（檢測技術(shù)與自動化裝置專業(yè)論文）車輛超載動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn).pdf

學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解北京交通大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。特 授權(quán)北京交通大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索， 并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校向國 家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 學(xué)位論文作者簽名：挑 簽字日期：vj 。年，月 日 一名：竹刁 簽字日期：洲餌么角7 日 l 刊l 中圖分類號：t p 2 7 7 u d c ：6 2 0 學(xué)校代碼：1 0 0 0 4 密級：公開 北京交通大學(xué) 碩士學(xué)位論文 車輛超載動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn) r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no f d y n a m i cm o n i t o r i n gs y s t e mf o r v e h i c l eo v e r l o a d i n g 作者姓名：馬應(yīng)林 導(dǎo)師姓名：陳廣華 學(xué)號：0 8 1 2 1 9 2 8 職稱：高級工程師 學(xué)位類別：工學(xué)碩士學(xué)位級別：碩士 學(xué)科專業(yè)：檢測技術(shù)與自動化裝置研究方向：智能化測控技術(shù) 北京交通大學(xué) 2 0 1 0 年6 月 w1 剛一 致謝 本論文的工作是在我刪幣陳廣華教授的悉心指導(dǎo)下完成的。在課題研究和 論文撰寫的過程中，陳老師一直給予我精心的指導(dǎo)；在生活中陳老師也給予我無 微不至的關(guān)懷。j 下是這些指導(dǎo)和關(guān)懷使我在研究生學(xué)習(xí)期間取得了很大的進(jìn)步。 陳老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、科學(xué)的工作方法、無私的奉獻(xiàn)精神和樸實(shí)的生活作風(fēng)對 我有著深遠(yuǎn)的影響。在此謹(jǐn)向陳老師表示衷心的感謝。 感謝楊飛老師、陳科山老師在課題研究中給予的指導(dǎo)和幫助。 李長春老師、周明連老師和霍凱老師在開題報告時都提出了許多的寶貴意見， 在此表示衷心的感謝。 在課題研究及論文撰寫期間，李建偉、鞠娜等同學(xué)對我論文中的研究工作給 予了熱情幫助，在此向他們表達(dá)我的感激之情。 感謝我的父母，是他們的理解和支持使我能夠?qū)Ｗ⒂谘芯亢蛯W(xué)習(xí)，順利完成 我的學(xué)業(yè)。 叫一 中文摘要 中文摘要 車輛超載運(yùn)輸對國民經(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 財產(chǎn)安全，同時也破壞環(huán)境、影響國家秩序。超載檢測屬于車輛稱重范疇，傳統(tǒng) 的車輛稱重方法是設(shè)立靜態(tài)稱重站或者動態(tài)稱重站。但是稱重站相對固定，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 動態(tài)稱重系統(tǒng)可以有效解決通行效率問題。 本文深入研究了車載動態(tài)稱重技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于車載稱重裝置 和短消息技術(shù)的車輛超載動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)時監(jiān)測車輛靜態(tài)載荷、瞬 態(tài)載荷、偏載和超載情況，反映車輛總載荷和車輛軸載；當(dāng)車輛超載時以短消息 形式向監(jiān)測平臺報告，監(jiān)測平臺可以根據(jù)超載情況進(jìn)行相關(guān)處罰。 本文詳細(xì)闡述了車輛超載動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)以及各部分的實(shí)現(xiàn)方法。 系統(tǒng)通過辨識電路判定車輛運(yùn)行和振動狀態(tài)，利用安裝在汽車鋼板彈簧上的粘貼 式應(yīng)變傳感器測量車輛鋼板彈簧承受的載荷信息，融合傾角傳感器測得的車輛所 在路面坡度信息，計算顯示車輛軸載和總載荷，并將車輛瞬態(tài)載荷和靜態(tài)載荷分 別顯示；在車輛超載的情況下車輛載重監(jiān)測裝置啟動車載短消息終端以短消息形 式發(fā)送超載信息；車輛超載監(jiān)測管理平臺接收、處理短消息，并將數(shù)據(jù)提供給相 關(guān)部門。 系統(tǒng)可以同時監(jiān)測車輛的多種載荷指標(biāo)，且具備全程監(jiān)測的能力，具有較高 的準(zhǔn)確度和可靠性。 關(guān)鍵詞：超載；鋼板彈簧；短消息；應(yīng)變傳感器；載荷 分類號：t p 2 7 7 1一 a bs t r a c t 0 v e d o a d i n go fv e h i c l e sh a ss i g n i f i c a n ti m p l i c a t i o n sf o rt h eh e a l t h yd e v e l o p m e n t o f 恤m t i o i l a le c o i 腳夠o v e r l o a d i n gd o e s n to n l ye n d a n g e rt h es a f e t yo fl i f e 孤d p r o 聊戧b u ta l s od e s t r o y t h ee n v i r o n m e n ta n da f f e c t t h eo r d e ro ft h e s t a t e 。 