车辆载重监控方法及装置与流程

本发明涉及数据处理技术领域，具体而言，涉及一种车辆载重监控方法及装置。

背景技术：

随着社会进步，公路运输业和商业贸易发展速度越来越快，各种运输车辆为了追求经济利益，超载行为日渐普遍。车辆超载不仅给行车安全带来隐患，同时也给道、桥、隧等交通设施造成了巨大压力。很多道路路面和桥梁因此使得设计寿命大大缩短。为了解决超载问题，相关部门往往采用突击检查的方式，对过往车辆进行停车称重，检测其是否超载。然而这种方式却并不能很好地解决货车超载问题，一方面，停车检测效率极低，很容易造成交通拥堵。另一方面，检查点需要配备大型称重设施，不易挪动，只能设在少数固定位置，违规车辆经常会绕行以躲避检查。

车辆动态测重的方式主要分为整车计量和轴重计量方式两种：传统的整车计量方式，需要比较大的秤台，这大大增加了工程造价和难度；轴重测量，即分别测出车辆各轴的轴重，再由称重系统计算出整车重量。

目前，车辆动态测重技术都是利用各种传感器组成一个较复杂的测重系统来进行，存在造价昂贵、只能定点布置，不能实时获取车重的问题。在没有记重传感器的路段，难以对车辆的实际荷载和路面的承载情况进行评估。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种车辆载重监控方法及装置，能够解决上述问题。

本发明提供的技术方案如下：

一种车辆载重监控方法，用于监控目标车辆的重量，所述目标车辆上配置有用于与卫星定位系统通讯的卫星接收机，该方法包括：

确定与目标车辆对应的目标卫星，计算所述目标卫星的速度和加速度；

计算所述目标车辆与所述目标卫星的距离，以及所述目标车辆相对于所述目标卫星的速度和加速度；

计算所述目标车辆的坐标，并根据所述目标车辆相对于所述目标卫星的速度和加速度，计算所述目标车辆相对于大地的速度和加速度；

根据所述目标车辆的相对于大地的速度、加速度和风阻，计算所述目标车辆的总重量。

进一步的，所述目标车辆包括多个驱动轮，根据所述目标车辆的速度、加速度和风阻，确定所述目标车辆的总重量的步骤包括：

分别计算所述目标车辆相邻两个目标时刻的加速度；

根据驱动轮的转动惯量、两个目标时刻的风阻数据、驱动轮的车轮半径，计算所述目标车辆的重量数据；

重复计算多次重量数据，取多个重量数据的平均值，作为所述目标车辆的总重量。

进一步的，计算所述目标车辆的重量数据采用以下公式：

其中，m为所述目标车辆的重量数据，i1、i2分别为两个目标时刻时驱动轮的转动惯量，fw1、fw2分别为两个目标时刻时的风阻数据，r为所述驱动轮的车轮半径，a1、a2分别为两个目标时刻所述目标车辆的加速度。

