基于RFID的车辆超载识别系统设计

2020-06-03余洲鑫王猛畅宏达张昱瑾

汽车实用技术 2020年9期

余洲鑫王猛畅宏达张昱瑾

摘要：近年来，随着汽车工业和高速公路运输系统的发展，许多道路运输的问题由此产生，其中货车超载问题成为影响人民生命安全的重要因素之一。本项研究在现有技术及前人研究基础上，通过将RFID技术应用于车辆载荷情况查询识别与基于激光位移传感器测量钢板弹簧形变程度的车载式重量检测系统相结合，两者通过CAN总线进行数据沟通，从而开发一种车辆超载识别系统从而便捷识别超载车辆。

关键词：超载;车载检测;RFID;实时检测

中图分类号：U462.1 文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2020）09-116-04

Design Of Vehicle Overload Identification System Based On RFID

Yu Zhouxin， Wang Meng， Chang Hongda， Zhang Yujin

（Automotive College Chang'an university， Shaanxi Xi'an 710064）

Abstract： In recent years， with the development of automobile industry and highway transportation system， many problems of road transportation arise， among which the problem of truck overload has become one of the important factors affecting people's life safety. The study on the basis of existing technology and previous studies， the application of RFID technology to query recognition and vehicle load based on laser displacement sensor measurement of leaf spring deformation degree of vehicular weight detection system， the combination of the two data through the CAN bus communication， so as to develop a vehicle overloading recognition and convenient overloaded vehicles.

Keywords： Overload; Vehicle detection; RFID; Real-time detection

CLC NO.： U462.1 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2020）09-116-04

1 前言

隨着我国公路运输系统和汽车工业技术的不断发展，大量的公路超载现象也接踵而至。超载运输对桥梁、公路带来严重影响，缩短了公路的使用年限，对交通安全构成了一定的危害。为了加强对超载运输管理，对货车的载荷情况进行检测，对疑似超载车辆进行有效识别，研发设计一种便捷的车辆测重及超载识别技术至关重要。目前，货车超载测量识别技术主要可分为固定检测式和车载检测式这两类。固定检测式通过将电子地磅安装在地面上，从而对经过的车辆进行称重，这种检测方式需占用大量的面积;车载检测式则是将测量装置安装在车上，可以在车辆行驶中测量其载荷情况。由于车载检测式不需要车辆停下来，也不用到固定地点测量，不会对道路交通带来干扰，因而车载检测式称重技术越来越得到人们的关注。本项研究的目的是开发一种车载检测式车辆超载识别系统从而便捷识别超载车辆。

2 车辆超载识别系统概述

2.1 设计方案

车辆超载识别系统设计方案主要包括三部分：测量系统、识别系统及数据处理与传送。其中，识别系统是基于RFID技术设计的，可通过读取器便捷查询车辆载荷情况及车辆信息，位于车辆的前部;而测量系统是通过激光位移传感器测量钢板弹簧的形变程度，代入一定的算法，从而间接测量出车辆的载荷情况，数据处理装置就近布置于激光位移传感器附近，测量系统整体位于车架上，两者通过CAN总线进行数据沟通，其分布情况如图1所示。

