对动态车辆进行测重的方法和动态车辆测重系统

摘要

本发明提供了一种对动态车辆进行测重的方法和动态车辆测重系统，方法包括如下步骤：构建包括了多个与不同的车速一一对应的线性拟合方程的方程集合；获取某车辆的平均车速以及该车辆在通过某段水平距离时产生的水平方向力和竖直方向力，并计算出合力；在方程集合中获取与平均车速相对应的用于表示重量和合力的线性关系的线性拟合方程，根据合力计算出车辆的重量；系统包括：路基、测重装置、存储器和处理器；本发明在测定车辆的重量时计算了车辆水平冲击而产生的水平方向力，解决了高速通行的车辆因造成较大的水平冲击而导致测量结果不准确的问题，能够满足对车辆进行精准测重的要求。

说明书

技术领域

本发明属于车辆测重技术领域，涉及一种对动态车辆进行测重的方法和动态车辆测重系统。

背景技术

车辆运输是人们日常生活中常见的运输方式，但是车辆的非法超载现象时有发生，可能危及道路上其它车辆或行人的人身或财产安全，因此，有必要对道路上行驶的车辆进行测重，以便监控其是否超载。

目前常用的车辆测重方法有两种：静态称重法和动态称重法。静态称重法是将车辆完全停放在称台上进行称重，虽然称重结果准确，但是称重效率较低，不能满足高通行效率的要求。动态称重法是指车辆在通过称重台时进行实时称重。由于其一般要求车辆以低速(20km/h以下)通过称重台，因而对通行效率的提升有限。若车辆以高速通过称重台，则会产生较大的水平冲击，使该动态称重法的称量结果不太准确，无法满足精确称重的要求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的第一个目的在于提供一种对动态行驶中的车辆进行精确测重的方法。

本发明的第二个目的在于提供一种能够实现上述方法的动态车辆测重系统。

本发明的第三个目的在于提供一种采用上述的动态车辆测重系统对车辆进行精确测重的方法。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

<对动态车辆进行测重的方法>

一种对动态车辆进行测重的方法，其包括如下步骤：

(1)、构建包括了多个与不同的车速一一对应的线性拟合方程的方程集合；

(2)、测定一车辆通过特定距离的平均车速V_x以及在经过位于该特定距离上的减速带时所产生的水平方向力F_hx和竖直方向力F_vy，并计算出合力

(3)、在方程集合中获取与平均车速V_x相对应的线性拟合方程W_x＝a_x×F_xy+b_x，根据合力F_xy的值计算出车辆的重量W_x。

其中，在步骤(1)中，方程集合的构建方法包括如下步骤：

(1)、使重量为W₁、W₂、W₃、……、W_m‐2、W_m‐1和W_m的m个车辆分别以n个恒定的车速V₁、V₂、V₃、……、V_n‐2、V_n‐1和V_n通过特定距离(优选为特定水平距离)，分别获取m个车辆以n个车速行驶时所产生的水平方向力F_h和竖直方向力F_v，并分别计算出m×n个合力

(2)、以与某一车速V对应的m个合力F的值为横坐标，m个重量W的值为纵坐标，对m个重量W和m个合力F的关系进行线性拟合，得到与该车速V一一对应的线性拟合方程W＝aF+b，n个车速得到n个呈一一对应关系的线性拟合方程并组成方程集合；

其中，m和n均为大于3的自然数；V可以为V₁、V₂、V₃、……、V_n‐2、V_n‐1和V_n中的任意一个。

在本发明的优选实施例中，V₁至V_n可以取值如下：V₁＝5km/h，V_n＝50km/h，V₁<V₂<V₃<……<V_n‐2<V_n‐1<V_n。

在本发明的优选实施例中，W₁至W_n可以取值如下：W₁＝1000kg，W_m＝50000kg，W₁<W₂<W₃<……<W_m‐2<W_m‐1<W_m。

<动态车辆测重系统>

一种动态车辆测重系统，其包括：路基、设置于路基的基坑内的测重装置、至少对包括了多个与不同的车速一一对应的线性拟合方程的方程集合进行存储的存储器和处理器。

其中，测重装置包括：上表面与路基的上表面共平面的水平台、与车辆的行驶方向垂直的竖直台、至少一个用于获取竖直台的水平方向力的水平向传感器和至少一对用于获取水平台的竖直方向力的竖直向传感器；每对竖直向传感器中的两个竖直向传感器分别设于竖直台的两侧；竖直方向力为每个竖直向传感器所获得的测定值的平均值。