进一步的，该方法还包括：

预先确定所述目标车辆的空车重量，根据所述总重量及空车重量，计算所述目标车辆的载重量。

进一步的，计算所述目标车辆风阻数据采用以下公式：

式中fw是目标车辆的正面风阻力，cd是风阻系数，ρa是空气密度，s是目标车辆车头正投影面积，v为目标车辆的实时速度。

进一步的，该方法还包括：

将所述重量数据和所述目标车辆的位置信息通过通信网络发送至外部终端。

本发明还提供了一种车辆载重监控装置，用于监控目标车辆的重量，所述目标车辆上配置有用于与卫星定位系统通讯的卫星接收机，该车辆载重监控装置包括：

卫星参数计算模块，用于确定与目标车辆对应的目标卫星，计算所述目标卫星的速度和加速度；

第一计算模块，用于计算所述目标车辆与所述目标卫星的距离，以及所述目标车辆相对于所述目标卫星的速度和加速度；

第二计算模块，用于计算所述目标车辆的坐标，并根据所述目标车辆相对于所述目标卫星的速度和加速度，计算所述目标车辆相对于大地的速度和加速度；

重量计算模块，用于根据所述目标车辆相对于大地的速度、加速度和风阻，计算所述目标车辆的总重量。

进一步的，所述目标车辆包括多个驱动轮，所述重量计算模块根据所述目标车辆的速度、加速度和风阻，计算所述目标车辆的总重量的方法包括：

分别计算所述目标车辆相邻两个目标时刻的加速度；

根据驱动轮的转动惯量、两个目标时刻的风阻数据、驱动轮的车轮半径，计算所述目标车辆的重量数据；

重复计算多次重量数据，取多个重量数据的平均值，作为所述目标车辆的总重量。

进一步的，所述重量计算模块计算所述目标车辆的重量数据采用以下公式：

其中，m为所述目标车辆的重量数据，i1、i2分别为两个目标时刻时驱动轮的转动惯量，fw1、fw2分别为两个目标时刻时的风阻数据，r为所述驱动轮的车轮半径，a1、a2分别为两个目标时刻所述目标车辆的加速度。

进一步的，所述重量计算模块还用于预先确定所述目标车辆的空车重量，根据所述总重量及空车重量，计算所述目标车辆的载重量。

通过上述计算过程，利用卫星定位系统可以计算得到车辆的重量，可以实时的进行车辆重量的监控。不必使用地磅等检测工具，提高车辆载重的监测效率，使车辆载重的监测不受时间、地点的影响，为交通、道路、安全监管部门提供第一手的车辆载重情况资料。通过车辆载重的计算和监控，可以及时发现超重超载车辆，避免安全事故的发生，减小生命和财产损失。同时避免对道路交通安全的影响。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种车辆载重监控方法的流程示意图。

图2为本发明实施例提供的一种车辆载重监控方法的另一流程示意图。

图3为本发明实施例提供的一种车辆载重监控方法的另一流程示意图。

图4为本发明实施例提供的一种车辆载重监控装置的功能模块示意图。

图5为本发明实施例提供的一种电子终端的功能模块示意图。

图标：200-车辆载重监控装置；201-卫星参数计算模块；202-第一计算模块；203-第二计算模块；204-重量计算模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本申请实施例提供了一种车辆载重监控方法，用于监控目标车辆的重量，所述目标车辆上配置有卫星接收机，通过卫星定位系统实现对目标车辆的重量检测。在本申请实施例中，可以利用北斗卫星定位系统，也可以利用其它卫星定位系统。如图1所示，该方法包括以下步骤。

步骤s101，确定与目标车辆对应的目标卫星，计算所述目标卫星的速度和加速度。

目标车辆上可以配置有至少一个卫星接收机，通过卫星接收机可以接收卫星定位系统的定位信号，卫星接收机可以接收卫星定位系统的广播星历和精密星历。在进行目标车辆的重量计算前，需要先确定与该目标车辆对应的目标卫星，实际上就是将目标车辆上配置的卫星接收机能够接收到信号的多为卫星中至少一个确定为目标卫星。

在确定了对应的目标卫星后，可以根据该目标卫星的广播星历和精密星历计算得到该目标卫星的速度和加速度。在本申请实施例中，目标卫星的速度和加速度可以是以大地作为参照系。卫星可以作为高空动态已知点。数据处理时，可取广播星历和精密星历进行计算。

把对卫星坐标进行一阶中心差分作为卫星的速度的近似值，二阶中心差分作为卫星的加速度的近似值。可以采用以下公式计算目标卫星的速度和加速度。

通过公式(1)和(2)可以计算得到目标卫星的速度和加速度。

步骤s102，计算所述目标车辆与所述目标卫星的距离，以及所述目标车辆相对于所述目标卫星的速度和加速度。

卫星相对于卫星接收机的距离简称为卫地距，ρ＝λφ，其中，假设各种误差经差分处理后近似为零，伪距ρ近似等于卫地距。伪距变化率可以采用以下公式计算。

目标车辆相对于卫星的加速度可以采用以下公式计算。

式中，λ为波长，φ为载波相位观测值。

通过上述公式可以计算得到目标卫星的速度和加速度。

步骤s103，计算所述目标车辆的坐标，并根据所述目标车辆相对于所述目标卫星的速度和加速度，计算所述目标车辆相对于大地的速度和加速度。

目标车辆的速度可以采用以下公式计算。

其中，i＝1,2,3,λ,n。

目标车辆的加速度可以采用以下公式计算。

其中，i＝1,2,3,λ,n

上述公式中为伪距变化率对时间的导数；为计算得到的目标卫星的速度；为计算得到的卫星的加速度；(x^&,y^&,z^&)为目标车辆的三维速度；(x^&&,y^&&,z^&&)为待求的目标车辆的三维加速度；为待求目标车辆的钟速的变化率。具体计算方法可以采用以下公式。

