一个光电信号触发时，即

本实施例中，滤波后的输出信号

上式中，

上式中，

本实施例中，形态学开操作和形态学闭操作运算的计算函数表达式为：

上式中，

上式中，

本实施例中，滤波后的输出信号

改进形态学滤波器IMF的性能主要取决于所选取的零值线性结构元素

本实施例中，步骤3）中基于形态学滤波器的输出进行估计的函数表达式为：

上式中，

实验结果分析：根据国家标准《GB/T 27739-2011 自动分检衡器》中提供的XIII级准确度要求作为判据，在不同质量下的平均误差和标准偏差的国家标准要求如图7所示，其中系统平均示值，平均误差，标准偏差计算公式分别如下：

上式中，

根据上述公式，可以计算得到被测物体经本实施例方法（时变低通&改进形态学）滤波性能以及经时变低通滤波的滤波性能与国家标准要求对比图如图8中的子图(a)~(d)所示。参见图8中的子图(a)~(d)可知，本实施例基于TVLP-MF的动态检重秤快速滤波方法的滤波性能相对时变低通滤波的滤波性能更优（性能Λ越小越好）。

综上所述，与现有方法对比，本实施例方法具有下述优势：1、本实施例中采用数字时变低通滤波器作为一级滤波，通过优化设计滤波器参数，有效消除主要机械振动干扰，抑制称重信号在滤波过程中的相位失真。2、本实施例中采用形态学滤波器作为二级滤波，并提出了一种加权操作算子的改进方法，通过选择零值线性结构元素，优化设计结构元素长度以及权值系数，对称重信号做进一步处理，加速了动态称重响应，提高了称量准确性3、本实施例中针对两级滤波后信号进行被测物重量估计，得到最终估计值并输出，实现了动态检重秤高速高精度准确称量与分检。本实施例提出的基于TVLP-MF的动态检重秤快速滤波方法，结合了数字时变低通滤波器和形态学滤波方法的优点，特别改进了传统形态学方法的不足，并提出了一种改进加权形态学操作算子，在动态称重信号处理中，不仅消除了各种干扰，还抑制了信号的失真，从而取得了比现有的技术好的动态称重效果。本实施例具有运算简单、计算速度快、鲁棒性能好等优点，有效提升了动态检重秤的测量效率与称量结果准确性。

此外，本实施例还提供一种基于TVLP-MF的动态检重秤快速滤波系统，包括相互连接的微处理器和存储器，微处理器或微处理器所连上位机被编程或配置以执行前述基于TVLP-MF的动态检重秤快速滤波方法的步骤。

此外，本实施例还提供一种基于TVLP-IMF的动态检重秤装置，包括控制单元，沿直线顺序布置的进料带、称量带以及分选带，称量带下侧设有称重传感器，控制单元包括相互连接的微处理器和存储器，称量带的进料侧上方设有前光电传感器、出料侧上方设有后光电传感器，前光电传感器、后光电传感器、称重传感器的输出端分别与微处理器相连，微处理器或微处理器所连上位机被编程或配置以执行前述基于TVLP-MF的动态检重秤快速滤波方法的步骤。本实施例中，控制单元基于STM32为核心嵌入式实现，以STM32为核心处理器，搭载图3所示信号处理电路，截至频率为50Hz的硬件低通滤波电路，ADS1255信号模数转换电路以及与上位机通信电路，以2 kHz的采样频率，对称重传感器输出信号进行离散化采样，得到离散化信号

此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行前述基于TVLP-MF的动态检重秤快速滤波方法的计算机程序。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。