处理器根据每对竖直向传感器中的两个竖直向传感器的间距和这两个竖直向传感器所获得的测定值的时间差计算出平均车速，根据水平方向力和竖直方向力计算出合力，从方程集合中获取与平均车速相对应的线性拟合方程并根据该线性拟合方程所显示的合力和重量的对应关系计算出车辆的重量。

在本发明的优选实施例中，水平台和竖直台的截面可以均为矩形。

在本发明的优选实施例中，水平台与竖直台形成横截面为T型的结构；

在本发明的优选实施例中，水平台和竖直台通过焊接相连。

在本发明的优选实施例中，测定值为当车辆通过水平台时每个竖直向传感器按照一定频率所获取到的受力数据的峰值。

在本发明的优选实施例中，水平方向力为当车辆通过水平台时水平向传感器按照特定频率所获取到的受力数据的峰值。

在本发明的优选实施例中，测重装置还包括设于水平台的上表面的减速带；

在本发明的优选实施例中，减速带的截面可以为梯形或半圆形。

<使用动态车辆测重系统对车辆进行测重的方法>

一种使用动态车辆测重系统对车辆进行测重的方法，其包括如下步骤：

(1)、使一车辆通过测重装置，水平向传感器测定车辆在通过测重装置时对竖直台施加的水平方向力F_hx，每对竖直向传感器测定车辆在通过测重装置时对水平台施加的竖直方向力F_vy并记录该对竖直向传感器中的两个竖直向传感器所获得的测定值的时间差；

(2)、处理器根据上述每对竖直向传感器中两个的竖直向传感器间距和时间差计算出平均车速，根据水平方向力F_hx和竖直方向力F_vy计算出合力

(3)、处理器从存储器中存储的包括了多个与不同的车速一一对应的线性拟合方程的方程集合中获取与平均车速V_x相对应的线性拟合方程W_x＝a_xF_x+b_x，根据合力F_x计算出车辆的重量W_x。

其中，在步骤(3)中，方程集合的构建方法包括如下步骤：

(1)、重量为W₁、W₂、W₃、……、W_m‐2、W_m‐1和W_m的m个车辆分别以n个恒定的车速V₁、V₂、V₃、……、V_n‐2、V_n‐1和V_n通过测重装置的水平台，采用水平向传感器分别获取m个车辆以n个车速通过水平台时所产生的水平方向力F_h，采用竖直向传感器分别获取m个的车辆以n个车速通过水平台时所产生的竖直方向力F_v，并分别计算出m×n个合力

(2)、处理器以与某一车速V对应的m个合力F的值为横坐标，m个重量W的值为纵坐标，对m个重量W和m个合力F的关系进行线性拟合，得到与该车速V一一对应的线性拟合方程W＝aF+b，并将由n个车速得到的n个与车速呈一一对应关系的线性拟合方程所组成的方程集合存储至存储器中；

其中，在步骤(1)中，m和n均为大于3的自然数；V为V₁、V₂、V₃、……、V_n‐2、V_n‐1和V_n中的任意一个；W为W₁、W₂、W₃、……、W_n‐2、W_n‐1和W_n中的任意一个。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：

首先，本发明在测定车辆的重量时计算了车辆水平冲击而产生的水平方向力，解决了高速通行的车辆因造成较大的水平冲击而导致测量结果不准确的问题，能够满足对车辆进行精准测重的要求。

