CN103863029B - 轮胎滑移角估计***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及轮胎滑移角估计***和方法。滑移角估计包括轮胎，其具有固定在相对的各自的第一和第二轮胎侧壁的一个或多个第一和第二应变传感器。传感器测量在它们的各自的侧壁中的轮胎应变并且产生表示轮胎侧壁内存在的应变的侧壁应变信号。滑移角估计是通过估计在相对的侧壁中传感器的信号斜率中的差值而作出的。负载估计进一步地对轮胎从内和外侧壁应变信号作出并且负载估计在滑移角估计中使用。

Description

轮胎滑移角估计***和方法
技术领域
本发明总体涉及一种用于在车辆工作期间收集测量的轮胎参数数据的轮胎监控***，并且更具体地涉及一种用于基于这样的测量估计车辆轮胎滑移角的***和方法。
背景技术
安装在车辆上的轮胎可以由测量在车辆工作期间的诸如压力和温度的轮胎参数的轮胎压力监控***（TPMS）监控。来自TPMS轮胎配备***的数据用于基于测量的轮胎参数确定轮胎的状态并且警告驾驶员情况，例如可能需要补救维修的低轮胎压力或渗漏。每个轮胎内的传感器或者在轮胎制造的预硫化阶段安装或在到轮胎的后硫化组装中。
诸如轮胎滑移角的其它因素是对车辆工作和安全的重要因素。因此还需要测量轮胎滑移角并且将滑移角信息与压力和温度的测量的轮胎参数结合地通讯至诸如制动和稳定性控制***的车辆***。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种用于估计车辆轮胎滑移角的滑移角估计***。***包括轮胎，其具有固定在相对的各自的第一和第二轮胎侧壁的一个或多个第一和第二应变传感器。传感器测量在它们的各自的侧壁中的轮胎应变并且产生表示轮胎侧壁内存在的应变的侧壁应变信号。滑移角估计是通过估计在相对的侧壁中传感器的信号中的差而作出的。
在另一方面中，第一和第二侧壁应变传感器是分别安装在内和外轮胎侧壁的轴向向内表面中、布置为检测侧壁变形的应变感测计量器。
按照本发明的另一方面，滑移角估计包括检测来自第一和第二应变感测装置的侧壁应变信号中的峰值；提取侧壁应变信号的线性部分；对侧壁应变信号的提取的线性部分通过最小二乘法拟合直线；确定侧壁应变信号的提取的线性部分的斜率；并且估计信号斜率中的差。
在本发明的另一方面中，从来自第一和第二应变感测装置获得的侧壁应变信号对轮胎作出负载估计，并且负载估计用于滑移角估计。
定义
"ANN"或"人工神经网络"是用于非线性的统计数据建模的自适应工具，其在学习阶段期间根据通过网络流动的外部或内部信息改变其结构。ANN神经网络是非线性的统计数据建模工具，其用于对输入和输出之间的复杂关系建模或用于在数据中发现模型。
轮胎的"高宽比"表示其截面高度（SH）与其截面宽度（SW）的比值乘以百分之百来表示为百分比。
"不对称胎面"表示具有关于轮胎的中心面或赤道平面EP不对称的胎面花纹的胎面。
"轴向的"和"轴向地"表示平行于轮胎旋转轴线的线或方向。
"胎圈包布"是放置在轮胎胎圈外侧周围的窄带形材料，用于保护帘布层免受磨损和被轮辋切割并且分散轮辋上方的挠曲。
"周向的"表示垂直于轴向沿环形胎面表面的周边延伸的线或方向。
"赤道中心平面（CP）"表示垂直于轮胎的旋转轴线并经过胎面中心的平面。
"印迹"表示当轮胎旋转或滚动时轮胎胎面与平坦表面产生的接地面积或接触面积。
"沟槽"表示可以围绕轮胎壁的圆周或横向延伸的轮胎壁中的细长空隙区域。"沟槽宽度"等于其长度上的其平均宽度。沟槽尺寸设计为容纳描述的空气管。
"内侧面"表示当轮胎安装在车轮上并且车轮安装在车辆上时最靠近车辆的轮胎侧面。
"横向"表示轴向方向。
