专利名称：：货车偏载动态检测方法及报警系统的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种汽车安全监控方法及设备，特别是关于一种货车偏载动态检测方法及报警系统。
背景技术：
：汽车在运输过程中，由于货物装载状态不良，导致运输过程中产生偏载，司乘人员未能及时察觉，从而诱发交通事故。货车偏载是目前导致交通事故的重要原因，为此，治理超载、防止偏载是预防交通事故的重要措施。现有支撑技术主要是利用称重仪测量轮重的方式以测量车辆的载荷，也可以据此来了解车辆偏载情况，但该技术多用于铁路车辆。例如，专利CN2443899Y《铁路车辆超偏载动态测试仪》主要利用安装于两条铁轨旁边的传感器实现对铁路车辆的不停车称重，并根据两个传感器输出数值的差异判断铁路车辆的偏载程度。然而，现有检测公路车辆偏载的技术相当少，而车载式动态检测偏载的技术更是相当缺乏，即便有个别相关技术，但由于存在着安装不便、对车辆改造较大、成本高、可靠性低等诸多缺点而难以推广应用。
发明内容针对上述问题，本发明的目的是提供一种成本低、可靠性高、安装方便、可广泛应用，并能主动、准确、及时提供报警信息的货车偏载动态检测方法及报警系统。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种货车偏载动态检测方法，它包括以下步骤1)设置一货车偏载动态检测报警系统，其包括一包括有左、右侧加速度传感器的信号感知单元、一包括有单片机的信息采集控制单元和一报警提示单元；所述单片机内的固化程序设置有偏载动态检测算法模块，所述偏载动态检测算法模块中预置有偏载阈值及报警范围；2)通过所述左、右侧加速度传感器采集货车左、右侧加速度信号；3)通过所述偏载动态检测算法模块，计算出货车偏载系数；4)所述信息采集控制单元依据所述货车偏载系数与偏载阈值的差值，根据预置的偏载报警范围，发出相应的报警指令。所述步骤l)中预置的偏载阈值为货车偏载报警最小值K,和偏载报警最大值〖_，其中，《max>(^t^m'n<0，并且L一-i^x。所述步骤l)中预置偏载报警范围分为当《_《￡^《_时，所述信息采集控制单元向所述报警提示单元发出货车左偏载信号；当￡>《_时，所述信息采集控制单元向所述报警提示单元发出货车右偏载信号。所述步骤3)中的计算货车偏载系数包括以下步骤①A/D采样所述左、右侧加速度信号X^(,)和X^(0分别通过所述两滤波减噪电路滤波后为^(Z)和&W，输送到所述单片机转化为数字信号为&("和&(A)的计算式如下②令循环变量m的初始值为P，P为偏载检测步长，P取20200，若当前A/D采样时刻"m且^vV，对所述左、右加速度信号&(0和3^(/)(i=l、2、…、k)从k时刻向前分别截取N点数据，获得3^(!')和S(0(i=k-N+l、k-N+2、…、k);若当前转换时刻A^m或者A:〈A^，令^=*+1，返回步骤(l);③信号加窗截取的所述左、右加速度信号加窗后分别为3^(!')和3^(/):其中i=k-N+l、k-N+2、…、k;快速傅立叶变换加窗后的所述左、右加速度信号^(0和4(/)(i=k-N+l、k-N+2、…、k)分别进行快速傅立叶变换为U乂)和X"力，j=l、2、…、N;⑤计算信号功率根据所述左、右加速度信号^^力和&"力的前Q点，所述左、右加速度信号的功率<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(D计算偏载系数E:其中？;为采样频率；w(/)为窗口信号；N是快速傅立叶变换长度；Q为功率估算的长度参数，上标*表示信号共轭。一种货车偏载动态检测报警系统，其特征在于它包括一信号感知单元，其包括两加速度传感器，所述两加速度传感器安装在货车后轴的左、右两侧悬架与车厢的连接处的左、右侧；一报警提示单元，其设置在驾驶室的中控台上；一信息采集控制单元，其内包括有单片机，所述单片机内的固化程序设置有偏载动态检测算法模块。所述信息采集控制单元还包括两滤波减噪电路，所述两滤波减噪电路的一端分别连接所述左、右侧加速度传感器，另一端连接所述单片机；所述滤波减噪电路是由双电容和一电阻构成的一阶低通滤波器。所述报警提示单元包括一集成电路和由所述集成电路控制的灯光、声音提示装置，所述集成电路至少集成四路复合管驱动的集成电路。