o v e d o a d i n gd e t e c t i o nb e l o n g s t ot h ec a t e g o r yo fv e h i c l ew e i g h i n g t r a d i t i o n a lm e t h o d o fv 如c l ew e i g h i n gi ss e t t i n gu pt h es t a t i cw e i g h i n gs t a t i o n o rw e i g h - i n 。m o t l o ns t a t l o n b u tw e i g h i n gs t a t i o ni sr e l a t i v e l yf i x e d ，t h ev e h i c l e sw i l lb y p a s sw e i g h i n gs t a t l o nt o e s c a p ew e i g h i n gi n s p e c t i o n ；a l s o ，w e i g h i n gp r o c e s s e sr e q u i r e l o w e rs p e e d ，w m c n f e d u c et r a f f i ce f f i c i e n c yo fv e h i c l e t h eo n - b o a r dd y n a m i cw e i g h i n gs y s t e m c a i l e f f e c t i v e l ys o l v et h ep r o b l e m o ft r a f f i ce f f i c i e n c y i i lt h i sp a p e r ，w es t u d i e dt h eo n - b o a r dd y n a m i cw e i g h i n g t e c h n o l o g y , o n t h i sb a s l s ， w ed e s i g n e dad y n a m i cm o n i t o r i n gs y s t e mf o ro v e r l o a d i n gb a s e do nt h eo n - b o 刪 w e i 螄n gd e v i c ea n ds h o r tm e s s a g et e c h n o l o g y t h es y s t e m c a nr e a l t i m em o m t o r v e h i c l es t a t i cl o a d ，仃a n s i e n tl o a d ，p a r t i a ll o a da n do v e r l o a d i n gc o n d i t i o n s ，s h o w t h e t o t a ll o a da n da x l el o a do fv e h i c l e s ，w h e nt h ev e h i c l ei so v e r l o a d e d ，i ts e n d s as h o r t m e s s a g et ot h em o n i t o r i n gp l a t f o r mt or e p o r tt h eo v e r l o a d i n g ，t h e n t h em o n i t o n n g p l a t f o r mc a nm a k e t h ep e n a l t i e sf o ro v e r l o a d i n gc o n d i t i o n s t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h ep r i n c i p l e ，s t r u c t u r ea n di m p l e m e n tm e t h o do f e a c hp a r t o ft h ed y n a m i cm o n i t o r i n gs y s t e mf o ro v e r l o a d i n g s y s t e mu s e sr e c o g m z ec 鵬m t t 0 d 酏e c tv e l l i c l er u n n i n ga n dv i b r a t i o ns t a t e ，u s i n gp a s t e - t y p es t r a i ns e n s o rt h a ti n s t a l i e d i nv e h i c l e sl e a fs p r i n gt oo b t a i nl o a do nt h el e a fs p r i n g ，f u s i o na n g l e s e n s o rd e t e c t 翠a d i e n ti n f o r m a t i o na n dt h e nc a l c u l a t ea n dd i s p l a yt h e a x l el o a da n dt o t a ll o a do f v e h i c l e 觚d 舭t r a n s i e n tl o a da n d s t a t i cl o a ds h o w sr e s p e c t i v e l y i nt h e c a s eo f o v e r l o a d i n g ，v e h i c l el o a dm o n i t o r i n gd e v i c ec o n t r o lo n - b o a r ds h o r tm e s s a g e t e 眥刪s t 0s e n das h o r tm e s s a g er e p o r t i n gt h es i t u a t i o no fo v e r l o a d i n g o v e r l o a d i n gm o n i t o r i n g a r l dm a n a g e m e n tp l a t f o r mi sr e s p o n s i b l e f o rr e c e i v i n ga n dp r o c e s s i n gt h es h o r t m e s s a g e sa n dp r o v i d i n gd a t a s t ot h er e l e v a n td e p a r t m e n t s s v s t