CN109781228B - 车辆载荷确定系统和方法 - Google Patents

Abstract

提出了一种车辆载荷确定系统和方法，属于行车荷载检测技术领域，所述系统包括：高速摄像装置、支撑固定装置、无线数据采集与传输装置、图片分析及数据处理系统；所述的支撑固定装置用于固定高速摄像装置以及无线数据采集与传输装置；所述高速摄像装置用于对经过的车辆的轮胎进行拍摄；所述无线数据采集与传输装置用于采集高速摄像装置拍摄的轮胎图像，并将轮胎图像发送至图片分析及数据处理系统；所述图片分析及数据处理系统用于对轮胎图像进行识别，获得所述轮胎图像中轮胎的基本信息，确定轮胎的载荷大小，并确定所述车辆的载荷。本方法和系统能够更准确和灵活地测量各种车辆的荷载大小。

Description

车辆载荷确定系统和方法

技术领域

本发明属于公路、桥梁行车荷载检测领域以及交通运输和智能测控技术领域，具体涉及一种车辆载荷确定系统和方法。

背景技术

随着我国经济水平的提升，更多的公路、桥梁投入到使用中，各地之间的联系越来越紧密，也正是因为此，越来越多不同等级的交通工具行驶在公路、桥梁上，小到电动车、家用轿车，大到翻斗车、半挂车等等，而一旦这些交通工具出现超载情况，就会使公路、桥梁发生破坏，而公路桥梁的破坏不仅危害人们的人身安全，同样也将对公共财产造成一定的损失，所以防止超重超载是维护交通安全的重要环节，而当前最普遍的检查方法主要是派人检查或者是在收费站设置地磅称等方法，进行车辆荷载的检查，但是此类方法在一定程度上影响了交通的流畅性，且不具有全面性。

现有关于检测车辆动态垂直荷载的方法还有很多，如发明专利公开号为:CN106626994A，名称为一种车辆行驶期间检测轮胎动态垂直载荷的方法及系统中描述的方法，但是此类方法将传感器固定在轮胎上，这样传感器就会受到轮胎转动速度、震动、摩擦生热等问题的影响，很难进行准确的计算。现有关于轮胎荷载检测方法也有很多，如发明专利公开号为：CN1860042A，名称为车辆行驶期间检测轮胎载荷的方法和系统，但是该专利同样是将传感器布置于轮胎之上，这样就会不可避免地受到轮胎转动速度、震动、摩擦生热等问题的影响。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种车辆载荷确定系统和方法。

根据本发明的一个方面，提出了一种车辆载荷确定系统，所述系统包括高速摄像装置、支撑固定装置、无线数据采集与传输装置、图片分析及数据处理系统；所述的支撑固定装置用于固定高速摄像装置以及无线数据采集与传输装置；所述高速摄像装置用于对经过的车辆的轮胎进行拍摄；所述无线数据采集与传输装置用于采集高速摄像装置拍摄的轮胎图像，并将轮胎图像发送至图片分析及数据处理系统；所述图片分析及数据处理系统用于对轮胎图像进行识别，获得所述轮胎图像中轮胎的基本信息，确定所述轮胎的载荷大小，并确定所述车辆的载荷。

根据本发明的一个方面，所述图片分析及数据处理系统包括文字识别模块和图片识别模块；所述文字识别模块用于对轮胎图像中的轮胎信息进行识别；所述图片识别模块用于对轮胎图像中的当前轮胎状态进行识别。

根据本发明的一个方面，所述轮胎信息包括轮胎的标识信息；所述当前轮胎状态包括轮胎半径、轮辋半径、轮辋中心距地面高度。

根据本发明的一个方面，所述图片分析及数据处理系统还包括标准车胎信息获取模块和当前车辆荷载确定模块；其中所述车胎信息获取模块用于根据所述轮胎信息从后台数据库中获取车辆无荷载时相应轮胎所受的压力、以及轮辋中心距离地面高度；其中车辆荷载确定模块用于根据车辆无荷载时相应轮胎的胎压、轮辋中心距离地面高度，以及所述当前轮胎状态确定当前轮胎所受压力，以确定车辆荷载。

根据本发明的一个方面，所述车辆荷载确定模块通过以下公式确定当前轮胎所受压力F_n2：

其中R为轮胎半径，r为轮辋半径，F_n1为车辆空载时相应轮胎所受的压力，H_n1为车辆无荷载时轮辋中心距离地面高度，F_n1和H_n1为从后台数据库中获取；H_n2为当前轮胎的轮辋中心距离地面高度。

