WO2021251809A1 - Dynamic weighing system operating at high speed designed to measure the static load of the axles and the overall weight of a road transportation vehicle - Google Patents

Dynamic weighing system operating at high speed designed to measure the static load of the axles and the overall weight of a road transportation vehicle Download PDF

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WO2021251809A1
WO2021251809A1 PCT/MA2021/000009 MA2021000009W WO2021251809A1 WO 2021251809 A1 WO2021251809 A1 WO 2021251809A1 MA 2021000009 W MA2021000009 W MA 2021000009W WO 2021251809 A1 WO2021251809 A1 WO 2021251809A1
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WO
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axle
signal
vehicle
load
stage
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PCT/MA2021/000009
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WO2021251809A4 (en
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Lhoussaine OUBRICH
Mohammed OUASSAID
Mohamed MAAROUFI
Original Assignee
Oubrich Lhoussaine
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Publication date
Application filed by Oubrich Lhoussaine filed Critical Oubrich Lhoussaine
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01GWEIGHING
    • G01G19/00Weighing apparatus or methods adapted for special purposes not provided for in the preceding groups
    • G01G19/02Weighing apparatus or methods adapted for special purposes not provided for in the preceding groups for weighing wheeled or rolling bodies, e.g. vehicles
    • G01G19/022Weighing apparatus or methods adapted for special purposes not provided for in the preceding groups for weighing wheeled or rolling bodies, e.g. vehicles for weighing wheeled or rolling bodies in motion
    • G01G19/024Weighing apparatus or methods adapted for special purposes not provided for in the preceding groups for weighing wheeled or rolling bodies, e.g. vehicles for weighing wheeled or rolling bodies in motion using electrical weight-sensitive devices

Definitions

  • the present invention relates to the field of dynamic in-motion weighing systems at high speed intended for the control and automated sanctioning of transport trucks, in this case means of transporting goods.
  • the invention aims to lead to a technical solution contributing to setting up a credible and reliable dynamic weighing system in operation at high speed for automated sanctioning. offenders.
  • the envisaged solution must be operational 24 hours a day, 7 days a week for road traffic running at normal traffic speeds.
  • the invention relates to the technique of measuring the axle load of moving vehicles at high speed by introducing an intelligent technique for measuring the static or actual load of the axle, despite the presence of dynamic loads, source large number of errors, which affect the results of research currently carried out on dynamic weighing systems in operation, the reason why, until today, no system operating under normal traffic conditions, legally recognized, exists for the direct sanction of offenders.
  • the system designed around the aforementioned technique, object of the present invention consists of the hard core of the complete high-speed dynamic weighing system by its coupling with the new information technology equipment existing on the commercial market such as: the camera system, vehicle license plate recognition software and data transmission by communication network.
  • This global system allows the photos of the trucks to be taken automatically and the identification of data relating to the site of the measurement, the date and time of the measurement, the vehicle and its owner, at the expense of each axle and the overall vehicle weight.
  • These data constitute the basic elements for the automated sanction of offenders in the event of overweight.
  • n ° 1 makes it possible to measure the load C exerted by each truck axle on the roadway and that the PGV is the sum of the measured loads of the two axles of the truck.
  • the content of this invention is constructed on the basis of the load of any axle / vehicle by opting for the first aforementioned configuration.
  • the same reasoning of one axle is valid for all the axles of the vehicle and that the PGV is a deduction from the measured loads of the axles of the vehicle.
  • Law No. 52-05 on the Highway Code provides for provisions relating to the management of offenses related to exceeding the authorized Total Loaded Weight (GVW) and axle loads of transport vehicles, in particular:
  • the overweight control of trucks is carried out by the police, using mobile axle scales as well as fixed dynamic weighing stations. If the use of mobile units can be done anywhere, and easy to deploy, fixed stations, for their part, have a more or less complicated operating principle since the weight measurement is carried out in two stages.
  • the first is done through the running weighing system at high speed which constitutes the preselection system for potentially overweight vehicles, generally composed of two piezoelectric sensors, which are buried in the road, in one or two lanes perpendicular to the direction of the flow of road traffic. It makes it possible to measure the loads applied by the wheels on the roadway and then on the piezoelectric sensors. In fact, the vehicle applies longitudinal, horizontal and vertical forces on the road, through the wheels. The only component that is measured is the vertical force. The output of the sensor is an electrical charge which is proportional to the applied force.
  • the second is the precise control of the weight and on the basis of which the offender is fined. It is carried out through a fixed scale standardized and approved by the services responsible for legal metrology. This scale is embedded in a platform fitted downstream of the system in operation at high speed. Weighing operations are carried out statically or at low speed at less than 15 km / h.
  • the two aforementioned measurement systems record a very low return compared to the resources mobilized for this purpose.
  • direct and automated repression is needed.
  • the high-speed in-motion weighing technology described above fails to achieve the accuracy required for legal applications. Indeed, these systems measure instantaneous impact forces which are not equal to the static loads of the wheels and axles, but are affected by the dynamic interactions between the roadway and the vehicle, and can deviate from them by +/- About 30%.
  • the research investigated is based on piezoelectric multi-sensor grids which measure vehicle axle loads under normal road traffic conditions.
  • they do not make it possible to guarantee the metrological requirements required for the direct repression of overweight, although they consist of several sensors thus making a measurement distribution tending to have sufficient information on the dynamic load signal.
  • the objective of this distribution of values is also to minimize, by calculating its arithmetic mean, the errors linked to the measurement of the static load of the axle. Therefore, the overall vehicle weight and the static axle load are estimated.
  • the calculation algorithms are based on statistical models which unfortunately require a distribution of measurement values of very large size in order to estimate an approximate value of the static load of the axle, the precision of which is strongly linked to the '' standard deviation of the values constituting the distribution depending on:
  • piezoelectricity In relation to the technology of piezoelectric sensors, by piezoelectricity is meant the physical property that certain materials have to electrically polarize when they are subjected to a mechanical stress (direct effect) and to deform mechanically when they are subjected to a electric field (indirect effect).
  • the piezoelectric material is characterized by its piezoelectric constant which reflects the proportionality between the deformation and the electric displacement at zero or constant electric field. Quartz remains the piezoelectric element which has, in addition to other mechanical and electrical qualities, better precision. Due to the weak electrical signals that they produce, following a variation of constraints, the piezoelectric sensors are not used alone but they are coupled with acquisition chains, the main element of which is the charge amplifier. Coupling with this electrical component has been strongly recommended in the literature due to the capacitive nature of piezoelectric sensors.
  • the present invention relates to the design and production of a high speed dynamic in-motion weighing system for measuring the static axle load / and the overall vehicle weight (PGV) under normal traffic conditions. road.
  • This invention is not based on the statistical computational approaches to measure the static axle load and the PGV but rather on the basis of the analog signal processing of the axle / vehicle, reconstructed using a precise algorithm presented later. .
  • FIG. 1 gives an overview of the system object of the present invention. He understands :
  • the control unit (2) within this block sits the various electronic cards, the microprocessor and the acquisition card.
  • the communication network data security
  • the positions of the sensors are well defined in the sensor grid (1) according to the Chebyshev formula defined below.
  • Equation (1.1) represents the mathematical formula of the Lagrange polynomial expressed in the time domain.
  • the instability mainly stems from:
  • Equation (1.3) represents Chebyshev's formula expressed in the spatial domain specifying the positions of the piezoelectric sensors:
  • X k is the position of sensor k in the grid (1) which contains n + 1 sensors.
  • the numbers a and b are the abscissas of points A and B, on the longitudinal axis of the road traffic lane (6) where the sensors are installed, constituting the terminals of the sensor grid ( Figure 1). Therefore, the grid is defined by two points A (a, 0) and B (b, 0) having a length of (ba).
  • N. B It should be noted that the passage from the time domain to the spatial domain on the longitudinal axis of the traffic lane or vice versa, it suffices to intervene the average speed of the vehicle that can be measured (known grid length and time of passage of an axle on the grid (1) can be measured by the timer of the data acquisition card used in the technical solution).
  • This algorithm only takes into account the limited band of the signal in the time domain, being the interval of definition of the force F (t), and has no special requirement for the estimation of the signal frequency spectrum or infinite distribution of elements used to use the signal reconstruction method.
  • the spectral analysis of the axle load signal / shows the existence of two fundamental frequencies fi and respectively located between 1-3 Hz and 6-15 Hz. These frequencies correspond to the movements of the suspended and unsprung masses of the vehicle. (5). The values of these frequencies do not take into account the quality of the uni, but they depend on the speed and the quality of the vehicle's suspension system (5). Their amplitudes are linked to both the speed of traffic and the quality of the road surface (6).
  • the design of the sensor grid (1) must be designed in such a way that the axle load signal / is reconstructed, from the values generated by the sensors, on a limited band and this in order to have better accuracy of the signal reconstruction by Lagrange polynomial.
  • the grid of piezoelectric sensors (1) installed on the roadway (6), forming part of the dynamic weighing system in motion at high speed, object of this invention, does not make it possible to produce a continuous time signal but rather a continuous time signal.
  • Figure 1 illustrates the design of the sensor grid (1). vs. Dynamic load compensation
  • the next action taken is to process the reconstructed signal through an electronic device.
  • This device is designed and produced in order to eliminate or compensate for the variable component of the signal corresponding to the dynamic loads. generated by the axle / and then measure the DC component which is the static axle load / ' of the vehicle.
  • Equation (1.1) can be reformulated as follows:
  • - K is the stiffness of the vehicle's suspension system (5);
  • An the oscillation amplitude of the axle load of the nth frequency of the signal;
  • 0 represents the dynamic loads of the vehicle axle (5) generated in particular because of:
  • the analog filter is based on performing the operations relating to:
  • Zero Crossing is defined as the point where a mathematical function changes sign from positive to negative or vice versa. In other words, they are the intersection points of the curve of a continuous function with the x-axis.
  • Each piezoelectric sensor of the gate (1) has its own electronic circuit designed for conditioning the signal produced by this sensor.
  • This electronic circuit is composed of two stages in cascade made up of:
  • the 1st stage illustrated in Figure 2 (a), consists of a charge amplifier considered as a means of converting the charge generated by the piezoelectric sensor into a signal in the form of an exploitable voltage.
  • a charge amplifier uses the basic integrator topology.
  • the operational amplifier Ai is mounted in the circuit with a feedback consisting of a capacitor C1 mounted in parallel with a resistor R3 preventing the amplifier from reaching its saturation level.
  • the output voltage of the 1st stage is proportional to the integral of the input current according to equation (1.6).