"横向边缘"表示在标准负载和轮胎充气情况下测量的、与轴向最外侧的胎面接地面积或印迹相切的线，这些线平行于赤道中心平面。
"净接触面积"表示在围绕胎面整个圆周的横向边缘之间的接地胎面元件的总面积除以横向边缘之间整个胎面的总面积。
"非定向胎面"表示如下胎面：没有优选的前进行进方向也不要求设置在车辆上特定的一个或多个车轮位置来确保胎面花纹与优选的行进方向对准。相反地，定向胎面花纹具有需要特定车轮定位的优选的行进方向。
"外侧面"表示当轮胎安装在车轮上且车轮安装于车辆上时最远离车辆的轮胎侧面。
"蠕动的"表示通过沿管状通道推动例如空气的内含物的波状收缩进行的操作。
"压电薄膜传感器"是以薄膜体形式的装置，其使用通过弯曲薄膜体启动的压电效应以通过将其转换为电荷而测量压力，加速度，应变或力。
"径向的"和"径向地"表示在径向方向上朝着或远离轮胎的旋转轴线的方向。
"花纹条"表示胎面上圆周延伸的橡胶条，其由至少一个周向沟槽、以及第二个这样的沟槽或横向边缘中任一个限定，该条在横向方向上未被全深度沟槽分开。
"花纹细缝"表示模制到轮胎胎面元件中、细分胎面表面并提高牵引的小狭槽，花纹细缝通常在宽度方向上窄并且在轮胎印迹内闭合，与轮胎印迹中保持敞开的花纹沟相反。
"滑移角"是解开的车辆方向与前轮朝向的方向之间的角度。滑移角是轮胎旋转平面和轮胎行进方向之间的偏差的测量。
"胎面元件"或"牵引元件"表示由具有形状相邻的沟槽限定的花条纹或块元件。
"胎面弧宽"表示在胎面的横向边缘之间测量的胎面的弧长。
本发明还提供了以下方案：
1. 一种用于估计车辆轮胎滑移角的滑移角估计***，其特征在于，其包括：
支承车辆的至少一个轮胎；
第一和第二应变感测装置，其固定到轮胎的相对的各自的第一和第二轮胎侧壁，以可操作地测量各自的第一和第二侧壁中的轮胎应变，第一和第二应变感测装置的每个产生表示各自的轮胎侧壁内存在的应变的侧壁应变信号；
轮胎滑移角估计装置，其用于基于来自第一和第二应变感测装置的侧壁应变信号的比较计算轮胎滑移角。
2. 根据方案1所述的滑移角估计***，其特征在于，第一和第二侧壁应变感测装置的每个包括分别安装在第一和第二轮胎侧壁的轴向向内表面上的应变感测装置。
3. 根据方案2所述的滑移角估计***，其特征在于，来自第一和第二应变感测装置的侧壁应变信号的每个包括可操作地表示各自的第一和第二侧壁的侧壁偏转的信号曲线。
4. 根据方案3所述的滑移角估计***，其特征在于，滑移角估计装置包括用于检测来自第一和第二应变感测装置的侧壁应变信号曲线中的峰值的信号峰值检测装置；用于提取侧壁应变信号曲线的线性部分的提取装置；用于拟合侧壁应变信号曲线的提取的线性部分的直线的最小二乘法拟合装置；以及用于确定侧壁应变信号曲线的提取的线性部分的斜率的斜率估计装置。
5. 根据方案4所述的滑移角估计***，其特征在于，还包括用于确定来自第一和第二应变感测装置的侧壁应变信号曲线的提取的线性部分的斜率中的差值的计算装置。
6. 根据方案5所述的滑移角估计***，其特征在于，还包括用于对应于来自第一和第二应变感测装置的侧壁应变信号曲线的提取的线性部分的斜率中的差值的产生滑移角估计的存储器数据库。
7. 根据方案6所述的滑移角估计***，其特征在于，还包括从来自第一和第二应变感测装置的侧壁应变信号曲线产生轮胎上的估计的负载的负载估计装置。
8. 根据方案7所述的滑移角估计***，其特征在于，存储器数据库对应于由从负载估计装置估计的负载调整的来自第一和第二应变感测装置的侧壁应变信号曲线的提取的线性部分的斜率中的差值产生滑移角估计。
9. 根据方案1所述的滑移角估计***，其特征在于，还包括从来自第一和第二应变感测装置的侧壁应变信号曲线产生轮胎上的估计的负载的负载估计装置。
