基于OBD的车辆质量动态测量装置及测量方法

摘要

本发明公开了一种基于OBD的车辆质量动态测量装置及测量方法。基于OBD的车辆质量动态测量装置包括OBD接口与嵌入式测量装置两部分，OBD可以实时输出发动机转矩、车辆位置、车辆速度以及车辆加速度等行车数据；嵌入式测量装置用以对OBD接口中获取的数据进行处理与分析，通过本发明提出的车辆质量动态测量方法完成在车辆行驶过程中对车辆质量的实时、快速、准确测量。本发明克服了传统车辆质量测量方法效率低、速度慢、精度不高的缺点，适用于对车辆质量的实时测量，能够对车辆超载、运输过程中危险品泄漏、货物遗失等情况进行有效的监管，对规范交通安全管理、提高物流运输安全性与保障经济效益三方面起到良好的辅助作用。

权利要求

1.基于OBD的车辆质量动态测量装置，其特征在于包括OBD接口与嵌入式测量装置两部分，OBD可以实时输出发动机转矩、车辆位置、车辆速度以及车辆加速度数据；嵌入式测量装置包括微处理器、电源模块、通信模块、传感器模块、存储模块、报警模块、总线接口；微处理器与电源模块、通信模块、传感器模块、存储模块、报警模块、总线接口连接，控制各个模块的运行并进行数据的处理：电源模块对各模块进行供电，通信模块能够将车辆质量数据传送至远程终端，由管理者对车辆进行实时监控，另外，通信模块要负责将车辆所处路段的滚动摩擦系数接收到微处理器中；传感器模块中包含一个三轴加速度传感器，用以测量当前车辆所行驶路面的倾角，存储模块用以将传感器信息、OBD接口中采集到的数据进行存储，并在其中建立与车型相关的车辆参数嵌入式数据库；报警模块可以发出提示音，在车辆质量超出范围或者质量有持续减少趋势时，能够对司机进行预警；总线接口接收CAN总线的输入数据，将行车数据采集到微处理器中。

2.基于OBD的车辆质量动态测量方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：行车数据获取

通过OBD接口获取车辆的以下参数：发动机实时扭矩T、车辆实时速度v、车辆实时加速度a、车辆变速箱齿轮比N以及轮胎半径r，并通过三轴加速度传感器采集车辆行驶路面的倾角θ；

步骤二：车辆质量计算

①结合车辆的机械效率η，计算车辆轮胎上的驱动力，计算公式如(1)所示：

F＝T×N×η/r  (1)

②当前车辆所受到的阻力由空气阻力、轮胎滚动摩擦力以及与速度方向相反的重力分量构成：f＝fa+fs+G×sinθ   (2)

式(2)中，fa表示空气阻力，fs表示轮胎滚动摩擦力，G＝mg表示车辆受到的重力；具体的，fa与fs的表达式如下：fa＝1/2×A×ρ×CD×v2  (3)

fs＝μ×G×cosθ(4)

其中，A为车辆的截面积，ρ为空气密度，CD为阻力系数，μ为滚动阻力系数，其中车辆的截面积、空气密度和阻力系数可以根据车型、车辆位置在测量装置的嵌入式数据库中进行查找，滚动阻力系数可根据车辆的位置在物流公司提供的常用运输线路滚动摩擦系数数据库中获取；

③根据牛顿第二定律，可以得到关于驱动力、摩擦力与车辆加速度的关系：

F-(fa+fs+G×sinθ)＝ma  (5)

将式(1)～(4)代入(5)，可得到车辆的质量m：

步骤三：质量数据分析

获取车辆质量数据之后，首先将该数据与车辆自重进行做差，得到车辆的载重；然后将该数据发送给监管人员，即可根据此数据分析出车辆是否超载；再分析连续5次计算的载重值，判断其是否存在连续减少或者突然减少的趋势，若是，则对发出提示音对司机进行预警，否则进入下一次质量测量。