  • Equation (1.6) is therefore in the form of:
  • Vo is the DC component of the output signal of the charge amplifier which is considered to be the target value to be measured in the 2 nd stage of the conditioning circuit.
  • the 2 nd component of equation (1.7) corresponds to the noise of the signal.
  • the operational amplifier Ai is supplied by direct voltages of + 11V and -11V, the supply current of which is limited via resistors R1 and R2 installed between the power source and the amplifier.
  • the 2 nd stage shown in Figure 2 (b), is constructed using an emitter-follower circuit based on a transistor T (npn type) which operates in the small signal regime.
  • the output of the emitter of transistor T is connected to the capacitor of C2 decoupling in parallel with resistor R4.
  • the decoupling capacitor C2 makes it possible to separate the point of polarization of the transistor and the small existing signals in dynamic mode. Its impedance is negligible for small signals and infinite for bias currents.
  • the capacitor eliminates the dynamic component, then then the voltage between the terminals of the resistor R4.
  • the voltage Vs is stable, which corresponds to the voltage Vo reduced by 0.7 V corresponding to the base-emitter junction voltage VBE according to equation (1.8).
  • V V 0 -V BE (1.8)
  • the output voltage Vs of the electronic signal conditioning circuit depends on the output voltage Vo of the charge amplifier which is a function of the charge Q produced by the piezoelectric sensor.
  • This electronic board contains the following electronic components as shown in Figure 3:
  • axle load analog signal processing board / and the static load measurement is considered to be the mother board of the dynamic weighing system in operation at high speed since at its level all calculations are carried out. of the overall system.
  • the analog signal processing board of the axle load / and the static load measurement reads data, via a microprocessor (10), generated by the piezoelectric sensors in the form ( ⁇ / , n,) relating to the passage times of the axle / vehicle on the piezoelectric sensor grid (1) as well as the corresponding voltages generated.
  • a microprocessor (10) generated by the piezoelectric sensors in the form ( ⁇ / , n,) relating to the passage times of the axle / vehicle on the piezoelectric sensor grid (1) as well as the corresponding voltages generated.
  • the microprocessor (10) having a high computing power, executes the algorithm stored there, relating to the reconstruction of the analog signal of the axle / vehicle, developed on the basis of the 'interpolation by Lagrange polynomial.
  • the signal generated by the microprocessor (10) on its DAC (Digital analog converter) port is the reconstructed analog signal of the axle load / applied to the roadway (6).
  • this signal After reconstructing the analog signal of the axle / vehicle (5), this signal passes through a circuit formed of three stages in cascade, namely:
  • A. 1st stage Amplification of the reconstructed analog signal
  • the signal transmitted by the microprocessor (10) via its DAC port is amplified thanks to the amplification stage illustrated in Figure 3 (c) using for this purpose an operational amplifier A2 (mode multiplier).
  • A2 mode multiplier
  • This stage makes it possible to obtain a physically usable analog signal (V2) and, consequently, to reduce measurement errors.
  • the amplitude of the analog signal can be varied using the potentiometer (POT).
  • B 2nd stage Filtering of the output signal of the amplification stage
  • the output signal of the amplification stage is filtered in order to extract the DC component relating to the static load of the axle / and to pass the variable component corresponding to the dynamic loads.
  • This operation is implemented by the 1 st degree "high pass” type filter, shown in Figure 3 (d), made up of capacitor C3 and resistor R9 which is connected to ground.
  • the cutoff frequency of this filter is 0.16 Hz.
  • the signal delivered by the filtering stage is an aperiodic signal whose average is zero (abscissa axis), we proceed to the last operation based on the “Zero Crossing detector” technique, the circuit of which is shown in Figure 3 ( e), which consists in producing a positive square signal.
  • an operational amplifier A3 of the comparator type is used, the output of which is connected to the power source of this amplifier by the resistor R10.
  • the operational amplifier is supplied with a single power source of + 5V.
  • the aperiodic signal produced by the filter is rendered by this stage a square signal whose projection points of the sides (rising and falling) with the abscissa axis coincide with the points of intersection of the aperiodic signal (filtered signal) with this axis.
  • an electrician type acquisition card is integrated in the circuit of Figure 3 which executes the program recorded therein.
  • this card In order to monitor the transmission of energy in the electronic circuit of the axle load analog signal processing card / and the static load measurement, this card is equipped with ten LEDs from D1 to D11 which mark the state "0" or "1" according to the following modes:
  • a linear relationship between the voltage coming from the acquisition card included in the "Axle load analog signal processing card / and static load measurement" and the actual axle load is the basis of static load calculations.
  • This linearity requires that all stages of the signal production and processing process have a proportional relationship between the input signal and the output signal, in particular the conditioning, amplification, filtering and “Zero Crossing” circuits. detector ”.
  • this condition cannot be realized in practice due to the systematic errors of each component constituting the overall process, which ultimately leads to producing a cumulative error at the output of the process.
  • the value obtained by the acquisition card is in the form of voltage which is multiplied by the calibration coefficient in equation (1.9) below making it possible to transform these values into a unit of weight.
  • the calibration coefficient expresses the ratio between the true value of the axle load / expressed in kilograms and the measured reference value of this axle expressed in volts according to equation (1.9).
  • Figure 1 The described diagram of the system object of the agreement which consists of:
  • the piezoelectric sensor grid (1) The piezoelectric sensor grid (1);
  • the control unit (2) which houses the electronics of the dynamic weighing system in operation at high speed which is the subject of the invention.
  • FIG. 1 The diagram describes the electronic circuit of the "Signal conditioning card produced by the sensor" which is made up of two stages:
  • Figure 3 The diagram describes the electronic circuit of the "Axle load analog signal processing board / and static load measurement" which is made up of three stages:

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Abstract

The invention relates to a dynamic weighing system operating at high speed that can measure, under normal traffic conditions, the static load of the axles and the overall weight of the road transportation vehicle (5). This system is made up of a grid of piezoelectric sensors (1), with an optimal number of ten sensors, buried transversely in the traffic lane of the roadway, where the distance between the sensors is non-uniform and defined according to the Tchebychev formula. This grid of piezoelectric sensors (1) makes it possible to reconstruct the analog signal of the load of the axle of the vehicle (5) on the basis of the voltages generated by the sensors, the values of which are proportional to the immediate forces applied by the wheels of the axle of the vehicle to the surface of the road (6). This analog signal comprises a continuous component (static load of the axle) and a variable component (dynamic loads generated by the wheel-road interaction). The sensor grid (1) is coupled with an analog filter comprising two circuit boards. The first circuit board, which performs conditioning of the signal produced by the piezoelectric sensor, processes the signal from the sensors, which is characterized by a signal-to-noise ratio that is too low, in order to increase the readability and usability of said signal. The second circuit board, which is dedicated to processing the analog signal and measuring the static load of the axle of the vehicle (5), removes, by means of a high-pass filter, the continuous component of the analog signal reconstructed from the static load of the axle and then defines the points of the filtered signal that have a null variable component. At these points, the value of the voltage measured on the reconstructed analog signal of the axle is only the voltage of the static load of the axle. By introducing the calibrating coefficient, the value of the measured voltage relative to the load of the axle is transformed into a value in weight units.

Description

SYSTEME DE PESAGE DYNAMIQUE EN MARCHE A HAUTE VITESSE HIGH-SPEED DYNAMIC WEIGHING SYSTEM
DESTINE POUR LA MESURE DE LA CHARGE STATIQUE DES ESSIEUX ET DU POIDS GLOBAL DE VEHICULE DE TRANSPORT ROUTIER INTENDED FOR MEASURING STATIC AXLE LOAD AND OVERALL WEIGHT OF ROAD TRANSPORT VEHICLES
Description Description
I. Domaine technique I. Technical field
La présente invention concerne le domaine des systèmes de pesage dynamique en marche à haute vitesse destinés pour le contrôle et la sanction automatisée des camions de transport en l’occurrence les moyens de transport de marchandises. The present invention relates to the field of dynamic in-motion weighing systems at high speed intended for the control and automated sanctioning of transport trucks, in this case means of transporting goods.
II. Objectif de l’invention II. Objective of the invention
Afin de lutter contre le phénomène des surcharges techniques pratiquées par les camions de transport de marchandises, l’invention vise à déboucher sur une solution technique contribuant à mettre en place un système de pesage dynamique en marche à haute vitesse crédible et fiable pour la sanction automatisée des contrevenants. La solution envisagée devra être opérationnelle 24h/24 et 7j/7 pour un trafic routier roulant à des vitesses normales de circulation. In order to combat the phenomenon of technical overloads practiced by freight transport trucks, the invention aims to lead to a technical solution contributing to setting up a credible and reliable dynamic weighing system in operation at high speed for automated sanctioning. offenders. The envisaged solution must be operational 24 hours a day, 7 days a week for road traffic running at normal traffic speeds.
III. Périmètre de l’invention III. Scope of the invention
L’invention concerne la technique de mesure de la charge de l’essieu de véhicules en mouvement à haute vitesse en introduisant une technique intelligente permettant de mesurer la charge statique ou réelle de l’essieu, et ce malgré la présence des charges dynamiques, source importante d’erreurs, qui affectent les résultats de recherches actuellement menées sur les systèmes de pesage dynamique en marche, la raison pour laquelle, jusqu’à aujourd’hui, aucun système opérant dans les conditions normales de circulation, reconnu légalement, n’existe pour la sanction directe des contrevenants. The invention relates to the technique of measuring the axle load of moving vehicles at high speed by introducing an intelligent technique for measuring the static or actual load of the axle, despite the presence of dynamic loads, source large number of errors, which affect the results of research currently carried out on dynamic weighing systems in operation, the reason why, until today, no system operating under normal traffic conditions, legally recognized, exists for the direct sanction of offenders.
Le système conçu autour de la technique susvisée, objet de la présente invention, consiste le noyau dur du système complet de pesage dynamique à haute vitesse par son couplage avec les équipements de nouvelles technologies de l’information existant sur le marché de commerce telles que : le système de prise de vue par caméra, les logiciels de reconnaissance de plaques de véhicules et de transmission des données par réseau de communication. Ce système global permet la prise d’une manière automatique les photos des camions et l’identification des données relatives au site de la mesure, à la date et l’heure de la mesure, au véhicule et à son propriétaire, à la charge de chaque essieu et au poids global de véhicule. Ces données constituent les éléments de base pour la sanction automatisée des contrevenants en cas de surpoids. The system designed around the aforementioned technique, object of the present invention, consists of the hard core of the complete high-speed dynamic weighing system by its coupling with the new information technology equipment existing on the commercial market such as: the camera system, vehicle license plate recognition software and data transmission by communication network. This global system allows the photos of the trucks to be taken automatically and the identification of data relating to the site of the measurement, the date and time of the measurement, the vehicle and its owner, at the expense of each axle and the overall vehicle weight. These data constitute the basic elements for the automated sanction of offenders in the event of overweight.
