基于胎压差分法的车辆自载重检测系统设计

马晓晴 胡小翠 王杰 王敏敏 周平

摘要：针对车辆超载检测系统精度不高、效率低的现状，本文研究一种基于胎压差分的测量方法，并在此基础上利用传感技术、无线收发技术、嵌入式硬件技术等，集成开发车辆载重检测系统，实现胎压变化的监测与记录。通过准确性试验得出该系统的相对误差在±5%以内；由稳定性实验得出最大相对误差为3.8%。因此该测量系统具有较高的理论价值和实用价值。

关键词：胎压差量法；无线通信；车辆载重；数学模型；实时监测

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2018.1.009

引言

据统计，全国每年由车辆超载引起的交通事故占70%，由超载直接导致的群死群伤事故占50%[1]。车辆超载的危害性引起了国务院的高度重视，由部务会议通过的《超限运输车辆行驶公路管理规定》第三十三条中规定：公路管理机构应当对货运车辆进行超载检测[2]。

目前车辆载重检测方式主要分为静态称重和动态称重。国外车辆称重最典型的技术为神经网络法，该测量技术以神经网络为核心，将测量过程中影响测量精度的误差因素作为训练样本，得到较理想的网络模型，其优点是测量精度高但制造成本也高[3]：国内的测量技术制造成本相对较低，一种是基于汽车叠板弹簧形变的测量技术，其优点是制造容易，但精度不高，误差在5%～30%左右；另一种是基于高精度称重传感器的测量技术，其测量准确度高，但不能实现动态实时测量，效率低。

为了弥补上述测量系统中精度低、效率低、制造成本高的不足，本文设计了一种基于胎压差分法的车辆自载重检测系统。

1 胎压差分测量原理

当轮胎受到外部压力作用发生形变时，其内部气压增加以对抗外力，因此当汽车载重时，轮胎内部的气压和空间都会发生相应变化[4]。假设輪胎为一个理想模型，不考虑其刚性和周围环境等复杂的影响因素，当轮胎负荷为Q时，内部气压为Pt，轮胎发生一定形变，设轮胎接地面积为S，此时有：

Q=PtS=Ptab

（1）

又因为：

（2）

R为轮胎半径，f为下沉高度，假设在汽车行驶的过程中，轮胎温度T不变。

联立上式可得：

（3）

因此，对于确定型号的汽车，只需要测量汽车空载时和满载后的轮胎胎压就可得到汽车的载重量。

2 系统总体设计

2.1 结构设计

图1为基于胎压差分法的车辆自载重检测系统结构。基于物联网架构，通过压力传感器采集基本数据，采用嵌入式处理器进行分析和运算，得到汽车自载重与轮胎胎压之间的数学关系，并通过无线射频进行信息交换与通信，实现车辆载重的实时监控与测量[5]。

2.2 功能设计

图2为基于胎压差分法的车辆自载重检测系统功能。主要分为两部分，用户界面信息显示以及超载处理，当用户进入系统界面时，系统会自动匹配车辆的吨位、轮胎的型号以及车主的相关信息，并将当前状态下的轮胎胎压值与车辆载重值显示在屏幕上。系统自主判断当前车辆是否超载，若超载则发出警报信号。

3 系统软硬件设计

3.1 硬件设计

图3为基于胎压差分法的车辆自载重检测系统硬件组成。主要分为传感器采集、CPU处理和无线数据传输。

传感器处于轮胎与测量系统接口位置，是获取与检测信息的窗口。系统采用ST18016型号的高完整性单晶硅压力半导体传感器进行数据采集，该产品非线性度≤0.2%FS，迟滞≤0.2FS/℃，重复性≤0.2FS/℃，输入与输出偏差较小，测量精度高，测量范围在-lOOkPa～2MPa之间，具有良好的可靠性和灵敏性。