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、由于本发明采用的左、右加速度传感器分别固定设置在货车后轴的左、右两侧悬架与车厢的连接处，因此在货车运输过程中加速度传感器可以实时对货车加速度进行感应测量。2、由于本发明的信息采集控制单元中采用了高性能的八位单片机芯片，因此可以将加速度传感器测得的加速度信号进行快速运算，计算出货车偏载系数并主动向报警提示单元实时发送货车偏载信息，从而提高了货车运输的安全度，预防交通事故的发生。3、由于本发明的左、右侧加速度传感器分别固定设置在货车后轴的左、右两侧悬架与车厢的连接处，其安装简便、应用范围广，而且在行车过程中，左、右侧加速度传感器本身不受任何外界机械作用力的影响，可靠性高、使用寿命长。4、由于本发明主要是根据货车车厢两侧垂向加速度的差异程度判断货车的偏载情况，而无需获取两侧垂向加速度的精确值，仅要求左、右两侧的加速度传感器的特性一致，但无需选用精度太高、价格昂贵的加速度传感器，因此降低了加速度传感器的成本。5、本发明由于采用了一阶低通滤波器，因此滤掉了加速度信号中的高频噪声，防止了后续A/D采样过程中发生信号混叠，提高了检测结果的准确度。6、本发明的报警提示单元是由一集成电路控制的发光二极管和蜂鸣器，集成控制电路根据信息采集控制单元中的单片机芯片输入的不同信号驱动对应的发光二极管，一目了然地提醒驾驶员。本发明可靠性高、安装方便、应用广泛并能够在货车运输过程中主动、准确、及时提供货车偏载的报警信息。图l是本发明的结构框图图2是本发明的车厢左、右侧加速度传感器安装结构示意图图3是本发明的信息采集控制单元的电路原理图图4是本发明的信息采集控制单元工作流程图图5是本发明的报警提示单元的电路原理图图6是货车质心偏载量为土0.15m随时间变化的曲线图7是本发明检测图5的偏载系数随时间变化的曲线图8是货车质心偏载量为土0.30m随时间变化的曲线图9是本发明检测图7的偏载系数随时间变化的曲线图10是货车质心偏载量为土0.45m随时间变化的曲线图11是本发明检测图9的偏载系数随时间变化的曲线具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。如图1所示，本发明包括信号感知单元1、信息采集控制单元2、报警提示单元3。如图1和图2所示，信号感知单元1包括车厢左、右侧加速度传感器ll、12分别固定设置在货车后轴4左、右两侧悬架5与车厢6的连接处，用于实时感知货车左、右侧的垂向加速度信号，并将感知到的加速度信号转换成电压信号输送至信息采集控制单元2。由于本发明主要是根据货车车厢6两侧垂向加速度的差异程度判断货车的偏载情况，而无需获取两侧垂向加速度的精确值，因此仅要求左、右两侧的加速度传感器的特性一致，但无需选用精度太高、价格昂贵的传感器。在本实施例中，两个左、右侧加速度传感器ll、12均采用Lance的LC0106型加速度传感器，其量程为5g，灵敏度为lV/g，工作温度范围为-40+120^C，供电电压为1830VDC(—般货车车载电压为24VDC)。如图3所示，信息采集控制单元2包括一单片机U1，其将车厢左、右侧加速度传感器ll、12输出的加速度信号即电压信号，转换成数字信号，并利用货车偏载动态检测方法，对被检测货车偏载状态进行实时辨识，然后将辨识的结果输送至报警提示单元3。在本实施例中，单片机Ul采用摩托罗拉公司生产、型号为MC9S08DZ60的八位单片机，也可以采用其他类似的八位单片机，在此不作限制。如图3所示，信息采集控制单元2还包括分别连接车厢左、右侧加速度传感器ll、12的二滤波减噪电路，且二滤波减噪电路的输出端分别连接单片机U1中的二A/D转换电路的输入端ADINO和ADIN1。第一滤波减噪电路由两电容Cl、C2和电阻R1组成，电容C2与电阻R1串联后，得到的串联支路与电容C1并联；该并联电路的一端接地线，另一端同时连接单片机U1中的A/D转换电路的输入端ADIN0和一二极管D1的阳极，二极管D1的阴极连接电源电压VCC;左侧加速度传感器11输出的加速度信号从电容C2与电阻R1的接点输入。第二滤波减噪电路由两电容C3、C4和电阻R2组成，电容C4与电阻R2串联后，得到的串联支路与电容C3并联；该并联电路的一端接地线，另一端同时连接单片机U1中的A/D转换电路的输入端ADIN1和一二极管D2的阳极，二极管D2的阴极连接电源电压VCC;右侧加速度传感器12输出的加速度信号从电容C4与电阻R2的接点输入。