令：

上式可表示为：

令伪距观测值与计算值之差平方和最小，利用最小二乘法确定用户坐标，最后可得:

通过上述公式可以计算得到目标车辆的速度和加速度。

步骤s104，根据所述目标车辆的速度、加速度和风阻，计算所述目标车辆的总重量。

车辆在行驶时，所要克服的阻力有机件损耗阻力、轮胎产生的滚动阻力(一般也称做路阻)及空气阻力。随着车辆行驶速度的增加，空气阻力也逐渐成为最主要的行车阻力，在时速200km/h以上时，空气阻力几乎占所有行车阻力的85％。

一般车辆在前进时，所受到风的阻力大多来自前方。除非侧面风速特别大，不然侧风不会对车辆产生太大影响，即使存在侧风，也可通过方向盘来修正。风阻对汽车性能的影响甚大。根据测试，当一辆轿车以80公里/时前进时，有60％的耗油是用来克服风阻的。风阻系数cd是衡量一辆汽车受空气阻力影响大小的一个标准。风阻系数越小，说明它受空气阻力影响越小，反之亦然。

汽车出厂前均会经过风洞实验，通过该实验可以获取该车型的风阻系数，目标车辆风阻大小可以采用以下计算公式计算。

式中fw是目标车辆的正面风阻力，cd是目标车辆的风阻系数，ρa是空气密度，s是目标车辆的车头正投影面积，v为目标车辆的实时速度。

详细的，如图2所示，所述目标车辆包括多个驱动轮，根据所述目标车辆的速度、加速度和风阻，计算所述目标车辆的总重量的步骤包括以下子步骤。

子步骤s1041，分别计算所述目标车辆相邻两个目标时刻的加速度。

通过前述公式可以计算两个目标时刻时的目标车辆的加速度。可以选择间隔较近的两个时刻作为目标时刻。两个目标时刻的加速度可以采用上述计算公式计算得到。两个目标时刻前后接近，并且相隔较短，在相隔较短的两个时刻可以将车辆的驱动力认为是恒定不变的。

子步骤s1042，根据所述驱动轮的转动惯量、两个目标时刻的风阻数据、驱动轮的车轮半径，计算所述目标车辆的重量数据。

目标车辆驱动轮的转动惯量、车轮半径可以根据车辆的具体型号获得，风阻数据也可以根据前述风阻的计算公式计算得到。目标车辆的重量数据可以采用以下公式计算。

其中，m为所述目标车辆的重量数据，i1、i2分别为两个目标时刻时驱动轮的转动惯量，分别为两个时刻时的风阻数据，r为所述驱动轮的车轮半径，a1、a2分别为两个目标时刻所述目标车辆的加速度。

子步骤s1043，重复计算多个重量数据，取多个重量数据的平均值，作为所述目标车辆的总重量。

通过上述计算公式，可以计算得到目标车辆的总重量。计算得到的数据是包含目标车辆自重和装载的货物或人员的总重量。可以计算两个目标时刻之间的多个重量数据。通过多次计算，取多次计算的平均值，作为目标车辆的总重量。具体计算的次数可以根据实际需要确定。取平均数的过程中，可以将明显偏离正常范围的数值作为误差剔除。或者可以针对不同的目标车辆预先设定一阈值，将超过阈值的数值移除。

本申请实施例提供的计算方法不仅可以用于监控货运车辆的载重情况，也可以对客运车辆的载重进行监控。

通过上述计算过程，利用卫星定位系统可以计算得到车辆的重量，可以实时的进行车辆重量的监控。不必使用地磅等检测工具，提高车辆载重的监测效率，使车辆载重的监测不受时间、地点的影响，为交通、道路、安全监管部门提供第一手的车辆载重情况资料。通过车辆载重的计算和监控，可以及时发现超重超载车辆，避免安全事故的发生，减小生命和财产损失。同时避免对道路交通安全的影响。