e mc a ns i m u l t a n e o u s l ym o n i t o rt h ev e h i c l e sm u l t i p l el o a di n d e x ，h a v i n gt h e a b i l i t yt om o n i t o r t h ew h o l er o a da n dh i g ha c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t y k e y w o r d s ：o v e r l o a d i n g ；l e a fs p r i n g ；s h o r tm e s s a g e ；s t r a i ns e n s o r ；j o a d c l a s s n o ：t p 2 7 7 v l l ，imj 目錄 目錄 中文摘要v a b s t r a c t v i i 1 緒論1 1 1 研究背景1 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀3 1 3 本文研究意義和主要研究內(nèi)容5 1 3 1 研究意義5 1 3 2 主要研究內(nèi)容5 2 車輛超載動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)稱重原理7 2 1 車輛承重結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析7 2 2 車載稱重裝置稱重方法研究8 2 3 車載稱重裝置動態(tài)稱重的影響因素分析9 2 4 車輛載荷分析l0 2 4 1 車輛靜態(tài)載荷分析1 1 2 4 2 車輛動態(tài)載荷分析1 4 2 5 基于有限元法的鋼板彈簧剛度特性分析1 5 3 車輛超載動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計2 5 3 1 車輛載重監(jiān)測裝置設(shè)計方案2 6 3 2 車輛超載監(jiān)測管理平臺設(shè)計方案2 7 4 車輛載重監(jiān)測裝置的實(shí)現(xiàn)2 8 4 1 車輛載重監(jiān)測裝置工作原理2 8 4 2 傳感器組3 0 4 2 1 粘貼式應(yīng)變傳感器設(shè)計3 0 4 2 2 傾角傳感器選型。3 6 4 2 3 停車辨識電路3 7 4 2 4 車身浮動辨識電路3 7 4 3 車載主控單元3 8 4 3 1 主控單元硬件設(shè)計3 8 4 3 2 主控單元軟件設(shè)計一4 3 4 4 車載短消息終端4 6 4 4 1 短消息終端硬件設(shè)計4 6 4 4 2 短消息終端軟件設(shè)計4 7 4 5 抗干擾措施51 4 5 1 硬件抗干擾。5l 4 5 2 軟件抗干擾5 2 5 車輛超載監(jiān)測管理平臺的實(shí)現(xiàn)一5 4 5 1 短消息收發(fā)裝置5 4 5 1 1 短信貓5 4 5 1 2 短消息收發(fā)裝置的實(shí)現(xiàn)5 5 l 北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 2 信息管理數(shù)據(jù)庫5 8 5 2 1 實(shí)體關(guān)系模型的建立5 8 5 2 2 表和字段的設(shè)計5 9 5 2 3 數(shù)據(jù)庫的實(shí)現(xiàn)。6 1 5 3 車輛超載監(jiān)測管理平臺晁面6 2 5 3 1 數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)程序6 3 5 3 2 系統(tǒng)運(yùn)行界面設(shè)計6 4 6 試驗平臺搭建及試驗結(jié)果分析。6 8 6 1 試驗平臺搭建6 8 6 2 系統(tǒng)測試和試驗結(jié)果分析6 9 6 2 1 傳感器測試分析一6 9 6 2 2 車載主控單元測試。7 2 6 2 3 車載短消息終端測試一7 4 6 2 4 車輛超載監(jiān)測管理平臺測試7 5 7 結(jié)論和展望一7 6 參考文獻(xiàn)7 7 作者簡歷7 9 獨(dú)創(chuàng)性聲明8 0 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集一8l 7 l j - 、一 緒論 1 緒論 1 1 研究背景 世界上許多國家，公路車輛在運(yùn)輸貨物的過程中，普遍存在超載現(xiàn)象，且超 載車輛比例相當(dāng)高u 1 。調(diào)查顯示，德國超載車輛達(dá)5 0 以上，美國4 0 , - 6 0 的大型 載貨汽車都超載。隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對公路運(yùn)輸?shù)男枨蠛瓦\(yùn)能急劇增加， 運(yùn)輸車輛超載的現(xiàn)象隨之急劇增加。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國超載運(yùn)輸?shù)谋嚷收钾涍\(yùn) 車輛的5 0 以上，超載量平均為4 “2 5 倍。車輛超載大大縮短了交通基礎(chǔ)設(shè)施 的使用壽命，給國家造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時因超載運(yùn)輸引發(fā)的交通事故也日 益增多，威脅著人民的生命安全，嚴(yán)重影響了公路的正常運(yùn)行乜3 1 。 ( 1 ) 嚴(yán)重?fù)p壞公路、橋梁，縮短公路的使用壽命 貨車超載運(yùn)輸，對公路的危害非常大。在公路上行駛的汽車，其軸載對路面 是一種重復(fù)性的疲勞作用，當(dāng)軸載增大后，路面有效使用期內(nèi)承受彈性變形的次 數(shù)，即汽車行駛次數(shù)大為減少。在標(biāo)準(zhǔn)軸載下不會發(fā)生結(jié)構(gòu)性的破壞，一旦在超 載車輛的作用下，會發(fā)生結(jié)構(gòu)性的破壞，造成路面網(wǎng)裂、變形、松散和坑槽等h 3 。 按照公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范規(guī)定，柔性路面，理論上車軸載重使路面達(dá) 到標(biāo)準(zhǔn)載重的同等損害程度時，其等效換算系數(shù)大致等于軸載比的4 次方關(guān)系拍1 ， 即等效換算系數(shù)為： f = ( 導(dǎo)) 4 ( 卜1 ) 式中，層為各級軸載；只為標(biāo)準(zhǔn)軸載。 