基于加速度傳感器的車輛載重測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于加速度傳感器的車輛載重測量方法，屬于車輛載重測量技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明中設(shè)置有一對加速度傳感器固定于車輛的鋼板彈簧的兩端、且沿車軸對稱設(shè)置，鋼板彈簧作為吸收彈簧具有良好的減震性能,其受力與形變是呈線性關(guān)系，鋼板的變形是由于載荷引起,反之,通過鋼板的撓度可測算出載荷，對于多載重軸，根據(jù)左、右懸架特性相同與前、后懸架的軸荷分配系數(shù)，對各載荷進行加權(quán)計算即可得到整車的實際車載質(zhì)量，間接測出汽車的載重量，并對該測量所得的瞬態(tài)值進行路面坡度估計、EMD濾波繼而得到精確度高的載重測量值。所得的車輛的載重測量值更加精確，更加便于貨車的運營和管理。
【專利說明】
基于加速度傳感器的車輛載重測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于車載測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種車輛載重測量方法，具體地說是一種基 于加速度傳感器的車輛載重測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，大多數(shù)的車輛交通事故和路橋損毀事故都是由車輛超載問題引起的，因此， 對于事故率超高的貨車領(lǐng)域，在其運輸貨物的過程中，車輛貨物的重量檢測是一項非常重 要的工作，它對于貨車的安全運輸、道路的安全和企業(yè)的運營管理都具有至關(guān)重要的意義。 現(xiàn)在，為了控制超載問題，有一些車輛配備了重量檢測裝置，而這些裝置只是簡單地對車輛 的重量進行測量，并沒有考慮車輛在行駛過程中的速度和加速度對測量到的重量值的影 響，同時也忽略了行駛道路的平坦度對測量到的車輛重量值的影響，使得最終的車輛重量 檢測值的精確度較小，具有一定的誤差，降低了超載檢測裝置的應(yīng)用價值。
[0003] 另外，除了車輛超載問題，行駛過程中貨物的丟失的被盜情況也是運輸過程中經(jīng) 常遇到的問題，如果不能對車輛載重進行實時檢測，這些情況就不能及時發(fā)現(xiàn)，這也會使得 車載重量檢測裝置失去本身的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了解決上述問題，設(shè)計了基于加速度傳感器的車輛載重測量方法，本方 法充分考慮了加速度和路面坡度對測量值的影響，所得的測量值精確度高，實時性強，有更 高的應(yīng)用價值及顯著的進步意義。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:基于加速度傳感器的車輛載重測量方法，一對加速度 傳感器固定于車輛的鋼板彈簧的兩端、且沿車軸對稱設(shè)置，關(guān)鍵在于:本測量方法包括如下 步驟：
[0006] 1 )、以車軸的軸心將鋼板彈簧分為左、右半弧，0為經(jīng)過左、右半弧的中點的切線的 夾角，h為鋼板彈簧弧高或鋼板彈簧擾度，h是9的函數(shù)，SP
[0007] h = f(9) (1)；
[0008] 2)、車輛空載時的鋼板彈簧擾度為h〇,則因載重引入的鋼板彈簧的形變?yōu)閔-ho,記 為X;
[0009] 3)、結(jié)合懸架結(jié)構(gòu)，懸架等效為1個由彈簧、阻尼器組成的二階系統(tǒng)，根據(jù)動力學(xué)分 析，建立單個懸架載荷稱重的數(shù)學(xué)模型：
(2)；
[0011] 式⑵中，m為車輛懸架自重，c為阻尼系數(shù)，k為彈簧鋼板剛度，M(t)為載重，F(xiàn)(t)為 由貨物和懸架而引入的動態(tài)沖擊載荷，根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型得到載重M(t)和0的關(guān)系；
[0012] 4)、設(shè)懸架的個數(shù)為n，n為多1的正整數(shù)，車輛整體載重為各懸架載重加權(quán)和：
[0013] U〇 =之％ ('） ⑶。 M
[0014] 其中，所述的0的測量是通過如下步驟實現(xiàn)的：
[0015]分別在鋼板彈簧的左、右半弧的中間安裝3D重力加速度傳感器A、3D重力加速度傳 感器B，安裝方向與鋼板彈簧軸線一致，兩個3D重力加速度傳感器共建重力加速度坐標(biāo)系 中，分別測量x軸與重力加速度方向夾角9 xc;
