基于STM32的货车车钩高度测量装置的设计与优化

作     者：杨锐哲 

作者单位：内蒙古科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李爱莲

授予年度：2022年

学科分类：082304[工学-载运工具运用工程] 08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：车钩高度 STM32 超声波测距 改进黑猩猩优化算法 WIFI通信 

摘      要：铁路货车是货物运输的重要载体,具有运量大、运输周期短、安全性高等特点,在日常货物运输及国家重要战略物资输送中扮演着非常重要的角色,因此长期以来铁路部门大多采用定期回车间检修的模式以保证运输安全性和可靠性。车钩高度作为一项重要的检修项目,必须保证车钩中心线距离铁轨轨面垂直高度在规定的精度范围之内。目前,车钩高度测量广泛使用的钩高尺存在操作不灵活、刻度复杂、费时费力、人工读数易产生随机误差等问题。为改善上述手动测量存在的问题,并逐步推进基于货车车钩高度状态监控的按需回车间检修模式,本文基于STM32单片机设计了一种超声波电子钩高测量装置,可有效提高测量时效,且使用方便,经济实惠,应用前景广泛。随着时代发展、科技进步,超声波技术与嵌入式技术的结合在短距离测距上的应用已经日渐成熟,结合实际应用需求,制定了基于超声波电子钩高测量装置总体方案,并进行了具体软硬件设计与测距精度优化研究。(1)硬件上,选择了基于ARM核心架构的增强型控制芯片STM32F103ZET6,进行了包括温湿度采集、超声波测距、语音播报、SD卡数据存储、WIFI通信电路以及PCB的设计,完成了硬件电路的调试;软件上,结合下位机硬件电路完成了相关软件程序的开发,为了更好的实现人机交互,上位机分别进行了PC端和手机端的可视化界面开发,基于TCP/IP协议网络架构建立了与下位机WIFI模块的通信连接,实现了数据的传输及控制命令的发送,完成了电子钩高测量装置的设计。(2)考虑到超声波在空气中传播速度易受环境温湿度影响,进而影响测距精度,设计中基于多元线性回归建立误差优化补偿模型,构建温湿度、优化前测距值和优化后测距值的对应关系,并通过F检验的方法验证了模型高回归显著性,结合曲线和数据对比,优化后测距相对误差不超过1%,达到了电子钩高测量装置测距精度要求。(3)基于环境温湿度测距误差补偿,提出改进黑猩猩优化算法优化BP神经网络模型(IChOA-BP)的方法。改进算法引进混沌对立学习提高初始化种群质量和多样性,引进自适应t分布增加种群全局开发能力和局部搜索能力,引进群个体记忆策略平衡群体间个体的随机影响。并采用仿真实验与3种优化算法进行了对比研究,结果表明,改进黑猩猩优化算法的预测精度是最高的,且优化模型具备较高稳定性,经IChOA-BP模型优化后的测距相对误差不超过0.5%,进一步提高了电子钩高测量装置测距精度。(4)基于铁路轨道高度与标高误差同样影响测距精度的问题,采用一元线性回归的方式建立了测量点与误差的线性关系,可以在实际应用中对轨道误差进行补偿。开发完成的货车车钩高度电子测量装置经模拟实验,测距范围150cm精度达到±0.3cm,远高于现场测距范围100cm精度±1cm的要求。同时,PC端和手机端上位机均可方便实现对下位机数据的同步传输和数据可视化。开发产品具有测量精度高,人机交互友好,远程监控,数据溯源等多种优点,可有效提高企业的经济效益,可推广性强。