这二滤波减噪电路用于滤掉加速度信号中的高频噪声，以防止后续A/D采样过程中发生信号混叠。滤波减噪电路除上述电容式的滤波电路外，还可以采用其它的电容式滤波电路，在此不限。若采用本实施例中的滤波减噪电路时，电容C1、C2、C3禾卩C4为luF，电容C2和C4可以为电解质电容，也可以是其它类型的电容，当为电解质电容时，电容C2和C4的负极接地，而电容C1和C3为除电解质电容之外的电容类型。电阻R1、R2为50千欧。两个二极管D1和D2用于保证信息采集控制单元2的A/D转换电路的输入端ADINO和ADIN1的输入电压不超过电源电压VCC。车厢左加速度信号xmA(0和右加速度信号xmfl(f)经过两滤波减噪电路后，得到滤波后的左、右加速度信号分别为^W和^G)，x,W和&W为电压信号。两滤波减噪电路本质上为一阶低通滤波器，其传递函数为其中，r为滤波器时间常数，s为拉普拉斯算子，在本实施例中，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>模拟信号x￡G)和xflW分别进入单片机Ul中的两A/D转换电路被转换成数字信号，然后单片机U1根据货车偏载动态检测算法，对被检测货车偏载状态进行实时辨识，然后将辨识的结果输送至报警提示单元3。如图4所示，左、右加速度信号通过滤波减噪电路输送给单片机U1，单片机Ul的工作如下(1)A/D釆样单片机U1中的两A/D转换电路以转换频率Ts分别对滤波后的左、右加速度信号x,(O和x"Z)进行数字转换，转换后的左、右加速度信号分别记为&("和&("，其表达式如下其中，7;为采样频率，一般可取o.oio.05s，在本实施例中取r,o.ois。(2)令循环变量m的初始值为P，P为偏载检测步长，P取20200。若当前A/D采样时刻A^w且A2iV，对转换后的左、右加速度信号&W和&W(i=l、2、…、k)从k时刻向前分别截取N点数据，获得^(/)和^(/)(i=k-N+l、k-N+2、…、k);若当前转换时刻A^m或者A〈iV，令A^A:+1，返回步骤(l)。(3)信号加窗对截取的信号进行加窗，测得加窗后的左、右加速度信号分<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>其中，i=k-N+l、k-N+2、…、k，w^)为窗口信号。选择窗口为海明窗或者汉宁窗，N取1024或2048。本实施例中，选择窗口为汉宁窗，N取1024。(4)快速傅立叶变换对加窗后的左、右加速度信号、(/)和^(/)(i-k-N+l、k-N+2、…、k)分别进行快速傅立叶变换，得到变换后的左、右加速度信号x^(力和Uj')，j=l、2、…、N。(5)计算信号功率根据^^w和^^c/;)的前Q点，按照下式估算货车后轴4左、右悬架5(如图2所示)顶端垂向左、右加速度信号的功率<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>其中，Q为功率估算的长度参数，上标*表示信号共轭，Q取0.2N0.4N，在本实施例中，Q取0.4N二256。(6)计算偏载系数E:根据后轴4左、右悬架5(如图2所示)顶端垂向左、右加速度的功率，按照下式计算货车偏载系数E:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(7)根据货车车型和货物重量，预置置合适的货车偏载报警最小值^^和偏载报警最大值K隨，要求UO和UO，并且一般取^r-Kmax。本实施例中，N是快速傅立叶变换(FFT)长度。理论上￡=0时，货车无偏载。在此，为避免车厢左、右侧加速度传感器ll、12测量的噪声对货车偏载系数E的干扰，则认为当^^S五S^^时，信息采集控制单元2驱动报警提示单元3发出货车无偏载信号；当E〈i^J寸，信息采集控制单元2驱动报警提示单元3发出货车左偏载信号；当￡>^_时，信息采集控制单元2驱动报警提示单元3发出货车右偏载信号。