CN110398280A - 一种测量车辆荷载的车载终端及测量、计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种测量车辆荷载的车载终端及测量、计算方法涉及测量值、控制信号或类似信号的传输系统及数据处理领域，尤其是车辆荷载测量的车载终端及车辆荷载的计算方法。包括CAN采集模块、参数存储模块、计算模块、六轴传感器、通信模块及GPS/BD定位模块，CAN采集模块分别与参数存储模块以及计算模块相连；六轴传感器与计算模块相连；参数存储模块、计算模块以及GPS/BD定位模块均通过通信模块与外部远程监控平台相连。终端与车辆CAN相连采集车辆型号信息；查询车辆参数；采集车辆VIN码；利用GPS/BD定位模块采集当前车辆位置信息，请求当前位置路面情况和天气情况，更新相关参数对应值；通过CAN通讯模块和六轴传感器采集车辆行驶数据。

Description

一种测量车辆荷载的车载终端及测量、计算方法

技术领域

本发明一种测量车辆荷载的车载终端及测量、计算方法涉及测量值、控制信号或类似信号的传输系统及数据处理领域，尤其是车辆荷载测量的车载终端及车辆荷载的计算方法。

背景技术

近年来，随着现代社会科技与经济的飞速发展，汽车的拥有量也在逐年提升。汽车为人们的出行带来便利的同时，也在导致环境污染的加剧。汽车对环境污染的影响主要在声污染和尾气排放污染两方面。车辆荷载较大时，为了取得较大的牵引动力，常用低档大油门行驶。低档大油门行驶时，车辆噪声较大，且发动机油料燃烧不充分，致使排放的废气超标，大气环境污染严重。车辆荷载超过标准荷载量时，车辆制动性能下降，容易引发交通事故。因此，获取车辆实时的荷载信息并实时上传至对应远程监控平台，对于响应国家的环保政策及保障车辆安全行驶存在重大意义。

目前普遍采用的车辆荷载车辆测量技术，利用各种传感器组成一个复杂的荷载测量系统，设备造价昂贵，且普遍体积较大，不方便移动，只能定点布置。这种车辆荷载测量系统往往布置在高速出入口，过往车辆停车进行检查，检查时间较长，容易造成交通拥堵。因此实时车辆荷载监控技术的需求迫在眉睫。

现有的实时车辆荷载监控技术通常利用定位模块获取车辆相关参数。例如，公告号为CN 107590104A的中国发明专利，利用北斗模块获取目标卫星的坐标数据，根据目标卫星的坐标数据，计算目标车辆的速度和加速度，根据所述速度数据与预设的所述目标车辆的车辆参数计算所述目标车辆的荷载。此种方式受北斗定位信号强度影响较大，在隧道、桥下、高楼遮挡等北斗卫星信号弱的地方，计算出的速度和加速度数据值不可取，通过算法过滤后再计算荷载会导致误差很大。预设的所述目标车辆的车辆参数固定，面对不同路况、不同天气情况下，利用固定参数计算出的滚动阻力和空气阻力误差很大，易导致荷载计算存在较大偏差。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有实时车辆荷载监控技术中荷载精度受定位信号强度影响大、预设参数与实际车况不符导致的误差、适用性差的问题，提供一种测量车辆荷载的车载终端及车辆荷载的测量、计算方法，利用远程监控平台，及时更新计算车辆荷载所需要的车辆参数，通过车载终端采集计算车辆荷载所需要的动态数据，能根据需要，随时估算车辆荷载，解决当前不能准确的实时监控车辆荷载的问题，为交通、环保和安全监管部门提供判断资料。

本发明是采取以下技术方案实现的：

测量车辆荷载的车载终端，包括，

CAN采集模块，用于采集车辆基本信息，并识别车辆类型；用于实时采集车型、车辆速度、扭矩和变速箱齿轮比信息档位等动态数据；

参数存储模块，用于存储各种车辆荷载计算的相关参数信息，通过远程监控平台添加的未存储车辆的相关参数信息或更新的已存储车辆的信息；

计算模块，用于计算车辆荷载；

六轴传感器，用于实时采集车辆加速度、坡度；

通信模块，用于本终端与远程监控平台进行通信；

GPS/BD定位模块，用于实时采集车辆位置信息。

所述CAN采集模块分别与参数存储模块以及计算模块相连；六轴传感器与计算模块相连；参数存储模块、计算模块以及GPS/BD定位模块均通过通信模块与外部的远程监控平台相连。

