CN101893472B - 一种汽车吨位测量的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车吨位测量方法及其装置。本发明首先对汽车轮胎模型进行了简化建模，得出了载重量与胎压之间变化的数学表达式，在此基础上，设计与制造了相应的载重测量装置，通过测量汽车载重前后轮胎内的气压变化，间接测量出载重物的重量。测量装置主要由便携式测量显示终端、压力变送器、导气软管组成。其中，密闭性良好的导气软管将压力变送器一端和轮胎进气口相连接，可以将轮胎内的气压和压力变送器相连通，把气压量转换成标准电信号量；手持终端能够以高分辨率采集、处理代表气压的电信号，通过载重前后气压变化，经过处理、运算，显示出汽车载重重量，数据处理简单；测量装置与被测对象相互分离，体积小、重量轻、成本低，独立性强，携带方便。

Description

一种汽车吨位测量的方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种汽车吨位测量的方法及其测量装置，属于计算机应用技术和测量技术领域。

背景技术

近年来，随着工业生产和商业贸易的快速增长，公路运输业竞争越来越激烈，车辆超限超载运输现象不断增加，车辆称重技术具有越来越重要的作用。

目前应用最为广泛的汽车衡器是电子磅，它的原理是汽车通过电子衡部分后测出其载重量，其体积庞大，安装地点固定，使用不方便，生产成本亦较高，在实际的应用中带来不少困难。许多相关科研机构也正在针对这些问题研制新的测量方法，最为典型的有两种：一种是静态测量技术。通过给车体安装一套电磁感应系统、液压系统等应变装置，测量汽车的载重量发生变化时引起相应的参数(位移、磁场、电压等信号)变化，测出汽车的载重。在中国发明专利200520080419中公开了一种车辆载重测量装置，提出了在支撑车轴的弹簧钢板和大梁之间安装距离传感器，该距离传感器包含一个敏感元件组合和一个带有导向机构的固定底座和活动杆，通过测量车辆上弹簧钢板在载重前后变形量，得到载重数据。这种测量的方法其测量原理简单，数据运算也不复杂，也很容易提高其测量精度；但是面临的最主要的问题是安装应变装置较为复杂，且所用到的敏感元件因为安装在车体上，在恶劣的环境下很难保持其精密性和使用寿命。

另一种是动态测量技术。其基本原理是：采集由载重汽车的重量引起的变形、惯性量改变等，通过提取这类参数信号，经过信号变换、处理、及频谱特性分析等手段提取出载重汽车的重量参数。现有公开文献“基于LabVIEW的车体振动加速度信号处理”(《中国测试技术》2008年第34卷第1期67～69页)一文，提出了一种通过加速度传感器获取车体的振动信号，经过滤波、变换、处理等数据运算，提取重量信息。同样，在公开文献“高速动态车辆研究”(《微电脑应用》2009年第25卷第1期10～12页)一文中，提供了一种高速动态车辆称重方法：以应变传感器作为现场敏感器件，测量行驶车辆引起的桥梁应变，对采样数据进行积分运算消除振动项对结果的影响，进而获得动态车辆的载重值。这两种方法都是采用了动态测量技术，都是充分利用了车体自身参数的变化，其硬件实现过程并不复杂；但是，其信号是在车辆行驶过程中实时获得的，测量信号处理及参数辨识过程较为复杂，另一方面，路面的平滑度和车辆速度对测量结果影响亦较大。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提出了一种基于胎压测量吨位的测量方法，不需要额外安装辅助测量装置，也不需要对现有车型进行改造，通过提取载重前后汽车轮胎气压参数的变化，经过简单的运算，便可得到车辆的真实的载重值。该测量方法亦吸收了前述公开文献提出的静态测量技术和动态测量技术。一方面，胎压变化和载重量近似呈线性关系，只需要进行相应的补偿，其测量原理简单；另一方面，胎压变化量是载重汽车自身的变化参数，省去了辅助测量装置。

本发明要解决的技术问题是，首先根据经典力学的基本原理建立了载重量与胎压变化之间的数学关系模型，为实现测量装置提供了理论基础；其次根据所建立的数学模型，设计了全数字便携式吨位测量装置。为解决上述技术问题，本发明提出的通过胎压变化测量汽车载重负荷的测量方法。大量的实验研究表明，对于特定的轮胎，内部气压变化与其承受的径向载荷是近似呈线性关系的。以此为依据，对于简单的四轮卡车轮胎气压与载重负荷关系模型进行了深入研究，通过两步法建立了精确的数学模型：

