基于SAEJ1939的汽车智能载重系统

10.16638/ki.1671-7988.2017.14.058基于SAE J1939的汽车智能载重系统覃熊艳，黄镜月，张雄飞（东风柳州汽车有限公司，广西柳州545000）摘要：文章以某重型商用车为对象，开发基于SAE J1939的车辆智能载重系统。

该系统通过CAN总线实时采集发动机EMS共享的实际扭矩、摩擦扭矩、油门踏板、车速等数据，根据汽车动力学原理计算车辆载重，根据离散性修正策略及显示补偿策略进行数据修正，并通过CAN总线将车辆载重信息发至仪表界面及车联网后台。

该系统对司机的自我检测及车辆载荷监管部门提供参考依据，对减少车辆超载现象有一定意义；也可协助车队管理确认司机是否私自拉货、卸货。

关键词：智能载重系统；车载终端；CAN总线；EMS系统；SAE J1939中图分类号：U463.6 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)14-168-04Intelligent load system of automobile based on SAEJ1939Qin Xiongyan, Huang Jingyue, Zhang Xiongfei（Dongfeng Liuzhou Automotive Co., Ltd., Guangxi Liuzhou 545000）Abstract: In this paper, a heavy-duty commercial vehicle is taken as an object, and an intelligent vehicle load system based on SAE J1939 is developed.The system through the CAN bus real-time engine EMS sharing the actual torque, friction torque, accelerator pedal, speed and other data, according to the principle of vehicle dynamics calculation of vehicle load, according to the discrete correction strategy and compensation strategy for data display and modification, vehicle load information sent to the instrument interface and car Networking Background through the CAN bus.The system provides reference for the driver's self inspection and vehicle load supervision departments, and has some significance for reducing the overloading of vehicles. It can also help the fleet management to confirm whether the driver is pulling or unloading the goods without permission.Keywords: Intelligent load system; vehicle terminal; CAN bus; EMS system; SAE; J1939CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)14-168-04前言现有的商用车称重系统需要在工作人员安排下到具体地点使用相应的称重系统完成，无法满足及时称重的需要，对于货物的装卸，监管部门想要实时的掌握车载状态，则需要在车上家装加号装车辆载重系统，而传统的车辆智能载重主要是通过增加载重传感器进行数据采集、数据处理、分析，该方案需额外增加控制器成本高，易损坏、易被人为破坏，增加零部件及线束隐患点；同时不同车型需重新布置，通用性差；随着汽车电子技术的发展，为了提高信号的利用率及资源共享，传统控制方式已远远不能满足这种需求。

CAN总线和基于它的总线通信标准提供了解决上述问题的途径。

本文基于当前车辆载重系统管理的现实需求，利用汽车动力学汽车电子作者简介：覃熊艳，就职于东风柳州汽车有限公司。

汽车实用技术169 2017年第14期原理，充分利用电控发动机EMS共享的CAN信息资源，实现在不采用额外传感器的条件下智能感知客/货车的整车质量。

1 理论原理分析基本原理基于牛顿第二定律“车辆加速度的大小跟作用力合力成正比，跟车辆的总质量成反比，与车辆质量的倒数成正比”公式为：F=ma在汽车应用领域，F的主要决定因素包括发动机牵引力、风阻摩擦力、道路摩擦力、坡度重力。

车在运动过程所受到的纵向合力近似为：F = F(engine) - F(wind)-F(friction)-F(slope)其中，F(wind)为重卡所受风阻，F(friction)为重卡所受路面摩擦阻力，F(slope)为卡车因为重力在坡度上受到的阻力。

F(engine)为发动机输出扭矩通过车辆传动系传导到车轮上的前向驱动力，直接从CAN总线上获取，并进行演算；车辆速度数据可通过车速传感器或者仪表CAN总线读取。

加速度计算方法：速度信号CAN报文周期为T，T1时刻速度为V1，(T1+T)时刻速度为V2，则在周期T内，车辆加速度a=(v2-v1)/T。

1.1 建模及分析F(wind)、F(friction)、F(slope)只靠CAN总线上的数据很难估算，为了弱化这些因素的干扰，可运用微积分原理进行处理。

图1 微分动力学图示如附图1所示，在时间轴t上，取一个较短的间隔Δt，因为Δt较小，因此在前后时间段内，卡车所在路面摩擦情况近似相等，所在坡度情况所似相等，所受风阻情况近似相等，因此所受到的阻力合力Fz1与Fz2是近似相等的，即Fz1- Fz2≈0，前后时间合力F1和F2差分相减，车辆所受的合力差分量为：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)。

