基于加速度傳感器的車(chē)輛載重測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于加速度傳感器的車(chē)輛載重測(cè)量方法，屬于車(chē)輛載重測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明中設(shè)置有一對(duì)加速度傳感器固定于車(chē)輛的鋼板彈簧的兩端、且沿車(chē)軸對(duì)稱設(shè)置，鋼板彈簧作為吸收彈簧具有良好的減震性能,其受力與形變是呈線性關(guān)系，鋼板的變形是由于載荷引起,反之,通過(guò)鋼板的撓度可測(cè)算出載荷，對(duì)于多載重軸，根據(jù)左、右懸架特性相同與前、后懸架的軸荷分配系數(shù)，對(duì)各載荷進(jìn)行加權(quán)計(jì)算即可得到整車(chē)的實(shí)際車(chē)載質(zhì)量，間接測(cè)出汽車(chē)的載重量，并對(duì)該測(cè)量所得的瞬態(tài)值進(jìn)行路面坡度估計(jì)、EMD濾波繼而得到精確度高的載重測(cè)量值。所得的車(chē)輛的載重測(cè)量值更加精確，更加便于貨車(chē)的運(yùn)營(yíng)和管理。
【專利說(shuō)明】
基于加速度傳感器的車(chē)輛載重測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于車(chē)載測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種車(chē)輛載重測(cè)量方法，具體地說(shuō)是一種基 于加速度傳感器的車(chē)輛載重測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，大多數(shù)的車(chē)輛交通事故和路橋損毀事故都是由車(chē)輛超載問(wèn)題引起的，因此， 對(duì)于事故率超高的貨車(chē)領(lǐng)域，在其運(yùn)輸貨物的過(guò)程中，車(chē)輛貨物的重量檢測(cè)是一項(xiàng)非常重 要的工作，它對(duì)于貨車(chē)的安全運(yùn)輸、道路的安全和企業(yè)的運(yùn)營(yíng)管理都具有至關(guān)重要的意義。 現(xiàn)在，為了控制超載問(wèn)題，有一些車(chē)輛配備了重量檢測(cè)裝置，而這些裝置只是簡(jiǎn)單地對(duì)車(chē)輛 的重量進(jìn)行測(cè)量，并沒(méi)有考慮車(chē)輛在行駛過(guò)程中的速度和加速度對(duì)測(cè)量到的重量值的影 響，同時(shí)也忽略了行駛道路的平坦度對(duì)測(cè)量到的車(chē)輛重量值的影響，使得最終的車(chē)輛重量 檢測(cè)值的精確度較小，具有一定的誤差，降低了超載檢測(cè)裝置的應(yīng)用價(jià)值。
[0003] 另外，除了車(chē)輛超載問(wèn)題，行駛過(guò)程中貨物的丟失的被盜情況也是運(yùn)輸過(guò)程中經(jīng) 常遇到的問(wèn)題，如果不能對(duì)車(chē)輛載重進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，這些情況就不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，這也會(huì)使得 車(chē)載重量檢測(cè)裝置失去本身的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于加速度傳感器的車(chē)輛載重測(cè)量方法，本方 法充分考慮了加速度和路面坡度對(duì)測(cè)量值的影響，所得的測(cè)量值精確度高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，有更 高的應(yīng)用價(jià)值及顯著的進(jìn)步意義。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:基于加速度傳感器的車(chē)輛載重測(cè)量方法，一對(duì)加速度 傳感器固定于車(chē)輛的鋼板彈簧的兩端、且沿車(chē)軸對(duì)稱設(shè)置，關(guān)鍵在于:本測(cè)量方法包括如下 步驟：
[0006] 1 )、以車(chē)軸的軸心將鋼板彈簧分為左、右半弧，0為經(jīng)過(guò)左、右半弧的中點(diǎn)的切線的 夾角，h為鋼板彈簧弧高或鋼板彈簧擾度，h是9的函數(shù)，SP