IV. Principes de base IV. Basic principles
Les systèmes qui rentrent dans le cadre du domaine technique de l’invention sont conçus pour : The systems that fall within the technical field of the invention are designed to:
- Mesurer la charge statique de chaque essieu du véhicule ; - Measure the static load of each axle of the vehicle;
- Mesurer le poids global du véhicule (PGV). - Measure the overall weight of the vehicle (PGV).
Si on prend un exemple d’un camion rigide à 2 essieux en mouvement à vitesse normale sur la voie de circulation, la méthode de calcul des paramètres précités dépend de la configuration des capteurs installés comme suit : If we take an example of a rigid truck with 2 axles moving at normal speed on the traffic lane, the method of calculating the aforementioned parameters depends on the configuration of the sensors installed as follows:
- Les capteurs, qui sont installés transversalement par rapport à l’axe de la chaussée, occupent toute la voie de circulation de véhicules ; cette configuration n°1 permet de mesurer la charge C exercée par chaque essieu de camion sur la chaussée et que le PGV est la somme des charges mesurées des deux essieux du camion. - The sensors, which are installed transversely to the axis of the roadway, occupy the entire vehicle traffic lane; this configuration n ° 1 makes it possible to measure the load C exerted by each truck axle on the roadway and that the PGV is the sum of the measured loads of the two axles of the truck.
PGV = C (essieu I) + C (essieu!) PGV = C (axle I) + C (axle!)
- Les capteurs, qui sont installés transversalement par rapport à l’axe de la chaussée, occupent le couloir de circulation des roues du même côté de l’essieu; cette configuration n°2 permet de mesurer la charge R exercée par chaque roue de camion sur la chaussée; la charge d’un essieu est la somme des charges mesurées de chaque roue R de même essieu et que le PGV est la somme des charges exercées par l’ensemble des roues simples ou jumelées du camion qui est aussi la somme des charges mesurées des deux essieux du camion.
Figure imgf000004_0001
- The sensors, which are installed transversely with respect to the axis of the roadway, occupy the lane for the circulation of the wheels on the same side of the axle; this configuration No. 2 makes it possible to measure the load R exerted by each truck wheel on the roadway; the load of an axle is the sum of the measured loads of each wheel R of the same axle and that the PGV is the sum of the loads exerted by all the single or twin wheels of the truck which is also the sum of the measured loads of the two axles of the truck.
Figure imgf000004_0001
PGV =R(roue 1) + R(roue 2) + R(roue 3) + R(roue 4) PGV = R (wheel 1) + R (wheel 2) + R (wheel 3) + R (wheel 4)
= C(essieu 1) + C(essieu2) = C (axle 1) + C (axle2)
Compte tenu de la méthode de calcul, le contenu de cette invention est construit sur la base de la charge d’un essieu / quelconque de véhicule en optant pour la première configuration précitée. Le même raisonnement d’un essieu est valable pour l’ensemble des essieux du véhicule et que le PGV est une déduction des charges mesurées des essieux du véhicule. Taking into account the calculation method, the content of this invention is constructed on the basis of the load of any axle / vehicle by opting for the first aforementioned configuration. The same reasoning of one axle is valid for all the axles of the vehicle and that the PGV is a deduction from the measured loads of the axles of the vehicle.
V. Etat de la technique V. State of the art
Le surpoids ou administrativement parlant « La surcharge technique » de véhicules est un facteur prépondérant de la dégradation du réseau routier entraînant à la fois une baisse de la qualité du service offerte aux usagers de la route et une augmentation importante des budgets alloués à la maintenance des chaussées. Overweight or administratively speaking "Technical overload" of vehicles is a major factor in the degradation of the road network leading to both a drop in the quality of the service offered to road users and a significant increase in the budgets allocated to road maintenance. pavements.
Aussi, et en plus de son effet néfaste sur la sécurité routière, dans la mesure où elle contribue à mettre le véhicule en situation d’instabilité et diminue considérablement les capacités et l’efficacité de ses organes de sécurité, le surpoids provoque également une distorsion importante de la concurrence loyale entre les entreprises de transport. Also, and in addition to its detrimental effect on road safety, insofar as it contributes to putting the vehicle in a situation of instability and considerably reduces the capacities and efficiency of its safety devices, overweight also causes distortion. importance of fair competition between transport companies.
Pour lutter contre cette infraction, le législateur marocain a réglementé les dispositions régissant les obligations et les sanctions relatives au transport au moyen des véhicules routiers. En effet, la loi n°52-05 portant code de la route prévoit des dispositions relatives à la gestion des infractions liées au dépassement du Poids Total en Charge (PTC) autorisé et des charges à l’essieu des véhicules de transport, notamment : To fight against this offense, the Moroccan legislator has regulated the provisions governing the obligations and penalties relating to transport by road vehicles. Indeed, Law No. 52-05 on the Highway Code provides for provisions relating to the management of offenses related to exceeding the authorized Total Loaded Weight (GVW) and axle loads of transport vehicles, in particular:
- L’obligation de mesurer le dépassement du PTC et les charges à l’essieu par l’utilisation des équipements appropriés ; - The obligation to measure the exceeding of the GVW and the axle loads by the use of the appropriate equipment;
- L’instauration de sanctions proportionnelles en fonction du degré du dépassement du poids mesuré ; - The introduction of proportional penalties according to the degree of exceeding the measured weight;
- L’établissement de la coresponsabilité du propriétaire du véhicule, de l’expéditeur, du commissionnaire, du chargeur, du destinataire ou du donneur d’ordre ayant causé ou participé à commettre l’infraction du dépassement du PTC autorisé de plus de 40% ou donné des ordres à cet effet. - The establishment of the co-responsibility of the owner of the vehicle, the shipper, the broker, the loader, the consignee or the principal having caused or participated in committing the offense of exceeding the authorized PTC by more than 40% or given orders to that effect.
Pour dissuader les contrevenants, le contrôle de surpoids des camions s’effectue, par les forces de l’ordre, au moyen des pèses essieux mobiles ainsi que des stations fixes de pesage dynamique. Si l’usage des unités mobiles peuvent se faire à n’importe où, et faciles à déployer, les stations fixes, quant à elles, ont un principe de fonctionnement plus ou moins compliqué puisque la mesure de poids s’effectue en deux temps. Le premier se fait à travers le système de pesage en marche à haute vitesse qui constitue le système de présélection de véhicules potentiellement en surpoids, composé généralement de deux capteurs piézoélectriques, qui sont enfouis dans la chaussée, dans une ou deux voies perpendiculairement au sens de la circulation du trafic routier. Il permet de mesurer les charges appliquées par les roues sur la chaussée et ensuite sur les capteurs piézoélectriques. En effet, le véhicule applique sur la chaussée, à travers les roues, des forces longitudinale, horizontale et verticale. La seule composante qui est mesurée est la force verticale. La sortie du capteur est une charge électrique qui est proportionnelle à la force appliquée. To deter offenders, the overweight control of trucks is carried out by the police, using mobile axle scales as well as fixed dynamic weighing stations. If the use of mobile units can be done anywhere, and easy to deploy, fixed stations, for their part, have a more or less complicated operating principle since the weight measurement is carried out in two stages. The first is done through the running weighing system at high speed which constitutes the preselection system for potentially overweight vehicles, generally composed of two piezoelectric sensors, which are buried in the road, in one or two lanes perpendicular to the direction of the flow of road traffic. It makes it possible to measure the loads applied by the wheels on the roadway and then on the piezoelectric sensors. In fact, the vehicle applies longitudinal, horizontal and vertical forces on the road, through the wheels. The only component that is measured is the vertical force. The output of the sensor is an electrical charge which is proportional to the applied force.
Le deuxième consiste au contrôle précis du poids et sur la base duquel le contrevenant est verbalisé. Il s’effectue à travers une bascule fixe normalisée et homologuée par les services chargés de la métrologie légale. Cette bascule est encastrée dans une plateforme aménagée en aval du système en marche à haute vitesse. Les opérations de pesage s’effectuent en statique ou à basse vitesse à moins de 15km/h. The second is the precise control of the weight and on the basis of which the offender is fined. It is carried out through a fixed scale standardized and approved by the services responsible for legal metrology. This scale is embedded in a platform fitted downstream of the system in operation at high speed. Weighing operations are carried out statically or at low speed at less than 15 km / h.
Selon le retour d’expérience, les deux systèmes de mesure précités enregistrent un rendement très faible par rapport aux ressources mobilisées à cet effet. Afin de combler ce dysfonctionnement, la répression directe et automatisée s’impose. La technologie des systèmes de pesage en marche à haute vitesse décrite précédemment ne permet pas d’atteindre l’exactitude nécessaire à des applications légales. En effet, ces systèmes mesurent des forces d’impact instantanées qui ne sont pas égales aux charges statiques des roues et des essieux, mais sont affectées par les interactions dynamiques entre la chaussée et le véhicule, et peuvent s’en écarter de +/- 30% environ. According to the experience feedback, the two aforementioned measurement systems record a very low return compared to the resources mobilized for this purpose. In order to address this dysfunction, direct and automated repression is needed. The high-speed in-motion weighing technology described above fails to achieve the accuracy required for legal applications. Indeed, these systems measure instantaneous impact forces which are not equal to the static loads of the wheels and axles, but are affected by the dynamic interactions between the roadway and the vehicle, and can deviate from them by +/- About 30%.
Par ailleurs, et dans l’optique d’améliorer les systèmes actuels, les recherches investiguées sont basées sur des grilles multi-capteurs piézoélectriques qui mesurent les charges des essieux de véhicule dans les conditions normales de la circulation routière. Néanmoins ils ne permettent pas de garantir les exigences métrologiques requises à la répression directe des surpoids, bien qu’ils se constituent de plusieurs capteurs faisant ainsi une distribution de mesure tendant à avoir des informations suffisantes sur le signal des charges dynamiques. Cette distribution de valeurs a aussi pour objectif de minimiser, en calculant sa moyenne arithmétique, les erreurs liées à la mesure de la charge statique de l’essieu. Dès lors, le poids global du véhicule et la charge statique des essieux sont estimés. A ce sujet, les algorithmes de calcul sont basés sur des modèles statistiques qui requièrent malheureusement une distribution de valeurs de mesure de taille très importante afin d’estimer une valeur approchée de la charge statique de l’essieu dont la précision est fortement liée à l’écart type des valeurs constituant la distribution dépendant de : In addition, and with a view to improving current systems, the research investigated is based on piezoelectric multi-sensor grids which measure vehicle axle loads under normal road traffic conditions. However, they do not make it possible to guarantee the metrological requirements required for the direct repression of overweight, although they consist of several sensors thus making a measurement distribution tending to have sufficient information on the dynamic load signal. The objective of this distribution of values is also to minimize, by calculating its arithmetic mean, the errors linked to the measurement of the static load of the axle. Therefore, the overall vehicle weight and the static axle load are estimated. In this regard, the calculation algorithms are based on statistical models which unfortunately require a distribution of measurement values of very large size in order to estimate an approximate value of the static load of the axle, the precision of which is strongly linked to the '' standard deviation of the values constituting the distribution depending on:
- L’uni ou profil de la chaussée ; - The uni or profile of the roadway;
- La vitesse de circulation du véhicule ; - The speed of the vehicle;
- Le système de suspension du véhicule ; - The vehicle's suspension system;
- La qualité du capteur piézoélectrique. - The quality of the piezoelectric sensor.
