彭鵬峰，趙曉敏

（廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510510）

前言

貨車超載危害極大，不僅損害公路和車輛自身，而且容易引發(fā)交通事故。在貨車肇事的道路交通事故中，有60%以上是由超載運(yùn)輸引起的。目前，我國(guó)對(duì)于超載檢測(cè)主要是基于安裝在道路上的稱重設(shè)備，因公路路網(wǎng)廣無(wú)法做到全覆蓋，且很多司機(jī)故意繞開(kāi)檢測(cè)站，治理效果不理想。

近年來(lái)，有部分學(xué)者將目光轉(zhuǎn)向汽車車載稱重領(lǐng)域，并將車載稱重技術(shù)和超載治理相結(jié)合。陳廣華等[1]開(kāi)發(fā)的車輛超載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在車輛超載時(shí)將超載信息以短消息形式發(fā)送給相關(guān)超載監(jiān)管部門；曹陽(yáng)[2]開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)是在貨車超載時(shí)向駕駛室發(fā)出警告聲信息，警告無(wú)效，則與GPRS建立連接，鎖定目標(biāo)監(jiān)測(cè)，并將信息發(fā)給交管中心。上述研究只是對(duì)車輛的超載進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警，貨車超載后仍可繼續(xù)運(yùn)行。為阻止超載車輛上路，史建慧等[3]開(kāi)發(fā)的貨車超載自鎖系統(tǒng)可在車輛超載時(shí)，切斷啟動(dòng)電路；謝建新等[4]開(kāi)發(fā)的汽車全自動(dòng)超載檢測(cè)裝置在車輛超載時(shí)車載ECU將會(huì)對(duì)汽車的起動(dòng)系統(tǒng)做出干涉，禁止汽車起動(dòng)。上述研究針對(duì)貨車超載后采取的控制措施是切斷啟動(dòng)電路，但是車輛啟動(dòng)時(shí)間很短，超載控制系統(tǒng)的響應(yīng)若不夠迅速，就會(huì)造成控制失效。

本文設(shè)計(jì)一種車載式貨車超載控制系統(tǒng)，系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛負(fù)載情況，當(dāng)車輛超載時(shí)切斷發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火電路，使車輛自動(dòng)熄火，從而使超載車輛無(wú)法上路，以期從根源上杜絕超載現(xiàn)象的發(fā)生。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由稱重模塊、超載監(jiān)測(cè)模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊和超載控制模塊組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。稱重模塊根據(jù)傳感器的信號(hào)計(jì)算貨車載重量；顯示模塊對(duì)貨車載重量進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；控制模塊在系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到超載時(shí)切斷車輛點(diǎn)火電路，使車輛無(wú)法運(yùn)行。報(bào)警模塊由語(yǔ)音輸入模塊和喇叭構(gòu)成，語(yǔ)音模塊中存放提前錄制好的語(yǔ)音報(bào)警信息。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到超載時(shí)觸發(fā)報(bào)警模塊，在喇叭中播放語(yǔ)音信息。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)由位移傳感器、STM32單片機(jī)、OLED液晶顯示屏、1W喇叭、JQ8900-16P語(yǔ)音模塊芯片、繼電器等元件組成。系統(tǒng)由貨車上的蓄電池給供電，受點(diǎn)火開(kāi)關(guān)的控制，只有當(dāng)車輛啟動(dòng)后系統(tǒng)才開(kāi)始工作，當(dāng)車速超過(guò)20 km/h時(shí)，系統(tǒng)停止工作。

2 單元模塊設(shè)計(jì)

2.1 超載監(jiān)測(cè)模塊

超載監(jiān)測(cè)模塊主要包括微處理器、電源電路、工作模式接口電路、復(fù)位電路等組成。微處理器采用STM32F103C8T6芯片，該芯片是是一款基于ARM Cortex-M內(nèi)核32位的微控制器，特點(diǎn)是低成本、低功耗、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，內(nèi)部集成12位A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可將傳感器輸出的模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)[5]。芯片工作溫度為?40 °C～85 °C，滿足在貨車上使用的環(huán)境溫度要求。