3.如权利要求2中所述的基于OBD的车辆质量动态测量方法，其特征在于，在步骤一中，发动机实时扭矩T、车辆实时速度v、车辆实时加速度a、车辆变速箱齿轮比N以及轮胎半径r，均通过OBD直接获取，车辆行驶路面的倾角θ通过三轴加速度传感器获取；在步骤二中，车辆的截面积A，空气密度ρ，阻力系数CD，滚动阻力系数μ，均能够根据车型以及车辆位置在嵌入式数据库中获取。

4.如权利要求3中所述的基于OBD的车辆质量动态测量方法，其特征在于，在步骤二中，通过获取的发动机实时扭矩T、车辆实时速度v、车辆实时加速度a、车辆变速箱齿轮比N以及轮胎半径r，车辆的截面积A，空气密度ρ，阻力系数CD，滚动阻力系数μ，根据牛顿第二定律获取车辆质量的计算方法。

说明书

基于OBD的车辆质量动态测量装置及测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于OBD的车辆质量动态测量装置及测量方法，属于车辆动态称重技术领域。

背景技术

[0002] 近年来我国物流行业不断发展与完善，但是随之而来的是车辆超载现象的不断增加。货运部门通过改造车身、后桥和轮胎大幅度提高车辆的运载能力，使得运输效率和经济效益得以提高，但是超载将带来一系列的危害：加速损坏公路路面，增加公路养护成本；由于我国公路养路费、管理费等根据车辆吨位进行收取，超载会使得国家税收大量流失；超载时，发动机超负荷运转使得排出尾气以及噪声大幅增加，造成严重的环境污染；超载会严重损坏车辆部件，缩短了车辆维护周期，加速车辆报废；最重要的是，超载将降低车辆的机动性，从而诱发各类交通事故，甚至造成严重的人员伤亡和财产损失。

[0003] 另外，根据参考文献：吕亚军.化工企业危险品运输安全研究.中的记载以及对现有物流运输事故的了解，危险品运输具有很高的危险性以及事故频发性，主要包括危险品包装不坚固、不完整而引起的危险品泄漏，罐装危险货物运输时未留出合适的余量等。然而，对于危险品运输的监管更多的体现在交通管理以及事故预防上，一旦出现泄漏问题货主及司机并不能第一时间得知，无法采取适当的急救措施，使得危险品泄漏的实际危害比预期危害更大。

[0004] 第三，目前在物流运输过程中，货物丢失的情况屡见不鲜。例如，当前网络购物环境发展良好，如网购商品运输过程中发生货物丢失现象，一方面会降低物流公司的信誉，另一方面需要对用户进行赔偿；运输贵重品如金、银、铂等时，物流公司需承担很重的责任，如贵重品运输过程中发生遗失，则运输任务承担方、保险公司都需支付大量的赔偿金；供货商对零售商发货时，若运输过程中发生货物丢失，对运输方、供货方与收货方均会造成经济损失，减少货运的经济效益，同时大大降低了物流运输的效率。

[0005] 综上所述，目前需要一种能够方便、快速、高效、准确的车辆动态测重方案，能够在车辆的行驶过程中对车辆超载、运输过程中危险品泄漏、货物遗失等情况进行有效的监管。

[0006] 传统的车辆质量测量方法有两种，一种是静态称重方法，其需要车辆完全停止在秤体上进行测量，这一检测方法较为准确，但是效率低、速度慢，并不具有良好的应用价值；另一种为动态称重方法，可以在汽车正常行驶状态下测得车辆的质量，但该方法需要一个带有车辆称重传感器的大型秤体，使用较为不便，且精度不高。

[0007] 而随着汽车制造企业的不断发展以及传感器技术、电子化的程度不断提高，OBD已经成为了当前车载设备中不可缺少的一部分。OBD(On-Board Diagnostic)即车载诊断系统，可以对车辆的发动机以及尾气后处理系统进行监控，并提供输出车辆行驶过程中实时数据的接口。从而用户可以从OBD中获取发动机扭矩、车辆速度以及车辆加速度等数据，这为车辆质量动态测量提供了新的技术支持。