所述CAN采集模块采用NXP的TJA1042T/3的高速CAN收发器。

所述参数存储模块采用华邦电子的NAND Flash，其存储容量根据需要计算车辆种类可自行选择。

所述计算模块采用NXP的S32K144的CPU。

所述六轴传感器采用Invensense的ICM-20600陀螺仪传感器。

所述GPS/BD定位模块采用UBLOX的M8Z高精度定位模块。

本发明终端使用时，通过匹配线束与车辆CAN相连，利用CAN采集模块，采集车辆型号信息；通过采集到的车辆型号信息，查询参数存储模块中，是否存在对应车辆的参数；如不存在，则采集车辆VIN码，向远程监控平台请求相关数据，并保存在参数存储模块中；利用GPS/BD定位模块，采集当前车辆位置信息，根据位置信息向远程监控平台请求当前位置路面情况和天气情况，更新相关参数对应的值；同时，通过CAN通讯模块和六轴传感器，采集车辆行驶数据。

测量车辆荷载的车载终端的测量、计算方法，包括如下步骤：

1）CAN采集模块采集车辆型号信息后，将车辆型号信息发送到参数存储模块和计算模块；

1-1）计算模块通过采集到的车辆型号信息，查询参数存储模块中，是否存在对应车辆的参数；如不存在，则通过CAN采集模块采集车辆VIN码；

1-2）通过通信模块向远程监控平台请求相关数据，并保存在参数存储模块中；所述相关数据包括车辆主减速器比、机械效率、轮胎半径、滚动阻力系数、车轮转动惯量、飞轮转动惯量、空气阻力系数和迎风面积等；

2）六轴传感器实时采集车辆加速度、坡度，并将采集到的车辆加速度、坡度信息发送到计算模块；

3）由计算模块利用步骤（1）和步骤（1-2）传来的信息进行计算，得到当前情况下车辆的荷载值，并将荷载值实时上传至远程监控平台。

在步骤（1-2）中，远程监控平台通过卡尔曼滤波对相关参数迭代更新，滤除噪声干扰，提高参数精度。

在步骤（1-2）中，GPS/BD模块向远程监控平台请求当前位置路面情况和天气情况下，计算车辆荷载所需的参数信息，对存储模块中的参数信息进行及时更新。

进一步的，远程监控平台采用极值滤波等滤波算法将计算过程中不合理的值滤除，再对滤波后的数据进行筛选，选择出可能合理的值，从而提高计算荷载量的准确性。

与现有技术相比较，本发明具备如下优点：

采用的参数存储模块能存储大量不同厂家、不同车型、不同配置车辆的荷载计算参数，因而利用一台终端可以测量各种车辆的荷载量，适配性强；

利用远程监控平台数据交互和定位模块采集实时定位数据，可以做到针对不同路面情况、不同天气情况，及时更新参数存储模块中的相关参数，有效提高荷载量计算的精度；

利用CAN采集模块自动识别对应车型，自动查询车载终端的参数存储模块，配置参数进行计算。对未知的车型，通过远程监控平台向参数存储模块中添加新车型的参数，无需手动配置，更加智能便捷；

利用采集到的数据和当前车辆相关参数，通过本发明采用的计算方法，可以精确的计算出当前情况下车辆的荷载值，并将荷载值实时上传至远程监控平台。远程监控平台通过卡尔曼滤波，利用实时计算出的车辆荷载量，对滚动阻力系数等存在白噪声影响的参数进行迭代更新，提高参数精度，消除噪声影响；

利用CAN采集模块，采集车辆速度、扭矩及档位信息，采集精度高，采集频率快，相较于传统的方法，通过卫星定位数据计算车辆信息，准确度高，时延性低；

利用六轴传感器，采集车辆的加速度，相较于传统的方法，通过卫星定位数据计算车辆加速度，计算精度高；

利用六轴传感器，采集车辆的坡度，将坡度阻力计算在车辆阻力当中，提高计算精度。

附图说明

以下将结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明的测量荷载的车载终端的方框原理图。

图2为本发明的测量车辆荷载的计算流程图。

图3为不同路面情况下对应的滚动阻力系数范围表。

具体实施方式

参照附图1，本发明测量车辆荷载的车载终端包括CAN采集模块、参数存储模块、计算模块、六轴传感器、通信模块及GPS/BD定位模块，所述CAN采集模块分别与参数存储模块以及计算模块相连；六轴传感器与计算模块相连；参数存储模块、计算模块以及GPS/BD定位模块均通过通信模块与外部的远程监控平台相连。