[0007] h = f(9) (1)；
[0008] 2)、車(chē)輛空載時(shí)的鋼板彈簧擾度為h〇,則因載重引入的鋼板彈簧的形變?yōu)閔-ho,記 為X;
[0009] 3)、結(jié)合懸架結(jié)構(gòu)，懸架等效為1個(gè)由彈簧、阻尼器組成的二階系統(tǒng)，根據(jù)動(dòng)力學(xué)分 析，建立單個(gè)懸架載荷稱重的數(shù)學(xué)模型：
(2)；
[0011] 式⑵中，m為車(chē)輛懸架自重，c為阻尼系數(shù)，k為彈簧鋼板剛度，M(t)為載重，F(xiàn)(t)為 由貨物和懸架而引入的動(dòng)態(tài)沖擊載荷，根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型得到載重M(t)和0的關(guān)系；
[0012] 4)、設(shè)懸架的個(gè)數(shù)為n，n為多1的正整數(shù)，車(chē)輛整體載重為各懸架載重加權(quán)和：
[0013] U〇 =之％ ('） ⑶。 M
[0014] 其中，所述的0的測(cè)量是通過(guò)如下步驟實(shí)現(xiàn)的：
[0015]分別在鋼板彈簧的左、右半弧的中間安裝3D重力加速度傳感器A、3D重力加速度傳 感器B，安裝方向與鋼板彈簧軸線一致，兩個(gè)3D重力加速度傳感器共建重力加速度坐標(biāo)系 中，分別測(cè)量x軸與重力加速度方向夾角9 xc;
[0016]當(dāng)車(chē)體處于靜止或沿直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，0xG由三部分構(gòu)成：
[0017] 9xc(t) = 0g(t)+0a(t)+0x(t) (4);
[0018] 式中，0g為地面不水平角，0a為X方向運(yùn)動(dòng)加速等效角，0X為傳感器安裝點(diǎn)半弧切線 角;兩個(gè)3D重力加速度傳感器在共建體系中，0 g、0a為共模變化，通過(guò)角度差分即可得到0 ;
[0019] 0(t)=9xG-A(t)-9xG-B(t) = 9x-A(t)-9x-B(t) (5);
[0020] 式中，9xG_A(t)、9xG_B(t)分別為傳感器A、傳感器B的9xG，9x_A(t)、9x_B(t)分別為傳感 器A、傳感器B的9x。
[0021 ]另外，所述的測(cè)量方法中還包括對(duì)路面坡度的估計(jì)，以x、y、z表示傳感器A或傳感 器B在x、y、z軸的加速度分量：
[0022] |l| = Jx? + y2 + z2 +1-g (6 );
[0023]滿足式(6)條件時(shí)進(jìn)行路面坡度的評(píng)估，路面坡度0gS:
[0024] 0g=0xG-0xG_o= 0x0-1/29 (7)；
[0025] 式中，0xC_〇表示在水平路面且無(wú)運(yùn)動(dòng)加速度時(shí)的0xC;基于此，測(cè)量載重MA11(t)與實(shí) 際載重M rei(t)之間的關(guān)系為：
(8)r
[0027]還有，所述的測(cè)量方法中還包括采用EMD方法從采樣序列中截取合格連續(xù)序列段， 該截取合格連續(xù)序列段的條件為：
[0028] ①、限定側(cè)轉(zhuǎn)范圍|y | <wl，其中wl為設(shè)定的常數(shù)；
[0029] ②、限定最大加速度w2< |a | <w3,其中w2、w3為設(shè)定的常數(shù)；
[0030] ③、限定突變加速度|_C^. ^.，.其中w5為設(shè)定的常數(shù)，k〈n- I，w5>l;
[0031]根據(jù)上述條件截取的連續(xù)數(shù)據(jù)序列段獲得的EMD結(jié)果，根據(jù)此數(shù)據(jù)序列選定條件 的滿足度進(jìn)行評(píng)估，得到評(píng)估權(quán)重Q(〇~1)，越滿足條件的評(píng)估權(quán)重越趨近1，如上次載重測(cè) 量結(jié)果為M?t_n，則本次EMD結(jié)果為M Em_n+1，其評(píng)估權(quán)重為仏+1，則本次輸出為：
[0032] Mout-n+l =M〇ut-n ? ( l_Qn+l )+MeMD-n+l ? (Qn+l ) 〇