第一步：载重与受力的关系。

将四轮卡车抽象成理想的平面物理模型，并做以下合理的假设：

(1)负载后车身左右对称，即认为左右轮胎承受的力相等。

(2)车厢内的载重物重心处在固定的位置，即车厢的中心位置。

则可建立以轮胎为支点的力矩模型，如图1。

以前轮为参考原点，根据假设(2)得到载重汽车的重心随载重量变化关系：

$X_2=\frac{m*x_0+M*y_0}{m+M}$

其中：m、M、x₀、y₀、X₂参数分别表示空车质量、载重物质量、空车重心、重物重心、载重后汽车的重心。

以前轮为支点，由转矩平衡方程得到：

$F_2=\frac{(m+M)*g}{L*(M+m)}*(m*x_0+M*y_0)=(m*x_0+M*y_0)*\frac{g}{L}$

其中，g为重力加速度，L为前后轮之间的距离。

根据假设(1)，后轮单侧平均受力为：

F＝F₂/2

第二步：受力与轮胎气压的关系

对轮胎做如下合理的假设：

(3)轮胎的形状为柱状圆环，其正面视图如图2所示。

(4)假设轮胎在径向载荷作用下，下沉量的变化明显大于侧向形变，即忽略微小侧向形变的影响。

设轮胎的固有参数如下：

b为轮胎宽度，R为轮胎外环半径，r为轮胎内环半径。根据作用力与反作用力原理：

F＝PS＝Pbl

式中：P为轮胎内部压强，S为轮胎与地面的接触面积，F为地面对轮胎的支撑力，K为外轮胎抵抗力的作用系数，l为轮胎与地面接触长度。

负载后轮胎内的体积变化量由下列公式给出：

ΔV＝(S₁-S₂)*b

式中，S₁、S₂分别是扇形面积和三角形面积。

$\mathrm{\ΔS}=S_1-S_2=\frac{\mathrm{\α}}{2\mathrm{\π}}*\mathrm{\π}*R^2-\frac{1}{2}\sqrt{R^2-{\left(\frac{l}{2}\right)}^2}*l$

其中

将上式以l为自变量用泰勒展开式展开，并且忽略四次以上的阶数：

$\mathrm{\ΔS}=\frac{l^3}{8*R}$

轮胎载货前后可认为是恒温过程，热力学定理知：

P₁V₁＝P₀V₀＝(P₀+ΔP)(V₀-ΔV)＝const

由上式联立解得M与P的关系：

$M=\frac{L*(P_0+\mathrm{\ΔP})b*\sqrt[3]{8R(\mathrm{\π}{R}^2-\mathrm{\π}{r}^2)(1-\frac{P_0}{P_0+\mathrm{\ΔP}})}-x_{0}m}{y_{0}g}$

从上式可以看出只要测出汽车空载时的胎压P₀以及载重后的胎压P₁＝P₀+ΔP也即测出胎压变化量就可以得出汽车的载重量。为了验证上述原理的正确性，在实验环境下按比例制做了简单的四轮小车模型，经过大量的实验，得到了三组典型的数据，如图3所示。图中的三组曲线是上述公式分别在180KPa、240KPa、320KPa附近的曲线图，星号表示的是实验测量的真实值。

基于以上分析，对于确定型号的汽车，如果系统中事先存储了该型车的空载重量，则只需要选择相应的车型，如果没有这种车型，则可通过键盘输入被测车辆的空载重量，然后，通过测量初始胎压及载重负荷后胎压便可获得汽车的载重量，这也就是数字便携式载重测量装置的机理。工程上为了实现方便和控制精度减小误差，可采用分段线性化处理方法，以排除轮胎刚度、侧向形变的影响。

根据上述测量方法，测量装置由便携式手持终端、压力变送器和用于连接变送器和轮胎进气口的密封软管组成。装载货物前，利用特制的密闭软管将轮胎进气口与气压变送器相连接，将轮胎的气压值转换成标准电信号送入A/D转换器接口进行采样、转换。当货物装载完成时，再次按同样的方法测量胎压，根据初始测量的胎压和胎压变化值，对于特定类型的汽车，经过微处理器的运算，可以得出其载重量，并经过测量装置的显示部分将胎压和吨位显示出来。

便携式手持终端由微处理器单元、键盘输入单元、液晶显示单元、电源转换单元、外部存储器单元、实时时钟单元、通信单元以及传感器接口单元组成。其同时具备测量胎压、测量载重、过压/欠压报警指示、数据存储功能。

附图说明

下面结合附图对本发明汽车吨位测量方法及其装置做进一步详细的说明。

图1.为汽车负载受力简化模型示意图。

图2.为汽车负载后受力轮胎的截面示意图。

图3.为汽车的胎压与载重函数曲线图。

图4.为本发明的测量装置功能结构框图。

图5.为本发明的测量装置结构示意图。

图6.为本发明的测量装置手持终端内部硬件结构框图。

图7.为本发明的测量装置手持终端内部电路原理图一。

图8.为本发明的测量装置手持终端内部电路原理图二。

图9.为本发明的测量装置手持终端的软件流程图。

1.机盒    2.显示器    3.电源开关    4.功能按键   5.电池盒     6.导气软管

7.电源指示灯    8.气压变送器    9.报警指示灯     10.传输线    11.接头

具体实施方式

参考图1、图2，首先根据经典力学的基本原理建立载重量与胎压变化之间的数学关系模型，为实现测量装置提供了理论基础；其次根据所建立的数学模型，设计全数字便携式吨位测量装置。

