一種重型商用車自重測(cè)量系統(tǒng)的開發(fā)與驗(yàn)證

韓慶福　范安軍　徐成竹　張龍中

摘 要：隨著市場(chǎng)化的不斷推進(jìn)，整車自重測(cè)量系統(tǒng)且同時(shí)監(jiān)測(cè)車輛的多種載荷指標(biāo)，且具備全程監(jiān)測(cè)的能力，具有較高的準(zhǔn)確度和可靠性，自重測(cè)量系統(tǒng)對(duì)車輛超載情況的治理有一定的意義，可更好的滿足各類市場(chǎng)的消費(fèi)需求。本文介紹了一種重型商用車自重測(cè)量系統(tǒng)的技術(shù)方案，特點(diǎn)及其功能驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：整車自重 監(jiān)控 超載

1 前言

車輛超載運(yùn)輸對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展有很大影響，超載運(yùn)輸不僅危及人民生命財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)也破壞環(huán)境、影響國(guó)家秩序。超載檢測(cè)屬于車輛稱重范疇，傳統(tǒng)的車輛稱重方法是設(shè)立靜態(tài)稱重站或者動(dòng)態(tài)稱重站。但稱重站相對(duì)固定，車輛容易繞行逃避檢查;并且稱重過程要求低速行駛，降低了車輛的通行效率，車載動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)可以有效的解決通行效率的問題。普通車輛通過電控單元在車輛行駛過程中動(dòng)態(tài)估算車輛重量，當(dāng)檢測(cè)到車輛存在超載過載情況后通過限制車速、光聲警示、通過車載終端上傳后臺(tái)等方式提示司機(jī)提高安全性，整車及列車總重自動(dòng)計(jì)算功能開發(fā)，是汽車行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)之一。

為此，根據(jù)JT/T 794《道路運(yùn)輸車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)車載終端技術(shù)要求》中要求“終端留有車輛載貨狀態(tài)檢測(cè)裝置接口或者通過人工輸入方式確定車輛的載貨狀態(tài)（空載、半載、滿載），并上傳至監(jiān)控中心?！保糠质》轂橹卫沓鞘性淋?，制定相關(guān)地方行業(yè)要求。如“ 揚(yáng)塵蓋監(jiān)測(cè)（檢測(cè)到渣土車裝有載荷時(shí)，監(jiān)控?fù)P塵蓋是否閉合）”、“超載報(bào)警（檢測(cè)到車輛超載，中心自動(dòng)報(bào)警，并記錄車輛超載信息）”等。

隨著國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的不斷拓展，車輛載貨狀態(tài)檢測(cè)須滿足的相關(guān)法律法規(guī)越來(lái)越多，整車及列車總重自動(dòng)計(jì)算功能開發(fā)，提高整車電控設(shè)計(jì)的自主性、通用性和方便功能延展，可更好的滿足相關(guān)法律法規(guī)的使用及擴(kuò)展需求。

2 車輛自重測(cè)量方案的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)的目的及系統(tǒng)圖

車輛的自重測(cè)量系統(tǒng)，載重感知控制器不依賴于任何額外傳感器設(shè)備，直接從汽車CAN總線上讀取動(dòng)力數(shù)據(jù)，并由動(dòng)力數(shù)據(jù)演算推導(dǎo)車身的當(dāng)前質(zhì)量。系統(tǒng)圖見圖1。

2.2 設(shè)計(jì)原理

根據(jù)牛頓第二定律F=ma估算卡車質(zhì)量。其中F來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩與所受阻力的合力，a來(lái)源于汽車行駛速度差分。

F為卡車在運(yùn)動(dòng)過程所受到的縱向合力近似為：F=F（engine）-F（wind）-F（friction）-F（slope）。

其中F（engine）為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩，通過車輛傳動(dòng)系傳導(dǎo)到車輪上的前向驅(qū)動(dòng)力，直接從CAN總線上獲取，并進(jìn)行演算，計(jì)算公式為：

其中T為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩，從CAN總線上獲取。ig為當(dāng)前檔位比，ig0為主減速比，r為輪胎半徑，這些為可求量或已知量。為發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦扭矩，為車輛傳動(dòng)系的機(jī)械傳動(dòng)效率，這些為未知量，需要通過標(biāo)定求得。

F（wind）為卡車所受風(fēng)阻，F(xiàn)（friction）為卡車所受路面摩擦阻力，F(xiàn)（slope）為卡車因?yàn)橹亓υ谄露壬鲜艿降淖枇?。統(tǒng)稱所有阻力的和為Fz， Fz=F（wind）+F（friction）+F（slope）。

a為加速度，來(lái)源于速度信號(hào)的差分。速度信號(hào)來(lái)源于車輛前橋車速傳感器，直接從CAN總線上獲取。假設(shè)速度CAN報(bào)文周期為t，前一時(shí)刻速度為V1，后一時(shí)刻速度為V2，則在周期t內(nèi)，卡車加速度a：a=（V2-V1）/t。