其次，本发明构建了包括多个与不同的车速一一对应的线性拟合方程的方程集合，从而针对以不同速度行驶的不同车辆，均能确定其重量，因此，本发明的方法不仅测量范围广，而且测量准确。

附图说明

图1为本发明的车辆的受力示意图。

图2为本发明的其中一个线性拟合方程的拟合曲线示意图。

图3为本发明的动态车辆测重系统的结构示意图。

图4为本发明的动态车辆测重系统的结构框图。

图5为本发明的水平向传感器的结构框图。

图6为本发明的竖直向传感器的结构框图。

附图标记

测量平面1、水平台2、竖直台3、后路基4、水平向传感器5、竖直向传感器6、减速带7、前路基8、动态车辆测重系统10、测重装置11、存储器13、处理器14、来车区域15、去车区域16、显示器17、数据采集器18、转换器19、数据采集器20、转换器21。

具体实施方式

本发明提供了一种对动态行驶中的车辆的进行测重的方法以及能够实现该方法的动态车辆测重系统。

<对动态车辆进行测重的方法>

一种对动态车辆的进行测重的方法，其包括如下步骤：

(1)、构建方程集合：

本发明的方程集合为多个线性拟合方程的集合，每个线性拟合方程W＝aF+b均能够表征在特定的车速V下不同车辆的重量W与这些车辆在通过某一段特定距离(例如测重装置的跨度，优选为特定水平距离)时产生的合力F的线性关系，故每个线性拟合方程W＝aF+b与不同的车速V之间存在一一对应关系，其对应关系表如表1所示。因此，方程集合包括了多个线性拟合方程以及其与车速之间的一一对应关系。

表1车速与线性拟合方程的对应关系表

如表1所示，针对任一车辆的每一个车速V_x，均有一个特定的线性拟合方程W_x＝a_x×F_xy+b_x与其对应。经过线性拟合之后，该线性拟合方程的参数a_x和参数b_x是已知常数并且与车速V_x一一对应，因此，只要获得车辆的车速V_x以及以该车速V_x通过特定的距离时产生的合力F_xy便可获得该车辆的重量W_x。表1中的x可以指代1至n(为大于3的自然数)中的任意一个数值。

如图1所示，当行驶在测量平面1的车辆按照λ的行驶方向以V_x的车速经过减速带7后，会对测量平面1产生一个水平方向力F_hx和一个竖直方向力F_vy，这两个力会产生一个合力当测量出水平方向力F_hx和竖直方向力F_vy后，便可计算出合力F_xy，然后再从方程集合中找到与该车速V_x相对应的线性拟合方程W_x＝a_x×F_xy+b_x，便可计算出车辆的重量W_x。图1中的用于指示水平方向力F_hx和竖直方向力F_vy的箭头仅表示力的方向，不表示力的大小。车辆若不经过减速带，同样会产生水平方向力和一个竖直方向力。

方程集合的构建方法包括如下步骤：

<1>、使重量为W₁、W₂、W₃、……、W_y、……、W_m‐2、W_m‐1和W_m的m个车辆分别以n个恒定的车速V₁、V₂、V₃、……、V_x、……、V_n‐2、V_n‐1和V_n通过特定距离，分别获取m个车辆以n个车速通过该特定距离时所产生的水平方向力F_h和竖直方向力F_v，并分别计算出合力每种情况下车速、重量和合力的对应关系表如表2所示；

<2>、如图2所示，以与某一车速V的m个合力F的值为横坐标，m个重量W的值为纵坐标，对该车速V的m个重量W和m个合力F的关系进行线性拟合，得到与该车速V一一对应的线性拟合方程W＝aF+b，n个车速V得到n个与之一一对应的线性拟合方程，n个线性拟合方程以及其与车速之间的一一对应关系构成了方程集合(即表1)；

其中，在步骤<1>中，m和n均为大于3的自然数；V为V₁、V₂、V₃、……、V_n‐2、V_n‐1和V_n中的任意一个。W可以为W₁、W₂、W₃、……、W_n‐2、W_n‐1和W_n中的任意一个。