[0016]當(dāng)車體處于靜止或沿直線運動時，0xG由三部分構(gòu)成：
[0017] 9xc(t) = 0g(t)+0a(t)+0x(t) (4);
[0018] 式中，0g為地面不水平角，0a為X方向運動加速等效角，0X為傳感器安裝點半弧切線 角;兩個3D重力加速度傳感器在共建體系中，0 g、0a為共模變化，通過角度差分即可得到0 ;
[0019] 0(t)=9xG-A(t)-9xG-B(t) = 9x-A(t)-9x-B(t) (5);
[0020] 式中，9xG_A(t)、9xG_B(t)分別為傳感器A、傳感器B的9xG，9x_A(t)、9x_B(t)分別為傳感 器A、傳感器B的9x。
[0021 ]另外，所述的測量方法中還包括對路面坡度的估計，以x、y、z表示傳感器A或傳感 器B在x、y、z軸的加速度分量：
[0022] |l| = Jx? + y2 + z2 +1-g (6 );
[0023]滿足式(6)條件時進行路面坡度的評估，路面坡度0gS:
[0024] 0g=0xG-0xG_o= 0x0-1/29 (7)；
[0025] 式中，0xC_〇表示在水平路面且無運動加速度時的0xC;基于此，測量載重MA11(t)與實 際載重M rei(t)之間的關(guān)系為：
(8)r
[0027]還有，所述的測量方法中還包括采用EMD方法從采樣序列中截取合格連續(xù)序列段， 該截取合格連續(xù)序列段的條件為：
[0028] ①、限定側(cè)轉(zhuǎn)范圍|y | <wl，其中wl為設(shè)定的常數(shù)；
[0029] ②、限定最大加速度w2< |a | <w3,其中w2、w3為設(shè)定的常數(shù)；
[0030] ③、限定突變加速度|_C^. ^.，.其中w5為設(shè)定的常數(shù)，k〈n- I，w5>l;
[0031]根據(jù)上述條件截取的連續(xù)數(shù)據(jù)序列段獲得的EMD結(jié)果，根據(jù)此數(shù)據(jù)序列選定條件 的滿足度進行評估，得到評估權(quán)重Q(〇~1)，越滿足條件的評估權(quán)重越趨近1，如上次載重測 量結(jié)果為M?t_n，則本次EMD結(jié)果為M Em_n+1，其評估權(quán)重為仏+1，則本次輸出為：
[0032] Mout-n+l =M〇ut-n ? ( l_Qn+l )+MeMD-n+l ? (Qn+l ) 〇
[0033] 本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明通過對加速度、路面坡度估計及通過EMD方法進行 載重動態(tài)測量，所得的車輛的載重測量值更加精確，更加便于貨車的運營和管理，同時也可 以方便管理者實時監(jiān)控載重狀況，以防止貨物的丟失而帶來的意料不到的經(jīng)濟損失。
【附圖說明】
[0034]圖1是本發(fā)明方法中9的示意圖；
[0035]圖2是本發(fā)明方法中0的測量原理示意圖。
【具體實施方式】
[0036] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。
[0037] -、測量原理
[0038] 汽車車身與輪軸之間都安裝有鋼板彈簧，鋼板彈簧作為吸收彈簧具有良好的減震 性能，其受力與形變是呈線性關(guān)系，鋼板的變形是由于載荷引起，反之，通過鋼板的撓度可 測算出載荷，對于多載重軸，根據(jù)左、右懸架特性相同與前、后懸架的軸荷分配系數(shù)，對各載 荷進行加權(quán)計算即可得到整車的實際車載質(zhì)量，間接測出汽車的載重量。
[0039] 如圖1，兩條帶箭頭的射線分別為經(jīng)過鋼板左半弧中點、右半弧中點的切線，0為兩 條射線夾角，h為彈簧鋼板弧高即彈簧鋼板撓度。0隨載重變化，h是0的函數(shù)。
[0040] 即：h = f(0) (1)
[0041] 如車空載時的鋼板彈簧撓度為h0,則因載重引入的鋼板形變?yōu)閔-hO,記為X。
[0042] 結(jié)合懸架結(jié)構(gòu)，懸架可等效為1個由彈簧、阻尼器組成的二階系統(tǒng)，根據(jù)動力學(xué)分 析，建立單個懸架載荷稱重的數(shù)學(xué)模型
(2)
[0044] 式(2)中m為車輛懸架自重，c為阻尼系數(shù)，k為彈簧鋼板剛度，M(t)為載重，F(xiàn)(t)為 動態(tài)沖擊載荷(包含貨物和懸架引入的）。根據(jù)模型可得到載重M(t)和0的關(guān)系。
