基于胎壓差分法的車(chē)輛自載重檢測系統設計

作者 / 馬曉晴 胡小翠 王杰 王敏敏 周平

　　安徽農業(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：農業(yè)自動(dòng)化、農業(yè)信息化等。

摘要：針對車(chē)輛超載檢測系統精度不高、效率低的現狀，本文研究一種基于胎壓差分的測量方法，并在此基礎上利用傳感技術(shù)、無(wú)線(xiàn)收發(fā)技術(shù)、嵌入式硬件技術(shù)等，集成開(kāi)發(fā)車(chē)輛載重檢測系統，實(shí)現胎壓變化的監測與記錄。通過(guò)準確性試驗得出該系統的相對誤差在±5%以?xún)?由穩定性實(shí)驗得出最大相對誤差為3.8%。因此該測量系統具有較高的理論價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。

引言

　　據統計，全國每年由車(chē)輛超載引起的交通事故占70%，由超載直接導致的群死群傷事故占50%^[1]。車(chē)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(guò)的《超限運輸車(chē)輛行駛公路管理規定》第三十三條中規定：公路管理機構應當對貨運車(chē)輛進(jìn)行超載檢測^[2]。

　　目前車(chē)輛載重檢測方式主要分為靜態(tài)稱(chēng)重和動(dòng)態(tài)稱(chēng)重。國外車(chē)輛稱(chēng)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(guò)程中影響測量精度的誤差因素作為訓練樣本，得到較理想的網(wǎng)絡(luò )模型，其優(yōu)點(diǎn)是測量精度高但制造成本也高^[3];國內的測量技術(shù)制造成本相對較低，一種是基于汽車(chē)疊板彈簧形變的測量技術(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(chēng)重傳感器的測量技術(shù)，其測量準確度高，但不能實(shí)現動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測量，效率低。

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

1 胎壓差分測量原理

　　當輪胎受到外部壓力作用發(fā)生形變時(shí)，其內部氣壓增加以對抗外力，因此當汽車(chē)載重時(shí)，輪胎內部的氣壓和空間都會(huì )發(fā)生相應變化^[4]。假設輪胎為一個(gè)理想模型，不考慮其剛性和周?chē)h(huán)境等復雜的影響因素，當輪胎負荷為Q時(shí)，內部氣壓為P_t，輪胎發(fā)生一定形變，設輪胎接地面積為S，此時(shí)有：

(1)

　　又因為：

(2)

　　R為輪胎半徑，f為下沉高度，假設在汽車(chē)行駛的過(guò)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(chē)，只需要測量汽車(chē)空載時(shí)和滿(mǎn)載后的輪胎胎壓就可得到汽車(chē)的載重量。

2 系統總體設計

2.1 結構設計

　　圖1為基于胎壓差分法的車(chē)輛自載重檢測系統結構?；谖锫?lián)網(wǎng)架構，通過(guò)壓力傳感器采集基本數據，采用嵌入式處理器進(jìn)行分析和運算，得到汽車(chē)自載重與輪胎胎壓之間的數學(xué)關(guān)系，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻進(jìn)行信息交換與通信，實(shí)現車(chē)輛載重的實(shí)時(shí)監控與測量^[5]。

2.2 功能設計

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

3 系統軟硬件設計

3.1 硬件設計

　　圖3為基于胎壓差分法的車(chē)輛自載重檢測系統硬件組成。主要分為傳感器采集、CPU處理和無(wú)線(xiàn)數據傳輸。

　　傳感器處于輪胎與測量系統接口位置，是獲取與檢測信息的窗口。系統采用STI8016型號的高完整性單晶硅壓力半導體傳感器進(jìn)行數據采集，該產(chǎn)品非線(xiàn)性度，遲滯，重復性，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(gè)系統的核心，需要完成數據的處理、發(fā)送、接收及顯示等功能。微處理器選用具有內置10位25通道單端/差分ADC的C8051F310單片機，其內部校準24.5 MHz±2%的工作頻率，完全能夠滿(mǎn)足靜態(tài)胎壓測量速率。無(wú)線(xiàn)傳輸選用nRF24L01芯片，可直接與單片機I/O連接。通過(guò)軟件設置其傳輸速率可以實(shí)現15~50m范圍內的數據傳輸^[6]。