表2车速、重量和合力的对应关系表

(2)、测量车速和计算合力；

测定某一车辆通过特定距离时的平均车速V_x以及所产生的水平方向力F_hx和竖直方向力F_vy，并计算出合力

其中，平均车度V_x可以直接通过测速装置测得，也可以通过计算获得。

(3)、计算车辆重量；

根据获得的平均车速V_x，从表1所示的方程集合中获取与该车速V_x一一对应的线性拟合方程W_x＝a_xF_xy+b_x，根据步骤(2)计算出的合力F_xy的值计算出车辆的重量W_x，由此便完成一次对动态行驶的车辆重量的测量工作。

在本发明的优选实施例中，V₁可以为5km/h，V_n可以为50km/h，表2中各车速的关系可以为V₁<V₂<V₃<……<V_n‐2<V_n‐1<V_n，因此，本发明的方法可以实现对在5km/h至50km/h范围内行驶的车辆的测重。

在本发明的其它优选实施例中，W₁可以为1000kg，W_m可以为50000kg，表2中各重量的关系可以为W₁<W₂<W₃<……<W_m‐2<W_m‐1<W_m。因此，本发明的方法可以实现对预估车重在1000kg至50000kg范围内的车辆的测重。

在本发明的方程集合中，若速度V的数量n越多，那么测量结果越准确。在本发明的优选实施例中，n的值可以为10。

<动态车辆测重系统>

如图3和图4所示，本发明的动态车辆测重系统10，其包括：路基、测重装置11、存储器13、处理器14以及显示器17等。

路基的中间设有用于容纳测重装置11的基坑，该基坑将路基分为前路基8和后路基4两部分。待测车辆从前路基8驶入，经过测重装置11，从后路基4驶出。

测重装置11设于路基的基坑内，包括水平台2、竖直台3、减速带7、至少一个水平向传感器5和至少一对竖直向传感器6。

水平台2的上表面与前路基8和后路基4的上表面共平面。水平台在行驶方向上长度为0.8米，大于轮胎与路面的接触面。

竖直台3的上表面固定在水平台2的下表面上并且其下表面固定在基坑的底面上。水平台2和竖直台3的横截面均为矩形，因此，二者形成横截面为T型的结构。水平台2和竖直台3可以通过焊接相连。竖直台3所在的平面应与车辆的行驶方向λ相垂直，并且与水平台2所在的平面相垂直，因此，竖直台3所在的平面可以将水平台2分为来车区域15和去车区域16。来车区域15位于车辆行驶方向λ的上游，去车区域16位于车辆行驶方向λ的下游。

减速带7设于水平台2的上表面上，并且其长轴方向与车辆的行驶方向λ相垂直。减速带7优选为设于水平台2上表面的来车区域15。减速带7的截面可以为梯形或者半圆形。一方面，减速带7能够增大车辆在通过测重装置11时产生的竖直方向力，以降低测量误差。另一方面，因为现有的称重台的台面与路面共平面，由于车辆振动、路面特性和安装精度等因素影响，车辆高速过称重台时，轮胎难以全程接触称重台的台面，并且速度越高，轮胎与台面的接触时间就具有越多的不确定性。本发明的水平台2的台面上固定有减速带，能够使轮胎与台面的接触时间较为确定，从而更有助于提高测量精度。然而，根据具体情况，也可以不设置减速带7。

水平向传感器5设于水平台2的去车区域16的下方并且与竖直台3相接触，用于获取车辆经过测重装置11的水平台2时对竖直台3施加的水平方向力，并将其发送至存储器13进行存储。

如图5所示，水平向传感器5可以包括数据采集器18和转换器19。数据采集器18以特定的频率不断采集竖直台3的受力数据，转换器19将受力数据转化为图形数据，其为8通道24位AD转换器，采样速度20000次/秒，采用FPGA进行高速采集和缓存。因为在车辆经过测重装置11的水平台2时，竖直台3的受力情况是不断变化的，数据采集器18所采集到的受力数据也是不断变化的，当车辆最终离开测重装置11的水平台2时，转换器19所形成的图形数据呈波形，取与该波形的峰值对应的受力数据作为该水平向传感器5所获取的水平方向力。当水平向传感器5的数量为两个以上时，取所有的水平向传感器5的与各自的波形的峰值对应的受力数据的平均值作为水平方向力。