[0033] 本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明通過(guò)對(duì)加速度、路面坡度估計(jì)及通過(guò)EMD方法進(jìn)行 載重動(dòng)態(tài)測(cè)量，所得的車(chē)輛的載重測(cè)量值更加精確，更加便于貨車(chē)的運(yùn)營(yíng)和管理，同時(shí)也可 以方便管理者實(shí)時(shí)監(jiān)控載重狀況，以防止貨物的丟失而帶來(lái)的意料不到的經(jīng)濟(jì)損失。
【附圖說(shuō)明】
[0034]圖1是本發(fā)明方法中9的示意圖；
[0035]圖2是本發(fā)明方法中0的測(cè)量原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0037] -、測(cè)量原理
[0038] 汽車(chē)車(chē)身與輪軸之間都安裝有鋼板彈簧，鋼板彈簧作為吸收彈簧具有良好的減震 性能，其受力與形變是呈線性關(guān)系，鋼板的變形是由于載荷引起，反之，通過(guò)鋼板的撓度可 測(cè)算出載荷，對(duì)于多載重軸，根據(jù)左、右懸架特性相同與前、后懸架的軸荷分配系數(shù)，對(duì)各載 荷進(jìn)行加權(quán)計(jì)算即可得到整車(chē)的實(shí)際車(chē)載質(zhì)量，間接測(cè)出汽車(chē)的載重量。
[0039] 如圖1，兩條帶箭頭的射線分別為經(jīng)過(guò)鋼板左半弧中點(diǎn)、右半弧中點(diǎn)的切線，0為兩 條射線夾角，h為彈簧鋼板弧高即彈簧鋼板撓度。0隨載重變化，h是0的函數(shù)。
[0040] 即：h = f(0) (1)
[0041] 如車(chē)空載時(shí)的鋼板彈簧撓度為h0,則因載重引入的鋼板形變?yōu)閔-hO,記為X。
[0042] 結(jié)合懸架結(jié)構(gòu)，懸架可等效為1個(gè)由彈簧、阻尼器組成的二階系統(tǒng)，根據(jù)動(dòng)力學(xué)分 析，建立單個(gè)懸架載荷稱重的數(shù)學(xué)模型
(2)
[0044] 式(2)中m為車(chē)輛懸架自重，c為阻尼系數(shù)，k為彈簧鋼板剛度，M(t)為載重，F(xiàn)(t)為 動(dòng)態(tài)沖擊載荷(包含貨物和懸架引入的）。根據(jù)模型可得到載重M(t)和0的關(guān)系。
[0045] 對(duì)于由多個(gè)懸掛構(gòu)成的整車(chē)體系，整體載重為各懸掛載重加權(quán)和。
(3)
[0047]二、0測(cè)量
[0048] 0角的測(cè)量方法是在鋼板彈簧的兩個(gè)半弧中間，安裝3D重力加速度傳感器，安裝方 向與鋼板軸線一致，兩只傳感器共建重力加速度坐標(biāo)系中，分別測(cè)量x軸與重力加速方向夾 角 0XG〇
[0049] 當(dāng)車(chē)體處于靜止或沿直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，0xG由三部分構(gòu)成：
[0050] 9xc(t) = 9g(t)+9a(t)+9x(t) (4)
[0051 ]式(4)中0g為地面不水平角，0a為x方向運(yùn)動(dòng)加速等效角，0x為傳感器安裝點(diǎn)半弧 切線角;AB傳感器在共建體系中，0g、0a為共模變化。通過(guò)角度差分即可得到0。
[0052] 9(t)=9xG-A(t)-9xG-B(t) = 9x-A(t)-9x-B(t) (5)
[0053]通過(guò)差分，實(shí)現(xiàn)0的動(dòng)態(tài)測(cè)量，并克服地面坡度的影響，而傳感器為非接觸性測(cè)量， 與鋼板直接固性按裝即可，無(wú)破壞性。
[0054]三、路面坡度估計(jì)
[0055] 傳感器AB為對(duì)稱安裝，得到的0，相當(dāng)于在水平路面，無(wú)運(yùn)動(dòng)加速度時(shí)，0xG_O = l/2 0;
[0056]路面不水平，且無(wú)運(yùn)動(dòng)加速度時(shí)，0xG= l/20+0g;其中0g為路面不水平度(坡度）。 因此可得路面坡度％ =以6-916_0 = 916-1/29。
[0057]路面坡度的獲取是在無(wú)運(yùn)動(dòng)加速度情況下得到的，估計(jì)時(shí)通過(guò)傳感器A、B來(lái)判定 車(chē)運(yùn)行狀態(tài)是否符合評(píng)估條件。判定方法為在無(wú)運(yùn)動(dòng)加速度時(shí)，傳感器加速度矢量模值為 lgo
