一種礦用自卸車車載稱重系統(tǒng)研究與設(shè)計★

胡 革， 劉學(xué)勇， 李煥良， 楊小強(qiáng)

（1.江南計算機(jī)技術(shù)研究所， 江蘇 無錫 214083； 2.陸軍工程大學(xué)， 江蘇 南京 210007）

引言

自卸車，又稱翻斗車，是最常見的工程運(yùn)輸車輛，主要用于礦山、公路運(yùn)輸及工程建設(shè)等多個領(lǐng)域。現(xiàn)有自卸車載重主要以地磅測試為主，載貨前測車重，載貨后測總重，最后計算出凈重，需要過兩次地磅，不僅檢測誤差較大，而且會造成交通擁堵，直接影響運(yùn)輸企業(yè)和從業(yè)人員的工作效率。因此，開發(fā)一套能實時、方便地檢測大型礦用自卸車裝載礦物重量的測試系統(tǒng)對駕駛員和調(diào)度管理部門顯得十分必要[1-2]。

目前，國內(nèi)外的車載稱重方法主要是在車輛的承重結(jié)構(gòu)，如車架，板簧、懸掛以及輪胎等部位安裝各種傳感器來測量車輛載重，而傳感器型號的選擇、檢測位置的確定和稱重算法的研究對整個車載稱重系統(tǒng)的性能指標(biāo)都有很大的影響。本文設(shè)計了一種基于車橋應(yīng)變監(jiān)測的車載稱重系統(tǒng)，通過ANSYS Workbench軟件對車橋的有限元進(jìn)行分析，確定應(yīng)變片安裝位置，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)LMBP算法得出車橋變形與車輛載重的對應(yīng)關(guān)系，從而獲得車輛正常工作時的載重，并設(shè)計車身停止判斷電路、熄火控制電路，可實現(xiàn)超載報警與熄火功能。現(xiàn)場試驗表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，測量誤差在4%以內(nèi)，滿足使用要求。

1 工作原理分析

自卸車承重機(jī)構(gòu)主要由車廂、主副車架、鋼板彈簧、車橋以及車輪等部分組成。車輛承載貨物時，車輛的承重結(jié)構(gòu)將受力并發(fā)生變形。本系統(tǒng)選取車橋應(yīng)變?yōu)闄z測對象，通過應(yīng)變計測量各承重車橋在受到作用力后發(fā)生的變形，再通過相應(yīng)的算法擬合計算，就可得到整車及其裝載貨物的重量，這就是車載稱重實現(xiàn)的基本原理。

本系統(tǒng)主要由傳感器組和車載顯示終端組成。傳感器組由電阻式應(yīng)變計組成，應(yīng)變計安裝在各承重車橋兩端，用于檢測車橋受力應(yīng)變。車載顯示終端安裝于駕駛室內(nèi)，完成信號分析處理并顯示車載重量。由于動態(tài)稱重中振動干擾較大，本系統(tǒng)在車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)時進(jìn)行靜態(tài)稱重，作為車載終端顯示測量值，車輛行駛時進(jìn)行瞬態(tài)稱重，所測值僅為參考值，只有當(dāng)測量出的瞬態(tài)載荷超過荷載的一定范圍時，系統(tǒng)采取相應(yīng)措施控制車輛使其停止。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 車載稱重技術(shù)研究

2.1 應(yīng)變計安裝位置確定

加裝應(yīng)變計時，要保證橋殼貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）與橋殼承受的載荷保持良好的對應(yīng)關(guān)系，同時為了提高測力的靈敏度，還應(yīng)使貼片部位達(dá)到較高的應(yīng)力（應(yīng)變）水平。因此要對橋殼進(jìn)行有限元分析，確定應(yīng)變敏感區(qū)的大小和分布，以“應(yīng)力集中”的原則確定應(yīng)變傳感器的安裝位置[3]。

