一种基于超声波的货车自适应载重检测系统及其方法与流程

本发明涉及载重测量技术领域，具体涉及一种基于超声波的货车自适应载重检测系统及其方法。

背景技术：

随着物流行业的飞速发展，货车超限和超载现象已成为扰乱公共交通秩序和危害人身安全的主要原因之一，超限超载会产生以下问题：

(1)诱发了大量道路交通安全事故，给人民生命财产造成了巨大损失；

(2)严重损坏公路基础设施，给国家造成了巨额损失；

(3)致使尾气噪音严重超标，污染环境；

(4)导致了道路运输市场的恶性竞争；

在传统的货车载重检测方法中，一种方案是将地磅安装在检测点的地面上，由监管人员对货车进行整体称重；由于地磅造价成本高，不能随处设置安装，而且检测结果与真实重量可能存在一定的误差，同时，因为地磅需要固定安装在地面，只能对当时的载重情况进行测量，其他时候装卸货并不能检测，对监管造成了一定的难度；

另一种方案是在车身上加装设备，一般采用电子尺、激光传感器和反射板、应变电阻等方式；这些方式不但成本高昂，而且安装麻烦，需要对车体进行改造，不能大面积推广应用。

技术实现要素：

基于此，针对上述问题，有必要提出一种具有安装方便、采集快速、数据精确等特点，能够实时检测货车装卸货时货物重量变化、车辆倾斜状况，并通过网络实时上报远程监控平台，可进行远程管理和监督的基于超声波的货车自适应载重检测系统及其方法。

本发明公开了一种基于超声波的货车自适应载重检测系统，其的技术方案如下：

一种基于超声波的货车自适应载重检测系统，包括主控处理器、超声波传感器、温度传感器、六轴加速度传感器、车辆can总线、通讯模组和后台数据中心，所述超声波传感器的信号输出端连接主控处理器的第一信号输入端，所述温度传感器的信号输出端连接主控处理器的第二信号输入端，所述六轴加速度传感器的信号输出端连接主控处理器的第三信号输入端，所述车辆can总线的信号输出端连接主控处理器的第四信号输入端，所述主控处理器的信号输出端通过通讯模组连接后台数据中心的信号输入端。

在本技术方案中，利用超声波脉冲回波法测量发射脉冲和回波脉冲之间的时间差和当前环境温度共同确定目标的距离，然后通过货车车厢下降高度、货车倾斜度、货车状态等信息进行数据融合计算得到货物重量，最后将数据实时上传至后台数据中心进行记录、保存，调度中心或货主通过网页、app进行远程管理和监督；其具有安装方便、采集快速、数据精确等特点，能够实时检测货车装卸货时货物重量变化、车辆倾斜状况，并通过网络实时上报远程监控平台，供调度中心或货主进行远程管理和监督。

优选的，所述超声波传感器为4个，4个超声波传感器均布于车厢底部的四周，且每个超声波传感器包括发送端和接收端。优选将4个超声波传感器分别安装在车厢底部四周，获取车厢底部到车桥的平均距离d，因车厢下层高度和载重基本成线性关系，使得对货物重量的测量更精确。

优选的，所述主控处理器上设有uart接口、iic接口、can数据接口和sim900通讯接口，所述主控处理器通过uart接口连接超声波传感器，用于控制超声波传感器收发操作；所述主控处理器通过iic接口连接温度传感器和六轴加速度传感器，用于实时检测空气温度和车厢倾斜度信息；所述主控处理器通过can数据接口连接车辆can总线，实时获取车辆行车数据；所述主控处理器sim900通讯接口连接通讯模组，用于将检测数据实时回传后台数据中心。

主控处理器为stm32单片机控制终端，包含有uart接口、iic接口、can数据接口和sim900通讯接口，uart接口连接超声波传感器，用于控制超声波传感器收发操作；iic数据接口用于连接温度传感器和六轴加速度传感器，实时检测空气温度和车厢倾斜度信息；can数据接口连接车辆can总线，实时获取车辆行车数据；sim900通讯接口连接数据通讯模块，用于将检测数据实时回传后台数据中心；将其余模块集成于主控处理器上，可提高数据采集、检测、计算以及通讯的效率。

