基于胎壓差分法的車輛自載重檢測系統(tǒng)設計

作者 / 馬曉晴 胡小翠 王杰 王敏敏 周平

　　安徽農業(yè)大學 工學院電氣工程系(安徽 合肥 230000)

　　*基金項目：安徽省質量工程項目(編號：2015ckjh008);安徽農業(yè)大學校級大創(chuàng)項目(編號：2016102)

　　周平(1982-)，男，博士，副教授，研究方向：農業(yè)自動化、農業(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，并在此基礎上利用傳感技術、無線收發(fā)技術、嵌入式硬件技術等，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。通過準確性試驗得出該系統(tǒng)的相對誤差在±5%以內;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%，由超載直接導致的群死群傷事故占50%^[1]。車輛超載的危害性引起了國務院的高度重視，由部務會議通過的《超限運輸車輛行駛公路管理規(guī)定》第三十三條中規(guī)定：公路管理機構應當對貨運車輛進行超載檢測^[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為神經網絡法，該測量技術以神經網絡為核心，將測量過程中影響測量精度的誤差因素作為訓練樣本，得到較理想的網絡模型，其優(yōu)點是測量精度高但制造成本也高^[3];國內的測量技術制造成本相對較低，一種是基于汽車疊板彈簧形變的測量技術，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，其測量準確度高，但不能實現(xiàn)動態(tài)實時測量，效率低。

　　為了彌補上述測量系統(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

　　當輪胎受到外部壓力作用發(fā)生形變時，其內部氣壓增加以對抗外力，因此當汽車載重時，輪胎內部的氣壓和空間都會發(fā)生相應變化^[4]。假設輪胎為一個理想模型，不考慮其剛性和周圍環(huán)境等復雜的影響因素，當輪胎負荷為Q時，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，此時有：

(1)

　　又因為：

(2)

　　R為輪胎半徑，f為下沉高度，假設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)總體設計

2.1 結構設計

　　圖1為基于胎壓差分法的車輛自載重檢測系統(tǒng)結構?；谖锫?lián)網架構，通過壓力傳感器采集基本數據，采用嵌入式處理器進行分析和運算，得到汽車自載重與輪胎胎壓之間的數學關系，并通過無線射頻進行信息交換與通信，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，當用戶進入系統(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信息，并將當前狀態(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)軟硬件設計

3.1 硬件設計

　　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處理和無線數據傳輸。

　　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體傳感器進行數據采集，該產品非線性度，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。

　　微處理器作為整個系統(tǒng)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I/O連接。通過軟件設置其傳輸速率可以實現(xiàn)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輛自載重檢測系統(tǒng)測量流程。首先對系統(tǒng)進行初始化，然后將采集到的模擬量轉換成數字量發(fā)送給CPU進行運算和處理，nRF24L01的無線發(fā)送模塊將處理后的數據發(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，先對數據寬度、頻道等參數進行設置。數據發(fā)送時，nRF24L01的寄存器配置為發(fā)射模式，寫入發(fā)送地址和數據，延時一定時間后啟動發(fā)射;數據接收時，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，數據長度和頻率，打開相應的數據通道進行數據接收。

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，在實驗室搭建普通4輪貨運車輛平板模型進行實驗測試。假設貨車的4個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輪胎的氣門芯上，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。由Origin9.0軟件分析得出當貨車載量逐漸增加時，其擬合直線的擬合系數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系^[8]。

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

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，每隔24小時進行一次數據采樣，采樣10次并進行分析(如表2所示)。圖6為連續(xù)觀測數據曲線，10個采樣數據均在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，能夠保證測量數據的準確性，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，能夠較準確得到對應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行測量，并分別得出相應的線性表達式。

5 結論

　　本文通過對輪胎胎壓與車輛自載重之間數學關系的研究，提出一種基于胎壓差分的測量方法。該測量機理簡潔有效，基于此機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、實驗條件和技術等原因，還有很多地方不夠完善。例如該系統(tǒng)沒有自主學習能力，只能對特定的輪胎進行測量，因此還需進一步研究，以滿足廣泛的應用需求。

　　參考文獻：

　　[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.

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　　[5]張海濤,張永奎.物聯(lián)網體系架構與核心技術[J].長春工業(yè)大學學報(自然科學版),2012,(02):176-181.

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

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

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