在具體實(shí)施中，F(xiàn)（wind）、F（friction）、F（slope）只靠車身CAN數(shù)據(jù)是難以準(zhǔn)確估算的，為了排除它們的干擾，需要運(yùn)用微積分原理進(jìn)行處理，盡量弱化這些因素的影響。其處理原理我們稱之為“微分動(dòng)力學(xué)”，原理如下圖2所示：

在時(shí)間軸t上，取一個(gè)較短的間隔Δt，因?yàn)棣較小，因此在前后時(shí)間段內(nèi)，卡車所在路面摩擦情況近似相等，所在坡度情況所似相等，所受風(fēng)阻情況近似相等，因此所受到的阻力合力Fz1與Fz2是近似相等的，即Fz1-Fz2≈0，前后時(shí)間合力F1和F2差分相減，車輛所受的合力差分量為：

F1-F2=F1（engine）-Fz1-（F2（engine）-Fz2）= F1（engine）-F2（engine）-（Fz1-Fz2）

由于Fz1-Fz2≈0，即ΔF=F1-F2= F1（engine）-F2（engine）。這樣可排除路面、地形及風(fēng)阻對(duì)合力的影響。

對(duì)加速度，同樣求差分量Δa，則卡車總質(zhì)量可由求得，其中為質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)，受車輛轉(zhuǎn)動(dòng)慣量影響，對(duì)于新車型是未知量，需要通過車型標(biāo)定求得。

由于車輛行駛過程中有很多干擾和不穩(wěn)定狀態(tài)，因此在具體實(shí)施中，并不是每一個(gè)Δt得到的ΔF/Δa都有效，需要進(jìn)行一系列狀態(tài)濾除。

濾除規(guī)則包括：

1、半離合狀態(tài)和剎車狀態(tài)，此時(shí)無(wú)法估算發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞及車身合力，根據(jù)CAN數(shù)據(jù)中的離合信號(hào)和剎車信號(hào)判斷。

2、急加速工況，此時(shí)傳動(dòng)系轉(zhuǎn)動(dòng)貫量不穩(wěn)定，根據(jù)加速度判斷。

3、急減速工況，此時(shí)有很大的可能是制動(dòng)系統(tǒng)在發(fā)生作用對(duì)估算質(zhì)量影響很大，根據(jù)CAN數(shù)據(jù)中的油門踏板和加速度聯(lián)合判斷。

將這此狀態(tài)濾除后，剩下的點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)量估算，能取得較接近真實(shí)質(zhì)量值的計(jì)算結(jié)果。

4、車輛行駛速度須大于35km/h時(shí)才進(jìn)行計(jì)算，避免在低速情況下的側(cè)向加速度對(duì)動(dòng)力學(xué)分析的影響。

3 測(cè)量方案的實(shí)施

3.1 實(shí)驗(yàn)車輛與設(shè)備

采用福田戴姆勒重卡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用車型，如下圖3：

采用雅迅載重智能估算終端，接到卡車OBD接口上的CAN通迅總線上，進(jìn)行CAN數(shù)據(jù)采集并運(yùn)行質(zhì)量估算程序，程序估算結(jié)果，在雅迅R7駛記錄儀的屏上進(jìn)行輸出。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備及連接現(xiàn)場(chǎng)圖，如下圖4：

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

標(biāo)定：

1.空載車過地磅，得到當(dāng)前空載的整車質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)員記錄實(shí)際質(zhì)量。

2.由司機(jī)上車正常行駛（不對(duì)司機(jī)駕駛行為做任何要求），道路為城市普通道路+高架高速道路，行駛路線任意，由司機(jī)自行隨機(jī)選擇，行駛時(shí)間30分鐘以上。

3.三十分鐘后停止運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)員將載重終端內(nèi)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出到筆記本電腦上保存。

4.車輛滿載過地磅，實(shí)驗(yàn)員記錄半載實(shí)際質(zhì)量。之后司機(jī)正常行駛（不對(duì)司機(jī)駕駛行為做任何要求），道路為城市普通道路+高架高速道路，行駛路線任意，由司機(jī)自行選擇，行駛時(shí)間30分鐘以上，之后由實(shí)驗(yàn)員保存數(shù)據(jù)。

5.車輛半載過地磅，實(shí)驗(yàn)員記錄半載實(shí)際質(zhì)量。之后司機(jī)正常行駛（不對(duì)司機(jī)駕駛行為做任何要求），道路為城市普通道路+高架高速道路，行駛路線任意，由司機(jī)自行選擇，行駛時(shí)間30分鐘以上，之后由實(shí)驗(yàn)員保存數(shù)據(jù)。

6.將空、半、滿載數(shù)據(jù)，集中，調(diào)整標(biāo)定出，，三個(gè)參數(shù)值，使得采用程序計(jì)算出來(lái)的載重值與實(shí)際載重值總體誤差最小，總體分析圖如下圖5所示：

