基于胎壓差分法的車輛自載重檢測系統設計

馬曉晴 胡小翠 王杰 王敏敏 周平

摘要：針對車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、無線收發技術、嵌入式硬件技術等，集成開發車輛載重檢測系統，實現胎壓變化的監測與記錄。通過準確性試驗得出該系統的相對誤差在±5%以內；由穩定性實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值和實用價值。

關鍵詞：胎壓差量法；無線通信；車輛載重；數學模型；實時監測

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2018.1.009

引言

據統計，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定》第三十三條中規定：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稱重和動態稱重。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，但不能實現動態實時測量，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境等復雜的影響因素，當輪胎負荷為Q時，內部氣壓為Pt，輪胎發生一定形變，設輪胎接地面積為S，此時有：

Q=PtS=Ptab

（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結構。基于物聯網架構，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，實現車輛載重的實時監控與測量[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，當用戶進入系統界面時，系統會自動匹配車輛的噸位、輪胎的型號以及車主的相關信息，并將當前狀態下的輪胎胎壓值與車輛載重值顯示在屏幕上。系統自主判斷當前車輛是否超載，若超載則發出警報信號。

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處理和無線數據傳輸。

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ST18016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≤0.2%FS，遲滯≤0.2FS/℃，重復性≤0.2FS/℃，輸入與輸出偏差較小，測量精度高，測量范圍在-lOOkPa～2MPa之間，具有良好的可靠性和靈敏性。

微處理器作為整個系統的核心，需要完成數據的處理、發送、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測量流程。首先對系統進行初始化，然后將采集到的模擬量轉換成數字量發送給CPU進行運算和處理，nRF24L01的無線發送模塊將處理后的數據發送給無線接收模塊，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。數據發送時，nRF24L01的寄存器配置為發射模式，寫入發送地址和數據，延時一定時間后啟動發射；數據接收時，寄存器配置為接收模式，寫入與發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 穩定性試驗

為了驗證該測量方法的可靠性和穩定性，在車輛載重為400kg的狀態下，保持系統待機，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，因此該測量系統具有一定的可靠性和穩定性。

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定，[Z]2016.

[3]劉燕.汽車自載重測量系統研究[D].東北大學，2012.

[4]李仁慶.動載荷下汽車胎壓變化規律試驗研究[D].浙江工業大學，2016.

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

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

[7]劉振華.基于NRF24L01的無線數據采集系統設計[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.