基于胎壓差分法的車輛自載重檢測系統(tǒng)設(shè)計

作者 / 馬曉晴 胡小翠 王杰 王敏敏 周平

　　安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院電氣工程系(安徽 合肥 230000)

　　*基金項目：安徽省質(zhì)量工程項目(編號：2015ckjh008);安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)校級大創(chuàng)項目(編號：2016102)

　　周平(1982-)，男，博士，副教授，研究方向：農(nóng)業(yè)自動化、農(nóng)業(yè)信息化等。

摘要：針對車輛超載檢測系統(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)車輛載重檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)胎壓變化的監(jiān)測與記錄。通過準(zhǔn)確性試驗得出該系統(tǒng)的相對誤差在±5%以內(nèi);由穩(wěn)定性實驗得出最大相對誤差為3.8%。因此該測量系統(tǒng)具有較高的理論價值和實用價值。

引言

　　據(jù)統(tǒng)計，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)會議通過的《超限運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)對貨運車輛進(jìn)行超載檢測^[2]。

　　目前車輛載重檢測方式主要分為靜態(tài)稱重和動態(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，該測量技術(shù)以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為核心，將測量過程中影響測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)點是測量精度高但制造成本也高^[3];國內(nèi)的測量技術(shù)制造成本相對較低，一種是基于汽車疊板彈簧形變的測量技術(shù)，其優(yōu)點是制造容易，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量技術(shù)，其測量準(zhǔn)確度高，但不能實現(xiàn)動態(tài)實時測量，效率低。

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

1 胎壓差分測量原理

　　當(dāng)輪胎受到外部壓力作用發(fā)生形變時，其內(nèi)部氣壓增加以對抗外力，因此當(dāng)汽車載重時，輪胎內(nèi)部的氣壓和空間都會發(fā)生相應(yīng)變化^[4]。假設(shè)輪胎為一個理想模型，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，內(nèi)部氣壓為P_t，輪胎發(fā)生一定形變，設(shè)輪胎接地面積為S，此時有：

(1)

　　又因為：

(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，對于確定型號的汽車，只需要測量汽車空載時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

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　圖1為基于胎壓差分法的車輛自載重檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。基于物聯(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，實現(xiàn)車輛載重的實時監(jiān)控與測量^[5]。

2.2 功能設(shè)計

　　圖2為基于胎壓差分法的車輛自載重檢測系統(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，系統(tǒng)會自動匹配車輛的噸位、輪胎的型號以及車主的相關(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)出警報信號。

3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

　　圖3為基于胎壓差分法的車輛自載重檢測系統(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量系統(tǒng)接口位置，是獲取與檢測信息的窗口。系統(tǒng)采用STI8016型號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，遲滯，重復(fù)性，輸入與輸出偏差較小，測量精度高，測量范圍在-100kPa~2MPa之間，具有良好的可靠性和靈敏性。

　　微處理器作為整個系統(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現(xiàn)15~50m范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸^[6]。

3.2 軟件設(shè)計

   圖4為基于胎壓差分法的車輛自載重檢測系統(tǒng)測量流程。首先對系統(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，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)，延時一定時間后啟動發(fā)射;數(shù)據(jù)接收時，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 試驗與結(jié)果

4.1 準(zhǔn)確性試驗

　　為了驗證所提出設(shè)計的準(zhǔn)確性，在實驗室搭建普通4輪貨運車輛平板模型進(jìn)行實驗測試。假設(shè)貨車的4個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輪胎的氣門芯上，初始胎壓為94.26kPa，每增加65kg測量一次數(shù)據(jù)取平均值(如表1所示)。

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

　　由準(zhǔn)確性試驗可以得出，對于特定型號的汽車和輪胎，本文所提出的測量方法準(zhǔn)確度較高，測量的相對誤差在±5%以內(nèi)。

4.2 穩(wěn)定性試驗

　　為了驗證該測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)觀測數(shù)據(jù)曲線，10個采樣數(shù)據(jù)均在400kg上下波動，最大絕對誤差為13.8kg，最大相對誤差為3.8%。在車輛長期行駛的過程中，能夠保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此該測量系統(tǒng)具有一定的可靠性和穩(wěn)定性。

4.3 結(jié)果

　　通過上述試驗證明，本文提出的測量方法相對誤差均在±5%以內(nèi)，能夠較準(zhǔn)確得到對應(yīng)輪胎胎壓的汽車載重值，因此可采用相同的方法對不同型號的車輛進(jìn)行測量，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量方法。該測量機(jī)理簡潔有效，基于此機(jī)理上建立的車輛自載重實時檢測系統(tǒng)精度高，便于安裝和攜帶，具有較高的實用價值。但由于時間、實驗條件和技術(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，只能對特定的輪胎進(jìn)行測量，因此還需進(jìn)一步研究，以滿足廣泛的應(yīng)用需求。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]杜娟,劉曉東.我國車輛超載現(xiàn)狀分析及對策研究[J].價值工程,2012,(01):279-280.

　　[2]交通運輸部.超限運輸車輛行駛公路管理規(guī)定.[Z]2016.

　　[3]劉燕.汽車自載重測量系統(tǒng)研究[D].東北大學(xué),2012.

　　[4]李仁慶.動載荷下汽車胎壓變化規(guī)律試驗研究[D].浙江工業(yè)大學(xué),2016.

　　[5]張海濤,張永奎.物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)與核心技術(shù)[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,(02):176-181.

　　[6]覃溪.基于nRF24L01的無線溫濕度報警器的設(shè)計[J].科技展望,2017,(10):136.

　　[7]劉振華.基于NRF24L01的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].山西科技,2016,(06):104-109.

　　[8]郝長春,孫潤廣.Origin9.0軟件在大學(xué)物理實驗數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用探討[J].大學(xué)物理實驗,2015,(04):90-91.

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第1期第46頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。