KR101308925B1 - 차량의 실시간 하중 측정 장치 및 하중 측정 방법 - Google Patents

차량의 실시간 하중 측정 장치 및 하중 측정 방법 Download PDF

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KR101308925B1 KR1020130020484A KR20130020484A KR101308925B1 KR 101308925 B1 KR101308925 B1 KR 101308925B1 KR 1020130020484 A KR1020130020484 A KR 1020130020484A KR 20130020484 A KR20130020484 A KR 20130020484A KR 101308925 B1 KR101308925 B1 KR 101308925B1
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Abstract

본 발명은 차량의 하중 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 운행중인 차량의 운행 정보 및 GPS(Global Positioning System) 정보를 수집하는 정보수집부; 상기 정보수집부를 통해 수집된 데이터를 이용하여 상기 운행중인 차량의 화물 적재 중량을 연산하는 연산제어부; 상기 연산제어부에서 연산된 상기 화물 적재 중량을 실시간으로 원격지에 전달하는 통신부; 및 상기 연산제어부에서 연산된 상기 화물 적재 중량을 사용자에게 표시하는 표시부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

차량의 실시간 하중 측정 장치 및 하중 측정 방법{REAL TIME WEIGHT MEASURING DEVICE AND METHOD FOR VEHICLE}
본 발명은 차량의 실시간 하중 측정 장치 및 하중 측정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 화물 자동차의 적재중량과 위치를 실시간으로 측정할 수 있는 차량의 실시간 하중 측정 장치 및 하중 측정 방법에 관한 것이다.
일반적으로 과적 차량의 운행은 도로 및 교량 구조물 등에 손상 요인으로 도로의 내구성을 단축시킬 뿐만 아니라 이에 따른 유지보수 비용을 증가시키는 원인이다. 그 이유는, 바퀴 양쪽이 지탱하는 무게인 '축 하중' 10톤을 기준으로 1톤을 초과하는 대형 화물 차량이 도로를 통행할 때 가해지는 충격이 승용차 7만대가 통행할 때 가해지는 충격과 같기 때문이다.
이러한 과적 차량의 통행은 단속 인력의 손길이 미치지 못하는 새벽 시간대에 주로 이루어지기 때문에 과속 운행 및 난폭 운전으로 인한 사고의 위험성까지 안고 있다. 또한, 유해화학물질 등 환경오염물질을 적재한 화물 차량의 경우, 사고 발생 시 적재물의 유출, 발화 등에 의해 대형 사고로 연결되기도 한다. 유출된 물질에 의해 인체 및 주변 생태계, 시설물에도 직접/간접적인 피해를 유발할 위험이 있으며, 이러한 유해 물질의 확산에 의해 복합적인 환경 오염을 유발할 수 있어 큰 사회적 손실을 가져오는 원인이 될 수 있다.
이러한 화물 차량의 과적 단속 및 관리를 위해 일반적으로 도 1에 도시된 바와 같이, 정지 상태에서 차량의 하중을 측정하는 방법으로 '계근대'또는 'MEMS(미세 전자기계 시스템) 센서 및 압력 센서'를 사용하는 방법과, 운행 상태에서 하중을 측정하는 방법이 주로 사용되고 있다. 운행 상태에서 하중을 측정하는 방법은 차량의 적재공간 하부 또는 바퀴마다 측정 장치 또는 중력가속도 센서(Gravity Sensor, 일명 G Sensor) 또는 자이로 센서(Gyro Sensor)를 부착하는 방법이다.
그러나'계근대'를 사용하는 방법은 정확한 하중의 측정이 가능하나 이동성이 떨어지고 정기 점검이 어려운 문제가 있으며,'MEMS 센서 및 압력 센서'는 정밀 기기이기 때문에 대형 화물에 적용하기 어려운 문제 및 유지 관리에 어려움이 있다. 또한, 운행 상태에서 하중을 측정하는 방법은 차량의 이동 중에도 하중 측정이 가능한 장점이 있으나, 추가적인 비용 발생 및 차량의 이동에 따른 불규칙적인 오차율, 고장 수리의 어려움, 외부 환경 노출로 인한 센서의 오작동 문제 등이 발생하고 있다.
따라서 화물 차량의 효과적인 과적 관리를 위해 전술한 문제점을 해결할 수 있는 차량의 하중 측정 장치 및 하중 측정 방법의 필요성이 대두되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 필요성에 의해 제시된 것으로, 본 발명의 목적은 차량의 운행 정보와 위치 및 고도 정보를 수집하여 차량의 화물 적재 중량을 실시간으로 측정할 수 있는 차량의 하중 측정 장치 및 하중 측정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 측정된 차량의 화물 적재 중량을 하중 측정 장치를 통해 저장 및 갱신하여 원격지 및 운전자에게 제공할 수 있는 차량의 하중 측정 장치 및 하중 측정 방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 운행중인 차량의 운행 정보 및 GPS(Global Positioning System) 정보를 수집하는 정보수집부; 상기 정보수집부를 통해 수집된 데이터를 이용하여 상기 운행중인 차량의 화물 적재 중량을 연산하는 연산제어부; 상기 연산제어부에서 연산된 상기 화물 적재 중량을 실시간으로 원격지에 전달하는 통신부; 및 상기 연산제어부에서 연산된 상기 화물 적재 중량을 사용자에게 표시하는 표시부를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 하중 측정 장치를 제공한다.
상기 정보수집부는 상기 차량에 설치되어 운행 정보를 저장하는 OBD(On-Board Diagnostics, 운행기록 자가진단장치)를 통해 상기 운행 정보를 수집하는 것을 특징으로 한다.
상기 정보수집부는 상기 차량에 설치되어 복수의 위성으로부터 GPS 정보를 수신하는 GPS 수신기를 통해 상기 차량의 GPS 정보를 수집하는 것을 특징으로 한다.
상기 정보수집부를 통해 수집된 데이터 및 상기 연산제어부에서 연산된 상기 화물 적재 중량을 저장하는 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
전원 공급을 위한 전원공급부와, 상기 화물 적재 중량이 기설정된 하중 이상일 경우 상기 사용자에게 알려주기 위한 알림부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 통신부는 이동통신 망을 이용해 상기 연산제어부에서 연산된 상기 화물 적재 중량을 상기 원격지로 전송하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 차량에 설치되어 운행 정보를 저장하는 OBD(On-Board Diagnostics, 운행기록 자가진단장치) 및 복수의 위성으로부터 GPS 정보를 수신하는 GPS 수신기를 통해 운행중인 차량의 운행 정보 및 GPS(Global Positioning System) 정보를 수집하는 데이터 수집 단계; 상기 수집된 데이터를 바탕으로 상기 운행중인 차량의 화물 적재 중량을 연산하는 차량하중 연산 단계; 상기 연산된 차량의 화물 적재 중량을 실시간으로 원격지로 전송하는 데이터 전송 단계; 및 상기 연산된 차량의 화물 적재 중량을 사용자에게 알려주는 표시 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 하중 측정 방법을 제공한다.