本文所用模型為16 t雙級減速后驅(qū)動橋，板簧中心距980～1 035 mm，輪距1 830 mm，橋殼端面規(guī)格為150×160。用Solid Works完成建模，根據(jù)有限元分析的簡化原則，略去非關(guān)鍵部位的圓角和倒角，將后橋殼蓋總成簡化成球面[4]，導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，如下頁圖2所示。橋殼本體和后蓋材質(zhì)為 B510L1，彈性模量 E=2×105MPa，泊松比 μ=0.3；軸頭材料為40MnBH，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.30。密度均按照ρ=7.85×10-6kg/m3計算。選取網(wǎng)格設(shè)置工具Sizing中的Element Size為15 mm，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終單元數(shù)為139 607，節(jié)點數(shù)為231 645，劃分結(jié)果如圖3所示。

在橋殼模型中選擇兩端軸面施加柱面約束（Cylindrical Support），為防止橋殼的軸向竄動，在橋殼的一側(cè)端面施加固定約束（Fixed Support）[5]，載荷按照標(biāo)準(zhǔn)QC/T533—1999《汽車驅(qū)動橋臺架試驗方法》的規(guī)定，當(dāng)被試車輛作為載貨車使用時，按該驅(qū)動橋載貨滿載軸荷（16 000 kg）的2.5倍計算。在該橋殼兩鋼板彈簧處加載2.5倍橋荷。橋殼的變形和應(yīng)力分析結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖2 導(dǎo)入模型

圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果

圖4 變形（mm）分析結(jié)果

圖5 應(yīng)力（MPa）分析結(jié)果

從分析結(jié)果中可以看出，橋殼最大變形在橋殼與牙包過渡的部分，為0.763 57 mm，彈簧座與法蘭盤之間銜接部分出現(xiàn)了應(yīng)力集中的情況，最大應(yīng)力為243.87 MPa，是橋殼容易發(fā)生靜強(qiáng)度斷裂的位置。考慮到傳感器安裝的方便性，本系統(tǒng)在每個橋殼左右兩側(cè)的板簧座下方各安裝一個應(yīng)變片，如圖6所示。

圖6 傳感器安裝位置

2.2 系統(tǒng)稱重標(biāo)定算法研究

受諸多因素影響，車輛載荷和單個車橋受力應(yīng)變是非線性關(guān)系，很難用簡單的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行表達(dá)。而采取多信息融合技術(shù)，運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立各應(yīng)變傳感器采集的AD值和車輛靜態(tài)載荷的映射關(guān)系是較好的途徑[6]。將同一載荷的砝碼放置在車廂的不同位置，各應(yīng)變計的輸出值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入值，砝碼的真實重量作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)師值，通過期望輸出和實際輸出之間的誤差平方進(jìn)行權(quán)陣學(xué)習(xí)和訓(xùn)練[7]，然后不斷改變車輛的載重量，按照上述方法進(jìn)行校正，這樣從零到額定載重量對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練與驗證后，即可用于預(yù)測計算。本系統(tǒng)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的BP學(xué)習(xí)算法利用實際輸出和期望輸出誤差的反向傳播，從輸出層到隱含層，再到輸入層，分別進(jìn)行各神經(jīng)元的權(quán)值調(diào)整，直至達(dá)到期望目標(biāo)，實質(zhì)上是一種反向傳遞的梯度算法，如果搜索步長選擇不恰當(dāng)，收斂速度將會很慢，且容易陷入局部極小點[8]。本文選用收斂速度和收斂性更為優(yōu)化的LMBP算法。

設(shè)車輛安裝了n個應(yīng)變計，共標(biāo)定了m次。第i次標(biāo)定時，系統(tǒng)輸出值為yi，砝碼質(zhì)量為ti，第n個傳感器輸出的 AD 值為xin，i=1，2，…，m，則系統(tǒng)的輸入向量 xi=（xi1，xi2，…，xin），i=1，…，m，輸出向量 Y=（y1，y2，…，ym）T，目標(biāo)向量 T=（t1，t2，…，tm）T。wij為前一層第j個神經(jīng)元輸入到后一層第i個神經(jīng)元的權(quán)值,則相應(yīng)的權(quán)值矩陣為：