这样可排除路面、地形及风阻对合力的影响。

加速度通过差分量Δa=ΔV/Δt计算，卡车总质量m=ΔF/ Δa。

1.2 系统组成通过系统信号需求分析，智能载重系统主要由发动机EMS、组合仪表、智能载重控制器、车载终端成组，附图2所示。

图2 智能载重系统框图1）发动机EMS系统：根据OBD要求，商用车已全部升级至国IV、国V排放，EMS都支持CAN总线及SAE J1939标准，可通过CAN网络为载重系统共享发动机相关的转速、水温、油门开度、油耗、扭矩等信息。

CAN信号如附表1。

表1 CAN报文信号2）仪表系统：通过硬线连接车速传感器，根据实车轮胎半径、后桥速比、里程表速比进行车速换算，并通过总线发布车速CAN报文信息，为载重系统提供车速信号。

仪表还可接收载重报文在仪表上实时显示，为用户提供载重信息。

表2车辆轮胎、后桥、变速箱等配置变更时，可通过仪表系统界面根据实车配置刷写轮胎半径、后桥速比、里程速比及变速箱档位等参数，保证智能载重需求的整车参数的可靠性，该方式适应车型众多配置需求。

3）智能载重控制器：作为该系统的关键零件，主要由电源模块、车规MCU、运算摸块、CAN收发器模块等组成，智能载重控制器通过车规MCU实时采集车上EMS及仪表CAN总线数据，并将数据透传给运算模块，计算出汽车整体重量，计算完毕后讲载重数据实时共享至总线供其他节点使用。

覃熊艳 等：基于SAE J1939的汽车智能载重系统1702017年第14期表3电源模块：电源模块的主要作用是为整个车载系统提供供电电压，包括为车规MCU 、CAN 收发芯片提供5V 的供电电压，为运动检测芯片、定位模块等器件提供3.3V 的供电电压、为运算模块等提供4.2V 的供电电压等。

运算模块：采用ARM CORTEX-A7内核，负责产品核心算法的计算工作，总线宽度32bit ；工作主频达1.2GHz 双核；内部存储器为4GB ROM + 512MB SDRAM ；车规处理器：负责各个总线数据采集及转发，关键件调度，如电源控制，运动检测模块，运算模块通讯；4）滤波算法：由于车辆行驶过程中有很多干扰和不稳定状态，因此在具体实施中，并不是每一个Δt 得到的ΔF/Δa 都有效，需根据不同工况进行离散性修正、状态滤除。

这些滤除规则包括车辆在踩离合、急减速、急加速、低档位工况、低转速、踩刹车状态：半离合状态，此时无法估算发动机的动力传递，根据CAN 数据中的离合信号判断。

急加速工况，此时传动系转动贯量不稳定，根据加速度和CAN 数据中的发动机瞬间燃油消耗报文联合判断。

急减速工况，此时有很大的可能是制动系统在发生作用对估算质量影响很大，根据CAN 数据中的油门踏板、发动机负荷百分比、和加速度联合判断。

发动机工作稳定状态，根据CAN 数据中的发动机温度报文判断。

连续换档，换完档之后松开离合。

低档位工况， 在低档位行驶时，车辆数据误差较大，因此需要将一、二档的数据滤除，档位计算原理为发动机转速除以变速箱输出轴转速。

将这些状态滤除不参与计算，剩下的数据进行质量估算，同时取多个质量估算数据点进行平均，以便取得较接近真实质量值的计算结果。

能取得较接近真实质量值的计算结果。

车辆在每一个估算点的质量估算值都是在真实值附近波动，依靠多个估算点求取平均的方式来中各误差。

因此，第一个点的时候，误差大有可能是随机的，因为此时点数不多，有可能偏重也有可能偏轻，后续估算点越来越多载重值才会趋向真实值。

因此补偿是比较难的，但是可以在只出一个点的时候不输出质量值，在计算得到多个点的时候，才开始输出载重值，尽量保证输出值的准确性。

一般从车辆起步开始10分钟到30分钟可输出载重值。

2 试验验证商用车样车试验采用的满载，试验车和载货量的总质量是16550kg 。

载重终端的电源线、ACC 线、地线、CAN 高和CAN 低连接到试验车上车载终端接口上，载重终端固定在驾驶台上。

图3 试验车上载重终端的安装载重终端根据CAN 数据计算得到新的载重数据时，把新载重数据发送到CAN 总线上，车载终端及仪表等节点可通过CAN 总线接载重CANID 数据，按需把载重数据上报到车联网平台。