本发明还公开了一种基于超声波的货车自适应载重检测方法，其的技术方案如下：

一种基于超声波的货车自适应载重检测方法，包括以下步骤：

a、当空载时，控制超声波传感器发送端发射超声波信号，并将超声波传感器接收端接收到的返回信号传输到主控处理器，计算测量距离d；

b、当载重时，控制超声波传感器发送端发射超声波信号，并将超声波传感器接收端接收到的返回信号传输到主控处理器，计算载重距离d′；

c、根据测量距离d和载重距离d′之间的距离变化量δd，计算载重值w。

在本技术方案中，每个超声波传感器有两个探头，一个接收一个发送；探头方向垂直于地面，主控处理器控制超声波探头发射超声波，经地面反射回来，再由超声波探头接收，此时，发送接收一个来回，获取超声波经过的距离，同时，主控处理器记录从发射到接收超声波间隔的时间，因而，可以计算得出测量距离，计算该测量距离只需要在第一次空载时得出即可，其后只需计算载重时的距离；然后，根据空载时车厢到车桥的距离与载重时车厢到车桥的距离之间的高度变化量，计算出载重值，整个检测过程科学、有效，安装方便，测量简单，降低了成本，适宜推广应用。

优选的，所述步骤a包括以下步骤：

a101、记录超声波信号从发送到接收之间的传播时间t，获取超声波距离l＝vt/2，且v＝v0+(0.607·t)，因此，l＝[v0+(0.607·t)]t/2；

其中，v0为常规声波速度，t为空气温度，v为超声波在空气中的传播速度，t为传播时间；

a102、根据公式获得超声波传感器的测量距离d；其中，l为超声波距离，h为同一超声波传感器发送端和接收端之间的距离；

a103、若d＞＞h，则d≈l＝[v0+(0.607·t)]t/2。

通常情况下测量距离是远大于同一超声波传感器两个探头之间距离的，所以测量距离可以近似等于超声波传输的距离，由于超声波在空气中传播速度受空气温度影响，所以需要靠温度传感器将检测到的空气温度数据传输给主控处理器进行综合计算处理，使得最终计算出的测量距离更具可靠性。

优选的，所述步骤c包括以下步骤：

c101、获取测量距离d和载重距离d′，计算得出δd＝|d-d′|；

c102、测量车厢与水平面的夹角β，计算载重值w≈k·δd·cosβ；其中，k为弹簧系数。

将超声波传感器安装在车厢底部，获取车厢到车桥的平均距离d，将六轴加速度传感器安装在车厢底部中心，获取车厢与水平面的夹角β，因车厢下层高度和载重基本成线性关系，可得公式：w≈k·δd·cosβ(其中δd为载重时车厢距车桥的高度变化量，w为载重值，k为弹簧系数)，充分保证了载重值的计算精确度，既提高了重量检测的效率，又避免了交通拥堵的现象。

优选的，还包括以下步骤：

判断载重值w与实际载重值w′的误差是否超过20％，如果是，则结合车辆can数据和后台数据中心数据进行综合处理和滤波，对弹簧系数k和测量距离d进行自适应数据补偿校正；如果否，则不进行自适应数据补偿校正。

在本技术方案中，考虑到车辆新旧、使用时长等因素，弹簧系数k和空载时的测量距离d并非不变的常量；所以可能存在误差，在载重货物运输前，会有员工录入这个货物的大概重量(实际载重值)，如果最终计算的载重值和这个人工录入的实际载重值存在较大误差，则会自动执行数据补偿校正，保证计算的载重值足够准确性；因此，对第一次安装的系统将自动进行数据自检，得到一个每个车辆独有的弹簧系数k和空载时的测量距离d，将其作为常量保存；在之后的使用过程中，如果误差过大，系统将获取车辆can总线传输的车辆信息数据，并结合后台数据中心数据，在车辆空载停车时、空载行驶过程中，对数据进行综合处理、滤波，控制终端将定时自动对弹簧系数k和空载离地距离d进行自适应数据补偿校正，以得到较为准确的货物重量；因货车板簧老化等原因使弹簧系数k发生变化是一个缓慢的过程，数据补偿无需时刻进行，只有当后台检测到实际载重值w′(人工录入)和传感器检测载重误差较大时，才进行校准。