下面论述重量数据计算公式的推导过程。

汽车可以包括驱动轮和从动轮，汽车之所以能够行驶，是因为汽车发动机产生的扭矩，经传动系统传至驱动轮上。我们以车辆向前行驶为例，作用于驱动轮上的扭矩mt使驱动轮转动，由于驱动轮相对于地面有向后运动的趋势，因此地面给驱动轮一个向前的静摩擦力f1，使驱动轮得以向前滚动。驱动轮向前滚动就会以推力t1推动车身向前运动，而车身又会以推力t2推动从动轮向前滚动。从动轮就会受到方向向后的静摩擦力f1,f2的方向可以这样理解，假如地面光滑，则从动轮在车身推力作用下，就会向前滑动的，所以f2的方向向后。

下面进行驱动轮在加速过程中的受力分析。

设i1表示驱动轮的转动惯量，t1表示车身对驱动轮的推力，f1表示地面对驱动轮的静摩擦力，a表示汽车的加速度，β表示车轮的角加速度。并设驱动轮的质量为m1，车轮的半径为r。

根据驱动轮的受力情况可以得到以下公式。

f1-t1＝m1a(15)

根据驱动轮受到的力矩情况可以得到以下公式。

mt-f1·r＝i1·β(16)

当驱动轮做无滑滚动时，可以得到以下公式。

由(15)、(16)、(17)可得：

下面进行从动轮在加速过程中的受力分析。

与驱动轮的受力分析同理，根据从动轮的受力情况可以得到以下公式。

f2-t2＝m2a(19)

根据从动轮受到的力矩情况可以得到以下公式。

f2·r＝i2·β(20)

由(17)、(19)、(20)式可得：

下面进行车身在加速过程中的受力分析及汽车的平动加速度与驱动力ft的关系。

若令m1+m2+m＝m，即m表示汽车的总重量，车身的质量为m，车辆所受风阻力为fw。车身受到驱动轮对它的反作用力t1'，其大小为t1，和从动轮对它的反作用力t2'，其大小为t2，并受到车身的自身重力以及驱动轮和从动轮的轮轴对车身的支持力。由于车身只有平动，则可得到：

t1'-t2'-fw＝ma，即t1-t2-fw＝ma(22)

把(18)、(21)式代入(22)式得到：

即：

在汽车理论中称为汽车的驱动力，用ft表示，则上式为：

根据上述分析，在精度要求不高的前提下，可以利用卫星定位系统测定行车的速度、加速度，进而初步估算车辆总重量。通过前述计算方法测定某载重卡车在时刻i的加速度ai。选择两个目标时刻的加速度a1,a2，在极短的时间段内，有理由认为车辆的驱动力是恒定不变的，即两个目标时刻的ft是相等的。根据公式(25)，有以下推导。

将两个目标时刻的加速度分别代入上式，在两个目标时刻驱动力相等的情况下，可以得到以下公式。

通过公式(26)就可以得到车辆的总重量，即为前述公式(14)。

在一种具体实施方式中，如图3所示，该方法还可以包括以下步骤。

步骤s105，预先确定所述目标车辆的空车重量，根据所述总重量及空车重量，计算所述目标车辆的载重量。

目标车辆的空车重量可以在车辆出厂时确定，通过前述计算得到的总重量减去空车总量，即可得到车辆的载重重量。通过计算得到的载重重量即可判断确定目标车辆是否正常或超载。可以方便监管部门进行车辆载重的监管。

步骤s106，将所述重量数据和所述目标车辆的位置信息通过通信网络发送至外部终端。

在通过前述计算方法计算得到目标车辆的重量数据后，可以将重量数据和位置信息通过通信网络发送出去。远程服务器可以接收相关数据即可知晓该目标车辆的载重情况以及具体位置。如果车辆存在超载情况，监管部门可以根据位置信息及时对目标车辆进行定位，及时纠正超载行为。避免车辆驾驶员对违法行为进行躲避，实现有效的安全监管。

本申请实施例还提供了一种车辆载重监控装置，本实施例中的车辆载重监控装置的各个模块、单元及子单元用于执行上述方法实施例中的各个步骤，如图4所示，该车辆载重监控装置包括卫星参数计算模块、第一计算模块、第二计算模块和重量计算模块。