상기 차량하중 연산 단계 이전에, 상기 수집된 차량의 운행 정보 및 GPS 정보를 통해 상기 차량의 엔진 구동력과 주행저항을 연산하는 연산 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 연산 단계에서는, 구동력을 구하는 기존의 수학식 1에 차속을 구하는 기존의 수학식 2를 대입하여 새로운 구동력을 연산하는 수학식 3이 도출되는 것을 특징으로 한다.
(수학식 1)
Figure 112013017149392-pat00001
(수학식 2)
Figure 112013017149392-pat00002
(수학식 3)
Figure 112013017149392-pat00003
(상기 수학식들에서 is: 각단기어비, if: 종감속기어비, T: 엔진토크(Kgf·m), η: 동력전달효율, r: 타이어동하중반경(m), π: 3.14, n: 엔진 회전수(rpm)를 의미하며, 상기 V와 n은 상기 운행기록 자가진단장치로부터 수집됨)
상기 연산단계에서는, 도로면과 타이어의 마찰에 의해 발생되는 구름저항을 구하는 수학식 4와, 차량의 형상과 공기의 마찰에 의해 발생되는 공기저항을 구하는 수학식 5와, 도로의 경사에 의해 발생되는 구배저항을 구하는 수학식 6과, 차량이 가속할 때 발생되는 가속저항을 구하는 수학식 7로부터 이들을 모두 더함으로써 새로운 전주행저항을 구하는 새로운 수학식 8이 도출되는 것을 특징으로 한다.
(수학식 4)
Figure 112013017149392-pat00004
(수학식 5)
Figure 112013017149392-pat00005
(수학식 6)
Figure 112013017149392-pat00006
(수학식 7)
Figure 112013063966974-pat00045
(수학식 8)
Figure 112013063966974-pat00046
삭제
(상기 수학식들에서 μr: 구름저항계수, W: 차량하중(kgf), Ca: 공기저항계수(kg/m3), P: 공기밀도, V: 차량속도, A: 전투영면적(m2), a: 차량가속도(m/s2), g: 중력가속도(m/s2), ε: 회전상당중량비임)
상기 차량하중 연산 단계에서는, 차량의 구동력과 전주행저항은 같다는 수학식 9에서 차량의 화물 적재 중량을 연산하는 수학식 10이 도출되는 것을 특징으로 한다.
(수학식 9)
Figure 112013063966974-pat00047
(수학식 10)
Figure 112013063966974-pat00048
(상기 수학식들에서 n: 엔진 회전수, T: 엔진토크, η: 동력전달효율, V: 차량속도, Ca: 공기저항계수, P: 공기밀도, A: 전투영면적, μr: 구름저항계수, ε: 회전상당중량비, a: 가속도, g: 중력가속도, θ: 도로의 기울기(deg)임.)
상기 차량하중 연산 단계에서는, 상기 도로의 기울기(θ)는 상기 GPS 데이터로부터 수집된 고도와 차량의 이동 거리 데이터를 이용한 sin 함수를 통해 연산되는 것을 특징으로 한다.
상기 차량하중 연산 단계에서는, 상기 가속도(a)는 상기 운행기록 자가진단장치로부터 수집된 차량의 속도 및 이동 거리를 통해 연산되는 것을 특징으로 하는 한다.
상기 차량하중 연산 단계에서, 상기 구름저항계수, 공기저항계수, 전투영면적은 기입력된 상기 차량의 제조 정보를 통해 얻어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 운행중인 차량의 운행 정보 및 위치 정보를 수집하는 정보수집부와, 상기 정보수집부를 통해 수집된 데이터를 이용하여 상기 운행중인 차량의 화물 적재 중량을 연산하는 연산제어부와, 상기 연산제어부에서 연산된 상기 화물 적재 중량을 실시간으로 원격지에 전달하는 통신부 및 상기 연산제어부에서 연산된 상기 화물 적재 중량을 사용자에게 표시하는 표시부를 포함하여 구성되는 차량의 하중 측정 장치; 및 상기 통신부와 통신하기 위한 시스템 통신부와, 운행중인 차량 별로 관리 정보를 분류, 관리하기 위한 정보관리부와, 각종 관리 데이터 및 상기 통신부로부터 전송된 데이터를 저장하는 시스템 저장부를 포함하여 구성되는 차량규제 정보관리 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 실시간 하중 측정 및 관리 시스템을 제공한다.
상기 정보수집부는 상기 차량에 설치되어 운행 정보를 저장하는 OBD(On-Board Diagnostics, 운행기록 자가진단장치) 및 복수의 위성으로부터 GPS 정보를 수신하는 GPS 수신기를 통해 상기 차량의 운행 정보 및 GPS 정보를 수집하는 것을 특징으로 한다.
상기 하중 측정 장치는, 상기 정보수집부를 통해 수집된 데이터 및 상기 연산제어부에서 연산된 상기 화물 적재 중량을 저장하는 저장부와, 전원 공급을 위한 전원공급부와, 상기 화물 적재 중량이 기설정된 하중 이상일 경우 상기 사용자에게 알려주기 위한 알림부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 차량의 하중 측정 장치 및 하중 측정 방법은 차량의 화물 적재 중량을 실시간으로 측정하여 원격지에 전송함과 동시에 운전자에게도 안내함으로써 위법 행위의 원격 감시 및 사전 예방의 효과가 있다.
또한, 본 발명의 차량의 하중 측정 장치 및 하중 측정 방법은 별도의 센서나 측정기가 필요하지 않으므로 부품의 고장 및 오류에 의한 문제가 발생하지 않아 신뢰성 높은 결과를 얻을 수 있으며, 유지 관리가 용이한 장점이 있다.
도 1은 종래의 화물 적재 중량을 측정하는 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 차량의 하중 측정 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 도 2에 따른 차량의 하중 측정 장치에서 4개의 위성에 의한 위치측정 방법을 도시한 도면이다.
도 4는 도 2에 따른 차량의 하중 측정 장치에서 도로의 경사도를 연산하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 4에 따른 도로의 경사도를 연산한 결과의 한 예를 나타내는 표이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 차량의 하중 측정 장치에서 차량의 하중을 연산하는 방법을 도시한 블록도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 장점, 특징 및 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하도록 한다(본 명세서에서는 편의상 차량에 화물이 적재된 상태의 차량의 무게를 '화물 적재 중량' 및 '하중'의 용어를 혼용하여 사용하기로 한다).
도 2에서 본 발명의 차량의 하중 측정 장치 및 하중 측정 방법은 차량의 운행 정보를 OBD(10)를 통해 수집하고, 위치와 고도 정보를 GPS(Global Positioning System)를 통해 수집하여, 이를 바탕으로 차량의 화물 적재 중량을 측정한다.
운행기록 자가진단장치란 차량에 부착해 차량의 시동을 걸 때 자동으로 운행기록이 저장되는 장치를 말한다. 운행기록 자가진단장치를 통해 수집할 수 있는 운행 정보에는 엔진의 RPM, 평균 속도 및 최고 속도, 엔진의 토크, 운행 시간 및 거리, 냉각수 온도, 배터리 잔량, 연비 등의 다양한 항목이 있다.
GPS는 복수의 인공위성을 이용하여 대상의 위치, 속도 및 시간 등을 측정할 수 있으며, 기상조건이나 타 기기의 간섭 및 방해에 강하고 전세계 공통 좌표계를 사용하는 특징이 있다. 또한, 24시간 연속적으로 실시간 서비스를 제공할 수 있으며, 전용 수신기를 설치하는 것만으로 대상의 위치를 알 수 있어 차량 및 휴대 단말기 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 최근에는 네비게이션의 보급과 화물 차량의 배차 관리 시스템 등을 위해 GPS 정보를 수신할 수 있는 GPS 수신기가 차량에 널리 보급되어 있다. 따라서 별도의 전용 수신기의 설치 없이도 차량에 기본적으로 장착되어 있는 GPS 수신기를 통해 차량의 위치 및 속도 정보 등을 수집할 수 있다.
