一種重型商用車自重測量系統的開發與驗證

韓慶福　范安軍　徐成竹　張龍中

摘 要：隨著市場化的不斷推進，整車自重測量系統且同時監測車輛的多種載荷指標，且具備全程監測的能力，具有較高的準確度和可靠性，自重測量系統對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的消費需求。本文介紹了一種重型商用車自重測量系統的技術方案，特點及其功能驗證。

關鍵詞：整車自重 監控 超載

1 前言

車輛超載運輸對國民經濟健康發展有很大影響，超載運輸不僅危及人民生命財產安全，同時也破壞環境、影響國家秩序。超載檢測屬于車輛稱重范疇，傳統的車輛稱重方法是設立靜態稱重站或者動態稱重站。但稱重站相對固定，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，車載動態稱重系統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態估算車輛重量，當檢測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等方式提示司機提高安全性，整車及列車總重自動計算功能開發，是汽車行業發展的趨勢之一。

為此，根據JT/T 794《道路運輸車輛衛星定位系統車載終端技術要求》中要求“終端留有車輛載貨狀態檢測裝置接口或者通過人工輸入方式確定車輛的載貨狀態（空載、半載、滿載），并上傳至監控中心。”，部分省份為治理城市渣土車，制定相關地方行業要求。如“ 揚塵蓋監測（檢測到渣土車裝有載荷時，監控揚塵蓋是否閉合）”、“超載報警（檢測到車輛超載，中心自動報警，并記錄車輛超載信息）”等。

隨著國內外市場的不斷拓展，車輛載貨狀態檢測須滿足的相關法律法規越來越多，整車及列車總重自動計算功能開發，提高整車電控設計的自主性、通用性和方便功能延展，可更好的滿足相關法律法規的使用及擴展需求。

2 車輛自重測量方案的設計

2.1 設計的目的及系統圖

車輛的自重測量系統，載重感知控制器不依賴于任何額外傳感器設備，直接從汽車CAN總線上讀取動力數據，并由動力數據演算推導車身的當前質量。系統圖見圖1。

2.2 設計原理

根據牛頓第二定律F=ma估算卡車質量。其中F來源于發動機輸出扭矩與所受阻力的合力，a來源于汽車行駛速度差分。

F為卡車在運動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）為發動機輸出扭矩，通過車輛傳動系傳導到車輪上的前向驅動力，直接從CAN總線上獲取，并進行演算，計算公式為：

其中T為發動機輸出扭矩，從CAN總線上獲取。ig為當前檔位比，ig0為主減速比，r為輪胎半徑，這些為可求量或已知量。為發動機摩擦扭矩，為車輛傳動系的機械傳動效率，這些為未知量，需要通過標定求得。

F（wind）為卡車所受風阻，F（friction）為卡車所受路面摩擦阻力，F（slope）為卡車因為重力在坡度上受到的阻力。統稱所有阻力的和為Fz， Fz=F（wind）+F（friction）+F（slope）。

a為加速度，來源于速度信號的差分。速度信號來源于車輛前橋車速傳感器，直接從CAN總線上獲取。假設速度CAN報文周期為t，前一時刻速度為V1，后一時刻速度為V2，則在周期t內，卡車加速度a：a=（V2-V1）/t。

在具體實施中，F（wind）、F（friction）、F（slope）只靠車身CAN數據是難以準確估算的，為了排除它們的干擾，需要運用微積分原理進行處理，盡量弱化這些因素的影響。其處理原理我們稱之為“微分動力學”，原理如下圖2所示：

在時間軸t上，取一個較短的間隔Δt，因為Δt較小，因此在前后時間段內，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、地形及風阻對合力的影響。

對加速度，同樣求差分量Δa，則卡車總質量可由求得，其中為質量轉換系數，受車輛轉動慣量影響，對于新車型是未知量，需要通過車型標定求得。

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

濾除規則包括：

1、半離合狀態和剎車狀態，此時無法估算發動機的動力傳遞及車身合力，根據CAN數據中的離合信號和剎車信號判斷。

2、急加速工況，此時傳動系轉動貫量不穩定，根據加速度判斷。

3、急減速工況，此時有很大的可能是制動系統在發生作用對估算質量影響很大，根據CAN數據中的油門踏板和加速度聯合判斷。

將這此狀態濾除后，剩下的點進行質量估算，能取得較接近真實質量值的計算結果。

4、車輛行駛速度須大于35km/h時才進行計算，避免在低速情況下的側向加速度對動力學分析的影響。

3 測量方案的實施

3.1 實驗車輛與設備

采用福田戴姆勒重卡進行實驗，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，進行CAN數據采集并運行質量估算程序，程序估算結果，在雅迅R7駛記錄儀的屏上進行輸出。