发明内容

[0008] 本发明提出一种适用于行驶中车辆的基于OBD的车辆质量动态测量装置及测量方法，旨在能够在车辆行驶过程中实时、高效、准确地对车辆的质量进行测量，并能够将车辆载重数据发送给交通管理方，并在车辆质量有持续降低的趋势时对司机进行报警。

[0009] 本发明的基于OBD的车辆质量动态测量装置包括OBD接口与嵌入式测量装置两部分。

[0010] 所述的OBD接口与车辆的整个控制系统连接，可以实时输出发动机转矩、车辆速度以及车辆加速度等行车数据。

[0011] 所述的嵌入式测量装置通过CAN总线与OBD接口连接，获取相应的行车数据后进行计算与分析。具体地，所述的嵌入式测量装置通过CAN总线与车辆OBD接口连接，获取相应的行车数据后进行计算与分析。具体地，嵌入式测量装置包括微处理器、电源模块、通信模块、传感器模块、存储模块、报警模块、总线接口。微处理器与电源模块、通信模块、传感器模块、存储模块、报警模块、总线接口连接，控制各个模块的运行并进行数据的处理。电源模块对各模块进行供电。通信模块能够将车辆质量数据传送至远程终端，由管理者对车辆进行实时监控；另外，通信模块要负责将车辆所处路段的滚动摩擦系数接收到微处理器中。传感器模块中包含一个三轴加速度传感器，用以测量当前车辆所行驶路面的倾角。存储模块用以将传感器信息、OBD接口中采集到的数据进行存储，并在其中建立与车型相关的车辆参数嵌入式数据库。报警模块可以发出提示音，在车辆质量超出范围或者质量有持续减少趋势时，能够对司机进行预警。总线接口接收CAN总线的输入数据，将行车数据采集到微处理器中。

[0012] 所述的嵌入式测量装置具有功耗低、稳定性强以及制作成本低的特点，能够长时间保持正常运行状态，且使用寿命较长。

[0013] 所述的车辆质量动态测量方法如下：

[0014] 步骤一：行车数据获取

[0015] 通过OBD接口获取车辆的以下参数：发动机实时扭矩T、车辆实时速度v、车辆实时加速度a、车辆变速箱齿轮比N以及轮胎半径r，并通过三轴加速度传感器采集车辆行驶路面的倾角θ。需要注意的是，由于从OBD接口中获取的车辆加速度数据存在较大的误差，因此需要通过低通滤波对该信号进行预处理；

[0016] 步骤二：车辆质量计算

[0017] ①结合车辆的机械效率η，计算车辆轮胎上的驱动力，计算公式如(1)所示：

[0018] F＝T×N×η/r   (1)

[0019] ②当前车辆所受到的阻力由空气阻力、轮胎滚动摩擦力以及与速度方向相反的重力分量构成：

[0020] f＝fa+fs+G×sinθ   (2)

[0021] 式(2)中，fa表示空气阻力，fs表示轮胎滚动摩擦力，G＝mg表示车辆受到的重力。具体的，fa与fs的表达式如下：

[0022] fa＝1/2×A×ρ×CD×v2   (3)

[0023] fs＝μ×G×cosθ   (4)

[0024] 其中，A为车辆的截面积，ρ为空气密度，CD为阻力系数，μ为滚动阻力系数，其中车辆的截面积、空气密度和阻力系数可以根据车型、车辆位置等相关参数在测量装置的嵌入式数据库中进行查找，滚动阻力系数可根据车辆的位置在物流公司提供的常用运输线路滚动摩擦系数数据库中获取。

[0025] ③根据牛顿第二定律，可以得到关于驱动力、摩擦力与车辆加速度的关系：

[0026] F-(fa+fs+G×sinθ)＝ma   (5)