전술한 운행기록 자가진단장치(12) 및 GPS 수신기(14)를 통해 수집된 항목들을 이용해 차량의 화물 적재 중량을 연산하기 위해 본 발명의 한 실시예에 따른 차량의 하중 측정 장치(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 연산제어부(120)를 포함한다. 또한, 차량의 하중 측정 장치(100)는 운행기록 자가진단장치(12) 및 GPS 수신기(14)를 통해 차량의 화물 적재 중량을 연산하는데 필요한 각종 항목을 수집하는 정보수집부(110)와, 연산제어부(120)를 통해 연산된 차량의 화물 적재 중량을 실시간으로 원격지에 전달하기 위한 통신부(130)와, 정보수집부(110)를 통해 수집된 데이터와 연산제어부(120)에서 연산된 내용을 저장하기 위한 저장부(140), 연산된 내용을 사용자에게 표시하기 위한 표시부(150) 및 차량의 하중 측정 장치(100)에 전원을 공급하기 위한 전원공급부(160)를 포함하여 구성된다. 추가로, 차량의 하중 측정 장치(100)는 기 설정된 하중 이상일 경우 사용자에게 알려주기 위한 알림부(170)를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 차량의 하중 측정 장치(100)는 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 휴대 가능한 크기의 단말기 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 차량의 하중 측정 장치(100)는 하중 측정 기능만을 위한 기능을 탑재한 별도의 단말기일 수도 있고, 스마트 폰(smart phone)이나 태블릿 컴퓨터(tablet computer) 등 사용자가 보유하고 있는 휴대 단말기에 전술한 하중 측정 기능이 추가될 수 있다. 기존 휴대 단말기에 이러한 기능을 추가하는 경우, 별도의 소프트웨어가 탑재되거나 별도의 하드웨어적 구성이 추가될 수도 있다. 일반적으로 스마트 폰의 경우 GPS 및 이동 통신용 모뎀이 장착되는 경우가 대부분이므로, 별도의 하드웨어적 구성 추가 없이도 하중 측정 기능을 위한 소프트웨어의 설치를 통해 본 발명에 따른 차량의 하중 측정 기능을 수행할 수 있다. 또는, 차량에 탈착 가능한 단말기 형태로 제공될 수도 있다. 그러나 본 발명의 하중 측정 장치(100)는 전술한 예에 한정되지 않는다.
연산제어부(120)는 운행기록 자가진단장치(12) 및 GPS를 통해 수집된 항목들을 이용해 차량의 화물 적재 중량을 연산하며, 연산된 내용은 저장부(140)에 저장된다. 저장부(140)는 차량의 하중 측정 장치(100)에 구비된 저장 영역일 수 있고, 외부로부터 탈착이 가능한 별도의 메모리 등의 형태로 제공될 수도 있다. 연산제어부(120)에서 차량의 화물 적재 중량을 연산하는 방법에 대해서는 후술하기로 한다.
통신부(130)는 운행중인 차량의 화물 적재 중량을 연산한 결과를 원격지(이하, 차량규제 정보관리 시스템, 200)로 전송하는 역할을 한다. 연산 결과는 실시간으로 전송될 수도 있고, 기설정된 시간만큼 누적된 연산 결과를 전송할 수도 있다. 통신부(130)는 차량의 하중 측정 장치(100)를 위한 별도의 통신 모뎀일 수도 있고, 차량의 하중 측정 장치(100)가 사용자가 기소유한 단말기로 구현되는 경우에는 해당 단말기의 이동 통신 모뎀으로 대체될 수도 있다. 통신부(130)는 원격지와의 통신 기능을 제공할 수 있다면 통신 모뎀으로 한정되지 않는다.
통신부(130)에서 이동통신 망을 이용해 차량규제 정보관리 시스템(200)으로 운행중인 차량의 화물 적재 중량을 연산하여 결과를 전송하면, 차량규제 정보관리 시스템(200)에서는 이를 전송 받아 운행중인 차량의 관리 정보를 저장 및 관리한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 차량규제 정보관리 시스템(200) 역시 통신부(130)와 통신하기 위한 시스템 통신부(210)를 구비하고 있으며, 운행중인 차량 별로 관리 정보를 분류, 관리하기 위한 정보관리부(220), 각종 관리 데이터와 통신부(130)로부터 전송된 데이터를 저장하는 시스템 저장부(230)가 구비될 수 있다.
표시부(150)는 연산제어부(120)에서 연산된 차량의 화물 적재 중량을 사용자에게 표시하기 위한 구성으로, 일반적으로 디스플레이의 형태로 제공될 수 있다.
전원공급부(160)는 본 발명에 따른 차량의 하중 측정 장치(100)에 전원을 공급하며, 충전식 또는 별도의 배터리 교환식 등 다양한 방법으로 제공될 수 있다.
알림부(170)는 차량의 화물 적재 중량이 기설정된 하중 이상인 경우(과적 상태인 경우) 사용자에게 알려주는 구성이다. 알림부(170)는 경고음 등을 통해 사용자에게 과적 여부를 소리로 알려주거나, 표시부(150)에 경고 메시지 등을 표시함으로써 사용자에게 과적 여부를 알려줄 수 있다. 차량의 적정 화물 적재 중량은 하중 측정 장치(100)의 최초 구동 시 차량의 적재 용량을 입력하면 자동으로 설정되는 것이 바람직하다. 이는 차량의 적재 중량을 사용자가 변경할 수 없어야 정확한 과적 관리 및 단속이 가능하기 때문이다.
또한, 알림부(170)는 차량규제 정보관리 시스템(200)에서 통신부(130)를 통해 전달 사항이나 사용자에게 공지할 정보가 수신될 경우, 이를 확인하여 표시부(150)에 표시할 수도 있다.
이러한 구성을 갖는 차량의 하중 측정 장치(100)에 있어서, 차량의 하중을 측정하는 구체적인 방법에 대해 설명하면 다음과 같다(후술할 차량의 하중 측정 방법은 하중 측정 장치의 연산제어부에서 이루어지며, 별도의 설명이 없어도 연산 주체는 연산제어부로 이해되어야 할 것이다).
차량의 화물 적재 중량을 연산하기 위해서는 먼저 운행기록 자가진단장치(12)로부터 차량의 운행 정보를 획득하고(데이터 수집 단계, 도 6 참조), 획득된 차량의 운행 정보로부터 엔진의 구동력, 주행저항을 연산한다(연산 단계). 그 후 연산된 각 항목을 바탕으로 실제 차량의 하중을 연산하게 된다(차량하중 연산 단계). 본 발명에서 상기 연산 단계 및 차량하중 연산 단계에서 차량의 하중을 연산하기 위해서는 후술할 도로의 경사도와 차량의 속도 및 운행거리 정보가 필요하다. 이를 위해 GPS 정보로부터 도로의 기울기를 연산하고, 차량의 운행정보로부터 차량의 속도와 운행거리 데이터를 산출하며, 산출된 값들을 이용해 최종적으로 차량의 하중을 연산하게 된다. 연산된 차량의 하중은 실시간으로 원격지로 전송되고(데이터 전송 단계), 이와 동시에 사용자에게도 알려주게 된다(표시 단계).
차량의 구동력은 엔진에서 구동바퀴로 전달되는 동력으로, 종속비, 엔진토크, 동력전달효율, 타이어동하중반경(Dynamic Loaded Radius; DLR, 실제 차량 하중 또는 설계하중을 적용했을 때 일정한 속도로 주행한 거리를 타이어의 회전 수만큼 나누어 계산된 값)을 이용하여 계산한다.
(수학식 1)
Figure 112013017149392-pat00012
(is: 각단기어비, if: 종감속기어비, T: 엔진토크(Kgf·m), η: 동력전달효율(일반적으로 0.95를 사용할 수 있으나, 차종 별로 약간씩 차이가 있음), r: 타이어동하중반경(m))
차량의 속도는 엔진 회전수를 기어박스의 각단기어비와 차축의 종감속기어비를 거쳐 계산되므로 차속(V)와 구동력(P)는 다음과 같이 구할 수 있다.
(수학식 2)
Figure 112013017149392-pat00013