微处理器作为整个系统的核心，需要完成数据的处理、发送、接收及显示等功能。微处理器选用具有内置10位25通道单端/差分ADC的C8051F310单片机，其内部校准24.5 MHz±2%的工作频率，完全能够满足静态胎压测量速率。无线传输选用nRF24L01芯片，可直接与单片机I/O连接。通过软件设置其传输速率可以实现15～50m范围内的数据传输[6]。

3.2 软件设计

图4为基于胎压差分法的车辆自载重检测系统测量流程。首先对系统进行初始化，然后将采集到的模拟量转换成数字量发送给CPU进行运算和处理，nRF24L01的无线发送模块将处理后的数据发送给无线接收模块，最终显示在液晶屏上。

在无线传输过程中，先对数据宽度、频道等参数进行设置。数据发送时，nRF24L01的寄存器配置为发射模式，写入发送地址和数据，延时一定时间后启动发射；数据接收时，寄存器配置为接收模式，写入与发送模块相同的地址宽度，数据长度和频率，打开相应的数据通道进行数据接收。

4 试验与结果

4.1 准确性试验

为了验证所提出设计的准确性，在实验室搭建普通4轮货运车辆平板模型进行实验测试。假设货车的4个轮胎新旧程度和磨损程度相同，将数据采集装置安装在每一个轮胎的气门芯上，初始胎压为94.26kPa，每增加65kg测量一次数据取平均值（如表1所示）。

图5为胎压与载重拟合直线。由Origin9.0软件分析得出当货车载量逐渐增加时，其拟合直线的拟合系数R2=0.97，说明回归直线对观测值的拟合程度很好，胎压与载量之间基本满足线性关系[8]。

由准确性试验可以得出，对于特定型号的汽车和轮胎，本文所提出的测量方法准确度较高，测量的相对误差在±5%以内。

4.2 稳定性试验

为了验证该测量方法的可靠性和稳定性，在车辆载重为400kg的状态下，保持系统待机，每隔24小时进行一次数据采样，采样10次并进行分析（如表2所示）。图6为连续观测数据曲线，10个采样数据均在400kg上下波动，最大绝对误差为13.8kg，最大相对误差为3.8%。在车辆长期行驶的过程中，能够保证测量数据的准确性，因此该测量系统具有一定的可靠性和稳定性。

4.3 结果

通过上述试验证明，本文提出的测量方法相对误差均在±5%以内，能够较准确得到对应轮胎胎压的汽车载重值，因此可采用相同的方法对不同型号的车辆进行测量，并分别得出相应的线性表达式。

5 结论

本文通过对轮胎胎压与车辆自载重之间数学关系的研究，提出一种基于胎压差分的测量方法。该测量机理简洁有效，基于此机理上建立的车辆自载重实时检测系统精度高，便于安装和携带，具有较高的实用价值。但由于时间、实验条件和技术等原因，还有很多地方不够完善。例如该系统没有自主学习能力，只能对特定的轮胎进行测量，因此还需进一步研究，以满足广泛的应用需求。

参考文献：

[1]杜娟，刘晓东.我国车辆超载现状分析及对策研究[J].价值工程，2012，（01）：279-280.

[2]交通运输.部超限运输车辆行驶公路管理规定，[Z]2016.

[3]刘燕.汽车自载重测量系统研究[D].东北大学，2012.

[4]李仁庆.动载荷下汽车胎压变化规律试验研究[D].浙江工业大学，2016.

[5]张海涛，张永奎.物联网体系架构与核心技术[J].长春工业大学学报（自然科学版），2012，（02）：176-181.

[6]覃溪.基于nRF24L01的无线温湿度报警器的设计[J].科技展望，2017，（10）：136.

[7]刘振华.基于NRF24L01的无线数据采集系统设计[J].山西科技，2016，（06）：104-109.

[8]郝长春，孙润广.Origin9.0软件在大学物理实验数据处理中的应用探讨[J].大学物理实验，2015，（04）：90-91.