圖5中紅線為車輛行駛速度;綠線為地磅稱得的實(shí)際整車質(zhì)量;藍(lán)線為標(biāo)定后程序計(jì)算的質(zhì)量。

3.3 測(cè)試過程

1、空載測(cè)試。

由初步標(biāo)定得到的參數(shù)值存入終端，由終端在車輛運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)計(jì)算載重。由于在車輛運(yùn)行中的每個(gè)點(diǎn)都有可能計(jì)算出載重?cái)?shù)值，因此對(duì)于載重?cái)?shù)值的處理采用綜合平均方式進(jìn)行處理。在終端內(nèi)部預(yù)設(shè)3000個(gè)采樣點(diǎn)，當(dāng)前計(jì)算載重的有效采樣點(diǎn)數(shù)N達(dá)到3000時(shí)的載重?cái)?shù)值為最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)N未達(dá)到3000時(shí)，載重?cái)?shù)值之后會(huì)報(bào)出載重計(jì)算進(jìn)度百分比。

重載實(shí)驗(yàn)全程數(shù)據(jù)如下圖6所示：

從實(shí)驗(yàn)全過程數(shù)據(jù)圖來(lái)看，在車輛剛開始運(yùn)行的時(shí)間段內(nèi)，由于得到的計(jì)算點(diǎn)較少，因此數(shù)值較不穩(wěn)定;但是隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，載重?cái)?shù)值趨于穩(wěn)定。

a.稱重

過地磅的實(shí)際質(zhì)量為：19125kg

b.測(cè)試

在整個(gè)計(jì)算過程中，最大載重?cái)?shù)值為：21921kg（處于車輛剛開始運(yùn)行的不穩(wěn)定時(shí)段），最小載重?cái)?shù)值為：19521kg。當(dāng)計(jì)算點(diǎn)數(shù)到達(dá)3000個(gè)時(shí)，報(bào)出的載重?cái)?shù)值為：19521kg。實(shí)驗(yàn)過程出現(xiàn)的載重?cái)?shù)值如下圖7：

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1：

2、半載測(cè)試。

在測(cè)完空載試驗(yàn)后，增加了一定質(zhì)量的載重，進(jìn)行半載測(cè)試。

半載實(shí)驗(yàn)全程數(shù)據(jù)如下圖8所示：

數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)與空載實(shí)驗(yàn)相同，在車輛剛開始運(yùn)行的時(shí)間段內(nèi)，由于得到的計(jì)算點(diǎn)較少，因此數(shù)值較不穩(wěn)定;但是隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，載重?cái)?shù)值趨于穩(wěn)定。

a.稱重

過地磅的實(shí)際質(zhì)量為：26695kg

b.測(cè)試

在整個(gè)計(jì)算過程中，最大載重?cái)?shù)值為：27648kg（處于車輛剛開始運(yùn)行的不穩(wěn)定時(shí)段），最小載重?cái)?shù)值為：26804kg。當(dāng)計(jì)算點(diǎn)數(shù)到達(dá)3000個(gè)時(shí)，報(bào)出的載重?cái)?shù)值為：27363kg。實(shí)驗(yàn)過程出現(xiàn)的載重?cái)?shù)值如下圖9：

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2：

2、滿載測(cè)試。

測(cè)完半載后，把貨物全部裝載，進(jìn)行滿載實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)全程數(shù)據(jù)如下圖10所示：

在車輛剛開始運(yùn)行的時(shí)間段內(nèi)，由于得到的計(jì)算點(diǎn)較少，因此數(shù)值較不穩(wěn)定;但是隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，載重?cái)?shù)值趨于穩(wěn)定。

a.稱重

過地磅的實(shí)際質(zhì)量為：45185kg

b.測(cè)試

在整個(gè)計(jì)算過程中，最大載重?cái)?shù)值為：40964kg（處于車輛剛開始運(yùn)行的不穩(wěn)定時(shí)段），最小載重?cái)?shù)值為：44081kg。當(dāng)計(jì)算點(diǎn)數(shù)到達(dá)3000個(gè)時(shí)，報(bào)出的載重?cái)?shù)值為：43433kg。實(shí)驗(yàn)過程出現(xiàn)的載重?cái)?shù)值如下圖11：

4 總結(jié)

基于運(yùn)動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算車輛載荷，理論分析是可以實(shí)現(xiàn)的，但是在實(shí)際計(jì)算中各種參數(shù)都是經(jīng)驗(yàn)值或者臺(tái)架靜態(tài)測(cè)試值，在車輛上的動(dòng)態(tài)應(yīng)用是否可信可靠有待詳細(xì)評(píng)估。由于車輛力學(xué)平衡是個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，通過發(fā)動(dòng)機(jī)CAN總線獲得的扭矩信息與車輛的加減速狀態(tài)并不能實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)，導(dǎo)致計(jì)算存在誤差較大。目前國(guó)內(nèi)外測(cè)量車輛載荷精度較高的方案主流還有基于懸架壓力或形變的原理直接測(cè)量，比如加裝稱重傳感器、通過全氣囊懸架的氣壓計(jì)算或者在懸架上安裝應(yīng)變片傳感器等。

參考文獻(xiàn)：

[1]JT/T 794《道路運(yùn)輸車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)車載終端技術(shù)要求》.