2.1.1 電源電路

由于汽車電源電壓是12 V，而STM32F103C8T6單片機(jī)的工作電壓為3.3 V，需要進(jìn)行降壓處理。而系統(tǒng)中還有一些元件，如繼電器、液晶顯示屏的工作電壓是5 V，因此需要提供兩種電壓。首先將12 V電壓降為5 V，然后再將5 V電壓變壓為3.3 V，電路圖所圖2和圖3所示。

圖2 12 V到5 V的轉(zhuǎn)換電路

圖3 5 V到3.3 V的轉(zhuǎn)換電路

2.1.2 工作模式接口電路

芯片工作模式接口電路如圖4所示。當(dāng)引腳1和2連通時(shí)為下載模式，引腳2和3連通時(shí)為工作模式。

圖4 工作模式接口電路

2.2 稱重模塊

稱重模塊由4個(gè)光電式位移傳感器組成，傳感器安裝在車橋上鋼板彈簧U型螺栓旁5 cm的位置，每根車橋上安裝2個(gè)。傳感器的分辨率為0.1 mm，量程為50～500 mm，工作電壓為12 V，輸出信號(hào)為0～5 V。傳感器的實(shí)物圖和接線圖如圖5所示。

圖5 傳感器的實(shí)物圖和接線圖

2.2.1 稱重原理

鋼板彈簧變形量與貨車載重量之間存在映射關(guān)系，在不同載重量下其鋼板彈簧變形量不同。本文基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)搭建貨車載重量預(yù)測(cè)模型，根據(jù)前、后軸上鋼板彈簧變形量間接獲得貨車載重量。

通過(guò)位移傳感器測(cè)量車橋和車架間的距離，則鋼板彈簧在某一載重量下的變形量x可由下式計(jì)算得到。

式中，x1、x2分別為空載和加載狀態(tài)下傳感器測(cè)到的數(shù)值。

本研究所用的測(cè)試車輛為兩軸交通計(jì)量車，核定載荷為6 T。用重量為1 T的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量砝碼對(duì)其進(jìn)行加載試驗(yàn)，從空載起以1 T的步長(zhǎng)加載至10 T，獲取不同載荷下各組鋼板彈簧的變形量。變換砝碼的位置再次測(cè)量，共進(jìn)行了10輪測(cè)試，得到100組數(shù)據(jù)。根據(jù)采集到的彈簧變形量及貨車載重量數(shù)據(jù)，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)搭建貨車載重量預(yù)測(cè)模型，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。輸入為4個(gè)神經(jīng)元，分別為4個(gè)鋼板彈簧的變形量，輸出為1個(gè)神經(jīng)元，即貨車的載重量，隱層神經(jīng)元為8個(gè)。

圖6 貨車載重量預(yù)測(cè)模型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

將樣本數(shù)據(jù)的90%作為訓(xùn)練樣本集，用于對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練，其余的作為測(cè)試樣本集。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練原理為：

記輸入x=（x1，x2，x3，x4）T，隱藏層的輸出為y=（y1，y2，…，y8）T，網(wǎng)絡(luò)輸出為z，目標(biāo)輸出為zs。從輸入層到隱藏層的傳遞函數(shù)為sigmoid函數(shù)，記為f()，從隱藏層到輸出層的傳遞函數(shù)為線性函數(shù)，記為g()。于是，可得：

式中，yj表示隱藏層第j個(gè)神經(jīng)元的輸出，wij為第i個(gè)輸入神經(jīng)元與第j個(gè)隱藏層神經(jīng)元的連接權(quán)值，θj為隱藏層第j個(gè)神經(jīng)元的激活閾值。

式中，wj為第j個(gè)隱藏層神經(jīng)元與輸出層神經(jīng)元的連接權(quán)值，θ為輸出層神經(jīng)元的激活閾值。

網(wǎng)絡(luò)輸出與目標(biāo)輸出的誤差為：

在網(wǎng)絡(luò)誤差未滿足預(yù)期的精度時(shí)，網(wǎng)絡(luò)沿著反向傳播，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各隱層的各個(gè)神經(jīng)元的權(quán)值進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)調(diào)整后的權(quán)值，重新計(jì)算網(wǎng)絡(luò)輸出誤差[6]。通過(guò)不斷的調(diào)整權(quán)值和迭代運(yùn)算，直到誤差精度達(dá)到要求為止。