(6)
[0059] 式(6)中x、y、z是傳感器A或B在x、y、z軸的加速度分量。
[0060] 當(dāng)上述條件成立并持續(xù)足夠長(zhǎng)時(shí)間時(shí)，即達(dá)到獲取路面坡度的估計(jì)窗口并進(jìn)行有 效估計(jì)。
[0061 ] 四、坡面修正
[0062] 由式（3)得到是基于彈簧鋼板直接變形量獲得的多個(gè)懸掛構(gòu)成的整車(chē)體系載重 MAll(t) 〇
[0063] 當(dāng)車(chē)行駛或停滯在路面坡度角為0g時(shí)，測(cè)量載重和實(shí)際載重的關(guān)系為：
[0065] 五、載重動(dòng)態(tài)測(cè)量
[0066] 動(dòng)態(tài)稱重過(guò)程中振動(dòng)是影響稱重準(zhǔn)確度的主要形式，而車(chē)輛振動(dòng)的原因相當(dāng)復(fù) 雜。引起車(chē)輛振動(dòng)的原因很多，如路面的不平整、車(chē)輛自身、輪胎的彈性、發(fā)動(dòng)機(jī)工作的顫動(dòng) 以及駕駛員操作的不穩(wěn)定等。振動(dòng)來(lái)源的復(fù)雜性決定了車(chē)輛對(duì)路面載荷的復(fù)雜性。車(chē)輛對(duì) 路面的載荷主要有兩種表現(xiàn)形式:穩(wěn)態(tài)載荷和動(dòng)態(tài)載荷，其中動(dòng)態(tài)載荷的產(chǎn)生具有很大的 不確定性，從而導(dǎo)致了車(chē)輛稱重的復(fù)雜性。
[0067] 為克服上述不確定因素以及慣性沖擊帶來(lái)的影響，從而真實(shí)地把握載重測(cè)量信號(hào) 的規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)高精度載重動(dòng)態(tài)測(cè)量采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)７纸?Empirical Mode Decomposition， EMD)方法作為載重動(dòng)態(tài)測(cè)量信號(hào)的去噪手段。
[0068] EMD方法只能從有限規(guī)律中提取真實(shí)載重信息，但車(chē)輛行駛過(guò)程中的存在外附力 擾動(dòng)使鋼板彈簧的獲得額外變形量，如裝載時(shí)沖擊、側(cè)轉(zhuǎn)時(shí)鋼板彈簧扭曲變形和車(chē)架型變 等，在這種情況下采集的載荷信息是瞬態(tài)載荷，不能反映車(chē)輛的真實(shí)載貨量。
[0069] 測(cè)量過(guò)程中對(duì)這些擾動(dòng)信息應(yīng)加以識(shí)別并從采集序列中剔除或者說(shuō)在采樣序列 中截取合格連續(xù)序列段，連續(xù)序列段時(shí)間應(yīng)滿足EMD需求。
[0070] 根據(jù)傳感A或B選擇，條件
[0071] 1、限定側(cè)轉(zhuǎn)范圍|y | <wl
[0072] 2、限定最大加速度w2< | a | <w3 n~k
[0073] 3、限定突變加速度w w=?'-1 (k<n-l)
[0074]可用數(shù)據(jù)評(píng)估：
[0075]根據(jù)限定條件截取的連續(xù)數(shù)據(jù)序列段獲得的EMD結(jié)果，并不直接作為最終輸出，同 樣根據(jù)此數(shù)據(jù)序列選定條件的滿足度進(jìn)行評(píng)估，得到評(píng)估權(quán)重Q(〇~1)，越滿足條件的評(píng)估 權(quán)重越趨近1，如上次載重測(cè)量結(jié)果為Mcmt_ n，則本次EMD結(jié)果為MEMD_n+l，其評(píng)估權(quán)重為Qn+i，則 本次輸出為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于加速度傳感器的車(chē)輛載重測(cè)量方法，一對(duì)加速度傳感器固定于車(chē)輛的鋼板彈黃 的兩端、且沿車(chē)軸對(duì)稱設(shè)置，其特征在于:本測(cè)量方法包括如下步驟： 1) 、W車(chē)軸的軸屯、將鋼板彈黃分為左、右半弧，e為經(jīng)過(guò)左、右半弧的中點(diǎn)的切線的夾 角，h為鋼板彈黃弧高或鋼板彈黃擾度，h是0的函數(shù)，即 h = f(白） （1); 2) 