优选的，还包括以下步骤：

根据不同车型预设定弹簧系数安全阈值，若弹簧系数k达到该安全阈值，则上报至后台数据中心，并向对应的司机发出提醒。

通过网页、app供调度中心或货主进行远程管理和监督；同时，为不同车型设置弹簧系数安全阈值，当达到阈值时，会上报后台数据中心，提醒货车司机更换板簧等相关汽车配件，保证行车安全。

优选的，还包括以下步骤：

每隔t′时刻采集一次载重值w，并传输至主控处理器中临时保存；当采集到20次后，打包上传至后台数据中心进行记录和保存。系统可每隔30秒采集一次载重值，并保存到主控处理器中进行临时保存，当采集达到20条，通过gprs数据通讯模块，实时上传至后台数据中心进行记录和保存(即每隔10分钟上传打包上传一次)，该采集时间可在后台动态调整；方便进行查询、监督，而且，根据多次载重值的记录，保证对货物重量的测量准确度，并可以判断车辆是否存在严重磨损，便于及时维修。

本发明的有益效果是：

1、本发明利用超声波脉冲回波法测量发射脉冲和回波脉冲之间的时间差和当前环境温度共同确定目标的距离，然后通过货车车厢下降高度、货车倾斜度、货车状态等信息进行数据融合计算得到货物重量，最后将数据实时上传至后台数据中心进行记录、保存，调度中心或货主通过网页、app进行远程管理和监督；其具有安装方便、采集快速、数据精确等特点，能够实时检测货车装卸货时货物重量变化、车辆倾斜状况，并通过网络实时上报远程监控平台，供调度中心或货主进行远程管理和监督。

2、主控处理器通过uart接口、iic接口、can数据接口和sim900通讯接口分别连接超声波传感器、温度传感器、六轴加速度传感器、车辆can总线和通讯模块，提高数据采集、检测、计算以及通讯的效率。

3、本发明中的每个超声波传感器有两个探头，一个接收一个发送；探头方向垂直于车桥，主控处理器控制超声波探头发射超声波，经地面反射回来，再由超声波探头接收，此时，发送接收一个来回，获取超声波经过的距离，同时，主控处理器记录从发射到接收超声波间隔的时间，因而，可以计算得出测量距离；然后，根据空载时车厢离车桥的距离与载重时车厢离车桥的距离之间的高度变化量，计算出载重值，整个检测过程科学、有效，安装方便，测量简单，降低了成本，适宜推广应用。

4、在车辆空载停车时、空载行驶过程中，对数据进行综合处理、滤波，控制终端将定时自动对弹簧系数k和空载车厢离车桥的距离d进行自适应数据补偿校正，以得到较为准确的货物重量。

5、获取超声波在空气中的传播速度，并将检测到的空气温度数据传输给主控处理器进行综合计算处理，使得最终计算出的测量距离更具可靠性。

6、将4个超声波传感器分别安装在车厢底部四周，获取车厢离车桥的距离d，将六轴加速度传感器安装在车厢底部中心，获取车厢与水平面的夹角β，因车厢离车桥的距离和载重基本成线性关系，可得载重值w，充分保证了载重值的计算精确度，既提高了重量检测的效率，又避免了交通拥堵的现象。

7、通过网页、app供调度中心或货主进行远程管理和监督；同时，为不同车型设置弹簧系数安全阈值，当达到阈值时，会上报后台数据中心，提醒货车司机更换板簧等相关汽车配件，保证行车安全。

8、系统每隔一段时间采集一次载重值，当采集达到20条，通过gprs数据通讯模块，上传至后台数据中心进行记录和保存，采集时间间隔可调，方便进行查询、监督，而且，根据多次载重值的记录，保证对货物重量的测量准确度，并可以判断车辆是否存在严重磨损，便于及时维修。

附图说明

图1是本发明实施例所述基于超声波的货车自适应载重检测系统的原理框图；

图2是本发明实施例所述基于超声波的货车自适应载重检测方法的流程图；

图3是本发明实施例所述测量距离和超声波距离的测量方位图。

附图标记说明：

10-主控处理器；101-uart接口；102-iic接口；103-can数据接口；104-sim900通讯接口；20-超声波传感器；30-温度传感器；40-六轴加速度传感器；50-车辆can总线；60-通讯模组；70-后台数据中心。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例1