10. 根据方案9所述的滑移角估计***，其特征在于，存储器数据库对应于由从负载估计装置估计的负载调整的来自第一和第二应变感测装置的侧壁应变信号曲线的提取的线性部分的斜率中的差值产生滑移角估计。
11. 一种用于估计车辆轮胎滑移角的滑移角估计方法，其特征在于，其包括：
安装第一和第二应变感测装置至支承车辆的轮胎的相对的各自的第一和第二轮胎侧壁上，第一和第二应变感测装置可操作地测量各自的第一和第二侧壁中的轮胎应变；
从第一和第二应变感测装置产生表示各自的轮胎侧壁内存在的应变的侧壁应变信号；
基于来自第一和第二应变感测装置的侧壁应变信号的比较确定轮胎滑移角估计。
12. 根据方案11所述的滑移角估计方法，其特征在于，还包括分别安装第一和第二侧壁应变感测装置的每个的应变感测装置到第一和第二轮胎侧壁的轴向向内表面上。
13. 根据方案12所述的滑移角估计方法，其特征在于，还包括通过分别安装到第一和第二侧壁上的第一和第二应变感测装置测量第一和第二侧壁的偏转。
14. 根据方案13所述的滑移角估计方法，其特征在于，还包括：
检测来自第一和第二应变感测装置的侧壁应变信号中的峰值；
从每个侧壁应变信号提取等同的线性部分；
通过最小二乘法拟合装置拟合侧壁应变信号的提取的线性部分的直线；以及
估计侧壁应变信号的提取的线性部分的斜率。
15. 根据方案14所述的滑移角估计方法，其特征在于，还包括确定来自第一和第二应变感测装置的侧壁应变信号的提取的线性部分的斜率中的差值。
16. 根据方案15所述的滑移角估计方法，其特征在于，还包括查阅对应于来自第一和第二应变感测装置的侧壁应变信号的提取的线性部分的斜率中的差值显示滑移角估计的存储器数据库。
17. 根据方案16所述的滑移角估计方法，其特征在于，还包括从来自第一和第二应变感测装置的侧壁应变信号产生轮胎上的估计的负载。
18. 根据方案17所述的滑移角估计方法，其特征在于，还包括将估计的滑移角与来自负载估计装置的估计的负载相关联。
19. 根据方案11所述的滑移角估计方法，其特征在于，还包括从来自第一和第二应变感测装置的侧壁应变信号产生轮胎上的估计的负载。
20. 根据方案19所述的滑移角估计方法，其特征在于，还包括将估计的滑移角与来自负载估计装置的估计的负载相关联。
附图说明
将以举例方式并且参照附图描述本发明，其中：
图1A，1B和1C是示出了依靠在轮胎内和外侧壁中测量的剪应变的滑移角的一系列图形，图形示出了在0度的滑移角时以1000，1300和1600磅负载对内和外侧壁的剪应变。
图2A，2B和2C是类似于图1A，1B和1C的一系列可变负载图形，但在+1度的滑移角。
图3A，3B和3C是在类似于图1A，1B和1C的负载范围的一系列负载图形，但在+3度的滑移角。
图4A是概括在0度的滑移角处图1A至1C的可变负载结果的图形。
图4B是概括在+1度的滑移角处图2A至2C的可变负载结果的图形。
图4C是概括在+3度的滑移角处图3A至3C的可变负载结果的图形。
图5A是示出了在1600磅的轮胎负载处在-3度的滑移角时的内和外侧壁角度的图形。
图5B是示出了沿曲线的线性部分的用于内和外侧壁信号的斜率估计的图形。
图6A是示出了发现信号峰值的算法细节的图形。
图6B是示出了提取曲线的线性部分的算法细节的图形。
图7A是示出了以最小二乘方法感测对提取的曲线拟合直线的算法步骤的图形。
图7B是示出了估计提取的曲线的斜率的算法步骤的图形。
图8是证明对三个负载条件闭合相互关系的斜率差值[度]与滑移角[度]的概括图形。
图9是滑移角估计算法功能方块图。
具体实施方式