En relation avec la technologie des capteurs piézoélectriques, on entend par piézoélectricité est la propriété physique que possèdent certains matériaux à se polariser électriquement lorsqu’ils sont soumis à une contrainte mécanique (effet directe) et à se déformer mécaniquement lorsqu’ils sont soumis à un champ électrique (effet indirecte). Le matériau piézoélectrique est caractérisé par sa constante piézoélectrique qui traduit la proportionnalité entre la déformation et le déplacement électrique à champ électrique nul ou constant. Le quartz demeure l’élément piézoélectrique qui a, en sus d’autres qualités mécanique et électrique, une meilleure précision. En raison des faibles signaux électriques qu’ils produisent, suite à une variation de contraintes, les capteurs piézoélectriques ne sont pas utilisés seuls mais ils sont couplés avec des chaînes d’acquisition dont l’élément principal est l’amplificateur de charge. Le couplage avec ce composant électrique a été vivement recommandé dans la littérature eu égard à la nature capacitive des capteurs piézoélectriques. In relation to the technology of piezoelectric sensors, by piezoelectricity is meant the physical property that certain materials have to electrically polarize when they are subjected to a mechanical stress (direct effect) and to deform mechanically when they are subjected to a electric field (indirect effect). The piezoelectric material is characterized by its piezoelectric constant which reflects the proportionality between the deformation and the electric displacement at zero or constant electric field. Quartz remains the piezoelectric element which has, in addition to other mechanical and electrical qualities, better precision. Due to the weak electrical signals that they produce, following a variation of constraints, the piezoelectric sensors are not used alone but they are coupled with acquisition chains, the main element of which is the charge amplifier. Coupling with this electrical component has been strongly recommended in the literature due to the capacitive nature of piezoelectric sensors.
Enfin, trouver une méthode pour la reconstitution de la charge de l’essieu du véhicule, définir le nombre optimal de capteurs piézoélectriques et leur inter-distances constituant la grille de capteurs, procéder au traitement du signal reconstitué de la charge de l’essieu et compenser les charges dynamiques engendrées par le mouvement du véhicule sont les principaux axes de la présente invention détaillés dans ce document. Finally, find a method for reconstituting the load on the vehicle axle, define the optimal number of piezoelectric sensors and their inter-distances constituting the sensor grid, process the reconstituted signal of the axle load and compensating for the dynamic loads generated by the movement of the vehicle are the main axes of the present invention detailed in this document.
Compte tenu de ce qui précède, il est à noter qu’actuellement, aucun système de pesage dynamique en marche à haute vitesse opérant dans les conditions normales de circulation n’existe sur le marché pour la sanction directe des contrevenants, et ce eu égard aux erreurs importantes de mesure de la charge statique de l’essieu et par conséquent du poids global du véhicule. In view of the above, it should be noted that at present, no dynamic weighing system operating at high speed operating under normal traffic conditions exists on the market for the direct sanction of offenders, and this had with regard to significant errors in the measurement of the static load of the axle and consequently of the overall weight of the vehicle.
VI. Description de l’invention VI. Description of the invention
La présente invention concerne la conception et la réalisation d’un système de pesage dynamique en marche à haute vitesse permettant de mesurer la charge statique de l’essieu / et du poids global de véhicule (PGV) et ce dans les conditions normales de la circulation routière. Cette invention n’est pas basée sur les approches statistiques de calcul pour mesurer la charge statique de l’essieu et du PGV mais plutôt sur la base du traitement du signal analogique de l’essieu / de véhicule, reconstruit grâce un algorithme précis présenté ultérieurement. The present invention relates to the design and production of a high speed dynamic in-motion weighing system for measuring the static axle load / and the overall vehicle weight (PGV) under normal traffic conditions. road. This invention is not based on the statistical computational approaches to measure the static axle load and the PGV but rather on the basis of the analog signal processing of the axle / vehicle, reconstructed using a precise algorithm presented later. .
La solution technique objet de l’invention repose sur les volets suivants : The technical solution that is the subject of the invention is based on the following components:
1. L’algorithme de reconstruction du signal analogique de l’essieu / du véhicule ;1. The algorithm for reconstructing the analog signal of the axle / vehicle;
2. La conception et la définition de la grille optimale de capteurs piézoélectriques ;2. The design and definition of the optimal grid of piezoelectric sensors;
3. La conception et la réalisation d’un filtre analogique comprenant les cartes électroniques suivantes : 3. The design and production of an analog filter comprising the following electronic cards:
- Carte de conditionnement du signal produit par le capteur piézoélectrique ;- Signal conditioning card produced by the piezoelectric sensor;
- Carte de traitement du signal analogique de la charge à l’essieu et de la mesure de la charge statique. - Axle load analog signal processing card and static load measurement.
La Figure 1 donne une vue d’ensemble du système objet de la présente invention. Il comprend : Figure 1 gives an overview of the system object of the present invention. He understands :
- La grille de capteurs piézoélectriques (1 ); - The piezoelectric sensor grid (1);
- Le bloc de commande (2) ; au sein de ce bloc que siège les différentes cartes électroniques, le microprocesseur et la carte d’acquisition. - The control unit (2); within this block sits the various electronic cards, the microprocessor and the acquisition card.
Le complément d’équipement qui est requis pour avoir un système valable pour le contrôle et la sanction automatisée, il s’agit des outils de nouvelles technologies de l’information qui existent sur le marché de commerce notamment : The additional equipment that is required to have a valid system for automated control and sanctioning is the new information technology tools that exist on the commercial market, in particular:
- La caméra numérique de prise de photo ; - The digital photo-taking camera;
- Le logiciel de reconnaissance de plaque ; - Plate recognition software;
Le réseau de communication, sécurisation de données ; The communication network, data security;
Les accessoires informatiques tels que serveurs, routeurs... a. Algorithme de reconstruction du signal analogique de l’essieu / du véhicule Computer accessories such as servers, routers ... at. Axle / vehicle analog signal reconstruction algorithm
Soit n+1 couples (to,vo), ( ti,vi ), . ,(tn,vn) (3) avec tk est le temps de passage de l’essieu / du véhicule (5) sur le capteur d’ordre k, installé dans la chaussée sur la voie de circulation (6), et le Vke st la tension générée par le capteur d’ordre k suite à la force instantanée exercée par l’essieu / sur ce capteur. Ces données sont prises par rapport à un référentiel défini (temps, tension) (4) comme indiqué dans la Figure 1 . Let n + 1 pairs (to, vo), (ti, vi),. , (t n , v n ) (3) where tk is the passage time of the axle / vehicle (5) on the sensor of order k, installed in the roadway on the traffic lane (6), and the V k is the voltage generated by the sensor of order k following the instantaneous force exerted by the axle / on this sensor. These data are taken against a defined reference (time, voltage) (4) as shown in Figure 1.
Le signal analogique (7) de la charge à l’essieu / produit, suite au passage du véhicule (5) sur la grille de capteurs (1) (Figure 1), suit la forme du polynôme de Lagrange interpolé à partir des n+1 couples précités. The analog signal (7) of the axle load / product, following the passage of the vehicle (5) over the sensor grid (1) (Figure 1), follows the shape of the Lagrange polynomial interpolated from the n + 1 above-mentioned couples.
Afin de réduire les erreurs d’interpolation, les positions des capteurs sont bien définies dans la grille de capteurs (1) conformément à la formule de Tchebychev définie ci-dessous. In order to reduce interpolation errors, the positions of the sensors are well defined in the sensor grid (1) according to the Chebyshev formula defined below.
L’équation (1.1) représente la formule mathématique du polynôme de Lagrange exprimée dans le domaine temporel.
Figure imgf000009_0001
Equation (1.1) represents the mathematical formula of the Lagrange polynomial expressed in the time domain.
Figure imgf000009_0001
F est le polynôme de Lagrange au plus de degré n qui passe sur les points ( tk , Vk) (3), avec t est le temps de passage de l’essieu / à un point quelconque M(f,v) de la grille de capteurs (1) suivant l’axe longitudinal de la chaussée (selon l’axe du temps) (8) et vest la tension interpolée à ce point tel que F(t)=v. F is the Lagrange polynomial of at most degree n which passes over the points (t k , V k ) (3), with t is the time of passage of the axle / at any point M (f, v) of the sensor grid (1) along the longitudinal axis of the roadway (along the time axis) (8) and vest the interpolated voltage at this point such that F (t) = v.
La valeur de F(t) multipliée par le coefficient de calibrage définie à l’équation (1.9) représente la force instantanée exercée par l’essieu / au point M. Le polynôme de Lagrange remplit les conditions suivantes :
Figure imgf000009_0002
The value of F (t) multiplied by the calibration coefficient defined in equation (1.9) represents the instantaneous force exerted by the axle / at point M. The Lagrange polynomial fulfills the following conditions:
Figure imgf000009_0002
Il est très difficile de déterminer le degré d’un polynôme qu’il faudrait arrêter dans l’interpolation d’une fonction. Un polynôme de degré supérieur n’est pas toujours le meilleur choix car il peut engendrer des résultats instables. It is very difficult to determine the degree of a polynomial that should be stopped in the interpolation of a function. A higher degree polynomial is not always the best choice because it can produce unstable results.
L’instabilité émane principalement : The instability mainly stems from:
Du choix des points d’interpolation ; les points équidistant ou uniforme ne donnent pas forcément de meilleurs résultats ; De la fonction dont les variations sont lentes, déjà lissée, est mieux interpolée par un polynôme de degré élevé que par un polynôme de degré faible, tandis que la fonction dont les dérivées changent rapidement est mieux interpolée par un polynôme de degré faible dont la pratique démontre un degré inférieur ou égale à 3 ; The choice of interpolation points; equidistant or uniform points do not necessarily give better results; The function whose variations are slow, already smoothed, is better interpolated by a polynomial of high degree than by a polynomial of low degree, while the function whose derivatives change rapidly is better interpolated by a polynomial of low degree whose practice demonstrates a degree less than or equal to 3;
D’algorithme utilisé dont les qualités dépondent de la méthode mathématique dont découle. Algorithm used whose qualities depend on the mathematical method from which derives.
