車載式貨車超載控制系統(tǒng)的設(shè)計

彭鵬峰，趙曉敏

（廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510510）

前言

貨車超載危害極大，不僅損害公路和車輛自身，而且容易引發(fā)交通事故。在貨車肇事的道路交通事故中，有60%以上是由超載運輸引起的。目前，我國對于超載檢測主要是基于安裝在道路上的稱重設(shè)備，因公路路網(wǎng)廣無法做到全覆蓋，且很多司機故意繞開檢測站，治理效果不理想。

近年來，有部分學(xué)者將目光轉(zhuǎn)向汽車車載稱重領(lǐng)域，并將車載稱重技術(shù)和超載治理相結(jié)合。陳廣華等[1]開發(fā)的車輛超載監(jiān)測系統(tǒng)，在車輛超載時將超載信息以短消息形式發(fā)送給相關(guān)超載監(jiān)管部門；曹陽[2]開發(fā)的系統(tǒng)是在貨車超載時向駕駛室發(fā)出警告聲信息，警告無效，則與GPRS建立連接，鎖定目標(biāo)監(jiān)測，并將信息發(fā)給交管中心。上述研究只是對車輛的超載進行監(jiān)測和預(yù)警，貨車超載后仍可繼續(xù)運行。為阻止超載車輛上路，史建慧等[3]開發(fā)的貨車超載自鎖系統(tǒng)可在車輛超載時，切斷啟動電路；謝建新等[4]開發(fā)的汽車全自動超載檢測裝置在車輛超載時車載ECU將會對汽車的起動系統(tǒng)做出干涉，禁止汽車起動。上述研究針對貨車超載后采取的控制措施是切斷啟動電路，但是車輛啟動時間很短，超載控制系統(tǒng)的響應(yīng)若不夠迅速，就會造成控制失效。

本文設(shè)計一種車載式貨車超載控制系統(tǒng)，系統(tǒng)能實時監(jiān)測車輛負載情況，當(dāng)車輛超載時切斷發(fā)動機點火電路，使車輛自動熄火，從而使超載車輛無法上路，以期從根源上杜絕超載現(xiàn)象的發(fā)生。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)由稱重模塊、超載監(jiān)測模塊、顯示模塊、報警模塊和超載控制模塊組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。稱重模塊根據(jù)傳感器的信號計算貨車載重量；顯示模塊對貨車載重量進行實時顯示；控制模塊在系統(tǒng)監(jiān)測到超載時切斷車輛點火電路，使車輛無法運行。報警模塊由語音輸入模塊和喇叭構(gòu)成，語音模塊中存放提前錄制好的語音報警信息。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到超載時觸發(fā)報警模塊，在喇叭中播放語音信息。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)由位移傳感器、STM32單片機、OLED液晶顯示屏、1W喇叭、JQ8900-16P語音模塊芯片、繼電器等元件組成。系統(tǒng)由貨車上的蓄電池給供電，受點火開關(guān)的控制，只有當(dāng)車輛啟動后系統(tǒng)才開始工作，當(dāng)車速超過20 km/h時，系統(tǒng)停止工作。

2 單元模塊設(shè)計

2.1 超載監(jiān)測模塊

超載監(jiān)測模塊主要包括微處理器、電源電路、工作模式接口電路、復(fù)位電路等組成。微處理器采用STM32F103C8T6芯片，該芯片是是一款基于ARM Cortex-M內(nèi)核32位的微控制器，特點是低成本、低功耗、實時性強，內(nèi)部集成12位A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可將傳感器輸出的模擬信號直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號[5]。芯片工作溫度為?40 °C～85 °C，滿足在貨車上使用的環(huán)境溫度要求。

2.1.1 電源電路

由于汽車電源電壓是12 V，而STM32F103C8T6單片機的工作電壓為3.3 V，需要進行降壓處理。而系統(tǒng)中還有一些元件，如繼電器、液晶顯示屏的工作電壓是5 V，因此需要提供兩種電壓。首先將12 V電壓降為5 V，然后再將5 V電壓變壓為3.3 V，電路圖所圖2和圖3所示。

圖2 12 V到5 V的轉(zhuǎn)換電路

圖3 5 V到3.3 V的轉(zhuǎn)換電路

2.1.2 工作模式接口電路

芯片工作模式接口電路如圖4所示。當(dāng)引腳1和2連通時為下載模式，引腳2和3連通時為工作模式。

圖4 工作模式接口電路

2.2 稱重模塊

稱重模塊由4個光電式位移傳感器組成，傳感器安裝在車橋上鋼板彈簧U型螺栓旁5 cm的位置，每根車橋上安裝2個。傳感器的分辨率為0.1 mm，量程為50～500 mm，工作電壓為12 V，輸出信號為0～5 V。傳感器的實物圖和接線圖如圖5所示。

圖5 傳感器的實物圖和接線圖

2.2.1 稱重原理

鋼板彈簧變形量與貨車載重量之間存在映射關(guān)系，在不同載重量下其鋼板彈簧變形量不同。本文基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)搭建貨車載重量預(yù)測模型，根據(jù)前、后軸上鋼板彈簧變形量間接獲得貨車載重量。