[0045] 對于由多個懸掛構(gòu)成的整車體系，整體載重為各懸掛載重加權(quán)和。
(3)
[0047]二、0測量
[0048] 0角的測量方法是在鋼板彈簧的兩個半弧中間，安裝3D重力加速度傳感器，安裝方 向與鋼板軸線一致，兩只傳感器共建重力加速度坐標(biāo)系中，分別測量x軸與重力加速方向夾 角 0XG〇
[0049] 當(dāng)車體處于靜止或沿直線運動時，0xG由三部分構(gòu)成：
[0050] 9xc(t) = 9g(t)+9a(t)+9x(t) (4)
[0051 ]式(4)中0g為地面不水平角，0a為x方向運動加速等效角，0x為傳感器安裝點半弧 切線角;AB傳感器在共建體系中，0g、0a為共模變化。通過角度差分即可得到0。
[0052] 9(t)=9xG-A(t)-9xG-B(t) = 9x-A(t)-9x-B(t) (5)
[0053]通過差分，實現(xiàn)0的動態(tài)測量，并克服地面坡度的影響，而傳感器為非接觸性測量， 與鋼板直接固性按裝即可，無破壞性。
[0054]三、路面坡度估計
[0055] 傳感器AB為對稱安裝，得到的0，相當(dāng)于在水平路面，無運動加速度時，0xG_O = l/2 0;
[0056]路面不水平，且無運動加速度時，0xG= l/20+0g;其中0g為路面不水平度(坡度）。 因此可得路面坡度％ =以6-916_0 = 916-1/29。
[0057]路面坡度的獲取是在無運動加速度情況下得到的，估計時通過傳感器A、B來判定 車運行狀態(tài)是否符合評估條件。判定方法為在無運動加速度時，傳感器加速度矢量模值為 lgo
(6)
[0059] 式(6)中x、y、z是傳感器A或B在x、y、z軸的加速度分量。
[0060] 當(dāng)上述條件成立并持續(xù)足夠長時間時，即達到獲取路面坡度的估計窗口并進行有 效估計。
[0061 ] 四、坡面修正
[0062] 由式（3)得到是基于彈簧鋼板直接變形量獲得的多個懸掛構(gòu)成的整車體系載重 MAll(t) 〇
[0063] 當(dāng)車行駛或停滯在路面坡度角為0g時，測量載重和實際載重的關(guān)系為：
[0065] 五、載重動態(tài)測量
[0066] 動態(tài)稱重過程中振動是影響稱重準(zhǔn)確度的主要形式，而車輛振動的原因相當(dāng)復(fù) 雜。引起車輛振動的原因很多，如路面的不平整、車輛自身、輪胎的彈性、發(fā)動機工作的顫動 以及駕駛員操作的不穩(wěn)定等。振動來源的復(fù)雜性決定了車輛對路面載荷的復(fù)雜性。車輛對 路面的載荷主要有兩種表現(xiàn)形式:穩(wěn)態(tài)載荷和動態(tài)載荷，其中動態(tài)載荷的產(chǎn)生具有很大的 不確定性，從而導(dǎo)致了車輛稱重的復(fù)雜性。
[0067] 為克服上述不確定因素以及慣性沖擊帶來的影響，從而真實地把握載重測量信號 的規(guī)律，為實現(xiàn)高精度載重動態(tài)測量采用經(jīng)驗?zāi)７纸?Empirical Mode Decomposition， EMD)方法作為載重動態(tài)測量信號的去噪手段。
[0068] EMD方法只能從有限規(guī)律中提取真實載重信息，但車輛行駛過程中的存在外附力 擾動使鋼板彈簧的獲得額外變形量，如裝載時沖擊、側(cè)轉(zhuǎn)時鋼板彈簧扭曲變形和車架型變 等，在這種情況下采集的載荷信息是瞬態(tài)載荷，不能反映車輛的真實載貨量。
[0069] 測量過程中對這些擾動信息應(yīng)加以識別并從采集序列中剔除或者說在采樣序列 中截取合格連續(xù)序列段，連續(xù)序列段時間應(yīng)滿足EMD需求。
[0070] 根據(jù)傳感A或B選擇，條件
[0071] 1、限定側(cè)轉(zhuǎn)范圍|y | <wl
[0072] 2、限定最大加速度w2< | a | <w3 n~k
[0073] 3、限定突變加速度w w=?'-1 (k<n-l)
[0074]可用數(shù)據(jù)評估：
[0075]根據(jù)限定條件截取的連續(xù)數(shù)據(jù)序列段獲得的EMD結(jié)果，并不直接作為最終輸出，同 樣根據(jù)此數(shù)據(jù)序列選定條件的滿足度進行評估，得到評估權(quán)重Q(〇~1)，越滿足條件的評估 權(quán)重越趨近1，如上次載重測量結(jié)果為Mcmt_ n，則本次EMD結(jié)果為MEMD_n+l，其評估權(quán)重為Qn+i，則 本次輸出為：