(수학식 3)
Figure 112013017149392-pat00014
(π: 3.14, n: 엔진 회전수(rpm))
구동력과 반대로 차량의 진행방향과 반대로 작용하는 저항을 주행저항이라 하고, 구름저항, 공기저항, 구배저항, 가속저항을 종합하여 전주행저항이라고 하며, 다음과 같이 구할 수 있다. 후술할 각 항목에 대한 연산식은 일반적으로 알려진 연산식이므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
(수학식 4)
Figure 112013017149392-pat00015
(μr: 구름저항계수, W: 차량하중(kgf))
(수학식 5)
Figure 112013017149392-pat00016
(Ca: 공기저항계수(kg/m3), P: 공기밀도, V: 차량속도, A: 전투영면적(m2))
(수학식 6)
Figure 112013017149392-pat00017

(수학식 7)
Figure 112013063966974-pat00049
(a: 차량가속도(m/s2), g: 중력가속도(m/s2), ε: 회전상당중량비)
전술한 바와 같이, 전주행저항은 구름저항, 공기저항, 구배저항, 가속저항을 모두 합한 것이므로 다음과 같은 연산식이 도출될 수 있다.
(수학식 8)
Figure 112013063966974-pat00050
삭제
차량의 구동력은 항상 전주행저항과 같게 되므로 P = Rr이므로 다음과 같이 정리될 수 있다(여기서 차량이 주행하는 경우 구동력이 구름저항, 공기저항, 구배저항의 합보다 크면 가속도가 '0'보다 커서 가속저항이 발생되고, 같으면 가속도가 '0'이므로 가속저항이 없어진다).
(수학식 9)
Figure 112013063966974-pat00051