通过载重前后两次胎压变化测量汽车载重量的方法。具体而言，其方法的本质包括以下步骤：

第一步：载重与受力的关系。

载重汽车的重心随载重量变化关系：

$X_2=\frac{m*x_0+M*y_0}{m+M}$

后轮平均受力与重心变化的关系：

$F_2=\frac{(m+M)*g}{L*(M+m)}*(m*x_0+M*y_0)=(m*x_0+M*y_0)*\frac{g}{L}$

第二步：受力与轮胎气压的关系

轮胎平均受力模型计算公式：

F＝PS＝Pbl

由下列公式得到体积变化和与地面接触长度的关系：

ΔV＝(S₁-S₂)*b

$\mathrm{\ΔS}=\frac{l^3}{8*R}$

P₁V₁＝P₀V₀＝(P₀+ΔP)(V₀-ΔV)＝const

第三步：由上面的式子推导出载重量与胎压变化的关系：

$M=\frac{L*(P_0+\mathrm{\ΔP})b*\sqrt[3]{8R(\mathrm{\π}{R}^2-\mathrm{\π}{r}^2)(1-\frac{P_0}{P_0+\mathrm{\ΔP}})}-x_{0}m}{y_{0}g}$

从上式可以看出只要测出汽车空载时的胎压P₀以及载重后的胎压P₁＝P₀+ΔP也即测出胎压变化量就可以得出汽车的载重量。如图3所示，本发明的汽车胎压与载重函数曲线图中的三组曲线是上述公式分别在180KPa、240KPa、320KPa附近的曲线图，星号表示的是实验测量的真实值。对于确定型号的汽车，如果系统中事先存储了该车型的空载重量，则只需要选择相应的车型，如果没有这种车型，则可通过键盘输入被测车辆的空载重量，然后，通过测量初始胎压及载重后胎压便可获得汽车的载重量，这也就是数字便携式载重测量装置的机理。工程上为了实现方便和控制精度减小误差，可采用分段线性化处理方法，以排除轮胎刚度、侧向形变的影响。

图4、图5为本发明的测量装置结构和测量装置手持终端内部硬件结构原理框图。根据上述测量方法，测量装置由便携式手持终端、压力变送器和用于连接压力变送器与轮胎进气口的导气软管组成。装载货物前，将导气软管(6)一端与轮胎进气口相连接，将轮胎内气压引入管内，另一端连接气压变送器(8)，在保证密封的前提下，传感器将压力转换成标准电信号通过双绞屏蔽传输线(10)传送给测量装置的核心运算单元。当打开电源开关(3)后，通过功能按键(4)选择测量压力和测量载重功能。同时功能按键(4)能够控制整个测量过程。测量结束后，测量装置在显示器(2)上自动显示测量结果。当货物装载完成时，再次按同样的方法测量胎压，根据初始测量的胎压和胎压变化值，对于特定类型的汽车，经过微处理器的运算，可以得出其载重量，并经过测量装置的显示部分将胎压和吨位显示出来。为了保证测量结果的准确性，提高系统的兼容性和可扩展性，选用量程为0～1MPa，输出0～5V标准电信号的压力变送器。导气软管是一种经过特殊设计制成的能够保证气密性良好的导气管，将轮胎的进气口与压力变送器相连接，组成一个气压平衡的相通容器。

图6显示了本发明的测量装置手持终端内部硬件结构框图。所述的便携式手持终端是系统的核心，由微处理器单元、分离键盘输入单元、液晶显示单元、电源转换单元、外部存储器单元及传感器接口单元组成。

所述的微处理器单元是整个系统的核心单元，完成数据采集、运算，用户输入以及显示控制等功能。微处理器选用内置8通道24位A/D转换器的C8051F350单片机，其内部校准24.5/MHz的工作频率，完全能够满足静态胎压测量速率。功能按键使用四个独立的按键，采用循环扫描式的处理方法，为了确保按键可靠工作，在软件上采取了延时消抖的措施。由于C8051F350的只有17个通用I/O口，故充分利用了单片机内置SPI串行口的方式，外加串并转换接口和锁存器构成，通用液晶显示器的8位数据输入端，寄存器选择线、读写控制线和使能信号线分别接不同的I/O口。电源单元电路是采用可充电的9V电池，通过线性转换芯片转换成3.3V、+5V和基准2.5V。其中，基准2.5V专门作为微处理器内部A/D的参考电压，防止串扰，提高转换精度。存储器单元用来存储测量的数据，通过两个I/O口模拟IIC总线方式实现。