L’équation (1.3) représente la formule de Tchebychev exprimée dans le domaine spatial précisant les positions des capteurs piézoélectriques :
Figure imgf000010_0001
Equation (1.3) represents Chebyshev's formula expressed in the spatial domain specifying the positions of the piezoelectric sensors:
Figure imgf000010_0001
Xk est la position du capteur k dans la grille (1) qui contient n+1 capteurs. Les nombres a et b sont les abscisses des points A et B, sur l’axe longitudinale de la voie de la circulation routière (6) où les capteurs sont installés, constituant les bornes de la grille de capteurs (Figure 1). De ce fait, la grille est définie par deux points A(a,0) et B(b,0) ayant une longueur de (b-a). X k is the position of sensor k in the grid (1) which contains n + 1 sensors. The numbers a and b are the abscissas of points A and B, on the longitudinal axis of the road traffic lane (6) where the sensors are installed, constituting the terminals of the sensor grid (Figure 1). Therefore, the grid is defined by two points A (a, 0) and B (b, 0) having a length of (ba).
Pour obtenir la meilleure estimation possible de la fonction F, il faut choisir les n+1 points d’interpolation xo, xi...xn de manière à minimiser le maximum sur [a, b] de la fonction
Figure imgf000010_0002
To obtain the best possible estimate of the function F, it is necessary to choose the n + 1 points of interpolation xo, xi ... x n so as to minimize the maximum on [a, b] of the function
Figure imgf000010_0002
N. B : Il est à noter que le passage du domaine temporel au domaine spatial sur l’axe longitudinal de la voie de circulation ou vice versa, il suffit d’intervenir la vitesse moyenne du véhicule qu’on peut mesurer (longueur grille connue et temps de passage d’un essieu sur la grille (1) peut être mesurée par le temporisateur de la carte d’acquisition de données utilisée dans la solution technique). N. B: It should be noted that the passage from the time domain to the spatial domain on the longitudinal axis of the traffic lane or vice versa, it suffices to intervene the average speed of the vehicle that can be measured (known grid length and time of passage of an axle on the grid (1) can be measured by the timer of the data acquisition card used in the technical solution).
La principale conclusion dégagée, à travers la méthode de reconstruction du signal expliquée précédemment, est son efficacité et sa performance prouvés qui est basée sur l’algorithme de l’interpolation polynomiale de Lagrange, couplé avec les conditions de Tchebychev avec un pas d’échantillonnage non uniforme selon l’équation (1.3). The main conclusion drawn, through the signal reconstruction method explained previously, is its proven efficiency and performance which is based on the Lagrange polynomial interpolation algorithm, coupled with Chebyshev conditions with a sampling step non-uniform according to equation (1.3).
Cet algorithme prend uniquement en considération la bande limitée du signal dans le domaine temporel, étant l’intervalle de définition de la force F(t), et n'a aucune exigence particulière relative à l'estimation de spectre de fréquence du signal ou distribution infinie d’éléments servant pour utiliser la méthode de reconstruction du signal. This algorithm only takes into account the limited band of the signal in the time domain, being the interval of definition of the force F (t), and has no special requirement for the estimation of the signal frequency spectrum or infinite distribution of elements used to use the signal reconstruction method.
La dimension de la distribution formée de couple ( tk,Vk ) (3) pour laquelle la reconstruction du signal de la charge de l’essieu / donne des résultats meilleurs est à partir de n=10. D’où le nombre minimalde capteurs constituant la grille est de 10 capteurs. Toutefois, pour des considérations de rentabilité économique du système, le nombre de capteur optimal est de 10 capteurs. b. Grille de capteurs (1) The dimension of the formed torque distribution (t k , V k ) (3) for which the reconstruction of the axle load signal / gives better results is from n = 10. Hence the minimum number of sensors constituting the grid is 10 sensors. However, for reasons of economic profitability of the system, the optimum number of sensors is 10 sensors. b. Sensor grid (1)
L'analyse spectrale du signal de la charge de l’essieu / montre l'existence de deux fréquences fondamentales fi et respectivement situées entre 1-3 Hz et 6-15 Hz. Ces fréquences correspondent aux mouvements des masses suspendues et non suspendues du véhicule (5). Les valeurs de ces fréquences ne tiennent pas compte de la qualité de l’uni mais elles dépendent de la vitesse et de la qualité du système de suspension du véhicule (5). Leurs amplitudes sont liées à la fois à la vitesse de circulation et à la qualité de l’uni de la chaussée (6). The spectral analysis of the axle load signal / shows the existence of two fundamental frequencies fi and respectively located between 1-3 Hz and 6-15 Hz. These frequencies correspond to the movements of the suspended and unsprung masses of the vehicle. (5). The values of these frequencies do not take into account the quality of the uni, but they depend on the speed and the quality of the vehicle's suspension system (5). Their amplitudes are linked to both the speed of traffic and the quality of the road surface (6).
La conception de la grille (1) de capteur devra être conçue de telle manière que le signal de la charge de l’essieu / soit reconstruit, à partir des valeurs générées par les capteurs, sur une bande limitée et ce pour avoir une meilleure précision de la reconstruction du signal par polynôme de Lagrange. The design of the sensor grid (1) must be designed in such a way that the axle load signal / is reconstructed, from the values generated by the sensors, on a limited band and this in order to have better accuracy of the signal reconstruction by Lagrange polynomial.
Par ailleurs, la grille de capteurs piézoélectriques (1), installée sur la chaussée (6), faisant partie du système de pesage dynamique en marche à haute vitesse, objet de cette invention, ne permet pas de produire un signal temporel continu mais plutôt une distribution de mesures prises à une série de temps déterminée selon un pas d’échantillonnage non uniforme conformément à l’équation (1.3) qui est la base de la conception de la grille de capteurs (1). La figure 1 illustre la conception de la grille de capteurs (1). c. Compensation des charges dynamiques Furthermore, the grid of piezoelectric sensors (1), installed on the roadway (6), forming part of the dynamic weighing system in motion at high speed, object of this invention, does not make it possible to produce a continuous time signal but rather a continuous time signal. distribution of measurements taken at a time series determined at a non-uniform sampling interval according to equation (1.3) which is the basis for the design of the sensor grid (1). Figure 1 illustrates the design of the sensor grid (1). vs. Dynamic load compensation
Une fois le signal analogique de la charge de l’essieu / du véhicule (5) est reconstruit, l'action réalisée par la suite concerne le traitement du signal reconstruit à travers un dispositif électronique. Ce dispositif est conçu et réalisé afin d’éliminer ou compenser la composante variable du signal correspondant aux charges dynamiques générées par l’essieu / et mesurer ensuite la composante continue qui est la charge statique de l'essieu /'du véhicule. Once the analog signal of the axle / vehicle load (5) is reconstructed, the next action taken is to process the reconstructed signal through an electronic device. This device is designed and produced in order to eliminate or compensate for the variable component of the signal corresponding to the dynamic loads. generated by the axle / and then measure the DC component which is the static axle load / ' of the vehicle.
En effet, le signal analogique reconstruit de la charge de l’essieu / du véhicule (5) est en général un signal apériodique. L’équation (1.1) peut être reformulée de la forme suivante :
Figure imgf000012_0001
Indeed, the reconstructed analog signal of the axle / vehicle load (5) is generally an aperiodic signal. Equation (1.1) can be reformulated as follows:
Figure imgf000012_0001
Avec : With :
- Q est la force instantanée appliquée par l’essieu / du véhicule (5) sur la surface de la chaussée (6) (Signal de la charge de l’essieu /') ; - Q is the instantaneous force applied by the axle / of the vehicle (5) on the road surface (6) (Axle load signal / ' );
- P est la charge statique de l’essieu / (composante continue du signal) ; - P is the static axle load / (DC component of the signal);
- K est la raideur du système de suspension du véhicule (5) ; An l’amplitude d’oscillation de la charge de l’essieu du nième fréquence du signal; fh est la phase à t=0 (conditions initiales d’oscillation) du nième fréquence du signal; - K is the stiffness of the vehicle's suspension system (5); An the oscillation amplitude of the axle load of the nth frequency of the signal; f h is the phase at t = 0 (initial conditions of oscillation) of the n th frequency of the signal;
- sin(cont+(pn ) est la composante variable du signal analogique qui- sin (co n t + (p n ) is the variable component of the analog signal which
0 représente les charges dynamiques de l’essieu du véhicule (5) générées notamment à cause de : 0 represents the dynamic loads of the vehicle axle (5) generated in particular because of:
• Irrégularité de la chaussée (mauvais uni de la chaussée) (6) ; • Uneven pavement (poor level of pavement) (6);
• Système de suspension du véhicule (5) ; • Vehicle suspension system (5);
• Vitesse de circulation du véhicule (5). • Vehicle speed (5).
La réduction des erreurs dues aux charges dynamiques dans les systèmes de pesage dynamique en marche à haute vitesse impose de prospecter, au lieu d’investiguer dans les approches statistiques en cours de recherches dont les résultats ne sont pas maîtrisables qui dépendent fortement aux variations des charges dynamiques (composante variable du signal analogique) d’autres techniques. Une nouvelle technique intelligente a été inventée tendant à isoler ou à compenser la composante variable du signal analogique reconstruit de l’essieu / du véhicule (5) et de mesurer ensuite la composante continue qui correspond à la charge statique du véhicule (5) dont on souhaite mesurer avec une meilleure précision. A ce sujet, la technique introduite est basée sur le dispositif de « Zéro Crossing Detector », considéré comme le noyau dur du filtre analogique réalisé dans le cadre de la présente invention. The reduction of errors due to dynamic loads in dynamic weighing systems in operation at high speed requires prospecting, instead of investigating in statistical approaches currently being researched, the results of which cannot be controlled which strongly depend on variations in loads. dynamics (variable component of the analog signal) other techniques. A new intelligent technique has been invented which tends to isolate or compensate for the variable component of the reconstructed analog signal of the axle / vehicle (5) and then to measure the DC component which corresponds to the static load of the vehicle. vehicle (5) which it is desired to measure with better precision. In this regard, the technique introduced is based on the “Zero Crossing Detector” device, considered to be the hard core of the analog filter produced within the framework of the present invention.