적재된 화물의 무게는 적재된 차량의 하중에서 화물이 적재되지 않은 상태의 공차하중을 빼는 것으로 산출이 가능하므로, 차량 하중(W)을 기준으로 각 항목들을 정리하면 다음과 같은 연산식이 도출될 수 있다.
(수학식 10)
Figure 112013063966974-pat00052
(n: 엔진 회전수, T: 엔진토크, η: 동력전달효율, V: 차량속도, Ca: 공기저항계수, P: 공기밀도, A: 전투영면적, μr: 구름저항계수, ε: 회전상당중량비, a: 가속도, g: 중력가속도, θ: 도로기울기(deg))
전술한 차량 하중을 구하기 위한 연산식에서 도로의 기울기(sinθ)는 차량에 장착된 GPS 센서를 통해 고도 데이터와 수평 이동거리를 계산하여 산출하며, 가속도(a)는 운행기록 자가진단장치(12)로부터 수집된 차량의 속도와 운행거리 데이터를 이용하여 산출한다.
먼저 도로의 기울기를 구하기 위해 필요한 GPS에 의한 위치 측위의 원리를 도 3을 참조하여 간단히 설명하면 다음과 같다.
하나의 위성으로부터의 거리를 알면 현재의 위치는 위성을 중심으로 하여 반경이 그 위성으로부터의 거리인 구(球)의 표면 중 어느 한 곳이 된다. 여기에 또 하나의 위성으로부터 현재 위치까지의 거리를 알면 현재의 위치는 두 개의 구가 서로 겹치는 원주상의 한 지점이 된다. 그리고 3번째 위성으로부터의 거리에 의해 3번째 구와 이전 원의 교점 중 한 곳이 측위된다. 이를 수식으로 설명하면 다음과 같다.
Figure 112013017149392-pat00023
(Pr: 의사거리, R: 실제거리, C: 광속도, ΔT: 수신기 시계오차)
GPS 위성으로부터 발사되는 신호가 사용자의 수신기에 도달되는 시간에 광속도를 곱하여 위성과 사용자 사이의 거리가 계산되는데, 이 거리에는 주요한 오차 인자로 사용자 시계 오차에 의한 거리 오차가 포함되어 있다. 시계오차에 의한 거리 오차를 고려하여 측정된 거리를 의사거리(pseudorange)라고 한다.
공간상에서 GPS 위성의 위치를 x, y, z, 사용자의 위치를 xu, yu, xu라 하면, 미지수 xu, yu, zu 및 ΔT의 4개므로 해를 구하기 위해서는 4개 또는 그 이상의 방정식이 있어야 한다. 따라서 최소 4개의 위성으로부터 데이터를 수신하여 사용자의 위치를 결정한다(4개의 위성에 의한 위치측정(DGPS), 도 3 참조).
도로의 기울기(sinθ, 이하 기울기 또는 경사도로 기재함)는 GPS 자료로부터 얻어진 고도와 이동 거리를 바탕으로 계산할 수 있다. 도로의 경사도는 수평면에 대한 기울기로 각도와 같은 도수법으로 표시 경우와 비율을 표시하는 %(백분율)법이 있으며 일반 도로 표시판의 경우 비율로 표시하는 %를 사용하며 기본적인 원리는 삼각비를 이용하므로 도수법 및 백분율법을 활용한다.
A, B, C를 각 꼭지점으로 하고 변AB와 변BC 사이가 직각인 삼각형에서 변AC의 변AB에 대한 기울기는 변AB와 변BC의 비율로부터 아래와 같이 구할 수 있다.
Figure 112013017149392-pat00024
전술한 연산식을 이용해 도 4에 도시된 차량이 주행중인 도로의 경사도는 간단한 sin 함수를 이용해 다음과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112013017149392-pat00025
이렇게 계산된 결과의 한 예를 도 5에 도시하였다.
다음으로 가속도(a)는 운행기록 자가진단장치(12)로부터 수집된 차량의 속도 및 이동 거리를 이용해 산출된다. 가속도는 단위 시간당 속도의 변화량으로, 평균가속도는 속도의 변화량을 총 걸린 시간으로 나눈 값이므로 다음과 같이 산출된다.
Figure 112013017149392-pat00026
또한, 순간적인 변화는 전술한 식을 적분함으로써 다음과 같이 산출될 수 있다.
Figure 112013017149392-pat00027