[0027] 将式(1)～(4)代入(5)，可得到车辆的质量m：

[0028]

[0029] 步骤三：质量数据分析

[0030] 获取车辆质量数据之后，首先将该数据与车辆自重进行做差，得到车辆的载重。然后将该数据发送给监管人员，即可根据此数据分析出车辆是否超载。再分析连续5次计算的载重值，判断其是否存在连续减少或者突然减少的趋势，若是，则对发出提示音对司机进行预警，否则进入下一次质量测量。

[0031] 本发明的优点在于：

[0032] (1)本发明提出的基于OBD的车辆质量动态测量装置及测量方法，能够在车辆行驶过程中完成对车辆质量的测量，具有方便、高效、精度高的特点，弥补了传统质量测量方法使用受限的不足；

[0033] (2)本发明提出的基于OBD的车辆质量动态测量装置及测量方法，充分利用了OBD接口中输出的数据，解决了其他测量方法需要很多传感器以完成数据采集的问题；

[0034] (3)本发明提出的基于OBD的车辆质量动态测量装置及测量方法，在测量装置的存储模块中固化了各种车型的截面积、风阻系数以及车辆行驶路段的滚动摩擦系数，提高了本装置用于质量测量的通用性。

[0035] (4)本发明提出的基于OBD的车辆质量动态测量装置及测量方法，所使用的装置体积小，功耗低，能够长时间连续稳定运行，且成本低，适合批量生产以及在长时间驾驶过程中完成质量测量任务；

[0036] (5)本发明提出的基于OBD的车辆质量动态测量装置及测量方法，一方面可以让管理方对车辆超载进行监管，另一方面能够对运载货物是否发生泄漏、丢失等现象进行实时的监控，对规范交通安全管理、提高物流运输安全性与保障经济效益三方面都起到了良好的辅助作用。

附图说明

[0037] 图1：本发明提出的基于OBD的车辆质量动态测量装置及测量方法结构图；

[0038] 图2：本发明提出的基于OBD的车辆质量动态测量装置及测量方法状态转换图；

[0039] 图3：本发明提出的基于OBD的车辆质量动态测量装置及测量方法总体流程图；

[0040] 图中：

[0041] 1000-车辆质量动态测量装置 1100-微控制器    1200-电源模块

[0042] 1300-通信模块             1400-传感器模块  1500-存储模块

[0043] 1600-报警模块             1700-总线接口    2000-OBD接口

具体实施方式

[0044] 下面将结合附图与车辆质量动态测量实例对本发明作进一步的详细说明。

[0045] 本发明提出的一种车辆质量动态测量装置及测量方法结构如图1所示，包括车辆质量动态测量测量装置1000，车辆OBD接口2000，以及CAN总线3000。所述的嵌入式测量装置1000通过CAN总线3000与车辆OBD接口2000连接，获取相应的行车数据后进行计算与分析。
具体地，嵌入式测量装置包括微处理器1100、电源模块1200、通信模块1300、传感器模块
1400、存储模块1500、报警模块1600、总线接口1700。微处理器1100与电源模块1200、通信模块1300、传感器模块1400、存储模块1500、报警模块1600、总线接口1700连接，控制各个模块的运行并进行数据的处理。电源模块1200对各模块进行供电。通信模块1300能够将车辆质量数据传送至远程终端，由管理者对车辆进行实时监控。传感器模块1400中包含一个三轴加速度传感器，用以测量当前车辆所行驶路面的倾角。存储模块1500用以将传感器信息、OBD接口2000中采集到的数据进行存储，并在其中建立与车型相关的车辆参数嵌入式数据库。报警模块1600可以发出提示音，在车辆质量超出范围或者质量有持续减少趋势时，能够对司机进行预警。总线接口1700接收CAN总线3000的输入数据，将行车数据采集到微处理器
1100中。