按照公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范規(guī)定，剛性路面達(dá)到相同疲勞開裂時， 其等效換算系數(shù)大致等于軸載比的1 6 次方關(guān)系3 ，即等效換算系數(shù)為： f = ( 導(dǎo)) 1 6 ( 卜2 ) 氣 “美國各州公路與運(yùn)輸工作者協(xié)會”通過環(huán)道試驗，研究了超載對路面結(jié)構(gòu) 的破壞作用，得出如下結(jié)論：車輛對路面的破壞性與軸載的m 次方成正比口1 。 簧2 蚓 汁3 ， mj 昂i 式中，o 、昂分別表示標(biāo)準(zhǔn)車輛的通行次數(shù)和軸載；m 、尸i 分別表示某一 k l p 北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 種車輛通過的次數(shù)和軸載；m 為破壞系數(shù)。圖1 - 1 給出了不同軸載質(zhì)量相應(yīng)的破 壞系數(shù)，以1 0 t 為標(biāo)準(zhǔn)軸載。 鈾載質(zhì)重( 單位：t ) 圖1 - 1 軸載質(zhì)量和破壞系數(shù)關(guān)系曲線 f i g 1 1r e l a t i o nc u r v eo fa x l el o a da n dd a m a g ec o e f f i c i e n t 由此可知，路面的損壞程度與超載成方次關(guān)系，即當(dāng)車輛在超載1 0 0 情況 下通過瀝青路面1 次相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)車輛通過1 6 次；而通過水泥地面一次相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn) 車輛通過6 5 5 3 6 次；1 條設(shè)計使用1 5 年的公路如果行駛車輛均超載一次將使用年 限縮短9 0 ，使用壽命將只有1 5 年。 ( 2 ) 超載車輛威脅交通安全 超載運(yùn)輸被稱為“公路第一殺手，這個“殺手的含義不僅在于超載對公路 路面造成的毀滅性的損害，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，載重貨車道路交通事故中8 0 以上是由 于超限超載運(yùn)輸引起的。由于大量的超載運(yùn)輸車輛長期處于超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，使 車輛的制動和操作等安全性能迅速下降，表現(xiàn)為輪胎變形爆胎，剎車失靈，轉(zhuǎn)向 器輕飄抖動，鋼板彈簧折斷，半軸斷裂等，給交通安全帶來極大的事故隱患呻9 1 。 ( 3 ) 超載運(yùn)輸造成環(huán)境污染 超過車輛額定載荷的裝載，發(fā)動機(jī)始終工作在低速、大負(fù)荷的狀態(tài)下，使汽 車排放惡化。超載車輛主要有害排放物主要是一氧化碳( c o ) 、碳?xì)浠衔? h c ) 、 氮氧化合物( n o x ) 、二氧化硫( s 0 2 ) 、碳煙顆粒物質(zhì)、醛類物質(zhì)等口。 發(fā)動機(jī)直接排出的有害物稱為一次有害排放物。碳?xì)浠衔? h c ) 和氮氧化合 物f n o x ) 在強(qiáng)太陽光的作用下，發(fā)生一系列的光化學(xué)反應(yīng)，生成臭氧( 0 3 ) 和過氧乙 ?；跛猁}( p a n ) 等所謂光化學(xué)過氧化物以及各種游離基根、醛、酮等成分，形 成種毒性很大的有色煙霧，一般稱為光化學(xué)煙霧，即二次有害排放物n 。 ( 4 ) 超載運(yùn)輸大肆偷漏國家稅賦 公路運(yùn)輸?shù)姆欠I運(yùn)者進(jìn)行超載運(yùn)輸存在一個變本加厲的過程。自發(fā)的超載 是為了提高車輛的裝載效率獲取正常的利潤，超載的程度并不高，在發(fā)覺執(zhí)法漏 洞之后，非法經(jīng)營者就有意識地進(jìn)行超載，訂購非法改裝的車輛，有意識地偷漏 2 - v 0 ，_ 緒論 養(yǎng)路費(fèi)和通行費(fèi)，這種偷漏的情況就+ 吩嚴(yán)重了n 2 1 。有些標(biāo)定為5 t 的貨車實(shí)際裝 載2 0 t 的貨物，有些標(biāo)定8 t 或1 0 t 的貨車實(shí)際裝載4 0 t 至6 0 t 的貨物。以標(biāo)定l o t ， 實(shí)際載重為3 0 t 貨物，按| 上述條件計算，車輛每月偷漏養(yǎng)路費(fèi)4 0 0 元，偷漏路橋 通行費(fèi)約8 0 0 元，兩項合計單車偷漏1 2 0 0 元，這只是一輛車一個月的偷漏數(shù)額， 對于一條公路一個地區(qū)乃至全國全年偷漏的公路規(guī)費(fèi)的數(shù)額就非常巨大了。 因此，“超載不治路無寧日”，國內(nèi)外專家學(xué)者和政府部門也充分認(rèn)識到了這 一點(diǎn)，各自根據(jù)國情采取了積極的應(yīng)對措施。 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 超載檢測技術(shù)屬于車輛稱重的范疇，根據(jù)汽車軸載動態(tài)稱重裝置技術(shù)條件 規(guī)定，以行駛速度為0 、1 5 k m h 以下和15 k m h 以上把汽車稱重方法分為靜態(tài)稱 重、低速稱重和高速稱重，低速稱重和高速稱重又統(tǒng)稱為動態(tài)稱重n 羽。 動態(tài)稱重技術(shù)出現(xiàn)以前，車輛稱重都是在其靜止時進(jìn)行的，靜態(tài)稱重時，作 用在車輛輪胎上的力正好與靜態(tài)車輛向下的地心引力相等，通過檢測元件檢測出 來，這種整車稱量是最準(zhǔn)確的方法n 4 1 。但是，這種靜態(tài)稱重一般只是測量車輛的 總重而很難測定單個軸的重量，而軸重是研究車輛載重對路面影響情況的關(guān)鍵因 素d5 1 6 1 ，并且停車靜態(tài)稱重會嚴(yán)重影響車輛的通行效率。 2 0 世紀(jì)5 0 年代末，國外開始研究車輛動態(tài)稱重系統(tǒng)；我國起步較晚，開始于 2 0 世紀(jì)8 0 年代初期n 饑。 