이상에서는 전술한 차량 하중을 구하기 위한 연산식에서 도로의 경사도 및 차량의 가속도를 산출하는 방법을 기술하였으며, 차량 하중을 구하기 위한 연산식에서 구름저항계수(μr), 공기저항계수(Ca), 전투영면적(m2)은 기입력된 차량 제조사의 수치를 활용하여 구할 수 있으며, 그 외의 데이터들은 운행기록 자가진단장치(12)로부터 수집되는 차량의 운행 데이터를 활용하여 산출할 수 있다.
전술한 과정에 의해 차량 하중을 구하기 위한 연산식에서 차량의 하중(W)를 최종적으로 산출할 수 있다.
이렇게 연산제어부(120)에서 산출된 차량의 하중은 실시간으로 저장부(140)에 저장되며, 통신부(130)를 통해 원격지의 차량규제 정보관리 시스템(200)으로 전달되어 차량의 과적 단속 및 관리를 위한 데이터로 사용됨과 동시에 운전자에게도 전달된다. 연산제어부(120)에서 산출된 차량의 화물 적재 중량은 기본적으로 실시간으로 차량규제 정보관리 시스템(200)으로 전달되나, 실시간이 아니라 기설정된 시간 주기로 전달될 수도 있다.
본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 기술되어 왔지만, 그러한 기술은 오로지 설명을 하기 위한 것이며, 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러 가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
12: 운행기록 자가진단장치 14: GPS 수신기
100: 하중 측정 장치 110: 정보수집부
120: 연산제어부 130: 통신부
140: 저장부 150: 표시부
160: 전원공급부 170: 알림부