通过CAN采集模块可以采集车辆基本信息识别车辆类型，实时精确采集车辆的速度、扭矩、档位等动态数据；参数存储模块可以存储各种车辆荷载计算的相关参数信息，还可以利用远程监控平台添加未存储车辆的相关参数信息或更新已存储车辆的信息；利用六轴传感器，可以实时采集到车辆的加速度和坡度；利用远程监控平台，通过卡尔曼滤波对相关参数迭代更新，滤除噪声干扰，提高参数精度；利用通信模块和GPS/BD模块，可以向远程监控平台请求当前位置路面情况和天气情况下，计算车辆荷载所需的参数信息，对存储模块中的参数信息进行及时更新。

【实施例1】

参照附图2，本发明的测量车辆荷载的计算流程开始前，需要将车载终端通过匹配线束与车辆CAN相连，之后正式进入计算流程。

1）利用CAN通信模块，采集车辆型号信息；通过采集到的车辆型号信息，查询参数存储模块中，是否存在对应车辆的参数；如不存在，则采集车辆VIN码，然后进入下一个步骤；如存在，则进入下一个步骤；

2）向远程监控平台请求相关数据，并保存在参数存储模块中；

3）利用GPS/BD定位模块，采集当前车辆位置信息，根据位置信息向远程监控平台请求当前位置路面情况和天气情况，更新相关参数对应的值。同时，通过CAN通讯模块和六轴传感器，采集车辆行驶数据；

4）利用采集到的数据和当前车辆相关参数，通过本发明采用的计算方法，可以精确的计算出当前情况下车辆的荷载值，并将荷载值实时上传至远程监控平台。

利用CAN采集模块自动识别对应车型，自动查询车载终端的参数存储模块，配置参数进行计算。对未知的车型，通过远程监控平台向参数存储模块中添加新车型的参数，无需手动配置，更加智能便捷。

本发明所采用的计算车辆荷载的计算方法基于牛顿第二定律，物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，且与物体质量的倒数成正比；加速度的方向跟作用力的方向相同。根据牛顿第二定律可得：

，其中为当前车所受到的力，为车辆当前的加速度，为车辆的质量。

车行驶过程中所受到的力可表示为：；

当车辆匀速行驶时，加速度为0，易得；

当车辆加速或减速行驶时，加速度不为0，易得车辆的质量：；车辆行驶过程中获得的驱动力可表示为：；其中，为车辆的扭矩，为车辆的变速箱齿轮比，为车辆的主减速比，为车辆的机械效率，为轮胎半径。车辆的扭矩和车辆的变速箱齿轮比（车辆档位）可以通过CAN采集模块从车辆实时获取；车辆的主减速比，车辆的机械效率，轮胎半径为车辆固定参数，可以通过查询车载终端存储区得到。

车辆行驶过程中受到阻力包括滚动阻力、加速阻力、坡度阻力、空气阻力，可表示为：，其中滚动阻力和空气阻力是在任何行驶条件下均存在的，而坡度阻力和加速阻力仅在一定行驶条件下存在，例如在水平道路上等速行驶时就没有坡度阻力和加速阻力。

其中空气阻力可表示为：；

为车辆的空气阻力系数，为车辆的迎风面积，为空气密度，为车辆行驶速度，为风速，顺风为负，逆风为正。车辆空气阻力系数的大小取决于多个方面，汽车的外形和车身比例占40%；然后车轮和车轮所在空间有30%；接着车身底部带来的风阻占20%；最后空气进入车体内部造成的风阻占10%，车辆的空气阻力系数可由风洞测试得出，在以中、低速行驶时，可以近似认为是常数，可以通过查询车载终端存储区得到。车辆的迎风面积为车头正面投影面积，为车辆固定参数，可以通过查询车载终端存储区得到。正常的干燥空气空气密度可取1.293g/l，特殊地理位置条件下可以利用远程监控平台更新。车辆行驶速度通过CAN采集模块从车辆实时获取。

现有的实时车辆荷载监控技术中，通常不考虑风速，直接采用车速，当风速值较大时，直接采用车速会导致空气阻力误差较大；本发明可通过远程监控平台获取车辆当前位置下天气情况，取得风速，使用车辆与空气的相对运动速度进行计算，提高空气阻力计算精度。同时，利用算法优化，可以降低空气阻力系数与车辆迎风面积与实际行驶过程中数值的误差，进一步提高计算精度。