傳統(tǒng)意義上的動態(tài)稱重是指動態(tài)稱重站，即g r i m ( w e i g hi nm o t i o n ) 技術(shù)，是 通過一組傳感器和含有軟件的電子儀器，測量動態(tài)輪胎力和車輛通過時間計算輪 重、軸重、總重數(shù)據(jù)n 羽。其原理是：將稱重系統(tǒng)的輸出信號對- d , 段位移厶沿其 長度l 方向積分，厶的兩端通過對稱重系統(tǒng)各傳感器的輸出信號進(jìn)行比較而定， 如圖1 2 所示。動態(tài)分量在積分區(qū)間被平均，使車輛振動造成的干擾影響較小， 因此精度相對也較高，但這需要較長的時間才能保證精度，這也是目前動態(tài)稱重 系統(tǒng)當(dāng)提高車輛通過速度時，測量精度無法保證的原因所在n 們。 凈 l 孤何 一 、f 。鋈。l t t l 圖1 - 2 輪重的典型波形 f i g 1 2t y p i c a lw a v e f o r m so ft i r el o a d k i 北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 動態(tài)稱重站主要存在兩大缺點(diǎn)： ( 1 ) 稱重站不能覆蓋整個路網(wǎng)，在路網(wǎng)越來越發(fā)達(dá)的情況下，車輛很容易通過 繞行躲避超載檢查。 ( 2 ) 動態(tài)稱重站的稱重精度與車輛速度是一對矛盾：速度高時，稱重精度會降 低；速度低時，精度提高，但是又會影響車輛的通過效率。目前國外產(chǎn)品的單軸 稱重平均誤差為5 0 3 0 不等，相應(yīng)置信度為9 0 - - , 9 5 ，最好的w i m 系統(tǒng)單軸載 稱重誤差可以優(yōu)于5 0 ，但是成本昂貴且僅適應(yīng)于低速場合溉2 1 捌。國內(nèi)有產(chǎn)品 軸重誤差可小于1 0 ，置信度為9 5 ，但是只能實(shí)現(xiàn)低速稱重嘲。 面臨諸多缺點(diǎn)，國內(nèi)外研究人員一方面致力于解決動態(tài)稱重站稱重精度與車 輛速度的矛盾，另一方面將動態(tài)稱重技術(shù)的概念擴(kuò)展至車載動態(tài)稱重技術(shù)。 1 9 9 6 年，汽車工程學(xué)院朱杰、明平順發(fā)表的載重汽車荷重測量方法初探， 成為國內(nèi)關(guān)于車載動態(tài)稱重技術(shù)的早期文獻(xiàn)。文中提出了以單片微機(jī)為處理單元， 以位移傳感器感知汽車懸架變形從而測量汽車行駛過程中荷重的方法呦1 。 徐樹山教授在儀器儀表學(xué)報發(fā)表文章車載電容稱重裝置研制，論述了 一種車輛電容稱重裝置的研制方法。該裝置利用電容稱重傳感器輸出電壓反映車 輛載荷，采用四相檢測電荷轉(zhuǎn)移式微電容測量電路測量傳感器輸出電壓，利用基 于u s b 接口的電容稱重傳感器特性測試系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，采用實(shí)驗方法測量稱重系 統(tǒng)的靜態(tài)特性并進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，同時從速度、加速度、振動等因素影響方面對動 態(tài)特性作了測試與分析瞄1 。 上海理工大學(xué)的陳道炯教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊通過對載貨汽車鋼板彈簧懸架系統(tǒng)的 分析，提出了利用b p 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)鋼板彈簧懸架系統(tǒng)的變形量來獲得其所承受 的載荷量的車載稱重方案。利用單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)建了一套車載動態(tài)稱重系統(tǒng)及無線 收發(fā)系統(tǒng)，進(jìn)行了相關(guān)的動態(tài)仿真實(shí)驗啪，。 廈門雅迅網(wǎng)絡(luò)股份有限公司的謝磊、黃運(yùn)峰等人發(fā)明了一種車輛載重的實(shí)時 檢測裝置，該裝置利用位移傳感器檢測車輛載重，利用無線模塊實(shí)現(xiàn)了超載情況 的監(jiān)測。 山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院的李正軍教授，長安大學(xué)的部分學(xué)者也進(jìn)行了 很多研究并取得的一定的成果叼隅捌。 總結(jié)車載動態(tài)稱重技術(shù)的發(fā)展情況，主要存在以下幾點(diǎn)問題： ( 1 ) 車輛動態(tài)載荷不穩(wěn)定，難以準(zhǔn)確測量 車輛行駛過程中載荷測量存在嚴(yán)重的振動干擾，振動干擾主要是由路面坑洼、 車輛自身、輪胎的彈性、發(fā)動機(jī)工作的顫動以及駕駛員操作的不穩(wěn)定造成的。振 動干擾一方面使系統(tǒng)對傳感器的過載保護(hù)性能要求很高；另一方面也造成車輛的 動態(tài)荷載不穩(wěn)定，難以準(zhǔn)確測量。 4 1 | i - 蟣0 j 月 緒論 ( 2 ) 沒有實(shí)現(xiàn)超載情況的遠(yuǎn)程監(jiān)測 目前的研究成果中，車載動態(tài)稱重裝置部分沒有安裝無線通信裝置，只是在 車輛上顯示測得的車輛動態(tài)載荷；部分安裝了短距離的無線通信模塊，實(shí)際使用 效果等同于動態(tài)稱重站。 1 3 本文研究意義和主要研究內(nèi)容 1 3 1 研究意義 傳統(tǒng)的車輛超載檢測是在車輛通過稱重站時進(jìn)行的，一方面稱重站不能覆蓋 整個路網(wǎng)，超載車輛容易繞行逃避檢查；另一方面目前的技術(shù)條件要求車輛通過 稱重站時速度要低于1 5 k m h ，制約了車輛的通行效率。 對于車載動態(tài)稱重系統(tǒng)，動態(tài)稱重的精度有限，不能作為超載的判定依據(jù)； 另一方面由于通信距離的限制，也存在不能覆蓋路網(wǎng)，容易逃避檢查的問題。 本文提出一種基于車載稱重裝置和短消息技術(shù)的車輛超載動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。 