基于胎壓差分法的車輛自載重檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬曉晴 胡小翠 王杰 王敏敏 周平

摘要：針對(duì)車輛超載檢測(cè)系統(tǒng)精度不高、效率低的現(xiàn)狀，本文研究一種基于胎壓差分的測(cè)量方法，并在此基礎(chǔ)上利用傳感技術(shù)、無線收發(fā)技術(shù)、嵌入式硬件技術(shù)等，集成開發(fā)車輛載重檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)胎壓變化的監(jiān)測(cè)與記錄。通過準(zhǔn)確性試驗(yàn)得出該系統(tǒng)的相對(duì)誤差在±5%以內(nèi)；由穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)得出最大相對(duì)誤差為3.8%。因此該測(cè)量系統(tǒng)具有較高的理論價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：胎壓差量法；無線通信；車輛載重；數(shù)學(xué)模型；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2018.1.009

引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國每年由車輛超載引起的交通事故占70%，由超載直接導(dǎo)致的群死群傷事故占50%[1]。車輛超載的危害性引起了國務(wù)院的高度重視，由部務(wù)會(huì)議通過的《超限運(yùn)輸車輛行駛公路管理規(guī)定》第三十三條中規(guī)定：公路管理機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)對(duì)貨運(yùn)車輛進(jìn)行超載檢測(cè)[2]。

目前車輛載重檢測(cè)方式主要分為靜態(tài)稱重和動(dòng)態(tài)稱重。國外車輛稱重最典型的技術(shù)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，該測(cè)量技術(shù)以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為核心，將測(cè)量過程中影響測(cè)量精度的誤差因素作為訓(xùn)練樣本，得到較理想的網(wǎng)絡(luò)模型，其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高但制造成本也高[3]：國內(nèi)的測(cè)量技術(shù)制造成本相對(duì)較低，一種是基于汽車疊板彈簧形變的測(cè)量技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是制造容易，但精度不高，誤差在5%～30%左右；另一種是基于高精度稱重傳感器的測(cè)量技術(shù)，其測(cè)量準(zhǔn)確度高，但不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量，效率低。

為了彌補(bǔ)上述測(cè)量系統(tǒng)中精度低、效率低、制造成本高的不足，本文設(shè)計(jì)了一種基于胎壓差分法的車輛自載重檢測(cè)系統(tǒng)。

1 胎壓差分測(cè)量原理

當(dāng)輪胎受到外部壓力作用發(fā)生形變時(shí)，其內(nèi)部氣壓增加以對(duì)抗外力，因此當(dāng)汽車載重時(shí)，輪胎內(nèi)部的氣壓和空間都會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化[4]。假設(shè)輪胎為一個(gè)理想模型，不考慮其剛性和周圍環(huán)境等復(fù)雜的影響因素，當(dāng)輪胎負(fù)荷為Q時(shí)，內(nèi)部氣壓為Pt，輪胎發(fā)生一定形變，設(shè)輪胎接地面積為S，此時(shí)有：

Q=PtS=Ptab

（1）

又因?yàn)椋?/p>

（2）

R為輪胎半徑，f為下沉高度，假設(shè)在汽車行駛的過程中，輪胎溫度T不變。

聯(lián)立上式可得：

（3）

因此，對(duì)于確定型號(hào)的汽車，只需要測(cè)量汽車空載時(shí)和滿載后的輪胎胎壓就可得到汽車的載重量。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為基于胎壓差分法的車輛自載重檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?；谖锫?lián)網(wǎng)架構(gòu)，通過壓力傳感器采集基本數(shù)據(jù)，采用嵌入式處理器進(jìn)行分析和運(yùn)算，得到汽車自載重與輪胎胎壓之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并通過無線射頻進(jìn)行信息交換與通信，實(shí)現(xiàn)車輛載重的實(shí)時(shí)監(jiān)控與測(cè)量[5]。

2.2 功能設(shè)計(jì)

圖2為基于胎壓差分法的車輛自載重檢測(cè)系統(tǒng)功能。主要分為兩部分，用戶界面信息顯示以及超載處理，當(dāng)用戶進(jìn)入系統(tǒng)界面時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)匹配車輛的噸位、輪胎的型號(hào)以及車主的相關(guān)信息，并將當(dāng)前狀態(tài)下的輪胎胎壓值與車輛載重值顯示在屏幕上。系統(tǒng)自主判斷當(dāng)前車輛是否超載，若超載則發(fā)出警報(bào)信號(hào)。