如图1所示，一种基于超声波的货车自适应载重检测系统，包括主控处理器10、超声波传感器20、温度传感器30、六轴加速度传感器40、车辆can总线50、通讯模组60和后台数据中心70，所述超声波传感器20的信号输出端连接主控处理器10的第一信号输入端，所述温度传感器30的信号输出端连接主控处理器10的第二信号输入端，所述六轴加速度传感器40的信号输出端连接主控处理器10的第三信号输入端，所述车辆can总线50的信号输出端连接主控处理器10的第四信号输入端，所述主控处理器10的信号输出端通过通讯模组60连接后台数据中心70的信号输入端。

在本实施例中，利用超声波脉冲回波法测量发射脉冲和回波脉冲之间的时间差和当前环境温度共同确定目标的距离，然后通过货车车厢下降高度、货车倾斜度、货车状态等信息进行数据融合计算得到货物重量，最后将数据实时上传至后台数据中心70进行记录、保存，调度中心或货主通过网页、app进行远程管理和监督；其具有安装方便、采集快速、数据精确等特点，能够实时检测货车装卸货时货物重量变化、车辆倾斜状况，并通过网络实时上报远程监控平台，供调度中心或货主进行远程管理和监督。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，所述超声波传感器20为4个，4个超声波传感器20均布于车厢底部的四周，且每个超声波传感器20包括发送端和接收端。将4个超声波传感器20分别安装在车厢底部四周，获取车厢到地面的平均距离d，因车厢离地高度和载重基本成线性关系，使得对货物重量的测量更精确。

实施例3

本实施例在实施例2的基础上，所述主控处理器10上设有uart接口101、iic接口102、can数据接口103和sim900通讯接口104，所述主控处理器10通过uart接口101连接超声波传感器20，用于控制超声波传感器20收发操作；所述主控处理器10通过iic接口102连接温度传感器30和六轴加速度传感器40，用于实时检测空气温度和车厢倾斜度信息；所述主控处理器10通过can数据接口103连接车辆can总线50，实时获取车辆行车数据；所述主控处理器10sim900通讯接口104连接通讯模组60，用于将检测数据实时回传后台数据中心70。

主控处理器10为stm32单片机控制终端，包含有uart接口101、iic接口102、can数据接口103和sim900通讯接口104，uart接口101连接超声波传感器20，用于控制超声波传感器20收发操作；iic数据接口用于连接温度传感器30和六轴加速度传感器40，实时检测空气温度和车厢倾斜度信息；can数据接口103连接车辆can总线50，实时获取车辆行车数据；sim900通讯接口104连接数据通讯模块，用于将检测数据实时回传后台数据中心70；将其余模块集成于主控处理器10上，可提高数据采集、检测、计算以及通讯的效率。

实施例4

本实施例为实施例1的方法，如图2和图3所示，一种基于超声波的货车自适应载重检测方法，包括以下步骤：

a、当空载时，控制超声波传感器20发送端发射超声波信号，并将超声波传感器20接收端接收到的返回信号传输到主控处理器10，计算测量距离d；

b、当载重时，控制超声波传感器20发送端发射超声波信号，并将超声波传感器20接收端接收到的返回信号传输到主控处理器10，计算载重距离d′；

c、根据测量距离d和载重距离d′之间的距离变化量δd，计算载重值w。

在本实施例中，每个超声波传感器20有两个探头，一个接收一个发送；探头方向垂直于车桥，主控处理器10控制超声波探头发射超声波，经地面反射回来，再由超声波探头接收，此时，发送接收一个来回，获取超声波经过的距离，同时，主控处理器10记录从发射到接收超声波间隔的时间，因而，可以计算得出测量距离；然后，根据空载时车厢离地的距离与载重时车厢离车桥的距离之间的高度变化量，计算出载重值，整个检测过程科学、有效，安装方便，测量简单，降低了成本，适宜推广应用。