其中滚动阻力可表示为：；

为车辆的质量，为重力加速度，为车辆的滚动阻力系数，为坡度，可以由六轴传感器获得坡度。可以看出，车辆的滚动阻力只与车辆的质量、车辆的滚动阻力系数以及车辆行驶的坡度相关。

滚动阻力系数由试验确定，滚动阻力系数与路面的种类、行驶车速以及轮胎的构造、材料、气压等有关。行驶车速对滚动阻力系数有很大的影响，当车速达到某一临界车速时，滚动阻力迅速增长，此时轮胎发生驻波现象，轮胎周缘不再是圆形而呈明显的波浪状。当车速较低时，可近似认为滚动阻力系数为常数。现有实时车辆荷载监控技术中滚动阻力系数通常预设为一个固定值或者使用经验公式，根据车速进行计算。

附图3给出了汽车在某些路面上以中、低速行驶时，滚动阻力系数的大致数值。由图可以看出，不同路面情况下滚动阻力系数的差值可以达到30倍。因此现有的实时车辆荷载监控技术计算出的车辆滚动阻力误差很大。

由于滚动阻力系数难以确定，因此本发明通过计算车辆匀速行驶时滚动阻力，求得阻力系数与质量的表达式，再带入加速运动中计算，即可得到准确的滚动阻力。

在水平道路上等速行驶时，

；

变换后可得：；

；

滚动阻力系数为：；

利用车辆匀速行驶时求得的滚动阻力系数，可以计算加速运动时车辆的滚动阻力：

；

为匀速行驶时车辆的扭矩，为匀速行驶时车辆的变速箱齿轮比，为车辆匀速行驶的速度，当六轴传感器采集到车辆加速度为0时，可通过CAN通信模块采集这三个参数。利用远程监控平台请求当前位置下的风速。当六轴传感器采集到车辆加速度不为0时，同时采集车辆所处位置的坡度，利用荷载测量终端的计算单元，即可计算出加速情况下，车辆的滚动阻力。

其中加速阻力可表示为：；

汽车行驶时，有一个保持等速运动的惯性力，如果要使汽车加速，就必须克服这一惯性力，也就是加速阻力。加速阻力的大小，等于加速度与汽车质量的乘积。加速度越大，加速阻力也越大。汽车的质量分为平移质量和旋转质量两部分。加速时，不仅平移质量产生惯性阻力，而且旋转质量也要产生惯性阻力矩。为车辆加速度，为汽车旋转质量换算系数。；

为车轮转动惯量，为发动机飞轮转动惯量。车轮转动惯量和飞轮转动惯量为车辆固定参数，可以直接从车载终端存储区读取。

其中坡度阻力可表示为：；

坡度阻力为车辆重力沿坡度方向的分力，当坡度较小时，坡度阻力可以忽略不计。

因此可得：

；

其中，

，

，

，

。

上述求解m值的公式由于篇幅太长，因此采用独立的变量取代部分算式。

上述车辆荷载计算中所需要的参数中，车辆行驶速度和车辆的扭矩，车辆的变速箱齿轮比（档位），车载终端通过车辆的CAN总线，以一定的频率实时采集。

坡度和车辆加速度通过车载终端的六轴传感器实时进行采集，并通过算术平均滤波及防脉冲干扰平均滤波法进行过滤。

车辆的主减速比，车辆的机械效率，轮胎半径，车辆的空气阻力系数，车辆的迎风面积，车轮转动惯量，发动机飞轮转动惯量等为车辆固定参数，可以提前写入车载终端存储区，或通过远程监控平台根据车辆不同获取不同的参数值。

根据GPS定位获取车辆位置信息，可以从远程监控平台获取车辆当前路况和天气情况下的风速。

将所有参数代入方程，利用车载终端的计算单元，实时、重复计算车辆。

通过计算得出的车辆质量，终端及平台采用极值滤波等滤波算法将计算过程中不合理的值滤除，再对滤波后的数据进行筛选，选择出可能合理的值，提高计算荷载量的准确性。

最终将计算出合理的车辆荷载量，按照远程监控平台的要求，以一定的频率上传至远程监控平台，方便平台对车辆荷载量的管理和统计。平台利用终端上传的数据，采用卡尔曼滤波更新车辆，对这些车辆固定参数进行迭代计算，可以滤除实际行驶过程中带来的影响。