卫星参数计算模块，用于确定与目标车辆对应的目标卫星，计算所述目标卫星的速度和加速度。

第一计算模块，用于计算所述目标车辆与所述目标卫星的距离，以及所述目标车辆相对于所述目标卫星的速度和加速度。

第二计算模块，用于计算所述目标车辆的坐标，并根据所述目标车辆相对于所述目标卫星的速度和加速度，计算所述目标车辆相对于大地的速度和加速度。

重量计算模块，用于根据所述目标车辆相对于大地的速度、加速度和风阻，计算所述目标车辆的总重量。

所述目标车辆包括多个驱动轮，所述重量计算模块根据所述目标车辆的速度、加速度和风阻，计算所述目标车辆的总重量的方法包括：

分别计算所述目标车辆相邻两个目标时刻的加速度；

根据驱动轮的转动惯量、两个目标时刻的风阻数据、驱动轮的车轮半径，计算所述目标车辆的重量数据；

重复计算多次重量数据，取多个重量数据的平均值，作为所述目标车辆的总重量。

所述重量计算模块计算所述目标车辆的重量数据采用以下公式：

其中，m为所述目标车辆的重量数据，i1、i2分别为两个目标时刻时驱动轮的转动惯量，fw1、fw2分别为两个目标时刻时的风阻数据，r为所述驱动轮的车轮半径，a1、a2分别为两个目标时刻所述目标车辆的加速度。

所述重量计算模块还用于预先确定所述目标车辆的空车重量，根据所述总重量及空车重量，计算所述目标车辆的载重量。

如图5所示，是本申请实施例提供的一电子终端100的方框示意图。所述电子终端100包括车辆装置110、存储器111、存储控制器112、处理器113、外设接口114、输入输出单元115、显示单元116。本领域普通技术人员可以理解，图5所示的结构仅为示意，其并不对电子终端100的结构造成限定。例如，电子终端100还可包括比图5中所示更多或者更少的组件，或者具有与图1所示不同的配置。本实施例所述的电子终端100可以是个人电脑(personalcomputer，pc)、平板电脑、智能手机、个人数字助理(personaldigitalassistant，pda)等。

所述存储器111、存储控制器112、处理器113、外设接口114、输入输出单元115及显示单元116各元件相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。所述车辆载重监控装置110包括至少一个可以软件或固件(firmware)的形式存储于所述存储器111中或固化在所述电子终端100的操作系统(operatingsystem，os)中的软件功能模块。所述处理器113用于执行存储器中存储的可执行模块，例如所述车辆载重监控装置110包括的软件功能模块或计算机程序。

其中，所述存储器111可以是，但不限于，随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)，只读存储器(readonlymemory，rom)，可编程只读存储器(programmableread-onlymemory，prom)，可擦除只读存储器(erasableprogrammableread-onlymemory，eprom)，电可擦除只读存储器(electricerasableprogrammableread-onlymemory，eeprom)等。其中，存储器111用于存储程序，所述处理器113在接收到执行指令后，执行所述程序，本发明实施例任一实施例揭示的过程定义的电子终端100所执行的方法可以应用于处理器113中，或者由处理器113实现。

所述处理器113可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的处理器113可以是通用处理器，包括中央处理器(centralprocessingunit，简称cpu)、网络处理器(networkprocessor，简称np)等；还可以是数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述外设接口114将各种输入/输入装置耦合至处理器113以及存储器111。在一些实施例中，外设接口114，处理器113以及存储控制器112可以在单个芯片中实现。在其他一些实例中，他们可以分别由独立的芯片实现。

所述输入输出单元115用于提供给用户输入数据。所述输入输出单元115可以是，但不限于，鼠标和键盘等。

所述显示单元116在所述电子终端100与用户之间提供一个交互界面(例如用户操作界面)或用于显示图像数据给用户参考。在本实施例中，所述显示单元可以是液晶显示器或触控显示器。若为触控显示器，其可为支持单点和多点触控操作的电容式触控屏或电阻式触控屏等。支持单点和多点触控操作是指触控显示器能感应到来自该触控显示器上一个或多个位置处同时产生的触控操作，并将该感应到的触控操作交由处理器进行计算和处理。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。