实施例5

本实施例为实施例2的方法，其在实施例4的基础上，

所述步骤a包括以下步骤：

a101、记录超声波信号从发送到接收之间的传播时间t，获取超声波距离l＝vt/2，且v＝v0+(0.607·t)，因此，l＝[v0+(0.607·t)]t/2；

其中，v0为常规声波速度，t为空气温度，v为超声波在空气中的传播速度，t为传播时间；

a102、根据公式获得超声波传感器20的测量距离d；其中，l为超声波距离，h为同一超声波传感器20发送端和接收端之间的距离；

a103、若d＞＞h，则d≈l＝[v0+(0.607·t)]t/2。

通常情况下测量距离是远大于同一超声波传感器20两个探头之间距离的，所以测量距离可以近似等于超声波传输的距离，由于超声波在空气中传播速度受空气温度影响，所以需要靠温度传感器30将检测到的空气温度数据传输给主控处理器10进行综合计算处理，使得最终计算出的测量距离更具可靠性。

实施例6

本实施例为实施例3的方法，其在实施例5的基础上，

所述步骤c包括以下步骤：

c101、获取测量距离d和载重距离d′，计算得出δd＝|d-d′|；

c102、测量车厢与水平面的夹角β，计算载重值w≈k·δd·cosβ；其中，k为弹簧系数。

将超声波传感器20安装在车厢底部，获取车厢离车桥的平均距离d，将六轴加速度传感器40安装在车厢底部中心，获取车厢与水平面的夹角β，因车厢离车桥的高度和载重基本成线性关系，可得公式：w≈k·δd·cosβ(其中δd为载重时车厢离车桥的高度变化量，w为载重值，k为弹簧系数)，充分保证了载重值的计算精确度，既提高了重量检测的效率，又避免了交通拥堵的现象。

实施例7

本实施例为实施例3的方法，其在实施例6的基础上，

还包括以下步骤：

判断载重值w与实际载重值w′的误差是否超过20％，如果是，则结合车辆can数据和后台数据中心70数据进行综合处理和滤波，对弹簧系数k和测量距离d进行自适应数据补偿校正；如果否，则不进行自适应数据补偿校正。

在本实施例中，考虑到车辆新旧、使用时长等因素，弹簧系数和空载时的测量距离并非不变的常量；所以可能存在误差，在载重货物运输前，会有员工录入这个货物的大概重量(实际载重值)，如果最终计算的载重值和这个人工录入的实际载重值存在较大误差，则会自动执行数据补偿校正，保证计算的载重值足够准确性；因此，对第一次安装的系统将自动进行数据自检，得到一个每个车辆独有的弹簧系数和空载时的测量距离，将其作为常量保存；在之后的使用过程中，如果误差过大，系统将获取车辆can总线传输的车辆信息数据，并结合后台数据中心70数据，在车辆空载停车时、空载行驶过程中，对数据进行综合处理、滤波，控制终端将定时自动对弹簧系数和空载测量距离进行自适应数据补偿校正，以得到较为准确的货物重量；因货车板簧老化等原因使弹簧系数k发生变化是一个缓慢的过程，数据补偿无需时刻进行，只有当后台检测到实际载重值(人工录入)和传感器检测载重误差较大时，才进行校准。

实施例8

本实施例为实施例3的方法，其在实施例7的基础上，

还包括以下步骤：

根据不同车型预设定弹簧系数安全阈值，若弹簧系数k达到该安全阈值，则上报至后台数据中心70，并向对应的司机发出提醒。

通过网页、app供调度中心或货主进行远程管理和监督；同时，为不同车型设置弹簧系数安全阈值，当达到阈值时，会上报后台数据中心70，提醒货车司机更换板簧等相关汽车配件，保证行车安全。

实施例9

本实施例为实施例3的方法，其在实施例8的基础上，

还包括以下步骤：

每隔t′时刻采集一次载重值w，并传输至主控处理器10中临时保存；当采集到20次后，打包上传至后台数据中心70进行记录和保存。系统可每隔30秒采集一次载重值，并保存到主控处理器10中进行临时保存，当采集达到20条，通过gprs数据通讯模块，实时上传至后台数据中心70进行记录和保存(即每隔10分钟上传打包上传一次)，该采集时间可在后台动态调整；方便进行查询、监督，而且，根据多次载重值的记录，保证对货物重量的测量准确度，并可以判断车辆是否存在严重磨损，便于及时维修。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。