面對車載動態(tài)稱重系統(tǒng)和動態(tài)稱重站的缺點(diǎn)，本文擬研究一種能夠在車輛不 限速的情況下檢測車輛超載情況的系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅要能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)車輛的載荷檢 測，還要能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)車輛超載情況的全程監(jiān)測。 因此，本文的研究工作對車輛超載的治理有一定意義。 1 3 2 主要研究內(nèi)容 本文分析了車輛承重結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，深入研究了車載動態(tài)稱重系統(tǒng)的稱重方法， 得出了車載稱重裝置的稱重原理。在此基礎(chǔ)上，提出了基于車載稱重裝置和短消 息技術(shù)的車輛超載動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案，實(shí)現(xiàn)了車輛超載動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的軟 硬件設(shè)計，并搭建了試驗平臺，完成了系統(tǒng)測試。論文章節(jié)內(nèi)容安排如下： 第一章介紹了超載對公路、車輛、人身安全等方面造成的危害，論述了國內(nèi) 外治理超載的技術(shù)手段和研究現(xiàn)狀，闡述了本文的研究意義和研究內(nèi)容。 第二章分析了車輛承重結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，提出了車載稱重裝置的稱重方法，分析 了車載稱重裝置的稱重原理。 第三章提出了車輛超載動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案，闡述了系統(tǒng)各部分的組成 和完成的主要功能。 第四章設(shè)計了車輛載重監(jiān)測裝置，闡述了載重監(jiān)測裝置的工作原理，詳細(xì)論 述了傳感器組、車載主控單元和車載短消息終端的軟硬件設(shè)計，介紹了裝置采取 北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 的抗干擾措施。 第五章設(shè)計了車輛超載動態(tài)監(jiān)測管理平臺，詳述了短消息收發(fā)裝置、信息管 理數(shù)據(jù)庫和監(jiān)測管理平臺界面的設(shè)計。 第六章搭建了系統(tǒng)試驗平臺，實(shí)現(xiàn)了傳感器測試、車載主控單元測試、車載 短消息終端測試和車輛超載監(jiān)測管理平臺測試，分析了試驗結(jié)果。 第七章對本論文的工作做了總結(jié)，并對下一步應(yīng)該開展的工作做了簡單展望。 6 歹 l 車輛超載動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)稱重原理 2 車輛超載動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)稱重原理 車輛稱重是車輛超載動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容，在準(zhǔn)確稱量車輛載荷的 基礎(chǔ)上，才能夠準(zhǔn)確的判斷車輛超載情況。 2 1 1 車輛承重結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析 汽車通常是由發(fā)動機(jī)、底盤、車身、電氣設(shè)備四部分組成。發(fā)動機(jī)的作用是 使供入其中的燃料燃燒而發(fā)出動力；底盤接受發(fā)動機(jī)的動力，使汽車產(chǎn)生運(yùn)動， 并保證汽車按照駕駛員的操縱正常行駛；車身是駕駛員工作地場所，也是裝載乘 客和貨物的場所；電氣設(shè)備為汽車提供照明和控制通道啪，。 車輛承重結(jié)構(gòu)，是指直接將車輛本身自重與各種外加作用力系統(tǒng)地傳遞給路 面的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件和其連接接點(diǎn)，主要包括車廂、車架、懸架、車軸和車輪。車 廂屬于車身部分，車架、懸架和車軸、車輪屬于底盤部分，如圖2 1 所示。 7 卜車軸2 一前懸架3 ，前車輪4 一后懸架5 一后車輪6 一車架7 - 車廂 圖2 - 1 車輛承重結(jié)構(gòu) f i g 2 - 1v e h i c l el o a d b e a t i n gs t r u c t u r e 車輛的懸架由彈性元件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和減震器組成，其中彈性元件是主要的承 重元件。彈性元件有鋼板彈簧、空氣彈簧、螺旋彈簧和扭桿彈簧等形式，載貨汽 車一般使用鋼板彈簧懸架陽，如圖2 2 所示。 7 北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 - 2 鋼板彈簧懸架 f i g 2 - 2l e a fs p r i n gs u s p e n s i o n 車廂中的貨物質(zhì)量與車身質(zhì)量作用在車架上，貨物、車身、車架質(zhì)量作用在 鋼板彈簧上，鋼板彈簧將力傳遞到車軸，再由車軸傳遞到車輪上。 2 2 車載稱重裝置稱重方法研究 車輛稱重方法的選擇對系統(tǒng)指標(biāo)有很大影響。由車輛承重結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，車 載稱重系統(tǒng)可選的稱重方法包括以下幾種： ( 1 ) 柱式稱重傳感器安裝在車軸與鋼板彈簧的接觸處，用騎馬螺栓固定，稱重 傳感器輸出即為簧載質(zhì)量。這種稱重方法精度高，穩(wěn)定性好；但是安裝過程十分 復(fù)雜，目前柱式稱重傳感器的高度均大于4 0 r m ，安裝這種傳感器會嚴(yán)重影響車體 的穩(wěn)定性。 ( 2 ) 直線位移傳感器安裝在鋼板彈簧的兩端，通過檢測車輛鋼板彈簧的水平位 移變化間接測量簧載質(zhì)量。采用這種方法傳感器拉繩的保護(hù)工作非常困難，易于 遭受人為或者自然破壞。 ( 3 ) 電容傳感器安裝在車架和車軸之間，通過檢測車輛鋼板彈簧垂直位移變化 測得簧載質(zhì)量。 ( 4 ) 鋼板彈簧表面安裝應(yīng)變傳感器，通過檢測鋼板彈簧表面的應(yīng)變間接測得簧 載質(zhì)量。 ( 5 ) 輪胎中安裝壓力傳感器，通過檢測輪胎壓力間接測得輪載質(zhì)量。這種方法 受環(huán)境因素影響很大。 綜合考慮以上5 種稱重方法，可以得出在鋼板彈簧表面安裝應(yīng)變傳感器的方 法有一定優(yōu)勢：傳感器的安裝過程簡單易行；傳感器體積小，容易防護(hù)，即使在 惡劣環(huán)境下工作，也不易遭受自然破壞等。 8 車輛超載動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)稱重原理 2 3 車載稱重裝置動態(tài)稱重的影響因素分析 車載稱重裝置動態(tài)稱重的準(zhǔn)確度難以保證，主要是因為車輛運(yùn)動過程中稱重 的影響因素非常多口2 l 。 ( 1 ) 由于車輛是一個多自由度的復(fù)雜動力系統(tǒng)體系，很難用準(zhǔn)確而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué) 表達(dá)式描述它在運(yùn)動過程中的真實(shí)狀態(tài)。如果要客觀全面描述車輛的運(yùn)動特性， 特別是動態(tài)稱重過程中的運(yùn)動狀態(tài)和動力特征，至少需要二十多個自由度。站在 理論的角度這是可行的，但是其分析的復(fù)雜程度是很難想象的，因此在實(shí)際中往 往采用簡化的模型來替代進(jìn)行分析。 ( 2 ) 動態(tài)稱重過程中振動是影響稱重準(zhǔn)確度的主要形式，而車輛振動的原因相 當(dāng)復(fù)雜。引起車輛振動的原因很多，如路面的不平整、車輛自身、輪胎的彈性、 發(fā)動機(jī)工作的顫動以及駕駛員操作的不穩(wěn)定等。 振動來源的復(fù)雜性決定了車輛對路面載荷的復(fù)雜性。車輛對路面的載荷主要 有兩種表現(xiàn)形式：穩(wěn)態(tài)載荷和動態(tài)載荷，其中動態(tài)載荷的產(chǎn)生具有很大的不確定 性，從而導(dǎo)致了車輛稱重的復(fù)雜性。 ( 3 ) 路面情況復(fù)雜，車輛在上下坡或行駛在傾斜路面上時受力狀態(tài)復(fù)雜多變。 這些因素在很大程度上增加了車輛運(yùn)動的復(fù)雜程度，從而給動態(tài)稱重系統(tǒng)的 設(shè)計帶來了諸多問題，影響著稱重系統(tǒng)的客觀性和準(zhǔn)確性。 車載裝置稱重時，車輛以一定的速度行駛在路面上，作用在懸架系統(tǒng)的載荷 力除了車輛自身的真實(shí)穩(wěn)態(tài)載荷外還有很多因素產(chǎn)生的動態(tài)載荷干擾力，可以說 車輛的真實(shí)載荷淹沒在各種干擾力之中，這給動態(tài)稱重實(shí)現(xiàn)高精度測量造成了很 大的困難。因此，在大量的不確定干擾力作用下，如何準(zhǔn)確測出車輛真實(shí)載荷， 就成為動態(tài)稱重系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵。為了抽象和簡化出車輛的稱重模型，下 面就存在的干擾力進(jìn)行分類整理和綜合分析，找到影響稱重效果的關(guān)鍵因素，忽 略次要因素，從而達(dá)到簡化的目的。 車輛的運(yùn)動，從狹義上來說只是其沿行駛方向的移動；廣義上來說還包括在 所有方位上都存在著的各種不同形式的運(yùn)動。對于2 軸式車輛的運(yùn)動狀態(tài)和動力 特性不論在國內(nèi)還是在國外都采用圖2 3 所示的力學(xué)模型，從車輛研究部門的大 量實(shí)驗和分析可知此力學(xué)模型在研究車輛的運(yùn)動方面是很成功的。因此，本文也 以此模型為基礎(chǔ)進(jìn)行研究。 由圖2 3 可知，此分析模型采用一個六面體來代表行駛中的車輛，并將其放 置在一個三維坐標(biāo)系之中。下面通過研究其在不同方位上的運(yùn)動狀態(tài)來分析各種 干擾力及其對動態(tài)稱重系統(tǒng)的影響程度，進(jìn)而達(dá)到簡化模型的目的。 9 北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 0 z 軸方向的平移 擺動 搖頭運(yùn)動 z 軸方向的毳 圖2 3 車輛運(yùn)動模型 f i g 2 - 3v e h i c l em o t i o nm o d e l 運(yùn)動著的車輛有如下四類運(yùn)動：饒x 軸的傾斜；饒y 軸的俯仰；饒z 軸的擺 動；分別沿工，y ，z 軸的單方向移動。 饒x 軸的傾斜，表示車輛行進(jìn)在傾斜路面上時同一個輪軸上的重量從懸架一 邊向另一邊移動。在動態(tài)稱重過程中，饒z 軸方向的傾斜運(yùn)動造成的重量分布變 動會造成車輛左右兩邊簧載質(zhì)量的變化，對車輛軸載有一定影響，但是由于路面 傾斜度一般很小，因此饒x 軸的傾斜對車輛載荷影響非常小。 饒y 軸的俯仰，表示車體在y 軸方向上重心的移動，即重心從一個軸移向另 一個軸。這種情況出現(xiàn)在車輛上下坡及車輛加速或減速的過程中，重心的移動會 導(dǎo)致軸載的變化。 饒z 軸的擺動，表示車體在水平面的運(yùn)動。稱重系統(tǒng)對水平力并不敏感，因 此擺動不會影響動態(tài)稱重效果。 同樣，在石和y 方向上的移動也可以作為次要因素進(jìn)行考慮。 沿z 軸方向的移動，很顯然這種運(yùn)動將影響重量讀數(shù)，因為它會產(chǎn)生垂直分 力，導(dǎo)致鋼板彈簧變形。 通過上述分析可以看出，在四類運(yùn)動中只有饒y 軸的俯仰和沿z 軸方向的移 動是影響動態(tài)稱重精度的關(guān)鍵因素，其它運(yùn)動都是較為次要的因素。饒y 軸的俯 仰運(yùn)動表現(xiàn)在重心移動對動態(tài)稱重的影響，沿z 軸方向的移動則表現(xiàn)在振動對動 態(tài)稱重的影響。 2 4 車輛載荷分析 設(shè)有車輛沿x 軸以速度1 ，運(yùn)動，車輛對路面的作用力： f ( x ，f ，1 ，) = 形o ) 萬( x 一1 ，f ) = 【( f ) + 形o ) 】8 ( x 一 ，f ) ( 2 一1 ) 式中， 形o ) 瞬態(tài)軸載，由穩(wěn)態(tài)軸載w o 以夕和動態(tài)軸載p 夕組成； ( f ) 車輛自身重量引起的靜態(tài)載荷； 1 0 v l | 車輛超載動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)稱重原理 彬( f ) 各種原因引起的動載荷干擾； 萬( ) d 砌鐘一占函數(shù)，其定義為： 萬( x 一) = 器筏，且e 萬o - x o ) d x = l 目前，由于應(yīng)用的不同，車輛載荷形( f ) 有以下四種類型的模型：恒定載荷； 沖擊載荷；簡諧振動；隨機(jī)振動。