[0046] 图1中I表示OBD接口所采集的数据，II表示测量装置传感器模块输出的数据，III表示微处理器发出的报警指令以及报警信息，IV表示在嵌入式数据库中提取或者存储的数据，V表示微处理器发出的通信指令以及超载数据等。

[0047] 如图2所示，车辆质量动态测量装置包括复位、准备就绪、运行、待机与结束五种状态。

[0048] (1)复位：用户点击复位按钮控制装置进入复位状态，系统重新启动，自动进行初始化；

[0049] (2)准备就绪：微处理器初始化完毕后进入准备状态；

[0050] (3)运行状态：用户通过按下监测开始按钮控制装置进入运行状态，在该状态下可按所设计的方法完成质量动态测量；

[0051] (4)待机状态：用户通过按下监测暂停按钮控制装置进入待机状态，在该状态下系统保持低功率运行，停止质量动态测量；

[0052] (5)结束状态：用户通过按下监测停止按钮控制装置进入结束状态，在该状态下系统停止运行，仅保持电源供电。

[0053] 如图3所示，车辆质量动态测量的流程如下：

[0054] 步骤一：微处理器初始化，在OBD中读取测量装置所连接车辆的车型，并根据车型在嵌入式数据库中进行检索，读取车辆的自重、截面积；

[0055] 步骤二：微处理器从OBD中读取车辆的实时速度、加速度以及发动机扭矩，并从传感器模块中读取车辆行驶的倾角。然后在加速度数据参与计算之前，通过低通滤波对该数据进行处理；

[0056] 步骤三：计算车辆质量，计算的具体方法如下：

[0057] ①结合车辆的机械效率η，计算车辆轮胎上的驱动力，计算公式如(1)所示：

[0058] F＝T×N×η/r   (1)

[0059] ②当前车辆所受到的阻力由空气阻力、轮胎滚动摩擦力以及与速度方向相反的重力分量构成：

[0060] f＝fa+fs+G×sinθ   (2)

[0061] 式(2)中，fw表示空气阻力，fs表示轮胎滚动摩擦力，G＝mg表示车辆受到的重力。具体的，fa与fs的表达式如下：

[0062] fa＝1/2×A×ρ×CD×v2   (3)

[0063] fs＝μ×G×cosθ   (4)

[0064] 其中，A为车辆的截面积，ρ为空气密度，CD为阻力系数，上述三个参数分别可以通过车辆的车型以及车辆位置在嵌入式数据库中进行查找；μ表示滚动阻力系数，根据车辆当前行驶位置在滚动摩擦系数数据库中确定。

[0065] ③根据牛顿第二定律，可以得到关于驱动力、摩擦力与车辆加速度的关系：

[0066] F-(fa+fs+G×sinθ)＝ma   (5)

[0067] 将式(1)～(4)代入(5)，可得到车辆的质量m：

[0068]

[0069] 步骤四：根据步骤三中计算出的质量以及步骤一中读取的车辆自重，计算出车辆的载重；

[0070] 步骤五：判断当前车辆载重是否超过规定额度，若是，则微处理器将超载信息通过通信模块发送给交通管理方；否则，进行步骤六；

[0071] 步骤六：判断车辆质量是否在持续减少或者突然下降。具体的方法为：取本次测量值与之前五次测量值进行比较，根据相邻每两次的差值进行上述判断。若质量持续减少或者突然下降，则微处理器控制报警模块发出提示音，对司机进行预警；否则，进入步骤七；

[0072] 步骤七：判断用户是否点击按钮使监测装置键入待机或者停止状态，若是，则结束监测；否则，回到步骤二。

[0073] 本发明提出的车辆质量动态测量方法具有很强的通用性，通过在测量装置的嵌入式数据库中写入各种车型的相关数据，安装后能根据车型等数据进行匹配，从而能够准确高效地完成各种车型车辆的质量测量。

[0074] 上述实施方法用于帮助读者理解本发明的原理，其他基于本发明实质的变形与组合同样在本发明的保护范围内。