在上述实施例中，上述步骤中的各参数的物理意义以及设置如表1所示表l<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>所用货车的基本特征参数如表2所示:表2<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>如图5所示，报警提示单元3中包括一集成电路U2控制地灯光、声音提示装置。集成电路U2可以直接驱动灯光、声音提示装置，其输入端l脚(IN1)、2脚(IN2)、3脚(IN3)禾卩4脚(IN4)，分别与单片机Ul的4个输出端即43脚、45脚、47脚和52脚相连。其中1脚输入偏载动态检测工作指示信号，2脚输入货车左偏载信号，3脚输入货车右偏载信号，4脚输入货车左或右偏载信号，并且集成电路U2的9脚(K)接电源电压VCC，8脚(GND)接地线。与1脚对应的输出端16脚(OUT1)依序连接一绿色发光二极管LED(LightEmittingDiode)1、一限流电阻R3和电源电压VCC;与2脚对应的输出端15脚(OUT2)依序连接一红色发光二极管LED2、一限流电阻R4和电源电压VCC，LED2为人机交互界面的左侧红色发光二极管，作为报警灯；与3脚对应的输出端14脚(OUT3)依序连接一红色发光二极管LED3、一限流电阻R5和电源电压VCC，LED3为人机交互界面的右侧红色发光二极管，作为报警灯；与4脚对应的输出端13脚(OUT4)依序连接一蜂鸣器LS1和电源电压VCC。另夕卜，一限流电阻R6和一LED4串联，接在电源电压VCC与地线之间，LED4为电源指示灯，用于指示系统供电是否正常。本实施例中，集成电路U2为型号为MC1412、集成了7路的复合管驱动专用集成电路，也可以采用其它至少集成4路的复合管驱动专用集成电路。R3、R4、R5、R6为1.2千欧，作为保护LED的限流电阻。当报警提示单元3工作时，集成电路U2的1脚为高电平，16脚闭合，指示灯LED1所在回路闭合，此时LED1亮，表明报警提示单元3处于正常工作状态。当信息采集控制单元2驱动报警提示单元3发出货车左偏载信号时，集成电路U2的1脚、2脚和4脚为高电平，3脚为低电平，此时集成电路U2的16脚、13脚和15脚闭合，14脚断开，对应的LED1、LED2和LSI所在回路导通，且LED3所在回路无法连通，则工作指示灯LED1、左侧偏载报警灯LED2灯亮，且蜂鸣器LS1响；当信息采集控制单元2驱动报警提示单元3发出货车右偏载信号时，集成电路U2的1脚、3脚和4脚为高电平，2脚为低电平，此时集成电路U2的16脚、13脚和14脚闭合，15脚断开，对应的LED3和LSI所在回路导通，对应的LED2所在回路无法连通，则工作指示灯LED1、右侧偏载报警灯LED3灯亮，且蜂鸣器LS1响。如图6、图8和图10所示，综合以上实施例，为验证本发明提出的货车偏载动态检测及报警算法的正确性，分别设置三种质心偏载量，即士0.15m，士0.30m和土0.45m。利用本发明提供的系统测试以上三种质心偏载量分别在0~40秒，4080秒和80120秒内货车的偏载情况。如图7、图9和图11所示，分别为本发明测试货车质心偏载量为士0.15m、士0.30m和土0.45m的验证结果。如图6、图7所示，当偏载量为土0.15m时，信息采集控制单元2计算出的偏载系数E位于[Kmi。,K^J范围内，报警提示单元3不发出报警信号；如图8、图9所示，当偏载量为士0.30m时，信息采集控制单元2计算出的偏载系数E开始进入[Kmin，Km』边界，报警提示单元3可能发出断续报警信号；如图10、图11所示，当偏载量为土0.40m时，信息采集控制单元2计算出的偏载系数E超出[Ki,Kmax]的边界，报警提示单元3发出断续报警信号，提醒驾驶员注意偏载危险。如图611所示，上述实施例中，当货车偏载量发生阶跃时，采用的货车偏载动态检测方法可在IO秒内完成偏载检测，从而满足了实时动态检测的需要。上述各实施例中，各部件的结构、设置位置、及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，对个别部件进行的改进和等同变换，不应排除在本发明的保护范围之外。权利要求1、一种货车偏载动态检测方法，它包括以下步骤1)设置一货车偏载动态检测报警系统，其包括一包括有左、右侧加速度传感器的信号感知单元、一包括有单片机的信息采集控制单元和一报警提示单元；所述单片机内的固化程序设置有偏载动态检测算法模块，所述偏载动态检测算法模块中预置有偏载阈值及报警范围；2)通过所述左、右侧加速度传感器采集货车左、右侧加速度信号；3)通过所述偏载动态检测算法模块，计算出货车偏载系数；4)所述信息采集控制单元依据所述货车偏载系数与偏载阈值的差值，根据预置的偏载报警范围，发出相应的报警指令。