如果地表的平整度很好，當(dāng)車輛振動很 小的時候，我們就可以把車輛載荷簡化為恒定載荷；如果發(fā)生了相當(dāng)劇烈的振動， 甚至跳離了地面，為了研究車輛落地之后的這種振動對結(jié)構(gòu)的破壞作用，便可以 考慮用沖擊載荷作為車輛的載荷數(shù)學(xué)模型；如果希望描述車輛的波動情況，但是 又不希望模型過于復(fù)雜，可以考慮用簡諧振動來進(jìn)行載荷分析；隨機(jī)振動載荷模 型是比較完善的模型，因為路面的凹凸不平是隨機(jī)的。 2 4 1 車輛靜態(tài)載荷分析 假設(shè)車輛以加速度a 行駛在坡度角為0 的路面上，圖2 4 表示作用在車輛上 的主要外力。 圖2 4 車輛靜態(tài)載荷 f i g 2 - 4v e h i c l es t a t i cl o a d 其中主要有：空氣動力阻力心，前后車輪的驅(qū)動力e 和c ( 對于只有后輪驅(qū) 動的車輛t = 0 ，對于只有前輪驅(qū)動的車輛只= 0 ) 、前后輪的滾動阻力砰和r ，。 設(shè)前軸垂直載荷為孵，后軸垂直載荷設(shè)為形，用力矩的方法分析車輛靜態(tài) 載荷( f ) 與前后軸載荷之間的關(guān)系。 對后輪b 取矩，可得出力矩平衡方程： 三+ r + w o ( t ) h s i n o f r o ( 0 1 2 c o s 0 = 0 ( 2 2 ) 同理，對前輪么取矩，可得出力矩平衡方程： 北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 彬三一r 吃一w o ( t ) h s i n 8 一w o ( ，) c o s 9 = 0 ( 2 3 ) 式中， 厶前輪軸與車輛重心的距離； 厶后輪軸與車輛重心的距離； 吃空氣動力阻力作用點(diǎn)高度； 口車輛行駛加速度； 廳車輛重心高度； 三車輛軸距； 一 目路面坡度角； 對兩方程合并化簡可得到方程： ( + w r ) 三= w 0 ( f ) ( + 1 2 ) c o s 0 ( 2 - 4 ) 由于+ 厶= l ，所以前后輪垂直載荷與車輛總載荷的關(guān)系為 w o ( t ) c o s o = 哌+ w r ( 2 5 ) 設(shè)前車軸上左右兩片鋼板彈簧承受垂直載荷，即簧載質(zhì)量分別為。和， 車輛所在路面繞x 軸( 圖2 3 ) 傾斜角為夠，則車輛前軸載荷為 坼c o s q ，= + ( 2 6 ) 路面繞x 軸傾斜角為9 一般非常小，一般可視車輛前軸載荷為 砟+ ( 2 7 ) 同理，設(shè)車輛后軸上左右兩片鋼板彈簧簧載質(zhì)量分別為和，則車輛后 軸載荷為 形+ ( 2 8 ) 由于車輛行駛時左右輪轍具有對稱性，而同一輪轍的兩個輪子所受到的路面 激勵是相同的，只是有一個時滯而己。所以我們只需要求解一組鋼板彈簧的簧載 質(zhì)量。 鋼板彈簧是車輛的承重元件。圖2 5 為1 4 車輛承重模型，其中需作如下假 設(shè)： ( 1 ) 懸掛質(zhì)量與非懸掛質(zhì)量均為剛體； ( 2 ) 懸架系統(tǒng)具有線性剛度； ( 3 ) 懸架在工作過程中不與緩沖塊碰撞； ( 4 ) 輪胎具有線性剛度，且在汽車行駛過程中始終與地面接觸 1 2 吖 ? 蕈， 車輛超載動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)稱重原理 一z z i z 2 圖2 51 4 車輛承重模型 f i g 2 5aq u a r t e ro f v e h i c l el o a d - b e a r i n gm o d e l 確為汽車簧載質(zhì)量，鴨為汽車非簧載質(zhì)量，毛、如分別為懸掛鋼板彈簧及 輪胎剛度，z 為簧載質(zhì)量質(zhì)心位移，z 1 為非簧載質(zhì)量的質(zhì)心位移。 根據(jù)圖2 5 所示的懸架模型，可以得到簧載質(zhì)量變化時的力學(xué)方程： k 2 ( z l 蔓焉z 焉二。m 2 9 ：0 9 ， lz j ) 一毛( 一z 1 ) 一 = 、。 設(shè)鋼板彈簧變形量即簧載質(zhì)量質(zhì)心位移的變化量為a z ，由上式可以得到，： 釁( z z 1 ) = 等 ( 2 _ 1 0 ) 由材料力學(xué)可知，鋼板彈簧簧片表面應(yīng)變與彈簧垂直變形量之間的關(guān)系為： s = 6 z h p ( 2 一1 1 ) 式中，占鋼板彈簧表面應(yīng)變 z 鑰板彈簧垂直變形，m l n 三彈簧彎曲跨距，i n n l h 鑰板彈簧厚度，i n l t l 將式( 2 - 1 0 ) 代入式( 2 - 11 ) ，可得彈簧表面應(yīng)變?yōu)椋?a 6 - 墼孕 ( 2 1 2 ) l 2 毛 則單組鋼板彈簧簧載質(zhì)量為： = 舞牡 因此，簧載質(zhì)量與鋼板彈簧表面應(yīng)變及鋼板彈簧剛度有關(guān)， 一步求得車輛靜態(tài)載荷。 1 3 ( 2 - 1 3 ) 由簧載質(zhì)量可進(jìn) 北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 4 2 車輛動態(tài)載荷分析 從車輛的整體運(yùn)動分析可知沿z 軸方向的移動會影響稱重的精度，而造成車 輛沿z 軸方向的移動的主要干擾是車輛振動產(chǎn)生的動態(tài)載荷。 引起車輛振動的原因很多，但是主要由以下三類構(gòu)成： ( 1 ) 由車輛自身的各種原因造成的振動，其中包括發(fā)動機(jī)偏心轉(zhuǎn)動引起的周期 性振動，車輪不圓引起的周期性振動；燃料不均勻、駕駛員操作不穩(wěn)定引起的隨 機(jī)振動等。 ( 2 ) 由路面不平而造成的振動，地面表面的凹凸不平和高低起伏給行駛在上面 的車輛輪胎施加位移擾動而產(chǎn)生振動，由于地面不平的隨機(jī)性決定了這種振動的 隨機(jī)性。 ( 3 ) 由車輛與地表耦合而產(chǎn)生的振動。當(dāng)車輛在地表運(yùn)動時，對地表施加了外 力，地表在外