3.2 軟件設計

   圖4為基于胎壓差分法的車(chē)輛自載重檢測系統測量流程。首先對系統進(jìn)行初始化，然后將采集到的模擬量轉換成數字量發(fā)送給CPU進(jìn)行運算和處理，nRF24L01的無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊將處理后的數據發(fā)送給無(wú)線(xiàn)接收模塊，最終顯示在液晶屏上。

　　在無(wú)線(xiàn)傳輸過(guò)程中，先對數據寬度、頻道等參數進(jìn)行設置。數據發(fā)送時(shí)，nRF24L01的寄存器配置為發(fā)射模式，寫(xiě)入發(fā)送地址和數據，延時(shí)一定時(shí)間后啟動(dòng)發(fā)射;數據接收時(shí)，寄存器配置為接收模式，寫(xiě)入與發(fā)送模塊相同的地址寬度，數據長(cháng)度和頻率，打開(kāi)相應的數據通道進(jìn)行數據接收。

4 試驗與結果

4.1 準確性試驗

　　為了驗證所提出設計的準確性，在實(shí)驗室搭建普通4輪貨運車(chē)輛平板模型進(jìn)行實(shí)驗測試。假設貨車(chē)的4個(gè)輪胎新舊程度和磨損程度相同，將數據采集裝置安裝在每一個(gè)輪胎的氣門(mén)芯上，初始胎壓為94.26kPa，每增加65kg測量一次數據取平均值(如表1所示)。

　　圖5為胎壓與載重擬合直線(xiàn)。由Origin9.0軟件分析得出當貨車(chē)載量逐漸增加時(shí)，其擬合直線(xiàn)的擬合系數R2=0.97，說(shuō)明回歸直線(xiàn)對觀(guān)測值的擬合程度很好，胎壓與載量之間基本滿(mǎn)足線(xiàn)性關(guān)系^[8]。

　　由準確性試驗可以得出，對于特定型號的汽車(chē)和輪胎，本文所提出的測量方法準確度較高，測量的相對誤差在±5%以?xún)取?/p>

4.2 穩定性試驗

　　為了驗證該測量方法的可靠性和穩定性，在車(chē)輛載重為400kg的狀態(tài)下，保持系統待機，每隔24小時(shí)進(jìn)行一次數據采樣，采樣10次并進(jìn)行分析(如表2所示)。圖6為連續觀(guān)測數據曲線(xiàn)，10個(gè)采樣數據均在400kg上下波動(dòng)，最大絕對誤差為13.8kg，最大相對誤差為3.8%。在車(chē)輛長(cháng)期行駛的過(guò)程中，能夠保證測量數據的準確性，因此該測量系統具有一定的可靠性和穩定性。

4.3 結果

　　通過(guò)上述試驗證明，本文提出的測量方法相對誤差均在±5%以?xún)?，能夠較準確得到對應輪胎胎壓的汽車(chē)載重值，因此可采用相同的方法對不同型號的車(chē)輛進(jìn)行測量，并分別得出相應的線(xiàn)性表達式。

5 結論

　　本文通過(guò)對輪胎胎壓與車(chē)輛自載重之間數學(xué)關(guān)系的研究，提出一種基于胎壓差分的測量方法。該測量機理簡(jiǎn)潔有效，基于此機理上建立的車(chē)輛自載重實(shí)時(shí)檢測系統精度高，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)驗條件和技術(shù)等原因，還有很多地方不夠完善。例如該系統沒(méi)有自主學(xué)習能力，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(mǎn)足廣泛的應用需求。

　　參考文獻：

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

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　　[7]劉振華.基于NRF24L01的無(wú)線(xiàn)數據采集系統設計[J].山西科技,2016,(06):104-109.

　　[8]郝長(cháng)春,孫潤廣.Origin9.0軟件在大學(xué)物理實(shí)驗數據處理中的應用探討[J].大學(xué)物理實(shí)驗,2015,(04):90-91.

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