CN104574957B - 一种利用风速与角度传感器监控车辆超载的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用风速与角度传感器监控车辆超载的方法，通过采集车辆行驶过程中风速和坡度，并根据汽车运动做功的功率平衡原理估算出车辆质量，从而判断车辆是否超载。本发明还提供一种利用风速与角度传感器监控车辆超载的系统，所述系统包括：车辆启动模块、车辆数据采集模块、获取记录模块、车辆质量计算模块、车辆质量滤波模块以及超载判断模块。本发明通过风速与角度传感器替代重力传感器对车辆载重进行监测，可避免使用重力传感器时因长期载重大与上下震动对重力传感器的损坏的问题，在一定程度上延长了车辆载重监控的使用寿命，降低了更换与维护成本，同时保证了对车辆载重估算的精度。

Description

一种利用风速与角度传感器监控车辆超载的方法及系统

技术领域

本发明涉及汽车技术领域，尤其涉及一种利用风速与角度传感器监控车辆超载的方法及系统。

背景技术

载重监控是车辆运输行业不可缺少的内容，在道路管理、安全监管方面具有重要的意义，传统上车辆载重监控采用重力传感器来实现，但由于车辆载重一般非常大，且车辆运行期间存在巨大的上下重力震动不断作用于接触式的重力传感器上，使得重力传感器很容易损坏，这种载重监控使用寿命短，且更换与维护的成本很高。

发明内容

本发明要解决的技术问题之一，在于提供一种利用风速与角度传感器监控车辆超载的方法，实现延长车辆载重监控的使用寿命，降低更换与维护成本，同时保证了对车辆载重估算的精度。

本发明要解决的技术问题之一是这样实现的：一种利用风速与角度传感器监控车辆超载的方法，通过采集车辆行驶过程中风速和坡度，并根据汽车运动做功的功率平衡原理估算出车辆质量，从而判断车辆是否超载，所述方法包括如下步骤：

步骤10、启动车辆，清空缓存；

步骤20、每间隔时间采集一次车辆数据存入缓存；

步骤30、判断当前采样是否为首次采样，若是，则返回步骤20；否则，根据当前采样的车辆数据和上一次采样的车辆数据获得当前加速度，获得到一记录，所述记录包括加速度和车辆数据，进入步骤40；

步骤40、判断缓存中是否存在与当前记录构成关键点对的历史记录，若存在，则将所有与当前记录构成关键点对的历史记录数据逐一和当前记录数据进行计算，每一关键点对计算出一车辆质量，并将计算得到的车辆质量存入缓存，且将当前记录标记为历史记录后存入缓存；否则，将当前记录标记为历史记录并存入缓存；

步骤50、判断车辆是否停止，若车辆停止，则判断缓存中是否存在车辆质量数据，若存在，则对缓存中所有车辆质量取中值，得到该次启停过程中的车辆质量估算值，进入步骤60，若不存在，则结束流程；若车辆未停止，则返回步骤20；

步骤60、判断车辆质量估算值是否大于预设车辆载重值，是，则判为超载；否，则判为正常载重。

进一步的，所述车辆数据包括采样时刻、从CAN总线上采集的发动机输出功率、车速、风速传感器采集到的车辆迎面的风速以及角度传感器采集到的的车辆所在坡度。

进一步的，构成关键点对的条件包括：一、当前记录中的采样时间和历史记录中的采样时间的时间差小于一预设值；二、所述当前记录中的车速和历史记录中的车速相等；三、所述当前记录中的加速度与历史记录中的加速度不相等。

进一步的，所述步骤40中车辆质量的计算方式具体为：设当前记录R＝{P，u，u_w，i，a，t}，历史记录R₁＝{P₁，u₁，u_w1，i₁，a₁，t₁}，其中，t和t₁分别为当前记录和历史记录的采样时刻，P、u、u_w、i、a分别为t时刻对应的输出功率、车速、风速、坡度和加速度，P₁、u₁、u_w1、i₁、a₁分别为t₁时刻对应的输出功率、车速、风速、坡度和加速度；

将当前记录中和历史记录中的P，u，u_w，i，a；P₁，u_w1，i₁，a₁代入以下车辆质量公式计算得到待估算的车辆质量m：

其中，g为重力加速度，为常量；C_D为空气阻力系数，为常数；A为车辆迎风面积，为已知量；δ为该车的车轮转动惯量，为常量。

本发明要解决的技术问题之二，在于提供一种利用风速与角度传感器监控车辆超载的系统，实现延长车辆载重监控的使用寿命，降低更换与维护成本，同时保证了对车辆载重估算的精度。