Le filtre analogique repose sur la réalisation des opérations relatives au : The analog filter is based on performing the operations relating to:
- Conditionnement du signal produit par le capteur piézoélectrique eu égard à la faiblesse de sa puissance. Ce conditionnement permet l'exploitabilité des valeurs produites par le capteur qui sont sous forme de tension et par conséquent il sera possible de lire une valeur maximale (valeur déterministe) donnée par le capteur, difficile à acquérir puisque le signal est souvent trop bruité dont le rapport à signal bruit dépend de la qualité et la nature du capteur. La valeur maximale correspond à la force instantanée maximale appliquée par l’essieu / sur la surface de la chaussée (6) ; - Conditioning of the signal produced by the piezoelectric sensor in view of its low power. This conditioning allows the exploitability of the values produced by the sensor which are in the form of voltage and consequently it will be possible to read a maximum value (deterministic value) given by the sensor, difficult to acquire since the signal is often too noisy whose signal to noise ratio depends on the quality and nature of the sensor. The maximum value corresponds to the maximum instantaneous force applied by the axle / on the road surface (6);
- Conditionnement de signal analogique reconstruit de la charge de l’essieu / du véhicule (5) et ce afin d’ajuster l’amplitude du signal pour garantir l’efficacité du fonctionnement du filtre analogique ; - Reconstructed analog signal conditioning of the axle / vehicle load (5) to adjust the signal amplitude to ensure the efficiency of the analog filter operation;
- Elimination de la composante continue du signal reconstruit de la charge de l’essieu / du véhicule (5) en introduisant un filtre de 1er ordre de type passe haut ;- Elimination of the DC component of the reconstructed signal of the axle load / vehicle (5) by introducing a filter 1 high-pass type of order;
- Traiter le signal de sortie du filtre du 1er ordre par la technique de « Zéro Crossing detector ». - Process the output signal of the 1st order filter using the “Zero Crossing detector” technique.
Définition de « Zéro Crossing detector » : Zéro Crossing est défini comme étant le point où une fonction mathématique change de signe du positif au négatif ou vice versa. Autrement dit, ce sont les points d’interception de la courbe d’une fonction continue avec l’axe des abscisses. Definition of "Zero Crossing detector": Zero Crossing is defined as the point where a mathematical function changes sign from positive to negative or vice versa. In other words, they are the intersection points of the curve of a continuous function with the x-axis.
L’application du détecteur des racines de la fonction mathématique sur le signal analogique filtré de l’essieu / du véhicule (5) est de nature à dégager les mesures temporelles qui coïncident avec les valeurs nulles des charges dynamiques. En négligeant les erreurs dues aux composantes électroniques par rapport à celles des charges dynamiques, les valeurs mesurées sur le signal analogique reconstruit de la charge de l’essieu /', aux mesures temporelles ainsi identifiés par ce dispositif, correspondent bien aux tensions produites par les charges statiques de l’essieu / de véhicule et ce grâce à la compensation des charges dynamiques. Pour calculer la charge statique de l’essieu /', il suffit de multiplier la tension mesurée par le coefficient de calibrage définie préalablement grâce à l’équation (1.9). d. Cartes électroniques conçues et réalisées i. Carte de conditionnement du signal produit par le capteur piézoélectriqueThe application of the detector of the roots of the mathematical function on the filtered analog signal of the axle / of the vehicle (5) is likely to reveal the temporal measurements which coincide with the zero values of the dynamic loads. By neglecting the errors due to the electronic components compared to those of the dynamic loads, the values measured on the reconstructed analog signal of the axle load / ' , with the time measurements thus identified by this device, correspond well to the voltages produced by the static axle / vehicle loads thanks to dynamic load compensation. To calculate the static axle load / ' , it suffices to multiply the measured tension by the calibration coefficient defined previously using equation (1.9). d. Electronic cards designed and produced i. Signal conditioning card produced by the piezoelectric sensor
Chaque capteur piézoélectrique de la grille (1) est doté de son propre circuit électronique conçu pour le conditionnement du signal produit par ce capteur. Ce circuit électronique est composé de deux étages en cascade constitués de : Each piezoelectric sensor of the gate (1) has its own electronic circuit designed for conditioning the signal produced by this sensor. This electronic circuit is composed of two stages in cascade made up of:
Le 1er étage, illustré à la Figure 2(a), est constitué d’un amplificateur de charge considéré comme un moyen de conversion de la charge générée par le capteur piézoélectrique en un signal sous forme de tension exploitable. Un amplificateur de charge utilise la topologie d’intégrateur de base. Pour cela, l’amplificateur opérationnel Ai est monté dans le circuit avec une contre réaction est constituée d’un condensateur C1 monté en parallèle avec une résistance R3 empêchant l'amplificateur d’atteindre son niveau de saturation. La tension de sortie du 1er étage est proportionnelle à l'intégrale du courant d'entrée selon l’équation (1.6).
Figure imgf000014_0001
The 1st stage, illustrated in Figure 2 (a), consists of a charge amplifier considered as a means of converting the charge generated by the piezoelectric sensor into a signal in the form of an exploitable voltage. A charge amplifier uses the basic integrator topology. For this, the operational amplifier Ai is mounted in the circuit with a feedback consisting of a capacitor C1 mounted in parallel with a resistor R3 preventing the amplifier from reaching its saturation level. The output voltage of the 1st stage is proportional to the integral of the input current according to equation (1.6).
Figure imgf000014_0001
Lorsque la charge Q produite par le capteur piézoélectrique varie en fonction du temps, le signal de la tension va à la sortie du 1er étage du circuit de conditionnement comprend une composante continue et une composante dynamique. L’équation (1.6) est donc sous la forme de:
Figure imgf000014_0002
When the charge Q produced by the piezoelectric sensor varies as a function of time, the voltage signal v a at the output of the 1st stage of the conditioning circuit comprises a DC component and a dynamic component. Equation (1.6) is therefore in the form of:
Figure imgf000014_0002
Où Vo est la composante continue du signal de sortie de l'amplificateur de charge qui est considéré comme la valeur cible à mesurer dans le 2ème étage du circuit de conditionnement. La 2èmecornposante de l’équation (1.7) correspond au bruit du signal. Where Vo is the DC component of the output signal of the charge amplifier which is considered to be the target value to be measured in the 2 nd stage of the conditioning circuit. The 2 nd component of equation (1.7) corresponds to the noise of the signal.
L’amplificateur opérationnel Ai est alimenté par des tensions continues de +11V et -11V dont le courant d’alimentation est limité via des résistances R1 et R2 installées entre la source d’alimentation et l’amplificateur. The operational amplifier Ai is supplied by direct voltages of + 11V and -11V, the supply current of which is limited via resistors R1 and R2 installed between the power source and the amplifier.
Comme la charge produite par le capteur piézoélectrique est trop faible, on peut considérer que v0(t) fait partie des faibles signaux. As the charge produced by the piezoelectric sensor is too low, we can consider that v 0 (t) is one of the weak signals.
Le 2ème étage, illustré à la Figure n°2(b), est construit à l’aide d’un circuit émetteur- suiveur basé sur un transistor T (type npn) qui fonctionne dans le régime des petits signaux. La sortie de l'émetteur du transistor T est connectée au condensateur de découplage C2 en parallèle avec la résistance R4. Le condensateur de découplage C2 permet de séparer le point de polarisation du transistor et les petits signaux existants en mode dynamique. Son impédance est négligeable pour les petits signaux et infinie pour les courants de polarisation. The 2 nd stage, shown in Figure 2 (b), is constructed using an emitter-follower circuit based on a transistor T (npn type) which operates in the small signal regime. The output of the emitter of transistor T is connected to the capacitor of C2 decoupling in parallel with resistor R4. The decoupling capacitor C2 makes it possible to separate the point of polarization of the transistor and the small existing signals in dynamic mode. Its impedance is negligible for small signals and infinite for bias currents.
En effet, supposons que C2 est déconnectée (circuit ouvert), le courant de l’émetteur ie varie en fonction du courant de collecteur ic. Cette variation de ie provoque une variation de la tension aux bornes de la résistance R4, qui tend à diminuer la polarisation de la jonction VBE au même rythme que la variation de ie. Indeed, suppose that C2 is disconnected (open circuit), the current of the emitter i e varies as a function of the collector current i c . This variation of i e causes a variation in the voltage across resistor R4, which tends to decrease the polarization of junction VBE at the same rate as the variation of i e .
Dans le cas où C2 est connectée, le condensateur élimine la composante dynamique, puis ensuite la tension entre les bornes de la résistance R4. En conséquence, la tension Vs est stable, ce qui correspond à la tension Vo diminuée de 0,7 V correspondant à la tension VBE de jonction base-émetteur selon l’équation (1.8). In the case where C2 is connected, the capacitor eliminates the dynamic component, then then the voltage between the terminals of the resistor R4. As a result, the voltage Vs is stable, which corresponds to the voltage Vo reduced by 0.7 V corresponding to the base-emitter junction voltage VBE according to equation (1.8).
V = V0 -VBE (1.8)V = V 0 -V BE (1.8)
D’où la tension de sortie Vs du circuit électronique du conditionnement du signal dépend de la tension de sortie Vo de l’amplificateur de charge qui est fonction de la charge Q produite par le capteur piézoélectrique. Hence the output voltage Vs of the electronic signal conditioning circuit depends on the output voltage Vo of the charge amplifier which is a function of the charge Q produced by the piezoelectric sensor.
Bien que le signal à l’entrée (9) de la carte de conditionnement soit trop bruité, elle permet d’acquérir à la sortie de 2ème étage un signal déterministe dont la valeur maximale varie proportionnellement avec la force instantanée appliquée par la roue sur le capteur piézoélectrique. ii. Carte de traitement du signal analogique de la charge à l’essieu / et de la mesure de la charge statique Although the signal at the input (9) of the conditioning card is too noisy, it makes it possible to acquire at the output of the 2nd stage a deterministic signal whose maximum value varies proportionally with the instantaneous force applied by the wheel on the piezoelectric sensor. ii. Axle load analog signal processing card / and static load measurement
Cette carte électronique contient les composants électroniques suivants tels qu’ils sont présentés dans la Figure 3 : This electronic board contains the following electronic components as shown in Figure 3:
La carte de traitement du signal analogique de la charge à l’essieu / et de la mesure de la charge statique est considérée comme la carte mère du système de pesage dynamique en marche à haute vitesse puisque à son niveau que tous les calculs s’effectuent du système global. The axle load analog signal processing board / and the static load measurement is considered to be the mother board of the dynamic weighing system in operation at high speed since at its level all calculations are carried out. of the overall system.