誤差目標(biāo)函數(shù)為：

式（1）中e（w）為誤差向量，權(quán)值調(diào)整公式為：

式中：wt和wt+1分別為t時刻和t+1時刻的權(quán)值矩陣，J（wt）為wt的Jacobian矩陣，I為單位矩陣，μt為t時刻的比例系數(shù)。可知LMBP算法是高斯—牛頓法和梯度下降法的混合形式，當(dāng)μt逐漸下降到0時，LMBP算法接近為高斯—牛頓法，若μt值較大，LMBP算法近似為梯度下降法。

LMBP算法可以概括為：

第一步：初始化各層網(wǎng)絡(luò)權(quán)值、誤差目標(biāo)。

第三步：計算此時權(quán)值矩陣wt的Jacobian矩陣

第四步：由式（2）計算t+1時刻的權(quán)值矩陣wt+1。

第五步：將wt+1代入網(wǎng)絡(luò)重復(fù)計算誤差目標(biāo)函數(shù)F（wt+1）。如果F（wt+1）大于第2步中計算的則用 μt乘 10，轉(zhuǎn)第 2 步，如果 F（wt+1）小于第 2 步中計算的，則用 μt乘0.1，轉(zhuǎn)第2步。

第六步：當(dāng)梯度的模小于給定值或平方誤差和降低到目標(biāo)誤差，訓(xùn)練算法結(jié)束。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

如圖8所示，為本系統(tǒng)硬件總體設(shè)計方案圖，主要有傳感器組、信號采集處理電路、電源模塊、主處理器、停車辨識電路、液晶顯示模塊、報警模塊和熄火控制模塊等組成。其中主處理器為核心，本系統(tǒng)選用有較強(qiáng)抗干擾能力、控制能力與運(yùn)算能力的LPC2478型微處理器。通過外設(shè)接口與其他模塊相連，計算車輛載荷、超載情況、控制液晶模塊顯示，根據(jù)停車辨識電路的高低電平，做出靜態(tài)載荷和瞬態(tài)載荷判斷，車輛超載時控制熄火電路，使車輛停止；電源模塊為整個系統(tǒng)供電，將車載24 V電源轉(zhuǎn)換成5 V、4 V以及3.3 V等多種類型電源，以滿足系統(tǒng)不同功能模塊的供電需求。數(shù)據(jù)存儲模塊將系統(tǒng)采集、處理及計算得到的數(shù)據(jù)、車輛的基本信息以及運(yùn)行狀態(tài)信息等保存到系統(tǒng)的SD卡中，并通過USB接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵饨拥腢盤中，實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備與外界的數(shù)據(jù)交互。同時系統(tǒng)預(yù)留RS232、RS485及CAN總線等擴(kuò)展接口，可外接GPS/GPRS模塊，實現(xiàn)車載數(shù)據(jù)與車輛信息管理系統(tǒng)的互聯(lián)。

圖8 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計方案示意圖

3.1 應(yīng)變傳感器組設(shè)計

本文選用方膜片結(jié)構(gòu)的2EB-A型集成應(yīng)變傳感器，采用全橋差動電路，相鄰兩個應(yīng)變片一個受拉，一個受壓，不僅可以消除非線性誤差，且輸出比單臂工作提高了4倍[9]。同時，為了提高測量精度，加裝時要先用角磨機(jī)對貼片部位除銹、粗化，然后用砂紙細(xì)磨，并用無水乙醇、丙酮等去掉表面的雜質(zhì)污物。貼片完畢后，為了保護(hù)粘貼后的應(yīng)變片免受機(jī)械損壞且不受環(huán)境溫度變化的影響，保持良好的絕緣性能，用石臘涂料或其他密封涂料涂于試件表面，并在應(yīng)變計上方安裝保護(hù)蓋。

3.2 停車辨識電路設(shè)計

停車辨識電路用于判斷車輛是否靜止，主要利用霍爾效應(yīng)的原理，在傳動軸上加裝霍爾轉(zhuǎn)速傳感器[10]。車輛靜止時，傳動軸不轉(zhuǎn)動，通過霍爾元件的磁通不會改變，此時車身靜止辨識電路輸出TTL低電平，主處理器判斷車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)，系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)稱重。車輛行駛時，傳動軸轉(zhuǎn)動，通過霍爾傳感器的磁通會交替變化，此時停車辨識電路輸出TTL高電平，主處理器判斷車輛行駛中，開始進(jìn)行瞬態(tài)稱重，電路原理如圖9所示。