在本发明的优选实施例中，水平向传感器可以包括悬臂梁式传感器SBT‐A‐15t，其量程为15000千克力，满量程输出信号2mV/V。

竖直向传感器6的顶面与水平台2的下表面相接触，其底面固定在基坑的上底面上，从而向上支撑水平台2，其用于获取车辆在经过测重装置11的水平台2时对水平台2施加的竖直方向力，并将其发送至存储器13进行存储。竖直向传感器6成对设置，每对竖直向传感器6分别设于竖直台3的两侧。若竖直向传感器6的数量为两对以上，则不同对竖直向传感器6的两个竖直向传感器6的间距是相等的。

如图6所示，竖直向传感器6也包括数据采集器20和转换器21。数据采集器20以一定的频率不断采集水平台2的受力数据和受力时间，转换器21将受力数据转化为图形数据。因为在车辆经过测重装置11的水平台2时，该水平台2的不同位置的受力情况是不断变化的，数据采集器20所采集到的受力数据也是不断变化的，当车辆最终离开测重装置11时，转换器21所形成的图形数据呈波形。成对的两个竖直向传感器6中每个竖直向传感器6均可获得一个波形，取与每个波形的峰值对应的受力数据作为每个竖直向传感器6的测定值，取成对的每个竖直向传感器6的测定值的平均值作为竖直方向力。当竖直向传感器6的数量为两对以上时，取所有的竖直向传感器6的测定值的平均值作为竖直方向力。

竖直向传感器6在采集水平台2的受力数据的同时也会记录每个受力数据相对应的时间。因为成对的竖直向传感器6中的两个竖直向传感器6分别位于竖直台3的两侧，所以这两个竖直向传感器6所获取的测定值的时间是不一样的，有一个时间差Δt，成对的竖直向传感器6中的两个竖直向传感器6的间距L是已知的，故可由此计算出车辆的平均车速V＝L/Δt。当然，也可以设置测速装置来直接测出车辆的平均车速。

在本发明的优选实施例中，竖直向传感器可以包括悬臂梁式传感器SBT‐A‐15t，其量程为15000千克力，满量程输出信号2mV/V。

存储器13用于暂时存储或永久存储各种数据，例如：水平向传感器5所获得的水平方向力、竖直向传感器6所获得的竖直方向力、根据上述的水平方向力和竖直方向力所计算出来的合力以及包括了多个线性拟合方程以及其与车速之间的一一对应关系的方程集合。

处理器14用于对存储器13中存储的相关数据按照一定的计算方法进行计算，并将计算结果发送给显示器17进行显示或将计算结果发送至数据远传接口，以便让观测者了解计算结果，从而采取相应的应对措施。

处理器14可以根据每对竖直向传感器的间距L和每对竖直向传感器6所获得的测定值的时间差Δt计算出车速V。

处理器14也可以从存储器13中获取来自于水平向传感器5的水平方向力和来自于竖直向传感器6的竖直方向力并计算出合力。

处理器14还可以从存储器13中获取与车速对应的线性拟合方程并根据该线性拟合方程所显示的合力和重量的对应关系计算出车辆的重量。

在本发明的优选实施例中，处理器14可以为单片机stm32f407。

<动态车辆测重系统的使用方法>

本发明提供了一种使用上述的动态车辆测重系统对车辆进行测重的方法，其包括如下步骤：

(1)、使一车辆通过测重装置11，水平向传感器5测定该车辆在通过测重装置11的水平台2时对竖直台3施加的水平方向力F_hx，并将其发送至存储器13进行存储；与此同时，每对竖直向传感器6测定该车辆在通过测重装置11时对水平台2施加的竖直方向力F_vy，并将其发送至存储器13进行存储，同时记录该对竖直向传感器所获得的测定值的时间差；