Après le passage de l’essieu / du véhicule (5) sur la grille de capteurs piézoélectriques (1), la carte de traitement du signal analogique de la charge à l’essieu / et de la mesure de la charge statique procède à la lecture des données, via un microprocesseur (10), engendrées par les capteurs piézoélectriques sous forme (ί/,n,) relatives aux temps de passage de l’essieu / de véhicule sur la grille de capteurs piézoélectriques (1) ainsi que les tensions correspondantes générées. Une fois les données sont lues par le microprocesseur (10), ayant une forte puissance de calculs, exécute l’algorithme y enregistré, relatif à la reconstruction du signal analogique de l’essieu / du véhicule, mis au point sur la base de l’interpolation par polynôme de Lagrange. Le signal généré par le microprocesseur (10) sur son port DAC (Digital analog converter) est le signal analogique reconstruit de la charge de l’essieu / appliquée sur la chaussée (6). After the axle / vehicle (5) has passed over the piezoelectric sensor grid (1), the analog signal processing board of the axle load / and the static load measurement reads data, via a microprocessor (10), generated by the piezoelectric sensors in the form (ί / , n,) relating to the passage times of the axle / vehicle on the piezoelectric sensor grid (1) as well as the corresponding voltages generated. Once the data is read by the microprocessor (10), having a high computing power, executes the algorithm stored there, relating to the reconstruction of the analog signal of the axle / vehicle, developed on the basis of the 'interpolation by Lagrange polynomial. The signal generated by the microprocessor (10) on its DAC (Digital analog converter) port is the reconstructed analog signal of the axle load / applied to the roadway (6).
Après avoir reconstruit le signal analogique de l’essieu / du véhicule (5), ce signal traverse un circuit formé detrois étages en cascade à savoir : After reconstructing the analog signal of the axle / vehicle (5), this signal passes through a circuit formed of three stages in cascade, namely:
A. 1er étage : Amplification du signal analogique reconstruit A. 1st stage: Amplification of the reconstructed analog signal
Pour améliorer l’exploitabilité du signal reconstruit, le signal émis par le microprocesseur (10) via son port DAC est amplifié grâce à l’étage d’amplification illustré dans la Figure 3(c) utilisant à cet effet un amplificateur opérationnel A2 (mode multiplicateur). Cet étage permet d’obtenir un signal analogique physiquement exploitable ( V2 ) et de réduire, en conséquence, les erreurs de mesure. L’amplitude du signal analogique peut être variée grâce au potentiomètre (POT). To improve the exploitability of the reconstructed signal, the signal transmitted by the microprocessor (10) via its DAC port is amplified thanks to the amplification stage illustrated in Figure 3 (c) using for this purpose an operational amplifier A2 (mode multiplier). This stage makes it possible to obtain a physically usable analog signal (V2) and, consequently, to reduce measurement errors. The amplitude of the analog signal can be varied using the potentiometer (POT).
B 2ème étage : Filtrage du signal de sortie de l’étage d’amplification B 2nd stage: Filtering of the output signal of the amplification stage
Le signal de sortie de l’étage d’amplification est filtré en vue d’extraire la composante continue relative à la charge statique de l’essieu / et laisser passer la composante variable correspondant aux charges dynamiques. Cette opération est implémentée par le filtre de type « Passe-haut » de 1er degré, montré à la Figure 3(d), constitué de la capacité C3 et de la résistance R9 qui est reliée à la masse. La fréquence de coupure de ce filtre est de 0.16 Hz. The output signal of the amplification stage is filtered in order to extract the DC component relating to the static load of the axle / and to pass the variable component corresponding to the dynamic loads. This operation is implemented by the 1 st degree "high pass" type filter, shown in Figure 3 (d), made up of capacitor C3 and resistor R9 which is connected to ground. The cutoff frequency of this filter is 0.16 Hz.
C. 3ème étage : Compensation des charges dynamiques C. 3rd floor: Compensation for dynamic loads
Le signal délivré par l’étage de filtrage est un signal apériodique dont la moyenne vaut zéro (axe des abscisses), on procède à la dernière opération basée sur la technique « Zéro Crossing detector », dont le circuit est présenté à la Figure 3(e), qui consiste à produire un signal carré positif. Pour ce faire, un amplificateur opérationnel A3 de type comparateur est utilisé dont la sortie est reliée à la source d’alimentation de cet amplificateur par la résistance R10. L’amplificateur opérationnel est alimenté avec une seule source d’alimentation de +5V. Ainsi, le signal apériodique produit par le filtre est rendu par cet étage un signal carré dont les points de projection des côtés (montant et descendant) avec l’axe des abscisses coïncident avec les points d’intersection du signal apériodique (signal filtré) avec cet axe. The signal delivered by the filtering stage is an aperiodic signal whose average is zero (abscissa axis), we proceed to the last operation based on the “Zero Crossing detector” technique, the circuit of which is shown in Figure 3 ( e), which consists in producing a positive square signal. To do this, an operational amplifier A3 of the comparator type is used, the output of which is connected to the power source of this amplifier by the resistor R10. The operational amplifier is supplied with a single power source of + 5V. Thus, the aperiodic signal produced by the filter is rendered by this stage a square signal whose projection points of the sides (rising and falling) with the abscissa axis coincide with the points of intersection of the aperiodic signal (filtered signal) with this axis.
En fin, pour permettre de relever les données sur le signal apériodique amplifié, de la sortie du 1er étage susvisé, qui correspondent aux points de projection des côtés du signal carré sur l’axe des abscisses, une carte d’acquisition de type Arduinoest intégrée dans le circuit de la Figure 3 qui exécute le programme y enregistré. Finally, to enable the data on the amplified aperiodic signal to be recorded, from the output of the aforementioned 1st stage, which correspond to the projection points of the sides of the square signal on the abscissa axis, an Arduino type acquisition card is integrated in the circuit of Figure 3 which executes the program recorded therein.
En vue de suivre la transmission de l’énergie dans le circuit électronique de la carte de traitement du signal analogique de la charge à l’essieu / et de la mesure de la charge statique, cette carte est dotée de dix Leds du D1 à D11 qui marquent l’état « 0 » ou « 1 » selon les modes suivants : In order to monitor the transmission of energy in the electronic circuit of the axle load analog signal processing card / and the static load measurement, this card is equipped with ten LEDs from D1 to D11 which mark the state "0" or "1" according to the following modes:
Les Leds D1 à D10 s’allument d’une manière séquentielle puis s’éteignent ce qui prouve que le microprocesseur (10) a réussi de lire toutes les données transmises par la carte de conditionnement du signal produit par le capteur piézoélectrique ; Leds D1 to D10 light up sequentially and then go out, which proves that the microprocessor (10) has successfully read all the data transmitted by the signal conditioning card produced by the piezoelectric sensor;
D1 et D5 s’allument puis s’éteignent, ce qui signifie que l’exécution de l’algorithme du polynôme de Lagrange est achevée avec succès ; D1 and D5 turn on and then turn off, which means that the execution of the Lagrange polynomial algorithm is successfully completed;
D6 et D10 s’allument puis s’éteignent, ce qui prouve que la production du signal analogique via le port DAC du microprocesseur (10) est effectuée avec succès ; D11 s’allume puis s’éteigne, ce qui montreque la carte d’acquisition a calculé la charge statique de l’essieu /'du véhicule (5). e. Mode de calcul de la charge statique de l’essieu i de véhiculeD6 and D10 light up then go out, which proves that the production of the analog signal via the DAC port of the microprocessor (10) has been carried out successfully; D11 lights up then goes out, which shows that the acquisition card has calculated the static load of the axle / ' of the vehicle (5). e. Method of calculating the static load of the vehicle axle i
Une relation linéaire entre la tension provenant de la carte d'acquisition incluse dans la « Carte de traitement du signal analogique de la charge à l’essieu / et de la mesure de la charge statique » et la charge réelle de l’essieu est la base des calculs de la charge statique. Cette linéarité nécessite que toutes les étapes du processus de production et de traitement du signal aient une relation de proportionnalité entre le signal d'entrée et le signal de sortie en particulier les circuits de conditionnement, d’amplification, de filtrage et de « Zéro Crossing detector ». Cependant, cette condition ne peut pas être réalisée dans la pratique en raison des erreurs systématiques de chaque composant constituant le processus global, ce qui conduit finalement à produire une erreur cumulée en sortie du processus. La valeur obtenue par la carte d'acquisition est sous forme de tension qui est multipliée par le coefficient de calibrage à l’équation (1.9) ci-dessous permettant de transformer ces valeurs en une unité de poids. A linear relationship between the voltage coming from the acquisition card included in the "Axle load analog signal processing card / and static load measurement" and the actual axle load is the basis of static load calculations. This linearity requires that all stages of the signal production and processing process have a proportional relationship between the input signal and the output signal, in particular the conditioning, amplification, filtering and “Zero Crossing” circuits. detector ”. However, this condition cannot be realized in practice due to the systematic errors of each component constituting the overall process, which ultimately leads to producing a cumulative error at the output of the process. The value obtained by the acquisition card is in the form of voltage which is multiplied by the calibration coefficient in equation (1.9) below making it possible to transform these values into a unit of weight.
Le coefficient de calibrage exprime le rapport entre la valeur vraie de la charge de l’essieu / exprimée en kilogramme et la valeur de référence mesurée de cet essieu exprimée en volt selon l'équation (1.9). c Valeur vraie (poids) The calibration coefficient expresses the ratio between the true value of the axle load / expressed in kilograms and the measured reference value of this axle expressed in volts according to equation (1.9). c True value (weight)
^ calibration (1.9) ^ calibration (1.9)
Valeur mesurée de référence ( tension ) f. Brève description des dessins Reference measured value (voltage) f. Brief description of the drawings
Figure 1 : Le schéma décrit du système objet de la convention qui se compose de : Figure 1: The described diagram of the system object of the agreement which consists of:
La grille de capteurs piézoélectriques (1 ) ; The piezoelectric sensor grid (1);
Le bloc de commande (2) où siège l’électronique du système de pesage dynamique en marche à haute vitesse objet de l’invention. The control unit (2) which houses the electronics of the dynamic weighing system in operation at high speed which is the subject of the invention.
Figure 2 : Le schéma décrit le circuit électronique de la « Carte de conditionnement du signal produit par le capteur » qui est formé de deux étages : Figure 2: The diagram describes the electronic circuit of the "Signal conditioning card produced by the sensor" which is made up of two stages:
(a) Conditionnement du signal produit par le capteur piézoélectrique (a) ; (a) Conditioning of the signal produced by the piezoelectric sensor (a);
(b) Production d’un signal déterministe (b). (b) Generation of a deterministic signal (b).