Claims (17)

  1. GPS(Global Positioning System) 정보 및 운행 중인 차량에 설치되는 OBD(onboard diagnostics, 운행기록 자가진단장치)에 저장된 운행 정보를 수집하는 정보수집부;
    상기 정보수집부를 통해 수집된 데이터를 이용하여 상기 운행중인 차량의 화물 적재 중량을 연산하는 연산제어부;
    상기 연산제어부에서 연산된 상기 화물 적재 중량을 이동통신망을 통해 실시간으로 원격지에 전달하는 통신부; 및
    상기 연산제어부에서 연산된 상기 화물 적재 중량을 사용자에게 표시하는 표시부를 포함하고,
    상기 연산제어부는 상기 차량의 엔진 구동력(수학식 3)과 전주행 저항(수학식 8)이 동일하다는 수학식 9로부터 차량의 화물 적재 중량(수학식 10)을 연산하며,
    상기 차량의 엔진 구동력은 기존의 구동력(수학식 1)에 기존의 차속(수학식 2)을 대입하여 연산된 새로운 엔진 구동력(수학식 3)이 도출되고,
    상기 전주행 저항은 도로면과 타이어의 마찰에 의해 발생되는 구름저항(수학식 4), 차량의 형상과 공기의 마찰에 의해 발생되는 공기저항(수학식 5), 도로의 경사에 의해 발생되는 구배저항(수학식 6) 및 차량이 가속할 때 발생되는 가속저항(수학식 7)을 더하여 새로운 전주행 저항(수학식 8)을 도출하는 것을 특징으로 하는 차량의 하중 측정 장치.
    (수학식 1)
    Figure 112013063966974-pat00053

    (수학식 2)
    Figure 112013063966974-pat00054

    (수학식 3)
    Figure 112013063966974-pat00055

    (상기 수학식들에서 is: 각단기어비, if: 종감속기어비, T: 엔진토크(Kgf·m, η: 동력전달효율, r: 타이어동하중반경(m), π: 3.14, n: 엔진 회전수(rpm)를 의미하며, 상기 V와 n은 상기 운행기록 자가진단장치로부터 수집됨)
    (수학식 4)
    Figure 112013063966974-pat00056

    (수학식 5)
    Figure 112013063966974-pat00057

    (수학식 6)
    Figure 112013063966974-pat00058

    (수학식 7)
    Figure 112013063966974-pat00059

    (수학식 8)
    Figure 112013063966974-pat00060

    (상기 수학식들에서 μr: 구름저항계수, W: 차량하중(kgf), Ca: 공기저항계수(kg/m3), P: 공기밀도, V: 차량속도, A: 전투영면적(m2), a: 차량가속도(m/s2), g: 중력가속도(m/s2), ε: 회전상당중량비 임.)
    (수학식 9)
    Figure 112013063966974-pat00061