(2)、处理器14根据上述每对竖直向传感器6中两个的竖直向传感器6的间距和时间差计算出平均车速，并从存储器13中获取相应的水平方向力F_hx和竖直方向力F_vy，然后计算出合力

(3)、处理器14从存储器13中存储的包括了多个与不同的车速一一对应的线性拟合方程的方程集合中获取与平均车速V_x相对应的线性拟合方程W_x＝a_xF_x+b_x，根据合力F_x的值计算出车辆的重量W_x，并将重量W_x发送给显示器17进行显示或发送至数据远传接口。

其中，在步骤(3)中，需要事先构建与不同车速对应的线性拟合方程并形成方程集合，然后将其事先存储在存储器13中，以便于处理器14根据测得的某种车速找到与之对应的线性拟合方程。

方程集合的构建方法包括如下步骤：

(1)、使重量为W₁、W₂、W₃、……、W_m‐2、W_m‐1和W_m的m个车辆分别以n个恒定的车速V₁、V₂、V₃、……、V_n‐2、V_n‐1和V_n通过测重装置的水平台，采用水平向传感器分别获取m个车辆以n个车速通过该水平台后所产生的水平方向力F_h，采用竖直向传感器分别获取m个的车辆以n个车速通过该水平台后所产生的竖直方向力F_v，并分别计算出m×n个合力以形成对应关系表。如表3所示，该对应关系表显示了重量‐车速‐合力‐线性拟合方程的对应关系，)，并将该表存储于存储器13中；

(2)、处理器14以某一车速V的m个合力F的值为横坐标，以该车速V的m个重量W的值为纵坐标，对该车速V时m个重量W和m个合力F的关系进行线性拟合，得到与该车速一一对应的线性拟合方程W＝aF+b，并将n个与每个车速一一对应的线性拟合方程存储至存储器13的表3(显示重量‐车速‐合力‐线性拟合方程的对应关系)中。

表3对应关系表

其中，在步骤(1)中，m和n均为大于3的自然数；V为V₁、V₂、V₃、……、V_n‐2、V_n‐1和V_n中的任意一个。W为W₁、W₂、W₃、……、W_n‐2、W_n‐1和W_n中的任意一个。

本发明称重精度高，装置结构简单，可以获取动态过车高精度重量，在高速公路、桥梁入口处超载监测等领域具有广阔的应用前景。

实施例

本实施例提供了一种对动态行驶的车辆进行测重的方法以及动态车辆测重系统。该动态车辆测重系统包括1个水平向传感器和2对竖直向传感器。每对竖直向传感器中的两个竖直向传感器分别设置于水平台的左下端和右下端。

其采用了10个车速V和3个车重W来构建方程集合，该方程集合如表4所示。

表4实施例的方程集合

本实施例的动态车辆测重系统

本实施例的对动态行驶的车辆进行测重的方法包括如下步骤：

(1)、使一车辆通过测重装置11，水平向传感器5测定该车辆在通过测重装置11时对竖直台3施加的水平方向力F_hx，并将其发送至存储器13进行存储；与此同时，每对竖直向传感器6测定该车辆在通过测重装置11时对水平台2施加的竖直方向力F_vy，并将其发送至存储器13进行存储，同时记录该对竖直向传感器所获得的测定值的时间差；

(2)、处理器14根据上述每对竖直向传感器6的间距和时间差计算出车速(假设车速为35km/h)，并从存储器13中获取相应的水平方向力F_hx和竖直方向力F_vy，然后计算出合力

(3)、处理器14从存储器13中存储的包括了多个与不同的车速一一对应的线性拟合方程的方程集合中获取与车速V_x(35km/h)相对应的线性拟合方程W₇＝a₇×F_x+b₇，根据合力F_x的值计算出车辆的重量W₇，并将重量W₇发送给显示器17进行显示。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。