實驗設備及連接現場圖，如下圖4：

3.2 實驗步驟

標定：

1.空載車過地磅，得到當前空載的整車質量，實驗員記錄實際質量。

2.由司機上車正常行駛（不對司機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，由司機自行隨機選擇，行駛時間30分鐘以上。

3.三十分鐘后停止運行，實驗員將載重終端內的數據導出到筆記本電腦上保存。

4.車輛滿載過地磅，實驗員記錄半載實際質量。之后司機正常行駛（不對司機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，由司機自行選擇，行駛時間30分鐘以上，之后由實驗員保存數據。

5.車輛半載過地磅，實驗員記錄半載實際質量。之后司機正常行駛（不對司機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，由司機自行選擇，行駛時間30分鐘以上，之后由實驗員保存數據。

6.將空、半、滿載數據，集中，調整標定出，，三個參數值，使得采用程序計算出來的載重值與實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際整車質量;藍線為標定后程序計算的質量。

3.3 測試過程

1、空載測試。

由初步標定得到的參數值存入終端，由終端在車輛運行過程中實時計算載重。由于在車輛運行中的每個點都有可能計算出載重數值，因此對于載重數值的處理采用綜合平均方式進行處理。在終端內部預設3000個采樣點，當前計算載重的有效采樣點數N達到3000時的載重數值為最終實驗結果。當N未達到3000時，載重數值之后會報出載重計算進度百分比。

重載實驗全程數據如下圖6所示：

從實驗全過程數據圖來看，在車輛剛開始運行的時間段內，由于得到的計算點較少，因此數值較不穩定;但是隨著運行時間的延長，載重數值趨于穩定。

a.稱重

過地磅的實際質量為：19125kg

b.測試

在整個計算過程中，最大載重數值為：21921kg（處于車輛剛開始運行的不穩定時段），最小載重數值為：19521kg。當計算點數到達3000個時，報出的載重數值為：19521kg。實驗過程出現的載重數值如下圖7：

實驗數據如表1：

2、半載測試。

在測完空載試驗后，增加了一定質量的載重，進行半載測試。

半載實驗全程數據如下圖8所示：

數據變化趨勢與空載實驗相同，在車輛剛開始運行的時間段內，由于得到的計算點較少，因此數值較不穩定;但是隨著運行時間的延長，載重數值趨于穩定。

a.稱重

過地磅的實際質量為：26695kg

b.測試

在整個計算過程中，最大載重數值為：27648kg（處于車輛剛開始運行的不穩定時段），最小載重數值為：26804kg。當計算點數到達3000個時，報出的載重數值為：27363kg。實驗過程出現的載重數值如下圖9：

實驗數據如表2：

2、滿載測試。

測完半載后，把貨物全部裝載，進行滿載實驗。實驗全程數據如下圖10所示：

在車輛剛開始運行的時間段內，由于得到的計算點較少，因此數值較不穩定;但是隨著運行時間的延長，載重數值趨于穩定。

a.稱重

過地磅的實際質量為：45185kg

b.測試

在整個計算過程中，最大載重數值為：40964kg（處于車輛剛開始運行的不穩定時段），最小載重數值為：44081kg。當計算點數到達3000個時，報出的載重數值為：43433kg。實驗過程出現的載重數值如下圖11：

4 總結

基于運動力學方程計算車輛載荷，理論分析是可以實現的，但是在實際計算中各種參數都是經驗值或者臺架靜態測試值，在車輛上的動態應用是否可信可靠有待詳細評估。由于車輛力學平衡是個動態的過程，通過發動機CAN總線獲得的扭矩信息與車輛的加減速狀態并不能實時對應，導致計算存在誤差較大。目前國內外測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量，比如加裝稱重傳感器、通過全氣囊懸架的氣壓計算或者在懸架上安裝應變片傳感器等。

參考文獻：

[1]JT/T 794《道路運輸車輛衛星定位系統車載終端技術要求》.