根据本发明的一个方面，所述车辆荷载确定模块通过以下公式确定车辆荷载F_总：

其中n为车辆一侧轮胎的数量。

根据本发明的一个方面，所述车辆荷载确定系统还包括为高速摄像装置和无线数据采集与传输装置供电的太阳能供电系统。

根据本发明的一个方面，所述支撑固定装置为机械式的支撑结构，固定于公路或者桥梁一侧，并高出路面一定高度安装所述高速摄像装置。

根据本发明的一个方面，所述无线数据采集与数据传输装置为物联网式无线动态遥测采集仪，用于控制高速摄像装置进行拍摄取照。

根据本发明的一个方面，还提出了一种车辆荷载确定方法，该方法包括：在公路或桥梁一侧安装支撑固定装置，在其上固定高速摄像装置、无线数据采集与传输装置，其中高速摄像装置可以完整拍摄行驶车辆的轮胎照片；开启无线数据采集与传输装置和高速摄像装置，通过高速摄像装置对来往车辆进行拍照，并通过无线数据采集与传输装置将采集到的图片传递至图片分析及数据处理系统；所述图片分析及数据处理系统整理图片，通过文字识别模块识别图片中轮胎标识，与互联网连接并通过标准车胎信息获取模块在后台数据库中根据所述标识获取无荷载时轮胎所受的压力、轮辋中心距离地面高度，通过图片识别模块识别当前经过车辆轮辋中心距离地面高度，并通过车辆荷载确定模块确定出当前车辆荷载大小。

根据本发明的一个方面，车辆荷载确定模块通过以下公式确定当前轮胎所受压力F_n2：

其中R为轮胎半径，r为轮辋半径，F_n1为车辆空载时相应轮胎所受的压力，H_n1为车辆无荷载时轮辋中心距离地面高度，F_n1和H_n1为从后台数据库中获取；H_n2为当前轮胎的轮辋中心距离地面高度。

根据本发明的一个方面，车辆荷载确定模块通过以下公式确定车辆荷载F_总：

其中n为车辆一侧轮胎的数量。

本发明通过高速摄像装置及图片分析与数据处理系统读取轮胎在载荷状态下轮辋中心距离地面高度产生变化从而计算出车辆荷载。本发明不需要在路面以下设置地磅称等庞大设施，不需要车辆停止后测重，不会妨碍交通，最重要的是不需要将传感器等检测系统布置于行车轮胎之上以实现快速精准地测量各种车辆荷载大小，而不局限于测量只有在轮胎上布置传感器的车辆。

附图说明

图1是根据一个实施例的车辆载荷确定系统的示意图；

图2是根据一个实施例的车辆载荷确定方法的示意图；

图3是确定车辆载荷的计算原理图。

具体实施方式

首先，如图1所示，本发明提出了一种车辆载荷确定系统。所述系统包括高速摄像装置、支撑固定装置、无线数据采集与传输装置、图片分析及数据处理系统和太阳能供电系统。

所述的支撑固定装置是指在桥梁或者公路旁，用于固定和调整高速摄像装置以及无线数据采集与传输装置的位置的结构，可以是机械式的支撑结构，用以保证高速摄像装置不受重力、风力等因素影响而稳定地工作；所述高速摄像装置用于对经过车辆的轮胎进行拍摄；无线数据采集与传输装置内置物联网卡(IoT)控制通讯，可以对高速摄像装置进行平衡和清零、控制其他装置的开关、以及信息采集和提取图片，采用远程通信可使得在试验过程中试验人员可以远离试验现场，保证了试验的高效安全；图片分析系统及数据处理系统主要通过文字识别收集的图片，得到轮胎型号以及该型号下轮胎的基本数据，包括常压下轮胎高度等，分析车辆在荷载作用时轮胎高度产生的变化从而计算出车辆荷载；太阳能供电装置为高速摄像装置和无线数据采集与数据传输装置提供电源，保证其工作的连续性与稳定性。

所述支撑固定装置固定于公路或者桥梁一侧，高出路面一定高度安装所述高速摄像装置，便于摄像分析，由无线数据采集与数据传输装置控制高速摄像装置的打开、关闭以及采集与发送数据。

所述无线数据采集与数据传输装置采用体积小、抗干扰能力强、性能稳定的物联网式无线动态遥测采集仪，并且具有自动检测功能，可设置任意一个时间段控制高速摄像装置进行拍摄取照；可以实现实时采集、及时储存、准确分析等；能实现远距离的无线数据、图片传输。