2.2 车辆超载识别系统开发时应遵循以下原则

（1）可靠性。车辆超载识别系统的测量精度和数据的保密程度直接影响对超载的监管，因此所设计的车辆超载识别系统必须要有极高的可靠性。

（2）经济性。在保证系统用于足够的可靠性的基础上，应尽可能选择价格低廉、性能高的系统组件。

（3）抗干扰性。为了保证测量的精度和数据的安全，所选择的系统元器件要有一定的抗干扰能力，车辆超载识别系统要有一定的稳定性。

3 测量系统

3.1 测量系统的组成

如图3所示，测量系统主要由激光位移传感器、测量电路、数据采集处理模块及整车计算模块所组成。

3.2 测量系统的工作原理

载货汽车的货车厢通常通过一定方式与车架相连接在一起，车架则和大梁制成一体。大梁主要通过在梁上的钢板弹簧与后桥相连接成一个整体，整个车身通过一定数量的钢板弹簧将所有的车身载荷施加到前、后轴上，由于钢板弹簧上存在载荷的作用，钢板弹簧会向下弯曲，而钢板弹簧在正常工作范圍内，存在弹性系数，故钢板弹簧在一定的外部载荷的作用下，会发生弹性形变，产生弹性下移量，钢板弹簧的弹性下移量可由激光位移传感器测得。因此在车辆超载识别系统中，可以通过激光位移传感器测量钢板弹簧的下移量来间接测量车辆载荷情况。

激光位移传感器的位移测量原理图如图 2所示。激光位移传感器对位移测量的基本原理是光学三角法，如图2所示：红外发射管经一定角度向外发射出红外光线，当这些红外光线碰见障碍物时，则会将反射光线反射至PSD上，此时反射光线、发射光线及红外发射管与PSD之间的线形成一个等腰三角形。该等腰三角形的底边长可以通过PSD测出，而等腰三角形的两个底边的角大小由红外发射管所确定。因此该等腰三角形的高，即为被测距离。

综上分析，本文设计的车辆超载识别系统中的测量系统总框图如图 3 所示。以二轴车辆为例，在车辆的前、后轴选取适当位置分别安装激光位移传感器，用于测量车架与车轴之间的相对位移量，即：钢板弹簧形变量，再通过测量电路与数据采集模块获得位移信号，在整车计算模块中，根据测得的前、后轴位移信号，通过一定的载荷计算方法从而得到车辆的整车载荷。

以其中一个车轴为例，测量系统中各激光位移传感器的安装位置如图 4所示，其他车轴的安装与图 4中的方法类似。每个车轴上安装有两个激光位移传感器，分别安装在车轴上方的车架上，且左、右对称安装一个，如图 4所示。

3.3 载货汽车车架受力分析

设一辆二轴货车静止停放在水平路面上，货车空载时质量为M，弹簧上质量为M_u，弹簧下质量为M_d，装载有质量为m的载荷，假定前、后轴的左、右钢板弹簧刚度相等，分别用k₁、k₂表示。当货车的悬架弹簧处于自由状态时，4个传感器读数分别设为x₀₁、x₀₂、x₀₃、x₀₄，分别为前轴左侧、前轴右侧和后轴左侧、后轴右侧激光位移传感器的读数。当在车辆上加载质量为m的载荷后，此时4个激光位移传感器的读数分别为x₁₁、x₁₂、x₁₃、x₁₄，此时有：

又由于M=M_u+M_d则有下式：

上式变形：

令，且为常数

则整车载质量为：

3.4 测量系统工作流程

测量系统的启动流程图如图5所示。当汽车未处于使用状态，即车辆未起动，此时，车辆是否超载不会对交通系统带来影响，故可以不用对车辆超载情况进行检测，所以系统设计为在启动状态下测量。同时，由于上述分析是在车辆静止状态下进行，而动态测量时，会引入加速度的影响，故需要在车辆静止时，进行测量，才能保证足够的精度，在此处，选择临界值为1km/h。综上所述测量系统的工作条件为：车辆启动且速度低于1km/h。

数据处理流程图如图6所示。汽车启动时，即开始测量第一条数据。当测量系统开始工作后，每当系统符合测量条件时，即开始测量，在连续的符合测量条件时（例如装载货物时），每隔10min测量一次，每次获得新的重量后，会与上一个数值相比较，当两者相差值大于某一数值（此处预设为1t）时，则将新的数据传递给识别系统，以此来避免数据冗余。

4 超载识别系统

4.1 FRID介绍

RFID英文全称为Radio Frequency Identification，射频识别，又可称为电子标签。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，整个识别过程无须人工干预，该技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。其特点为：①非接触式，适合用于中、远距离的数据识别;②可大批量自动读取信息;③内置芯片存储信息量大;④通过芯片存储，可实现多次读取;⑤可以与其他各种传感器共同使用。