在2012年9月11日提交的、共同待决的美国专利申请序号13/609,695、名为"TIRESIDE WALL LOAD ESTIMATION SYSTEM AND METHER （轮胎侧壁负载估计***和方法）"中提供了估计在车辆轮胎上承受的负载的***和方法，其全部内容在此结合作为参考。其中公开的了一种***，其包括连接在轮胎上用于测量轮胎空腔充气压力水平的充气压力测量传感器；以及安装在轮胎侧壁的一个或两者上的一个或多个压电薄膜变形测量传感器。变形测量传感器产生具有表示印迹接触面积内的侧壁变形水平的信号功率水平的轮胎印迹变形信号。对于轮胎产生并且存储对于轮胎充气压力调节的功率至负载映射，该映射将负载水平的范围与信号功率水平的范围相关，由此操作地启动在充气压力调节基础上对每个信号功率水平被识别的负载水平。在包含安装在两个侧壁的多个变形测量传感器的***中，为了在充气压力调节基础上的轮胎上识别对应的负载水平，来自每个传感器的信号功率水平的平均值在引用功率至负载映射中使用。
在此合并的共同待决申请的***合并到在滚动工作期间接触地表面的轮胎胎冠区域处具有胎面部件的传统结构的轮胎中。轮胎以传统的方式安装到轮辋。轮胎变形测量传感器，诸如压电薄膜弯曲传感器，安装到内侧壁上并且另一传感器安装到外侧壁上。安装传感器的内和外侧壁可以通过粘合剂固定到限定轮胎空腔的内衬套上。传感器优选是压电弯曲传感器，或市场上可买到的、当承受挠曲力时操作为弯曲并结构变形的这一类型的其它适当的应变传感器，并且因此在传感器主体中产生表示弯曲结构变形的大小的电信号。弯曲信号因此表示传感器连接到的侧壁内的弯曲应变的大小。当除去弯曲力时，传感器恢复其原始结构。举例来说，并不旨在限制本发明的范围，可以采用诸如由位于1000 LucasWay，Hampton，Virginia 23666的Measurement Specialties Inc.的商业提供的弯曲薄膜传感器的压电弯曲传感器。压电传感器功能上地直接安装到表面和抗压电薄膜传感器主体上，当承受弯曲力时，弯曲并且产生与主体上的弯曲力的大小成比例的信号。
除来自内和外侧壁传感器的传感器信号之外，充气压力由安装到轮胎上的市场上可买到的这一类型的轮胎压力监控***（TPMS）测量。TPMS***包括安装在轮胎上的压力传感器，该压力传感器与内轮胎空气腔体连通并且起到测量轮胎腔体内的空气压力并且传递测量的压力数据至接收器的作用。TPMS的测量可以还包括测量轮胎温度的温度传感器。测量的压力值通过TPMS***传递至用于记录和分析的数据处理器。当压力降到低于最小阈值时，将对车辆操作者产生警告。
为了从信号确定平均信号功率估计，***将来自内和外侧壁的轮胎变形传感器信号供给至用于处理的信号处理单元。从存储的存储器文件，以及存储在这样的存储器中的信号功率负载映射，使用轮胎负载估计算法导出估计的轮胎负载。
除从安装压电弯曲传感器的侧壁估计轮胎负载之外，有用的并且可能的是在本***中使用这样的传感器用于估计轮胎滑移角。"滑移角"是解开（ravel）的车辆方向与前轮朝向的方向之间的角度。滑移角是轮胎旋转平面和轮胎行进方向之间的偏差的测量。移动车辆轮胎的滑移角在车辆控制和稳定性***中是有用的信息。由于制动器以及车辆中的其它控制***变得更加相互联系，轮胎滑移角的估计在例如防抱死制动器的稳定性和控制***中是有用的。
本主题滑移角估计***和方法10在图9的块水平图解中示出。一个或多个压电弯曲传感器14安装到车辆支承轮胎12的每个侧壁16上。弯曲传感器14是市场上可买到的类型，当传感器承受弯矩时其将产生检测信号。当除去弯矩时，传感器恢复其不弯曲条件。分别安装在内和外侧壁上的每个传感器14因此将产生图4A至4C所示形状的信号。也安装到轮胎12上的是监控轮胎腔体内的空气压力的轮胎压力监控***（TPMS）18。信号处理单元20接收来自内和外侧壁压电传感器14的传感器信号和来自TPMS单元的压力数据。轮胎内和外侧壁应变传感器信号22通过峰值检测处理分析以发现信号峰值24；提取信号曲线26的线性部分；并且通过最小二乘法应用拟合直线以拟合曲线的提取的线性部分。然后估计内和外曲线的提取的线性部分的信号斜率中的差值并且与用于轮胎12的预先存储的存储器数据库相比较。基于内和外侧壁传感器曲线之间的估计的斜率差值，估计的滑移角从数据库提取出。