所述图片分析及数据处理系统具有文字、图片识别功能，通过文字识别技术识别轮胎上的品牌标识、出厂信息，与互联网连接并在后台数据库中获取车辆空载状态下轮胎正常胎压以及轮胎轮辋中心距地面高度等基础数据；并通过图片识别技术识别当前车辆以及当前载重情况下轮胎轮辋中心距离地面高度。通过分析得到车辆空载状态下轮辋中心距离地面高度与当前图片中轮辋中心距离地面高度因荷载变化而产生的高度变化，从而计算出车辆荷载大小。

所述太阳能供电装置可以是小型单晶硅太阳能电池板以及充电式大容量锂电池，根据一个实施例，所述太阳能供电装置可以为整个系统提供电源。

基于上述系统，本发明还提出了一种用于车辆荷载确定方法，如图2所示，包括以下步骤：

在公路或桥梁一侧安装支撑固定装置，在其上固定高速摄像装置、无线数据采集与传输装置以及太阳能供电系统，调节固定支撑高度，确保高速摄像装置可以完整拍摄行驶车辆的轮胎等照片，调整好各装置位置后，接通电源，准备测量。

开启无线数据采集与传输装置和高速摄像装置，对来往车辆进行拍照，同时实时传输数据，将采集到的图片数据传递至图片分析及数据处理系统。

图片分析及数据处理系统整理图片，通过文字识别模块识别图片中轮胎型号，与互联网连接并在后台数据库中检索轮胎数据库的出厂信息，获取无荷载时某车轴侧轮胎压力、轮辋中心距离地面高度等基础信息数据，通过图片分析及数据处理模块识别当前经过车辆此轴侧轮辋中心距离地面高度，确定出当前车辆荷载大小。

其中，通过太阳能供电系统不断给所有装置供给电源，保证整个装置可以实时、连续的对道路、桥梁上行驶的车辆进行拍照分析。

下面对本申请确定车辆荷载的原理进行具体说明，具体参考图3进行说明。

首先，如上文所述，通过已经安装好的高速摄像装置对行驶车辆进行拍照，且调整高度使其可以完整拍摄过往载重车辆轮辋中心距离地面高度以及轮胎型号信息，通过无线数据采集与传输装置采集所拍摄的图片，并传输至图片分析及数据处理系统进行分析，图片分析及数据处理系统对图片中轮胎上文字信息进行识别，并通过互联网检索轮胎信息，得到基础数据，具体包括常压下轮胎高度和胎压,分析轮胎型号可知，轮胎半径为R，轮辋半径为r，轮胎宽为B，故轮胎中气体所占体积：

V＝π(R²-r²)B

当车辆无载荷时，车辆某个车轴的一侧轮胎(1-1)在空车上所受压力为F_n1(F_n1可通过互联网检索得到，n1为某个车轴一侧轮胎位置，取1，2，3……,下同)，轮辋(1-2)中心距地面高度为H_n1，轮胎(1-1)受压与地面接触形状近似为矩形，长为L_n1，宽为B，接触面面积为S_n1＝L_n1B，接触面两边与轮辋(1-2)中心夹角为α_n1，故空车中气体所占体积为：

当车辆有载荷，车辆某个车轴的一侧轮胎(1-1)在车辆上所受重力为F_n2(n2与n1定义相同)，轮辋(1-2)中心距底面高度为H_n2，轮胎(1-1)受压与地面接触形状近似为矩形，长为L_n2，宽为B，接触面面积为S_n2＝L_n2B，接触面两边与轮辋(1-2)中心夹角为α_n2，故空车中气体所占体积为：

假设轮胎(1-1)内气压均匀分布，由理想气体状态公式PV＝NRT知：

其中T表示温度，P表示压强。

由压力公式F＝PS知：

通过许多学者的研究发现，车辆运动中与静止时车辆胎内气体温度具有一定的规律，令

k为温度修正系数，一般取1.2，

则有：

由图3可知：

则有：

由上式可得出车辆载重情况下某车轴一侧轮胎(1-1)荷载大小，故车辆总荷载为

其中n为车辆一侧车胎的数量。这样，累计车辆一侧的轮胎的荷载后，2倍即为所有轮胎的荷载，即车辆的总荷载。

由上式可得出行驶车辆荷载大小，并且车辆荷载F_总仅与此时的轮胎(1-1)半径R、轮辋(1-2)半径r和轮辋(1-2)中心距离地面高度H相关。

由此可见，本发明提出的系统可直接安装于需要进行车辆荷载检测的桥段、路段，代替了复杂的地磅称等设施，简单高效；

本发明通过轮胎轮辋中心距地面高度变化计算车辆荷载，不仅所需数据容易获得，且计算方便高效；

本发明在车辆经过后就可得出车辆荷载，可反复多次或多种车型多个车辆进行测量，可同时满足多种试验或检测要求。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种车辆载荷确定系统，其特征在于：