Figure 3 : Le schéma décrit le circuit électronique de la « Carte de traitement du signal analogique de la charge à l’essieu / et de la mesure de la charge statique » qui est formé de trois étages : Figure 3: The diagram describes the electronic circuit of the "Axle load analog signal processing board / and static load measurement" which is made up of three stages:
(c) Etage d’amplification (c) ; (c) Amplification stage (c);
(d) Etage de filtrage (d) ; (d) Filtering stage (d);
(e) Etage de compensation des charges dynamiques (e). (e) Dynamic load compensation stage (e).

Claims

Revendications Claims
1) Système de pesage dynamique en marche à haute vitesse, est un dispositif qui permet de mesurer la charge statique des essieux et le poids global du véhicule (5) dans les conditions normales de la circulation routière. Ce dispositif est constitué de : i. Une grille de multi capteurs piézoélectriques (1) dont le nombre minimal de capteur est fixé à 10 capteurs arrangés transversalement par rapport à l’axe de la chaussée selon un pas non uniforme ; ii. Un filtre analogique qui traite le signal analogique de l’essieu du véhicule (5) tendant à compenser les charges dynamiques et ensuite mesurer la charge statique de l’essieu et du poids global du véhicule (5). 1) Dynamic weighing system in operation at high speed, is a device which measures the static load of the axles and the overall weight of the vehicle (5) under normal road traffic conditions. This system is made up of: i. A grid of piezoelectric multi-sensors (1) whose minimum number of sensors is set at 10 sensors arranged transversely to the axis of the road at a non-uniform pitch; ii. An analog filter that processes the analog signal from the vehicle axle (5) to compensate for dynamic loads and then measure the static axle load and overall vehicle weight (5).
2) Système de pesage dynamique en marche à haute vitesse, selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l’opération de mesurage de la charge statique de l’essieu et du poids global du véhicule (5) est basée sur la reconstruction du signal analogique de la charge à l’essieu du véhicule (5) sur une bande limitée. L’allure du signal analogique reconstruit suit la forme de l’équation (1.1) suivante :
Figure imgf000019_0001
2) A dynamic running weighing system at high speed, according to claim 1, characterized in that the operation of measuring the static load of the axle and the overall weight of the vehicle (5) is based on the reconstruction of the signal analog of the axle load of the vehicle (5) over a limited band. The shape of the reconstructed analog signal follows the form of the following equation (1.1):
Figure imgf000019_0001
Avec F est le polynôme de Lagrange au plus de degré n qui passe sur les points ( tk,Vk ) (3). tk est le temps de passage de l’essieu du véhicule du véhicule (5) sur le capteur d’ordre k et le V est la tension générée par le capteur d’ordre k suite à la force instantanée exercée par l’essieu du véhicule sur ce capteur. With F is the Lagrange polynomial of at most degree n which passes over the points (t k , V k ) (3). t k is the time of passage of the vehicle axle of the vehicle (5) on the sensor of order k and V is the voltage generated by the sensor of order k following the instantaneous force exerted by the axle of the vehicle on this sensor.
3) Système de pesage dynamique en marche à haute vitesse, selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grille de capteurs piézoélectriques (1) contient au moins dix capteurs piézoélectriques, arrangés transversalement par rapport à l’axe de la chaussée du véhicule (6), selon un pas non uniforme. La position de chaque capteur, suivant l’axe des abscisses, est définie par la formule ci-après :
Figure imgf000019_0002
Avec :
3) Dynamic weighing system in motion at high speed, according to claim 1, characterized in that the grid of piezoelectric sensors (1) contains at least ten piezoelectric sensors, arranged transversely with respect to the axis of the roadway of the vehicle ( 6), at a non-uniform pitch. The position of each sensor, along the abscissa axis, is defined by the following formula:
Figure imgf000019_0002
With :
- (n+1 ) est le nombre de capteurs piézoélectriques - (n + 1) is the number of piezoelectric sensors
- a et b sont les abscisses de deux points A et B délimitant la grille de capteurs piézoélectriques (1) selon l’axe des abscisses (parallèle à l’axe longitudinal de la chaussée (8). - a and b are the abscissas of two points A and B delimiting the grid of piezoelectric sensors (1) along the abscissa axis (parallel to the longitudinal axis of the roadway (8).
4) Système de pesage dynamique en marche à haute vitesse, selon la revendication 4, caractérisé en ce que la longueur de la grille de capteurs piézoélectriques (1) qui contient au moins dix capteurs piézoélectriques est d’au moins 1.90 mètres. Cette longueur permet d’enregistrer au moins un passage de zéro ou annulation de la composante variable du signal analogique de l’essieu du véhicule, et ce après avoir éliminé la composante continue dudit signal ; 4) A high-speed running dynamic weighing system according to claim 4, characterized in that the length of the piezoelectric sensor grid (1) which contains at least ten piezoelectric sensors is at least 1.90 meters. This length makes it possible to record at least one zero crossing or cancellation of the variable component of the analog signal of the vehicle axle, and this after eliminating the DC component of said signal;
5) Système de pesage dynamique en marche à haute vitesse, selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le filtre analogique est constitué d’une « Carte de conditionnement du signal produit par chaque capteur » et d’une « Carte de traitement du signal analogique de la charge à l’essieu et de la mesure de la charge statique » ; 5) Dynamic weighing system in operation at high speed, according to claim 1, characterized in that the analog filter consists of a "card for conditioning the signal produced by each sensor" and a "card for processing the signal analogue of axle load and static load measurement ”;
6) Système de pesage dynamique en marche à haute vitesse, selon la revendication 6, caractérisé en ce que la « Carte de conditionnement du signal produit par le capteur » est formée d’un circuit électronique à deux étages : le 1er étage est constitué d’un amplificateur de charge, constitué de l’amplificateur opérationnel Ai avec une contre réaction formée du condensateur C3 monté en parallèle avec la résistance R3. Cet étage est couplé avec le 2ème étage qui est formé à l’aide d’un circuit émetteur- suiveur basé sur un transistor T (type npn) dont la tension à l’émetteur suit la tension d’entrée. La sortie de l'émetteur du transistor est connectée au condensateur de découplage C2 en parallèle avec la résistance R4. Même avec un signal trop bruité à l’entrée, cette carte permet d’acquérir à la sortie de 2ème étage un signal déterministe dont la valeur maximale varie proportionnellement avec la force instantanée appliquée par la roue sur le capteur piézoélectrique ; 7) Système de pesage dynamique en marche à haute vitesse, selon la revendication 6, caractérisé en ce que la « Carte de traitement du signal analogique de la charge à l’essieu et de la mesure de la charge statique » est constituée d’un circuit électronique formé de trois étages montés en cascade : « Etage d’amplification », « Etage de filtrage du signal », « Etage de compensation des charges dynamiques via Zéro Crossing detector » ; 6) Dynamic weighing system in operation at high speed, according to claim 6, characterized in that the "card for conditioning the signal produced by the sensor" is formed of a two-stage electronic circuit: the 1st stage is formed a charge amplifier, consisting of the operational amplifier Ai with a feedback formed by the capacitor C3 mounted in parallel with the resistor R3. This stage is coupled with the 2 nd stage which is formed using an emitter-follower circuit based on a transistor T (npn type) whose voltage at the emitter follows the input voltage. The output of the emitter of the transistor is connected to the decoupling capacitor C2 in parallel with the resistor R4. Even with a signal that is too noisy at the input, this card makes it possible to acquire at the output of the 2 nd stage a deterministic signal whose maximum value varies proportionally with the instantaneous force applied by the wheel on the piezoelectric sensor; 7) Dynamic weighing system in motion at high speed, according to claim 6, characterized in that the "Card for processing the analog signal of the axle load and the measurement of the static load" consists of a electronic circuit formed of three stages mounted in cascade: "Amplification stage", "Signal filtering stage", "Dynamic load compensation stage via Zero Crossing detector";
8) Système de pesage dynamique en marche à haute vitesse, selon la revendication 8, caractérisé en ce que l’étage d’amplification est constitué de : un amplificateur opérationnel A2 de type multiplicateur, quatre résistance R5, R6, R7 et R8 et un potentiomètre (POT). Cet étage permet de varier l’amplitude du signal analogique de l’essieu du véhicule reconstruit afin d’augmenter son exploitabilité et de réduire les erreurs de mesure ; 8) Dynamic weighing system in operation at high speed, according to claim 8, characterized in that the amplification stage consists of: an operational amplifier A2 of the multiplier type, four resistor R5, R6, R7 and R8 and a potentiometer (POT). This stage allows the amplitude of the analog signal of the rebuilt vehicle axle to be varied in order to increase its usability and reduce measurement errors;
9) Système de pesage dynamique en marche à haute vitesse, selon la revendication 8, caractérisé en ce que l’étage de filtrage du signal : Le « filtre passe haut » est formé d’un circuit RC ( R3 , C9) ayant la fréquence de coupure moins de 0.2 Hz. Ce filtre permet de supprimer la composante continue du signal analogique de l’essieu du véhicule (5). Sous l’effet du filtre, le signal analogique oscille, apériodiquement, autour de l’axe des abscisses. Ce résultat permet au 3ème étage de la « Carte de traitement du signal analogique de la charge à l’essieu et de la mesure de la charge statique » de jouer sa fonction principale d’annulation des charges dynamiques ; 9) Dynamic weighing system in operation at high speed, according to claim 8, characterized in that the signal filtering stage: The "high pass filter" is formed of an RC circuit (R3, C9) having the frequency cutoff less than 0.2 Hz. This filter removes the DC component of the analog signal from the vehicle axle (5). Under the effect of the filter, the analog signal oscillates, aperiodically, around the x-axis. This result allows the 3 rd stage of the “Axle load and static load measurement analog signal processing card” to play its main function of canceling dynamic loads;
10) Système de pesage dynamique en marche à haute vitesse, selon la revendication 8, caractérisé en ce que l’étage de compensation des charges dynamiques via «Zéro Crossing detector » est formé autour d’un amplificateur opérationnel type comparateur A3 et d’une résistance R10 placée entre la sortie de l’amplificateur A3 et sa tension d’alimentation. L’amplificateur opérationnel est alimenté avec une seule source d’alimentation de +5V. L’intégration de cet étage permet de dégager les mesures temporelles qui coïncident avec les valeurs nulles des charges dynamiques. 10) Dynamic weighing system in operation at high speed, according to claim 8, characterized in that the dynamic load compensation stage via "Zero Crossing detector" is formed around an operational amplifier type A3 comparator and a resistor R10 placed between the output of amplifier A3 and its supply voltage. The operational amplifier is powered from a single + 5V power source. The integration of this stage makes it possible to identify the temporal measurements which coincide with the zero values of the dynamic loads.
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