此外，如在此全部合并作为参考的合并的共同待决美国申请序号13/609,695中所述，轮胎12上的负载估计是与安装在轮胎中的压电弯曲传感器14使用相同的传感器信号作出的。内和外侧壁信号进行平均以确定平均信号功率估计34。从预产生的存储器数据库36，作出负载估计38。负载估计可以独立地使用以告知使用者-操作者过载情况或车辆控制和稳定性***的工作性能。此外，估计的负载可以合并至在滑移角估计32的性能中使用的数据库存储表。由于图9算法作出的滑移角估计因此在车辆控制和例如制动的稳定性***中可以应用。
如将从图1A至1C；图2A至2C；和图3A至3C的图形的滑移角相关性研究中将会理解，本主题滑移角估计***和方法已经在实验上有效。在图1A至1C中，示出了用于0度的滑移角在1000，1300，和1600磅的轮胎负载时的外和内侧壁信号的侧壁剪应变信号。将要注意的是，内和外侧壁信号的曲线是有区别的并且因此能够通过图9的算法进行斜率估算和比较。将要预期对于0度滑移角的内和外侧壁传感器的曲线接近地比较。
图2A至2C中，图形示出了对于相同的三个负载条件，但在1度的滑移角。来自内和外侧壁信号的曲线值得注意的是，如将预期的在它们的斜率差值中存在更多差异。图3A至3C示出了用于3度的滑移角的曲线，并且显示在内和外侧壁传感器信号之间仍有更大的斜率差异。
图4A至4C概括了在选择1000，1300，和1600磅的轮胎负载条件时来自内和外侧壁压电传感器的传感器信号的结果。内和外侧壁传感器曲线之间的形状变化以及对应的斜率差值中的变化证实了负载估计数据38与用于作出图9的滑移角估计32的滑移角存储器数据的结合。图5A是示出了在1600磅的轮胎负载处在-3度的滑移角时的放大的内和外侧壁传感器信号。两个信号的斜率之间的区别的方法通过用于每个曲线的角度θ示出。在图5A中斜率被区分的曲线的示出的区域可以不是最精确的，但示出了两个曲线之间的区别的斜率是可能的。
在图5B中，进一步的图解由在1600磅的负载和-3度的滑移角处内和外侧壁传感器曲线之间的区别组成。图5B进一步示出了由每个曲线的线性部分产生的倾斜角θ的直线估计是可证明地并且分析上可能的。图6A示出了在图9算法的步骤24中使用的侧壁传感器信号曲线。对由每个侧壁中应变传感器产生的每一内和外侧壁传感器曲线检测信号峰值40，42。图6B通过提取曲线的一个线性部分44用于斜率分析示出了图9的步骤26。对于图6B的研究，选择的曲线的部分是图6A中估计的信号峰值40的左边的信号的约三分之一（1/3）（步骤24）。内和外侧壁信号曲线的等价的提取部分用于斜率比较和分析的目的。图7A示出了图9的步骤28，由于线48以最小二乘法感测拟合每一内和外侧壁传感器曲线的提取部分46。线拟合结果产生了用于外侧壁数据2.24e-006和内侧壁数据3.91e-006的均方误差（R）。图7B示出了使用每一内和外侧壁传感器曲线的线性部分的斜率估计（图9的步骤30），产生了θ1和θ2的斜率估计。图8示出了用于三个负载水平：1000，1300，和1600磅的斜率差异[度]与滑移角[度]的概括图形。将要理解的是反映在图8中的类型的数据可能对于具体的轮胎产生并且存储在存储器数据库中。一旦斜率差值θ1-θ2和估计的负载从图9的***和方法确定，存储器数据库可以查询以对应于斜率差值和负载标准确认滑移角。