設(shè)置網(wǎng)絡(luò)誤差目標(biāo)值為0.000 1，經(jīng)過(guò)多次訓(xùn)練，取結(jié)果最好的一次。模型訓(xùn)練好之后，網(wǎng)絡(luò)中各層間神經(jīng)元的連接權(quán)值和神經(jīng)元激活閾值就確定下來(lái)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)就可建立鋼板彈簧變形量與貨車載重量之間的關(guān)系表達(dá)式。經(jīng)測(cè)試，本研究所搭建的貨車載重量預(yù)測(cè)模型對(duì)10組測(cè)試樣本的預(yù)測(cè)值與其實(shí)際值的相對(duì)誤差均在5%以內(nèi)，滿足工程使用要求。

2.2.2 電路設(shè)計(jì)

因傳感器輸出的最大電壓超過(guò)芯片所允許的電壓，將傳感器輸出信號(hào)通過(guò)一個(gè)分壓電路處理后再給芯片PA口，傳感器及分壓電路見(jiàn)圖7所示。

圖7 傳感器及分壓電路

2.3 超載控制模塊

2.3.1 超載控制策略

圖8為測(cè)試車輛點(diǎn)火系統(tǒng)電路圖。根據(jù)圖可知，點(diǎn)火模塊的點(diǎn)火指令由ECM給出，但其工作電源受IG繼電器控制。只有當(dāng)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)打到IG檔時(shí)，IG繼電器才通電，然后才能將電送到點(diǎn)火模塊。對(duì)點(diǎn)火系統(tǒng)電路進(jìn)行改動(dòng)的方案有：一是在ECM和點(diǎn)火器間的連接線上串接由單片機(jī)控制的開(kāi)關(guān)；二是在IG繼電器和點(diǎn)火控制器之間的連接線路上串接開(kāi)關(guān)。由于第一種方案在每個(gè)點(diǎn)火模塊與ECM間都要串接一個(gè)開(kāi)關(guān)，改動(dòng)量大，控制較為復(fù)雜。因此，本系統(tǒng)采用后一種方案，在1A-4和BA1-8間布設(shè)開(kāi)關(guān)。由于這條線路同時(shí)也給噴油器供電。這條線路斷開(kāi)，噴油和點(diǎn)火都不能工作。

圖8 點(diǎn)火系統(tǒng)電路圖

2.3.2 電路設(shè)計(jì)

超載控制模塊電路由三極管、5腳繼電器、二極管等元件構(gòu)成，如圖9所示。用芯片控制三極管基極電路，三極管控制繼電器電磁線圈的通斷電，繼電器常閉觸點(diǎn)串接在點(diǎn)火電路中。當(dāng)檢測(cè)到超載時(shí)，通過(guò)芯片I/O口給三極管基極一個(gè)觸發(fā)電流，從而控制繼電器斷開(kāi)，切斷點(diǎn)火電路。

圖9 控制模塊電路圖

3 總結(jié)

本文基于STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種車載式貨車超載控 制系統(tǒng)。在貨車前后軸的兩端安裝位移傳感器用于測(cè)量各個(gè)鋼板彈簧變形量，通過(guò)對(duì)車輛進(jìn)行加載試驗(yàn)獲得大量的鋼板彈簧變形量和載重量數(shù)據(jù)，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)搭建貨車載重量預(yù)測(cè)模型，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)傳感器的信號(hào)即可測(cè)得貨車載重量。系統(tǒng)將載重量信息在液晶顯示屏上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)監(jiān)測(cè)到超載時(shí)，系統(tǒng)將觸發(fā)語(yǔ)音報(bào)警模塊對(duì)駕駛員進(jìn)行超載提示，并切斷發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火電路，使車輛無(wú)法運(yùn)行。