所述系统包括高速摄像装置、支撑固定装置、无线数据采集与传输装置、图片分析及数据处理系统；

所述的支撑固定装置用于固定高速摄像装置以及无线数据采集与传输装置；

所述高速摄像装置用于对经过的车辆的轮胎进行拍摄；

所述无线数据采集与传输装置用于采集高速摄像装置拍摄的轮胎图像，并将轮胎图像发送至图片分析及数据处理系统；

所述图片分析及数据处理系统用于对轮胎图像进行识别，获得所述轮胎图像中轮胎的基本信息，确定所述轮胎的载荷大小，并确定所述车辆的载荷；

所述图片分析及数据处理系统包括文字识别模块和图片识别模块，所述文字识别模块用于对轮胎图像中的轮胎信息进行识别；所述图片识别模块用于对轮胎图像中的当前轮胎状态进行识别；所述轮胎信息包括轮胎的标识信息；所述当前轮胎状态包括轮胎半径、轮辋半径、轮辋中心距地面高度；

所述图片分析及数据处理系统还包括标准车胎信息获取模块和当前车辆载荷确定模块；其中所述车胎信息获取模块用于根据所述轮胎信息从后台数据库中获取车辆无载荷时相应轮胎所受的压力、以及轮辋中心距离地面高度；

其中车辆载荷确定模块用于根据车辆无载荷时相应轮胎所受的压力、轮辋中心距离地面高度、以及所述当前轮胎状态确定当前轮胎所受压力，以确定车辆载荷；

所述车辆载荷确定模块通过以下公式确定当前轮胎所受压力Fn2：

其中R为轮胎半径，r为轮辋半径，Fn1为车辆空载时相应轮胎所受的压力，Hn1为车辆无载荷时轮辋中心距离地面高度，Fn1和Hn1为从后台数据库中获取；Hn2为当前轮胎的轮辋中心距离地面高度。

2.根据权利要求1所述的车辆载荷确定系统，其特征在于：

所述车辆载荷确定模块通过以下公式确定车辆载荷F_总：

其中n为车辆一侧轮胎的数量。

3.根据权利要求1-2任一所述的车辆载荷确定系统，其特征在于：

所述车辆载荷确定系统还包括为高速摄像装置和无线数据采集与传输装置供电的太阳能供电系统。

4.根据权利要求1-2任一所述的车辆载荷确定系统，其特征在于：

所述支撑固定装置为机械式的支撑结构，固定于公路或者桥梁一侧，并高出路面一定高度安装所述高速摄像装置。

5.根据权利要求1-2任一所述的车辆载荷确定系统，其特征在于：

所述无线数据采集与数据传输装置为物联网式无线动态遥测采集仪，用于控制高速摄像装置进行拍摄取照。

6.一种车辆载荷确定方法，其特征在于，该方法包括：

在公路或桥梁一侧安装支撑固定装置，在其上固定高速摄像装置、无线数据采集与传输装置，其中高速摄像装置可以完整拍摄行驶车辆的轮胎照片；

开启无线数据采集与传输装置和高速摄像装置，通过高速摄像装置对来往车辆进行拍照，并通过无线数据采集与传输装置将采集到的图片传递至图片分析及数据处理系统；

所述图片分析及数据处理系统整理图片，通过文字识别模块识别图片中轮胎标识，与互联网连接并通过标准车胎信息获取模块在后台数据库中根据所述标识获取无载荷时轮胎所受的压力、轮辋中心距离地面高度，通过图片识别模块识别轮胎图像中的当前轮胎状态，所述当前轮胎状态包括轮胎半径、轮辋半径、轮辋中心距地面高度，并通过车辆载荷确定模块确定出当前车辆载荷大小，其中，车辆载荷确定模块根据车辆无载荷时相应轮胎所受的压力、轮辋中心距离地面高度、以及所述当前轮胎状态确定当前轮胎所受压力，以确定车辆载荷；

车辆载荷确定模块通过以下公式确定当前轮胎所受压力Fn2：

其中R为轮胎半径，r为轮辋半径，Fn1为车辆空载时相应轮胎所受的压力，Hn1为车辆无载荷时轮辋中心距离地面高度，Fn1和Hn1为从后台数据库中获取；Hn2为当前轮胎的轮辋中心距离地面高度。

7.根据权利要求6所述的车辆载荷确定方法，其特征在于：

车辆载荷确定模块通过以下公式确定车辆载荷F_总：

其中n为车辆一侧轮胎的数量。

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