3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

圖3為基于胎壓差分法的車輛自載重檢測(cè)系統(tǒng)硬件組成。主要分為傳感器采集、CPU處理和無線數(shù)據(jù)傳輸。

傳感器處于輪胎與測(cè)量系統(tǒng)接口位置，是獲取與檢測(cè)信息的窗口。系統(tǒng)采用ST18016型號(hào)的高完整性單晶硅壓力半導(dǎo)體傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，該產(chǎn)品非線性度≤0.2%FS，遲滯≤0.2FS/℃，重復(fù)性≤0.2FS/℃，輸入與輸出偏差較小，測(cè)量精度高，測(cè)量范圍在-lOOkPa～2MPa之間，具有良好的可靠性和靈敏性。

微處理器作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，需要完成數(shù)據(jù)的處理、發(fā)送、接收及顯示等功能。微處理器選用具有內(nèi)置10位25通道單端/差分ADC的C8051F310單片機(jī)，其內(nèi)部校準(zhǔn)24.5 MHz±2%的工作頻率，完全能夠滿足靜態(tài)胎壓測(cè)量速率。無線傳輸選用nRF24L01芯片，可直接與單片機(jī)I/O連接。通過軟件設(shè)置其傳輸速率可以實(shí)現(xiàn)15～50m范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸[6]。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

圖4為基于胎壓差分法的車輛自載重檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量流程。首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后將采集到的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量發(fā)送給CPU進(jìn)行運(yùn)算和處理，nRF24L01的無線發(fā)送模塊將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給無線接收模塊，最終顯示在液晶屏上。

在無線傳輸過程中，先對(duì)數(shù)據(jù)寬度、頻道等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，nRF24L01的寄存器配置為發(fā)射模式，寫入發(fā)送地址和數(shù)據(jù)，延時(shí)一定時(shí)間后啟動(dòng)發(fā)射；數(shù)據(jù)接收時(shí)，寄存器配置為接收模式，寫入與發(fā)送模塊相同的地址寬度，數(shù)據(jù)長度和頻率，打開相應(yīng)的數(shù)據(jù)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。

4 試驗(yàn)與結(jié)果

4.1 準(zhǔn)確性試驗(yàn)

為了驗(yàn)證所提出設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)室搭建普通4輪貨運(yùn)車輛平板模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。假設(shè)貨車的4個(gè)輪胎新舊程度和磨損程度相同，將數(shù)據(jù)采集裝置安裝在每一個(gè)輪胎的氣門芯上，初始胎壓為94.26kPa，每增加65kg測(cè)量一次數(shù)據(jù)取平均值（如表1所示）。

圖5為胎壓與載重?cái)M合直線。由Origin9.0軟件分析得出當(dāng)貨車載量逐漸增加時(shí)，其擬合直線的擬合系數(shù)R2=0.97，說明回歸直線對(duì)觀測(cè)值的擬合程度很好，胎壓與載量之間基本滿足線性關(guān)系[8]。

由準(zhǔn)確性試驗(yàn)可以得出，對(duì)于特定型號(hào)的汽車和輪胎，本文所提出的測(cè)量方法準(zhǔn)確度較高，測(cè)量的相對(duì)誤差在±5%以內(nèi)。

4.2 穩(wěn)定性試驗(yàn)

為了驗(yàn)證該測(cè)量方法的可靠性和穩(wěn)定性，在車輛載重為400kg的狀態(tài)下，保持系統(tǒng)待機(jī)，每隔24小時(shí)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采樣，采樣10次并進(jìn)行分析（如表2所示）。圖6為連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線，10個(gè)采樣數(shù)據(jù)均在400kg上下波動(dòng)，最大絕對(duì)誤差為13.8kg，最大相對(duì)誤差為3.8%。在車輛長期行駛的過程中，能夠保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此該測(cè)量系統(tǒng)具有一定的可靠性和穩(wěn)定性。

4.3 結(jié)果

通過上述試驗(yàn)證明，本文提出的測(cè)量方法相對(duì)誤差均在±5%以內(nèi)，能夠較準(zhǔn)確得到對(duì)應(yīng)輪胎胎壓的汽車載重值，因此可采用相同的方法對(duì)不同型號(hào)的車輛進(jìn)行測(cè)量，并分別得出相應(yīng)的線性表達(dá)式。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)輪胎胎壓與車輛自載重之間數(shù)學(xué)關(guān)系的研究，提出一種基于胎壓差分的測(cè)量方法。該測(cè)量機(jī)理簡(jiǎn)潔有效，基于此機(jī)理上建立的車輛自載重實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)精度高，便于安裝和攜帶，具有較高的實(shí)用價(jià)值。但由于時(shí)間、實(shí)驗(yàn)條件和技術(shù)等原因，還有很多地方不夠完善。例如該系統(tǒng)沒有自主學(xué)習(xí)能力，只能對(duì)特定的輪胎進(jìn)行測(cè)量，因此還需進(jìn)一步研究，以滿足廣泛的應(yīng)用需求。

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