    (수학식 10)
    Figure 112013063966974-pat00062

    (상기 수학식들에서 n: 엔진 회전수, T: 엔진토크, η: 동력전달효율, V: 차량속도, Ca: 공기저항계수, P: 공기밀도, A: 전투영면적, μr: 구름저항계수, ε: 회전상당중량비, a: 가속도, g: 중력가속도, θ: 도로의 기울기(deg)임.)
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 정보수집부는 상기 차량에 설치되어 복수의 위성으로부터 GPS 정보를 수신하는 GPS 수신기를 통해 상기 차량의 GPS 정보를 수집하는 것을 특징으로 하는 차량의 하중 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 정보수집부를 통해 수집된 데이터 및 상기 연산제어부에서 연산된 상기 화물 적재 중량을 저장하는 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 하중 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    전원 공급을 위한 전원공급부와, 상기 화물 적재 중량이 기설정된 하중 이상일 경우 상기 사용자에게 알려주기 위한 알림부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 하중 측정 장치.
  6. 삭제
  7. 차량에 설치되어 운행 정보를 저장하는 OBD(On-Board Diagnostics, 운행기록 자가진단장치) 및 복수의 위성으로부터 GPS 정보를 수신하는 GPS 수신기를 통해 운행중인 차량의 운행 정보 및 GPS(Global Positioning System) 정보를 수집하는 데이터 수집 단계;
    상기 수집된 차량의 운행 정보 및 GPS 정보를 통해 상기 차량의 엔진 구동력과 전주행 저항을 연산하는 연산 단계;
    상기 수집된 데이터를 바탕으로 상기 운행중인 차량의 화물 적재 중량을 연산하는 차량하중 연산 단계;
    상기 연산된 차량의 화물 적재 중량을 실시간으로 원격지로 전송하는 데이터 전송 단계; 및
    상기 연산된 차량의 화물 적재 중량을 사용자에게 알려주는 표시 단계를 포함하고,
    상기 차량하중 연산 단계는 상기 차량의 엔진 구동력(수학식 3)과 전주행 저항(수학식 8)이 동일하다는 수학식 9로부터 차량의 화물 적재 중량(수학식 10)을 연산하며,
    상기 연산 단계에서의 상기 차량의 엔진 구동력은 기존의 구동력(수학식 1)에 기존의 차속(수학식 2)을 대입하여 연산된 새로운 엔진 구동력(수학식 3)이 도출되고,
    상기 연산 단계에서의 상기 전주행 저항은 도로면과 타이어의 마찰에 의해 발생되는 구름저항(수학식 4), 차량의 형상과 공기의 마찰에 의해 발생되는 공기저항(수학식 5), 도로의 경사에 의해 발생되는 구배저항(수학식 6) 및 차량이 가속할 때 발생되는 가속저항(수학식 7)을 더하여 새로운 전주행 저항(수학식 8)을 도출하는 것을 특징으로 하는 차량의 하중 측정 방법.
    (수학식 1)
    Figure 112013063966974-pat00028

    (수학식 2)
    Figure 112013063966974-pat00029

    (수학식 3)
    Figure 112013063966974-pat00030

    (상기 수학식들에서 is: 각단기어비, if: 종감속기어비, T: 엔진토크(Kgf·m, η: 동력전달효율, r: 타이어동하중반경(m), π: 3.14, n: 엔진 회전수(rpm)를 의미하며, 상기 V와 n은 상기 운행기록 자가진단장치로부터 수집됨)
    (수학식 4)
    Figure 112013063966974-pat00031

    (수학식 5)
    Figure 112013063966974-pat00032

    (수학식 6)
    Figure 112013063966974-pat00033

    (수학식 7)
    Figure 112013063966974-pat00063

    (수학식 8)
    Figure 112013063966974-pat00064

    (상기 수학식들에서 μr: 구름저항계수, W: 차량하중(kgf), Ca: 공기저항계수(kg/m3), P: 공기밀도, V: 차량속도, A: 전투영면적(m2), a: 차량가속도(m/s2), g: 중력가속도(m/s2), ε: 회전상당중량비 임.)
    (수학식 9)
    Figure 112013063966974-pat00065

    (수학식 10)
    Figure 112013063966974-pat00066

    (상기 수학식들에서 n: 엔진 회전수, T: 엔진토크, η: 동력전달효율, V: 차량속도, Ca: 공기저항계수, P: 공기밀도, A: 전투영면적, μr: 구름저항계수, ε: 회전상당중량비, a: 가속도, g: 중력가속도, θ: 도로의 기울기(deg)임.)
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제7항에 있어서,
    상기 차량하중 연산 단계에서는, 상기 도로의 기울기(θ)는 상기 GPS 데이터로부터 수집된 고도와 차량의 이동 거리 데이터를 이용한 sin 함수를 통해 연산되는 것을 특징으로 하는 차량의 하중 측정 방법.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 차량하중 연산 단계에서는, 상기 가속도(a)는 상기 운행기록 자가진단장치로부터 수집된 차량의 속도 및 이동 거리를 통해 연산되는 것을 특징으로 하는 차량의 하중 측정 방법.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 차량하중 연산 단계에서, 상기 구름저항계수, 공기저항계수, 전투영면적은 기입력된 상기 차량의 제조 정보를 통해 얻어지는 것을 특징으로 하는 차량의 하중 측정 방법

  15. 삭제
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