圖9 停車辨識電路

3.3 車輛控制電路設(shè)計

熄火控制的原理如圖10所示，將一個常開的繼電器開關(guān)并聯(lián)在熄火開關(guān)上，車輛在正常行駛時，LPC2478微控制器引腳KZ_J1處于掉電狀態(tài)，光耦斷路，繼電器一直處于斷開狀態(tài)，駕駛司機(jī)可以通過熄火開關(guān)進(jìn)行熄火操作；當(dāng)車輛超載時，LPC2478微控制器發(fā)送上電信號使光耦通路，繼電器工作，開關(guān)閉合，熄火電磁閥工作實現(xiàn)發(fā)動機(jī)熄火，車輛無法啟動。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件采用C語言進(jìn)行編程，基于Keil C軟件平臺進(jìn)行開發(fā)，完成車身狀態(tài)辨識、傳感數(shù)據(jù)采集、車載重量計算、超載報警控制等功能。由于車輛在行駛過程中，發(fā)動機(jī)偏心轉(zhuǎn)動燃料不均勻、駕駛員操作不穩(wěn)定、地面不平等因素會引起橋殼應(yīng)變波動，嚴(yán)重影響測量精度，因此本系統(tǒng)以靜態(tài)稱重值作為真實測量值，瞬態(tài)稱重值僅作為行駛過程超載判斷的參考值。若靜態(tài)稱重超載時，系統(tǒng)直接啟動超載報警，并觸發(fā)熄火控制電路使發(fā)動機(jī)熄火。若瞬態(tài)稱重超載時，可以采用延時與車輛運(yùn)行狀態(tài)檢測結(jié)合的方式解決[11]，當(dāng)瞬態(tài)載荷變化幅值超過最大允許載荷的10%且持續(xù)3 min時，系統(tǒng)才判定有超載現(xiàn)象發(fā)生。監(jiān)測主程序流程如圖11所示。

圖10 熄火控制原理圖

圖11 主程序流程圖

5 試驗驗證

基于應(yīng)變片式的車載稱重系統(tǒng)用于大型、重型車輛，本文選取了福田歐曼ETX9系前四后八型工程礦用自卸車（車凈重13.5 t，核載17.5 t）為試驗對象，搭建了靜態(tài)稱重實驗環(huán)境，進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析驗證。驗證試驗以礦石為加載貨物，加載重量在0～25 000 kg之間選取9個試驗水平，將稱重系統(tǒng)安裝并標(biāo)定完畢后，采用裝載機(jī)對自卸車加載，礦石重量可以用地磅方式測出，如圖12所示為裝載機(jī)加載礦石的試驗圖，如圖13所示為車載終端載重顯示圖。試驗結(jié)果記錄如表1所示。

通過分析可以看出，隨著加載量的增多，絕對誤差逐漸變大，但相對誤差呈先上升后下降的趨勢，在滿載附近相對誤差最小，精度最高。試驗表明，本系統(tǒng)可對車載重量進(jìn)行檢查，精度可控制在4%以內(nèi)，車輛超載時可發(fā)出警報并控制發(fā)動機(jī)熄火。

6 結(jié)論

圖12 加載礦石

圖13 車載終端顯示載重

表1 車輛載重量分析結(jié)果

本文所設(shè)計的礦用自卸車應(yīng)變式車載稱重系統(tǒng)，在不改變車身構(gòu)架的情況下，可根據(jù)車橋的受力應(yīng)變檢測出車輛載重，并將誤差控制在4%以內(nèi)，車輛超載時可實現(xiàn)聲光報警，并將發(fā)動機(jī)熄火。系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，操作簡單方便，可提高車輛運(yùn)營管理的信息化水平，具有很好的實用價值和推廣應(yīng)用前景。