本发明要解决的技术问题之二是这样实现的：一种利用风速与角度传感器监控车辆超载的系统，通过采集车辆行驶过程中风速和坡度，并根据汽车运动做功的功率平衡原理估算出车辆质量，从而判断车辆是否超载，所述系统包括：

车辆启动模块：用于启动车辆，清空缓存；

车辆数据采集模块：用于每间隔时间采集一次车辆数据存入缓存；

获取记录模块：用于判断当前采样是否为首次采样，若是，则返回车辆数据采集模块继续采样；否则，根据当前采样的车辆数据和上一次采样的车辆数据获得当前加速度，获得到一记录，所述记录包括加速度和车辆数据；

车辆质量计算模块：用于判断缓存中是否存在与当前记录构成关键点对的历史记录，若存在，则将所有与当前记录构成关键点对的历史记录数据逐一和当前记录数据进行计算，每一关键点对计算出一车辆质量，并将计算得到的车辆质量存入缓存，且将当前记录标记为历史记录后存入缓存；否则，将当前记录标记为历史记录并存入缓存；

车辆质量滤波模块：用于判断车辆是否停止，若车辆停止，则判断缓存中是否存在车辆质量数据，若存在，则对缓存中所有车辆质量取中值，得到该次启停过程中的车辆质量估算值，进入超载判断模块，若不存在，则结束流程；若车辆未停止，则返回车辆数据采集模块继续采样；

以及超载判断模块：用于判断车辆质量估算值是否大于预设车辆载重值，是，则判为超载；否，则判为正常载重。

进一步的，所述车辆数据包括采样时刻、从CAN总线上采集的发动机输出功率、车速、风速传感器采集到的车辆迎面的风速以及角度传感器采集到的的车辆所在坡度。

进一步的，构成关键点对的条件包括：一、当前记录中的采样时间和历史记录中的采样时间的时间差小于一预设值；二、所述当前记录中的车速和历史记录中的车速相等；三、所述当前记录中的加速度与历史记录中的加速度不相等。

进一步的，所述车辆质量计算模块中对车辆质量的计算方式具体为：设当前记录R＝{P，u，u_w，i，a，t}，历史记录R₁＝{P₁，u₁，u_w1，i₁，a₁，t₁}，其中，t和t₁分别为当前记录和历史记录的采样时刻，P、u、u_w、i、a分别为t时刻对应的输出功率、车速、风速、坡度和加速度，P₁、u₁、u_w1、i₁、a₁分别为t₁时刻对应的输出功率、车速、风速、坡度和加速度；

将当前记录中和历史记录中的P，u，u_w，i，a，P₁，u_w1，i₁，a₁代入以下车辆质量公式计算得到待估算的车辆质量m：

其中，g为重力加速度，为常量；C_D为空气阻力系数，为常数；A为车辆迎风面积，为已知量；δ为该车的车轮转动惯量，为常量。

本发明具有如下优点：通过风速与角度传感器替代重力传感器对车辆载重进行监测，可避免使用重力传感器时因长期载重大与上下震动对重力传感器的损坏的问题，延长了车辆载重监控的使用寿命，降低了更换与维护成本，同时保证了对车辆载重估算的精度。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明方法执行流程图。

图2为本发明系统逻辑结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1，一种利用风速与角度传感器监控车辆超载的方法，通过采集车辆行驶过程中风速和坡度，并根据汽车运动做功的功率平衡原理估算出车辆质量，从而判断车辆是否超载，所述方法包括如下步骤：

步骤10、启动车辆，清空缓存，即每次车辆状态由停止转为启动时，均进行一次缓存的清空处理；

步骤20、从车辆启动开始，每间隔时间(如100ms)采集一次车辆数据直至车辆停止，每次采样的车辆数据包括采样时刻、从CAN总线上采集的发动机输出功率、车速、风速传感器采集到的车辆迎面的风速以及角度传感器采集到的的车辆所在坡度；

步骤30、判断当前采样是否为首次采样，若是，则返回步骤20；否则，根据当前采样的车辆数据和上一次采样的车辆数据获得加速度，该加速度由当前车速减去上一次采样得到的车速，再除以采样的间隔时间100ms得到的，进一步获得到一记录，所述记录包括加速度和车辆数据，进入步骤40；