在本实施例中，图7和图8分别是本发明的测量装置手持终端内部电路原理图，原理图中直观的显示了各模块之间的相互连接关系。所述的测量装置手持终端内部电路原理图一包括了(a).存储器与实时时钟模块、(b).通信接口与指示灯模块、(c).压力变送器接口模块、(d).供电电源模块；所述的测量装置手持终端内部电路原理图二包括了(a).键盘与显示模块、(b)微处理器核心模块。

图9展示出了本发明的测量装置手持终端的软件流程图。本实施例中，测量装置的完整测量过程是这样的：系统进入主界面后，待用户输入功能选择。如果选择了测压功能，则测量装置只完成当前轮胎的压力测量功能，并根据测量结果判断是否超出了轮胎的正常气压范围；如果超出，报警指示灯(9)亮，同时显示器显示欠压还是过压。同时，用户还可以选择将当前的测量值是否要保存起来。如果选择了测量载重的功能，则测量装置要求输入车辆的类型或车辆的空载标称重量，然后测量载重前后两次所得的压力值，经过微处理器的运算，给出载重的重量。

本发明汽车吨位测量方法及其装置所采用载重汽车轮胎内部气压变化来测量载重量，且数据处理简单；同时具有测量胎压和载重的功能；测量装置与被测对象相互分离，体积小、重量轻、成本低，独立性强，携带方便。

Claims (4)

1.一种汽车吨位测量方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：根据经典力学的基本原理建立载重量与胎压变化之间的数学关系模型：

第一步：载重与受力的关系：

载重汽车的重心随载重量变化关系：

$X_2=\frac{m*x_0+M*y_0}{m+M}$

其中：m、M、x₀、y₀、X₀参数分别表示空车质量、载重物质量、空车重心、重物重心、载重后汽车的重心；

后轮平均受力与重心变化的关系：

$F_2=\frac{(m+M)*g}{L*(M+m)}*(m*x_0+M*y_0)=(m*x_0+M*y_0)*\frac{g}{L}$

其中，g为重力加速度，L为前后轮之间的距离；

第二步：受力与轮胎气压的关系：

轮胎平均受力模型计算公式：

F＝PS＝Pbl

由下列公式得到体积变化和接地长度的关系：

ΔV＝(S₁-S₂)*b

$\mathrm{\ΔS}=\frac{l^3}{8*R}$

P₁V₁＝P₀V₀＝(P₀+ΔP)(V₀-ΔV)＝const

其中，F为地面对轮胎的支撑力，P为轮胎内部压强，S为轮胎与地面的接触面积，b为轮胎宽度，l为轮胎与地面接触长度，R为轮胎外环半径，r为轮胎内环半径，S₁、S₂分别是扇形面积和三角形面积，P₀和P₁分别是载重前、后轮胎内的气压，V₀和V₁分别是在中前、后轮胎的体积；

第三步：由上面的式子推导出载重量与胎压变化的关系：

$M=\frac{L*(P_0+\mathrm{\ΔP})b*\sqrt[3]{8R(\mathrm{\π}{R}^2-\mathrm{\π}{r}^2)(1-\frac{P_0}{P_0+\mathrm{\ΔP}})}-x_{0}m}{y_{0}g};$

步骤2：对于特定的汽车，即知道其本身的重量后，只需要测量出汽车空载时的胎压P₀以及载重后的胎压P₁＝P₀+ΔP即测出胎压变化量就可以得出汽车的载重量；

步骤3：采用分段线性化处理方法，来控制精度，减小误差，以排除轮胎刚度、侧向形变的影响。

2.一种实现权利要求1所述方法的汽车吨位测量装置，其特征在于包括便携式控制显示手持终端、气压变送器(8)和用于连接气压变送器与轮胎进气口的密封导气软管(6)，所述的便携式控制显示手持终端由微处理器单元、键盘输入单元、液晶显示器、电源转换单元、外部存储器单元及传感器接口单元组成；其同时具备测量胎压、测量载重、过压/欠压报警指示、数据存储功能。

3.根据权利要求2所述的汽车吨位测量装置，其特征在于：所述的密封导气软管(6)一端与轮胎进气口连接，将轮胎内气压引入管内，另一端与气压变送器(8)相连接，传感器将压力转换成标准电信号通过双绞屏蔽传输线(10)送给测量装置的微处理器单元。

4.根据权利要求2所述的汽车吨位测量装置，其特征在于：所述汽车吨位测量装置通电后，通过功能按键(4)选择测量压力和测量载重功能，同时功能按键(4)能够控制整个测量过程，测量装置在液晶显示器(2)上自动显示测量数据，所设置的过压/欠压报警指示灯(9)同时显示。

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