由上述，将要理解支承车辆的每个轮胎的两个侧壁上的应变被同时地监控。来自安装到每个轮胎侧壁上的应变传感器的信号通过发现信号峰值并且提取相对于检测到的信号峰值的信号曲线的线性部分而进行分析。直线以最小二乘法感测的方式拟合提取的曲线并且估计拟合线斜率中的差值。作用斜率差值至轮胎具体的、负载调整的数据库将产生滑移角的估计。
根据在此提供的描述本发明中的变化是可能的。尽管为了讨论本发明已经示出了某些典型实施例和细节，但对本领域技术人员而言将显而易见的是在不背离本发明的范围的情况下可以作出各种变化和修改。因此，将要理解，在由以下所附权利要求限定的本发明的完全旨在范围内，在具体实施例中可以作出改变。

Claims (10)

1.一种用于估计车辆轮胎滑移角的滑移角估计***，其特征在于，其包括：
支承车辆的至少一个轮胎；
第一和第二应变感测装置，其固定到轮胎的相对的各自的第一和第二轮胎侧壁，以可操作地测量各自的第一和第二侧壁中的轮胎应变，第一和第二应变感测装置的每个产生表示各自的轮胎侧壁内存在的应变的侧壁应变信号；
轮胎滑移角估计装置，其用于基于来自第一和第二应变感测装置的侧壁应变信号的比较计算轮胎滑移角。
2.根据权利要求1所述的滑移角估计***，其特征在于，第一和第二应变感测装置的每个包括分别安装在第一和第二轮胎侧壁的轴向向内表面上的应变感测装置。
3.根据权利要求2所述的滑移角估计***，其特征在于，来自第一和第二应变感测装置的侧壁应变信号的每个包括可操作地表示各自的第一和第二侧壁的侧壁偏转的信号曲线。
4.根据权利要求3所述的滑移角估计***，其特征在于，轮胎滑移角估计装置包括用于检测来自第一和第二应变感测装置的侧壁应变信号曲线中的峰值的信号峰值检测装置；用于提取侧壁应变信号曲线的线性部分的提取装置；用于拟合侧壁应变信号曲线的提取的线性部分的直线的最小二乘法拟合装置；以及用于确定侧壁应变信号曲线的提取的线性部分的斜率的斜率估计装置。
5.根据权利要求4所述的滑移角估计***，其特征在于，还包括用于确定来自第一和第二应变感测装置的侧壁应变信号曲线的提取的线性部分的斜率中的差值的计算装置。
6.根据权利要求5所述的滑移角估计***，其特征在于，还包括用于对应于来自第一和第二应变感测装置的侧壁应变信号曲线的提取的线性部分的斜率中的差值的产生滑移角估计的存储器数据库。
7.根据权利要求6所述的滑移角估计***，其特征在于，还包括从来自第一和第二应变感测装置的侧壁应变信号曲线产生轮胎上的估计的负载的负载估计装置。
8.根据权利要求7所述的滑移角估计***，其特征在于，存储器数据库对应于由从负载估计装置估计的负载调整的来自第一和第二应变感测装置的侧壁应变信号曲线的提取的线性部分的斜率中的差值产生滑移角估计。
9.一种用于估计车辆轮胎滑移角的滑移角估计方法，其特征在于，其包括：
安装第一和第二应变感测装置至支承车辆的轮胎的相对的各自的第一和第二轮胎侧壁上，第一和第二应变感测装置可操作地测量各自的第一和第二侧壁中的轮胎应变；
从第一和第二应变感测装置产生表示各自的轮胎侧壁内存在的应变的侧壁应变信号；
基于来自第一和第二应变感测装置的侧壁应变信号的比较确定轮胎滑移角估计。
10.根据权利要求9所述的滑移角估计方法，其特征在于，还包括分别安装第一和第二应变感测装置的每个的应变感测装置到第一和第二轮胎侧壁的轴向向内表面上；并且还包括：
通过分别安装到第一和第二侧壁上的第一和第二应变感测装置测量第一和第二侧壁的偏转；检测来自第一和第二应变感测装置的侧壁应变信号中的峰值；
从每个侧壁应变信号提取等同的线性部分；
通过最小二乘法拟合装置拟合侧壁应变信号的提取的线性部分的直线；以及
估计侧壁应变信号的提取的线性部分的斜率。
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