步骤40、判断缓存中是否存在与当前记录构成关键点对的历史记录，若存在，则将所有与当前记录构成关键点对的历史记录数据逐一和当前记录数据进行计算，每一关键点对计算出一车辆质量，并将计算得到的车辆质量存入缓存，且将当前记录标记为历史记录后存入缓存；否则，直接将当前记录标记为历史记录并存入缓存；所述当前记录与历史记录构成关键点对的条件包括：一、当前记录中的采样时间和历史记录中的采样时间的时间差小于一预设值，该预设值可设为较小时间间隔，如1分钟；二、所述当前记录中的车速和历史记录中的车速相等；三、所述当前记录中的加速度与历史记录中的加速度不相等；

所述车辆质量的计算方式具体为：设当前记录R＝{P，u，u_w，i，a，t}，历史记录R₁＝{P₁，u₁，u_w1，i₁，a₁，t₁}，其中，t和t₁分别为当前记录和历史记录的采样时刻，P、u、u_w、i、a分别为t时刻对应的输出功率、车速、风速、坡度和加速度，P₁、u₁、u_w1、i₁、a₁分别为t₁时刻对应的输出功率、车速、风速、坡度和加速度；

将当前记录中和历史记录中的P，u，u_w，i，a；P₁，u_w1，i₁，a₁代入以下车辆质量公式计算得到待估算的车辆质量m：

其中，g为重力加速度，为常量；C_D为空气阻力系数，为常数；A为车辆迎风面积，为已知量；δ为该车的车轮转动惯量，为常量；假设历史记录中与当前记录可构成关键点对的记录有R₁，R₂，…，R_n，把R₁，R点对数据代入车辆质量公式计算出车辆质量为m₁，同理其它历史纪录数据与R计算分别得到车辆质量为m₂,m₃,…，m_n；

步骤50、判断车辆是否停止，若车辆停止，则判断缓存中是否存在车辆质量数据，若存在，则对缓存中所有车辆质量取中值，得到该次启停过程中的车辆质量估算值，进入步骤60，若不存在，则结束流程；若车辆未停止，则返回步骤20；

步骤60、判断车辆质量估算值是否大于预设车辆载重值，是，则判为超载；否，则判为正常载重。

请参阅图2，一种利用风速与角度传感器监控车辆超载的系统，通过采集车辆行驶过程中风速和坡度，并根据汽车运动做功的功率平衡原理估算出车辆质量，从而判断车辆是否超载，所述系统包括：

车辆启动模块：用于启动车辆，清空缓存，即每次车辆状态由停止转为启动时，均进行一次缓存的清空处理；

车辆数据采集模块：用于从车辆启动开始，每间隔时间(如100ms)采集一次车辆数据直至车辆停止，每次采样的车辆数据包括采样时刻、从CAN总线上采集的发动机输出功率、车速、风速传感器采集到的车辆迎面的风速以及角度传感器采集到的的车辆所在坡度；

获取记录模块：用于判断当前采样是否为首次采样，若是，则返回车辆数据采集模块继续采样；否则，根据当前采样的车辆数据和上一次采样的车辆数据获得加速度，该加速度由当前车速减去上一次采样得到的车速，再除以采样的间隔时间100ms得到的，进一步获得到一记录，所述记录包括加速度和车辆数据；

车辆质量计算模块：用于判断缓存中是否存在与当前记录构成关键点对的历史记录，若存在，则将所有与当前记录构成关键点对的历史记录数据逐一和当前记录数据进行计算，每一关键点对计算出一车辆质量，并将计算得到的车辆质量存入缓存，且将当前记录标记为历史记录后存入缓存；否则，直接将当前记录标记为历史记录并存入缓存；所述当前记录与历史记录构成关键点对的条件包括：一、当前记录中的采样时间和历史记录中的采样时间的时间差小于一预设值，该预设值可设为较小时间间隔，如1分钟；二、所述当前记录中的车速和历史记录中的车速相等；三、所述当前记录中的加速度与历史记录中的加速度不相等；

所述车辆质量的计算方式具体为：设当前记录R＝{P，u，u_w，i，a，t}，历史记录R₁＝{P₁，u₁，u_w1，i₁，a₁，t₁}，其中，t和t₁分别为当前记录和历史记录的采样时刻，P、u、u_w、i、a分别为t时刻对应的输出功率、车速、风速、坡度和加速度，P₁、u₁、u_w1、i₁、a₁分别为t₁时刻对应的输出功率、车速、风速、坡度和加速度；