、車(chē)輛空載時(shí)的鋼板彈黃擾度為ho,則因載重引入的鋼板彈黃的形變?yōu)閔-ho,記為X; 3) 、結(jié)合懸架結(jié)構(gòu)，懸架等效為1個(gè)由彈黃、阻尼器組成的二階系統(tǒng)，根據(jù)動(dòng)力學(xué)分析， 建立單個(gè)懸架載荷稱重的數(shù)學(xué)模型：巧):; 式(2)中，m為車(chē)輛懸架自重，C為阻尼系數(shù)，k為彈黃鋼板剛度，M(t)為載重，F(xiàn)(t)為由貨 物和懸架而引入的動(dòng)態(tài)沖擊載荷，根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型得到載重M(t)和0的關(guān)系；4) 、設(shè)懸架的個(gè)《々^〇.〇^>16々^?|數(shù)，車(chē)輛整體載重為各懸架載重加權(quán)和： 0)〇2. 根據(jù)權(quán)利安萃度傳感器的車(chē)輛載重測(cè)量方法，其特征在于:所述的 0的測(cè)量是通過(guò)如下步驟實(shí)現(xiàn)的： 分別在鋼板彈黃的左、右半弧的中間安裝3D重力加速度傳感器A、3D重力加速度傳感器 B，安裝方向與鋼板彈黃軸線一致，兩個(gè)3D重力加速度傳感器共建重力加速度坐標(biāo)系中，分 別測(cè)量X軸與重力加速度方向夾角0XC; 當(dāng)車(chē)體處于靜止或沿直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，0XC由=部分構(gòu)成： 0xG(t) = 0g(t) + 0a(t)+0x(t) (4); 式中，為地面不水平角，0a為X方向運(yùn)動(dòng)加速等效角，0X為傳感器安裝點(diǎn)半弧切線角； 兩個(gè)3D重力加速度傳感器在共建體系中，0g、0a為共模變化，通過(guò)角度差分即可得到0; 白（t) =目 xG_A(t)-目 xG_B(t) =目 x_A(t)-目 x_B(t) (5); 式中，目xG_A(t)、0xG_B(t)分別為傳感器A、傳感器B的目xG，0x_A(t)、0x_B(t)分別為傳感器A、 傳感器B的0X。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于加速度傳感器的車(chē)輛載重測(cè)量方法，其特征在于:所述的 測(cè)量方法中還包括對(duì)路面坡度的估計(jì)，Wx、y、z表示傳感器A或傳感器B在x、y、z軸的加速度 分量：(6)； 滿足式(6)條件時(shí)進(jìn)行路面坡度的評(píng)估，路面坡度0g為： 0g=0xG-0xG_O=0xG-l/20 (7); 式中，0xG_O表示在水平路面且無(wú)運(yùn)動(dòng)加速度時(shí)的0XG;基于此，測(cè)量載重Mm(t)與實(shí)際載 重Mrel(t)之間的關(guān)系為：(8)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于加速度傳感器的車(chē)輛載重測(cè)量方法，其特征在于:所述的 測(cè)量方法中還包括采用EMD方法從采樣序列中截取合格連續(xù)序列段，該截取合格連續(xù)序列 段的條件為： ① 、限定側(cè)轉(zhuǎn)范圍Iy I <wl，其中Wl為設(shè)定的常數(shù)； ② 、限定最大加速度I a I，其中w2、w3為設(shè)定的常數(shù)； ③ 、限定突變加速B，其中w5為設(shè)定的常數(shù)，k<n-l，w5 >1; 根據(jù)上述條件截取的連續(xù)數(shù)據(jù)序列段獲得的EMD結(jié)果，根據(jù)此數(shù)據(jù)序列選定條件的滿 足度進(jìn)行評(píng)估，得到評(píng)估權(quán)重Q(〇~1 )，越滿足條件的評(píng)估權(quán)重越趨近1，如上次載重測(cè)量結(jié) 果為M?t_n，則本次EMD結(jié)果為MEm_n+l，其評(píng)估權(quán)重為Qn+l，則本次輸出為： M〇ut_n+l=M〇ut_n ? ( l-Qn+l)+MEMD_n+l * (Qn+l)〇
【文檔編號(hào)】G01G19/08GK105910692SQ201610442383
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年6月20日
【發(fā)明人】于國(guó)慶, 孟志永, 馬洪濤
【申請(qǐng)人】河北科技大學(xué)