2、如权利要求1所述的货车偏载动态检测方法，其特征在于所述步骤l)中预置的偏载阈值为货车偏载报警最小值^^和偏载报警最大值^^，其中，〖隨>0禾口《匪<0，并且《匪=一《匪。3、如权利要求1所述的货车偏载动态检测方法，其特征在于所述步骤l)中预置偏载报警范围分为当lm^E^^M时，所述信息采集控制单元向所述报警提示单元发出货车无偏载信号；当￡<尺_时，所述信息采集控制单元向所述报警提示单元发出货车左偏载信号；当￡>《_时，所述信息采集控制单元向所述报警提示单元发出货车右偏载信号。4、如权利要求2所述的货车偏载动态检测方法，其特征在于预置偏载报警范围分为当^^^ESK^时，所述信息采集控制单元向所述报警提示单元发出货车无偏载信号；当E〈K皿J寸，所述信息采集控制单元向所述报警提示单元发出货车左偏载信号；当￡>尺_时，所述信息采集控制单元向所述报警提示单元发出货车右偏载信号。5、如权利要求1或2或3或4所述的货车偏载动态检测方法，其特征在于所述步骤3)中的计算货车偏载系数包括以下步骤①A/D采样所述左、右侧加速度信号^^和x^^分别通过所述两滤波减噪电路滤波后为(0和xfl(0，输送到所述单片机转化为数字信号为^("和^("的计算式如下②令循环变量m的初始值为P，P为偏载检测步长，P取20200，若当前A/D采样时刻y^m且^^W，对所述左、右加速度信号3^(/)和^(/)(i=l、2、…、k)从k时刻向前分别截取N点数据，获得&(0和3^(/)(i=k-N+l、k-N+2、…、k);若当前转换时刻)t^m或者A^iV，令*=*+1，返回步骤(l);③信号加窗截取的所述左、右加速度信号加窗后分别为3^(/)和〗^(/):其中i=k-N+l、k-N+2、…、k;快速傅立叶变换加窗后的所述左、右加速度信号(;)和^(/)(i=k-N+l、k-n+2、…、k)分别进行快速傅立叶变换为x"y;)和^^y;)，j=i、2、…、n;计算信号功率根据所述左、右加速度信号U力和U力的前Q点，所述左、右加速度信号的功率产，■/=i⑥计算偏载系数E:其中r、为采样频率；w(,')为窗口信号；N是快速傅立叶变换长度；Q为功率估算的长度参数，上标*表示信号共轭。6、一种实现如权利要求15所述方法的货车偏载动态检测报警系统，其特征在于它包括一信号感知单元，其包括两加速度传感器，所述两加速度传感器安装在货车后轴的左、右两侧悬架与车厢的连接处的左、右侧；一报警提示单元，其设置在驾驶室的中控台上；一信息采集控制单元，其内包括有单片机，所述单片机内的固化程序设置有偏载动态检测算法模块。7、如权利要求6所述的货车偏载动态检测报警系统，其特征在于所述信息采集控制单元还包括两滤波减噪电路，所述两滤波减噪电路的一端分别连接所述左、右侧加速度传感器，另一端连接所述单片机；所述滤波减噪电路是由双电容和一电阻构成的一阶低通滤波器。8、如权利要求6或7所述的货车偏载动态检测报警系统，其特征在于所述报警提示单元包括一集成电路和由所述集成电路控制的灯光、声音提示装置，所述集成电路至少集成四路复合管驱动的集成电路。全文摘要本发明涉及货车偏载动态检测方法及报警系统，它包括以下步骤1)设置一货车偏载动态检测报警系统，其包括一包括有左、右侧加速度传感器的信号感知单元、一包括有单片机的信息采集控制单元和一报警提示单元；所述单片机内的固化程序设置有偏载动态检测算法模块，所述偏载动态检测算法模块中预置有偏载阈值及报警范围；2)通过所述左、右侧加速度传感器获得所述货车的左、右侧加速度信号；3)通过所述偏载动态检测算法模块，计算出货车偏载系数；4)所述信息采集控制单元依据所述货车偏载系数与偏载阈值的差值，根据预置的偏载报警范围，发出相应的报警指令。本发明可靠性高、应用广泛并能够在货车运输过程中主动、准确、及时提供货车偏载的报警信息。文档编号G08G1/017GK101350136SQ20081011965公开日2009年1月21日申请日期2008年9月4日优先权日2008年9月4日发明者张德兆,李克强,李升波,王建强申请人:清华大学