将当前记录中和历史记录中的P，u，u_w，i，a；P₁，u_w1，i₁，a₁代入以下车辆质量公式计算得到待估算的车辆质量m：

其中，g为重力加速度，为常量；C_D为空气阻力系数，为常数；A为车辆迎风面积，为已知量；δ为该车的车轮转动惯量，为常量；假设历史记录中与当前记录可构成关键点对的记录有R₁，R₂，…，R_n，把R₁，R点对数据代入车辆质量公式计算出车辆质量为m₁，同理其它历史纪录数据与R计算分别得到车辆质量为m₂,m₃,…，m_n；

车辆质量滤波模块：用于判断车辆是否停止，若车辆停止，则判断缓存中是否存在车辆质量数据，若存在，则对缓存中所有车辆质量取中值，得到该次启停过程中的车辆质量估算值，若不存在，则结束流程；若车辆未停止，则返回车辆数据采集模块继续采样；

以及超载判断模块：用于判断车辆质量估算值是否大于预设车辆载重值，是，则判为超载；否，则判为正常载重。

另外，所述车辆质量公式的具体推导如下：设当前记录R＝{P，u，u_w，i，a，t}，历史记录R₁＝{P₁，u₁，u_w1，i₁，a₁，t₁}，其中，t和t₁分别为当前记录和历史记录的采样时刻，P、u、u_w、i、a分别为t时刻对应的输出功率、车速、风速、坡度和加速度，P₁、u₁、u_w1、i₁、a₁分别为t₁时刻对应的输出功率、车速、风速、坡度和加速度；

根据汽车动力学平衡原理，得到关键点对中当前记录和历史记录的输出功率计算公式：

其中，η_T为该车辆的传动效率，为已知量；P_f、P_w、P_i和P_a分别为当分别为t时刻对应的道路阻力消耗功率、风阻消耗功率、坡度阻力消耗功率和加速阻力消耗功率，P_f1、P_w1、P_i1和P_a1分别为t₁时刻对应的道路阻力消耗功率、风阻消耗功率、坡度阻力消耗功率和加速阻力消耗功率，且

其中，m为待估算的车辆质重；g为重力加速度，为常量；f与f₁为分别为t，t₁时刻对应的道路阻力系数；C_D为空气阻力系数，为常数；A为车辆迎风面积，为已知量；δ为该车的车轮转动惯量，为常量。

对关键点对的数据进行差分相减，即将公式2减去公式1得到功率点对的差分功率数据：

由于关键点对的t时刻和t₁时刻是车速相等，且t时刻和t₁时刻相差在1分钟以内，车辆在短时间内的道路阻力系数相近，则有u＝u₁且f≈f₁，即P_f1≈P_f，可得

由于u₁＝u因此速度统一用u表示，得：

将公式4至公式7代入公式3，整理得到车辆质量公式如下：

将当前记录中和历史记录中的P，u，u_w，i，a，P₁，u_w1，i₁，a₁代入车辆质量公式中计算得到待估算的车辆质量m。

在估算的过程中，不可避免的引入一些误差，包括f≈f₁的误差以及风速传感器和角度传感器的误差，因此多组关键点对数据估算出来的车辆质量不会完全相同，需要对多个估算出来的车辆质量做滤波处理，滤除误差数据，即本发明中对车辆质量取中值的滤波方式，假设车辆在一次行驶过程中共提取了n组关键点对，对应估算出来的车辆质量值为{m₁，m₂，m₃，…，m_n}，则对这n个质量值进行中值滤波，把它们按从大到小的顺序排列，取第N/2个车辆质量值做为最终的车辆质量估算值输出。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (4)

1.一种利用风速与角度传感器监控车辆超载的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤10、启动车辆，清空缓存；

步骤20、每间隔时间采集一次车辆数据存入缓存；所述车辆数据包括采样时刻、从CAN总线上采集的发动机输出功率、车速、风速传感器采集到的车辆迎面的风速以及角度传感器采集到的的车辆所在坡度；

步骤30、判断当前采样是否为首次采样，若是，则返回步骤20；否则，根据当前采样的车辆数据和上一次采样的车辆数据获得当前加速度，获得到一记录，所述记录包括加速度和车辆数据，进入步骤40；