通過位移傳感器測量車橋和車架間的距離，則鋼板彈簧在某一載重量下的變形量x可由下式計算得到。

式中，x1、x2分別為空載和加載狀態(tài)下傳感器測到的數(shù)值。

本研究所用的測試車輛為兩軸交通計量車，核定載荷為6 T。用重量為1 T的標(biāo)準(zhǔn)計量砝碼對其進行加載試驗，從空載起以1 T的步長加載至10 T，獲取不同載荷下各組鋼板彈簧的變形量。變換砝碼的位置再次測量，共進行了10輪測試，得到100組數(shù)據(jù)。根據(jù)采集到的彈簧變形量及貨車載重量數(shù)據(jù)，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)搭建貨車載重量預(yù)測模型，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖6所示。輸入為4個神經(jīng)元，分別為4個鋼板彈簧的變形量，輸出為1個神經(jīng)元，即貨車的載重量，隱層神經(jīng)元為8個。

圖6 貨車載重量預(yù)測模型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

將樣本數(shù)據(jù)的90%作為訓(xùn)練樣本集，用于對模型進行訓(xùn)練，其余的作為測試樣本集。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練原理為：

記輸入x=（x1，x2，x3，x4）T，隱藏層的輸出為y=（y1，y2，…，y8）T，網(wǎng)絡(luò)輸出為z，目標(biāo)輸出為zs。從輸入層到隱藏層的傳遞函數(shù)為sigmoid函數(shù)，記為f()，從隱藏層到輸出層的傳遞函數(shù)為線性函數(shù)，記為g()。于是，可得：

式中，yj表示隱藏層第j個神經(jīng)元的輸出，wij為第i個輸入神經(jīng)元與第j個隱藏層神經(jīng)元的連接權(quán)值，θj為隱藏層第j個神經(jīng)元的激活閾值。

式中，wj為第j個隱藏層神經(jīng)元與輸出層神經(jīng)元的連接權(quán)值，θ為輸出層神經(jīng)元的激活閾值。

網(wǎng)絡(luò)輸出與目標(biāo)輸出的誤差為：

在網(wǎng)絡(luò)誤差未滿足預(yù)期的精度時，網(wǎng)絡(luò)沿著反向傳播，對網(wǎng)絡(luò)中各隱層的各個神經(jīng)元的權(quán)值進行調(diào)整，根據(jù)調(diào)整后的權(quán)值，重新計算網(wǎng)絡(luò)輸出誤差[6]。通過不斷的調(diào)整權(quán)值和迭代運算，直到誤差精度達到要求為止。

設(shè)置網(wǎng)絡(luò)誤差目標(biāo)值為0.000 1，經(jīng)過多次訓(xùn)練，取結(jié)果最好的一次。模型訓(xùn)練好之后，網(wǎng)絡(luò)中各層間神經(jīng)元的連接權(quán)值和神經(jīng)元激活閾值就確定下來，根據(jù)這些數(shù)據(jù)就可建立鋼板彈簧變形量與貨車載重量之間的關(guān)系表達式。經(jīng)測試，本研究所搭建的貨車載重量預(yù)測模型對10組測試樣本的預(yù)測值與其實際值的相對誤差均在5%以內(nèi)，滿足工程使用要求。

2.2.2 電路設(shè)計

因傳感器輸出的最大電壓超過芯片所允許的電壓，將傳感器輸出信號通過一個分壓電路處理后再給芯片PA口，傳感器及分壓電路見圖7所示。

圖7 傳感器及分壓電路

2.3 超載控制模塊

2.3.1 超載控制策略

圖8為測試車輛點火系統(tǒng)電路圖。根據(jù)圖可知，點火模塊的點火指令由ECM給出，但其工作電源受IG繼電器控制。只有當(dāng)點火開關(guān)打到IG檔時，IG繼電器才通電，然后才能將電送到點火模塊。對點火系統(tǒng)電路進行改動的方案有：一是在ECM和點火器間的連接線上串接由單片機控制的開關(guān)；二是在IG繼電器和點火控制器之間的連接線路上串接開關(guān)。由于第一種方案在每個點火模塊與ECM間都要串接一個開關(guān)，改動量大，控制較為復(fù)雜。因此，本系統(tǒng)采用后一種方案，在1A-4和BA1-8間布設(shè)開關(guān)。由于這條線路同時也給噴油器供電。這條線路斷開，噴油和點火都不能工作。

圖8 點火系統(tǒng)電路圖

2.3.2 電路設(shè)計

超載控制模塊電路由三極管、5腳繼電器、二極管等元件構(gòu)成，如圖9所示。用芯片控制三極管基極電路，三極管控制繼電器電磁線圈的通斷電，繼電器常閉觸點串接在點火電路中。當(dāng)檢測到超載時，通過芯片I/O口給三極管基極一個觸發(fā)電流，從而控制繼電器斷開，切斷點火電路。

圖9 控制模塊電路圖

3 總結(jié)

本文基于STM32單片機設(shè)計了一種車載式貨車超載控 制系統(tǒng)。在貨車前后軸的兩端安裝位移傳感器用于測量各個鋼板彈簧變形量，通過對車輛進行加載試驗獲得大量的鋼板彈簧變形量和載重量數(shù)據(jù)，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)搭建貨車載重量預(yù)測模型，從而實現(xiàn)根據(jù)傳感器的信號即可測得貨車載重量。系統(tǒng)將載重量信息在液晶顯示屏上進行實時顯示。當(dāng)監(jiān)測到超載時，系統(tǒng)將觸發(fā)語音報警模塊對駕駛員進行超載提示，并切斷發(fā)動機點火電路，使車輛無法運行。