【主權(quán)項】
1. 基于加速度傳感器的車輛載重測量方法，一對加速度傳感器固定于車輛的鋼板彈黃 的兩端、且沿車軸對稱設(shè)置，其特征在于:本測量方法包括如下步驟： 1) 、W車軸的軸屯、將鋼板彈黃分為左、右半弧，e為經(jīng)過左、右半弧的中點的切線的夾 角，h為鋼板彈黃弧高或鋼板彈黃擾度，h是0的函數(shù)，即 h = f(白） （1); 2) 、車輛空載時的鋼板彈黃擾度為ho,則因載重引入的鋼板彈黃的形變?yōu)閔-ho,記為X; 3) 、結(jié)合懸架結(jié)構(gòu)，懸架等效為1個由彈黃、阻尼器組成的二階系統(tǒng)，根據(jù)動力學(xué)分析， 建立單個懸架載荷稱重的數(shù)學(xué)模型：巧):; 式(2)中，m為車輛懸架自重，C為阻尼系數(shù)，k為彈黃鋼板剛度，M(t)為載重，F(xiàn)(t)為由貨 物和懸架而引入的動態(tài)沖擊載荷，根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型得到載重M(t)和0的關(guān)系；4) 、設(shè)懸架的個《々^〇.〇^>16々^?|數(shù)，車輛整體載重為各懸架載重加權(quán)和： 0)〇2. 根據(jù)權(quán)利安萃度傳感器的車輛載重測量方法，其特征在于:所述的 0的測量是通過如下步驟實現(xiàn)的： 分別在鋼板彈黃的左、右半弧的中間安裝3D重力加速度傳感器A、3D重力加速度傳感器 B，安裝方向與鋼板彈黃軸線一致，兩個3D重力加速度傳感器共建重力加速度坐標(biāo)系中，分 別測量X軸與重力加速度方向夾角0XC; 當(dāng)車體處于靜止或沿直線運動時，0XC由=部分構(gòu)成： 0xG(t) = 0g(t) + 0a(t)+0x(t) (4); 式中，為地面不水平角，0a為X方向運動加速等效角，0X為傳感器安裝點半弧切線角； 兩個3D重力加速度傳感器在共建體系中，0g、0a為共模變化，通過角度差分即可得到0; 白（t) =目 xG_A(t)-目 xG_B(t) =目 x_A(t)-目 x_B(t) (5); 式中，目xG_A(t)、0xG_B(t)分別為傳感器A、傳感器B的目xG，0x_A(t)、0x_B(t)分別為傳感器A、 傳感器B的0X。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于加速度傳感器的車輛載重測量方法，其特征在于:所述的 測量方法中還包括對路面坡度的估計，Wx、y、z表示傳感器A或傳感器B在x、y、z軸的加速度 分量：(6)； 滿足式(6)條件時進行路面坡度的評估，路面坡度0g為： 0g=0xG-0xG_O=0xG-l/20 (7); 式中，0xG_O表示在水平路面且無運動加速度時的0XG;基于此，測量載重Mm(t)與實際載 重Mrel(t)之間的關(guān)系為：(8)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于加速度傳感器的車輛載重測量方法，其特征在于:所述的 測量方法中還包括采用EMD方法從采樣序列中截取合格連續(xù)序列段，該截取合格連續(xù)序列 段的條件為： ① 、限定側(cè)轉(zhuǎn)范圍Iy I <wl，其中Wl為設(shè)定的常數(shù)； ② 、限定最大加速度I a I，其中w2、w3為設(shè)定的常數(shù)； ③ 、限定突變加速B，其中w5為設(shè)定的常數(shù)，k<n-l，w5 >1; 根據(jù)上述條件截取的連續(xù)數(shù)據(jù)序列段獲得的EMD結(jié)果，根據(jù)此數(shù)據(jù)序列選定條件的滿 足度進行評估，得到評估權(quán)重Q(〇~1 )，越滿足條件的評估權(quán)重越趨近1，如上次載重測量結(jié) 果為M?t_n，則本次EMD結(jié)果為MEm_n+l，其評估權(quán)重為Qn+l，則本次輸出為： M〇ut_n+l=M〇ut_n ? ( l-Qn+l)+MEMD_n+l * (Qn+l)〇
【文檔編號】G01G19/08GK105910692SQ201610442383
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月20日
【發(fā)明人】于國慶, 孟志永, 馬洪濤
【申請人】河北科技大學(xué)