步骤40、判断缓存中是否存在与当前记录构成关键点对的历史记录，若存在，则将所有与当前记录构成关键点对的历史记录数据逐一和当前记录数据进行计算，每一关键点对计算出一车辆质量，并将计算得到的车辆质量存入缓存，且将当前记录标记为历史记录后存入缓存；否则，将当前记录标记为历史记录并存入缓存；构成关键点对的条件包括：一、当前记录中的采样时间和历史记录中的采样时间的时间差小于一预设值；二、所述当前记录中的车速和历史记录中的车速相等；三、所述当前记录中的加速度与历史记录中的加速度不相等；

步骤50、判断车辆是否停止，若车辆停止，则判断缓存中是否存在车辆质量数据，若存在，则对缓存中所有车辆质量取中值，得到该次启停过程中的车辆质量估算值，进入步骤60，若不存在，则结束流程；若车辆未停止，则返回步骤20；

步骤60、判断车辆质量估算值是否大于预设车辆载重值，是，则判为超载；否，则判为正常载重。

2.根据权利要求1所述的一种利用风速与角度传感器监控车辆超载的方法，其特征在于：所述步骤40中车辆质量的计算方式具体为：设当前记录R＝{P，u，u_w，i，a，t}，历史记录R₁＝{P₁，u₁，u_w1，i₁，a₁，t₁}，其中，t和t₁分别为当前记录和历史记录的采样时刻，P、u、u_w、i、a分别为t时刻对应的输出功率、车速、风速、坡度和加速度，P₁、u₁、u_w1、i₁、a₁分别为t₁时刻对应的输出功率、车速、风速、坡度和加速度；

将当前记录中和历史记录中的P，u，u_w，i，a；P₁，u_w1，i₁，a₁代入以下车辆质量公式计算得到待估算的车辆质量m：

其中，g为重力加速度，为常量；C_D为空气阻力系数，为常数；A为车辆迎风面积，为已知量；δ为该车的车轮转动惯量，为常量。

3.一种利用风速与角度传感器监控车辆超载的系统，其特征在于：所述系统包括：

车辆启动模块：用于启动车辆，清空缓存；

车辆数据采集模块：用于每间隔时间采集一次车辆数据存入缓存；所述车辆数据包括采样时刻、从CAN总线上采集的发动机输出功率、车速、风速传感器采集到的车辆迎面的风速以及角度传感器采集到的的车辆所在坡度；

获取记录模块：用于判断当前采样是否为首次采样，若是，则返回车辆数据采集模块继续采样；否则，根据当前采样的车辆数据和上一次采样的车辆数据获得当前加速度，获得到一记录，所述记录包括加速度和车辆数据；

车辆质量计算模块：用于判断缓存中是否存在与当前记录构成关键点对的历史记录，若存在，则将所有与当前记录构成关键点对的历史记录数据逐一和当前记录数据进行计算，每一关键点对计算出一车辆质量，并将计算得到的车辆质量存入缓存，且将当前记录标记为历史记录后存入缓存；否则，将当前记录标记为历史记录并存入缓存；构成关键点对的条件包括：一、当前记录中的采样时间和历史记录中的采样时间的时间差小于一预设值；二、所述当前记录中的车速和历史记录中的车速相等；三、所述当前记录中的加速度与历史记录中的加速度不相等；

车辆质量滤波模块：用于判断车辆是否停止，若车辆停止，则判断缓存中是否存在车辆质量数据，若存在，则对缓存中所有车辆质量取中值，得到该次启停过程中的车辆质量估算值，进入超载判断模块，若不存在，则结束流程；若车辆未停止，则返回车辆数据采集模块继续采样；

以及超载判断模块：用于判断车辆质量估算值是否大于预设车辆载重值，是，则判为超载；否，则判为正常载重。

4.根据权利要求3所述的一种利用风速与角度传感器监控车辆超载的系统，其特征在于：所述车辆质量计算模块中对车辆质量的计算方式具体为：设当前记录R＝{P，u，u_w，i，a，t}，历史记录R₁＝{P₁，u₁，u_w1，i₁，a₁，t₁}，其中，t和t₁分别为当前记录和历史记录的采样时刻，P、u、u_w、i、a分别为t时刻对应的输出功率、车速、风速、坡度和加速度，P₁、u₁、u_w1、i₁、a₁分别为t₁时刻对应的输出功率、车速、风速、坡度和加速度；

将当前记录中和历史记录中的P，u，u_w，i，a；P₁，u_w1，i₁，a₁代入以下车辆质量公式计算得到待估算的车辆质量m：

其中，g为重力加速度，为常量；C_D为空气阻力系数，为常数；A为车辆迎风面积，为已知量；δ为该车的车轮转动惯量，为常量。