通过上述实施例可以看到，本发明能存储大量不同厂家、不同车型、不同配置车辆的荷载计算参数，利用一台终端可以测量各种车辆的荷载量，适配性强。利用远程监控平台数据交互和定位模块采集实时定位数据，可以做到针对不同路面情况、不同天气情况，及时更新参数存储模块中的相关参数，有效提高荷载量计算的精度。利用CAN采集模块自动识别对应车型，自动查询车载终端的参数存储模块，配置参数进行计算。对未知的车型，通过远程监控平台向参数存储模块中添加新车型的参数，无需手动配置，更加智能便捷。可以实时将计算的车辆荷载量上传至远程监控平台。远程监控平台通过卡尔曼滤波，利用实时计算出的车辆荷载量，对滚动阻力系数等存在白噪声影响的参数进行迭代更新，提高参数精度，消除噪声影响。

Claims (10)

1.一种测量车辆荷载的车载终端，其特征在于：包括，

CAN采集模块，用于采集车辆基本信息，并识别车辆类型；用于实时采集车型、车辆速度、扭矩和变速箱齿轮比信息档位等动态数据；

参数存储模块，用于存储各种车辆荷载计算的相关参数信息，通过远程监控平台添加的未存储车辆的相关参数信息或更新的已存储车辆的信息；

计算模块，用于计算车辆荷载；

六轴传感器，用于实时采集车辆加速度、坡度；

通信模块，用于本终端与远程监控平台进行通信；

GPS/BD定位模块，用于实时采集车辆位置信息；

所述CAN采集模块分别与参数存储模块以及计算模块相连；六轴传感器与计算模块相连；参数存储模块、计算模块以及GPS/BD定位模块均通过通信模块与外部的远程监控平台相连。

2.根据权利要求1所述的测量车辆荷载的车载终端，其特征在于：所述CAN采集模块采用TJA1042T/3高速CAN收发器。

3.根据权利要求1所述的测量车辆荷载的车载终端，其特征在于：所述参数存储模块采用NAND Flash，其存储容量能根据需要计算车辆种类自行选择。

4.根据权利要求1所述的测量车辆荷载的车载终端，其特征在于：所述计算模块采用S32K144的CPU。

5.根据权利要求1所述的测量车辆荷载的车载终端，其特征在于：所述六轴传感器采用ICM-20600 陀螺仪传感器。

6.根据权利要求1所述的测量车辆荷载的车载终端，其特征在于：所述GPS/BD定位模块采用M8Z高精度定位模块。

7.权利要求1所述的测量车辆荷载的车载终端的测量、计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）CAN采集模块采集车辆型号信息后，将车辆型号信息发送到参数存储模块和计算模块；

1-1）计算模块通过采集到的车辆型号信息，查询参数存储模块中，是否存在对应车辆的参数；如不存在，则通过CAN采集模块采集车辆VIN码；

1-2）通过通信模块向远程监控平台请求相关数据，并保存在参数存储模块中；所述相关数据包括车辆主减速器比、机械效率、轮胎半径、滚动阻力系数、车轮转动惯量、飞轮转动惯量、空气阻力系数和迎风面积；

2）六轴传感器实时采集车辆加速度、坡度，并将采集到的车辆加速度、坡度信息发送到计算模块；

3）由计算模块利用步骤（1）和步骤（1-2）传来的信息进行计算，得到当前情况下车辆的荷载值，并将荷载值实时上传至远程监控平台。

8.根据权利要求7所述的测量车辆荷载的车载终端的测量、计算方法，其特征在于，在步骤（1-2）中，远程监控平台通过卡尔曼滤波对相关参数迭代更新，滤除噪声干扰，提高参数精度。

9.根据权利要求7所述的测量车辆荷载的车载终端的测量、计算方法，其特征在于，在步骤（1-2）中，GPS/BD模块向远程监控平台请求当前位置路面情况和天气情况下，计算车辆荷载所需的参数信息，对存储模块中的参数信息进行及时更新。

10.根据权利要求7所述的测量车辆荷载的车载终端的测量、计算方法，其特征在于，远程监控平台采用极值滤波的滤波算法将计算过程中不合理的值滤除，再对滤波后的数据进行筛选，选择出可能合理的值，从而提高计算荷载量的准确性。