CN114734761A - 一种基于智能轮胎技术的车辆状态监测*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于智能轮胎技术的车辆状态监测***，包括内部信息采集***、车载终端信息收集***和手持终端显示***三个部分；所述内部信息采集***由温压监测模块、加速度监测模块、数据处理模块和供电模块组成，可采集胎压、胎内温度、轮胎下沉量和轮胎径向加速度等状态信息；所述数据处理模块根据建立的数学模型分析计算轮胎所承受的垂向力、接地时间和车速等状态信息；车载终端信息收集***和手持终端显示***主要负责对各轮胎状态信息的显示及越限预警。本发明的有益之处在于，利用胎压、轮胎下沉量和接地时间等状态信息实现对轮胎所承受垂向力、接地印痕长度和车速等的实时监测，在整车控制及智能交通领域具有巨大的潜力和应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及智能轮胎技术领域和测量技术领域，具体为一种基于智能轮胎技术的车辆状态监测***。
背景技术
汽车作为人们出行的交通工具，已经占据了生活中不可替代的地位，随着自动驾驶、智能交通技术的不断发展，智能轮胎技术也越来越多的受到人们的密切关注。
利用智能轮胎技术能够为汽车的其他智能***提供必要的状态信息，提高汽车控制***的智能化。实时获取轮胎力信息对汽车动力学控制有重要意义，轮胎力实时测量与估算的研究一直倍受关注。
因此，如何通过智能轮胎技术和测量技术获得更多的轮胎状态信息对于汽车整车控制、汽车辅助及无人驾驶、汽车网联及智能化的发展具有重要意义。
发明内容
为了解决上述背景技术中出现的问题，本发明提出一种基于智能轮胎技术的车辆状态检测***。该***在借助智能轮胎技术与测量技术测得的胎压、胎内温度、轮胎下沉量和轮胎的径向加速度的基础上进一步推算得到单条轮胎所承受的垂向力、轮胎接地印痕长度和车速等状态信息参数，进一步为整车控制及智能交通领域提供可用信息。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于智能轮胎技术的车辆状态监测***，其特征在于，所述车辆状态监测***主要由内部信息采集***、车载终端信息收集***和手持终端显示***三部分组成；其中，内部信息采集***由温压监测模块、轮胎下沉量监测模块、加速度监测模块、数据处理模块和供电模块等组成，是整个***功能实现的核心。
进一步地，所述温压监测模块安装固定在轮辋上的气门嘴阀杆处，其安装位置与轮胎下沉量监测模块相对，从而保持车轮转动过程中的动平衡；温压监测模块选用英飞凌公司的SP40+系列传感器，该传感器提供了高度集成的设备，可执行胎压监测***车轮模块的所有功能，适用于大容量应用；该装置测量的压力范围为100kPa至1400kPa，且具有高效的电源管理和集成微控制器，集成的低频接收器和射频发射器允许无线通信。
进一步地，所述数据处理模块在采样周期内以固定的频率接收并监测来自温压监测模块、轮胎下沉量监测模块和加速度监测模块发送来的胎压、胎内温度、轮胎下沉量和径向加速度等数据，提取出轮胎的接地时间状态信息，实时分析计算轮胎所承受的垂向力、接地印痕长度和车速等状态信息，并将其通过无线方式传输至车载终端信息收集***；所述供电模块选用锂电池，以保证***稳定运行。
进一步地，所述轮胎下沉量监测模块由压力传感器和螺旋弹簧组成，压力传感器通过专用胶水安装固定在与气门嘴相对位置的轮辋外表面上，螺旋弹簧一侧嵌入轮胎内表面，另一侧垂直安装固定在压力传感器上；压力传感器选用DYZ-100微型小尺寸拉压力传感器，该传感器结构紧凑，综合精度高，长期运行稳定性好，动态响应频率高。
进一步地，轮胎下沉量ΔH与轮胎所承受的垂向力FZ、轮胎的径向刚度k有关，可表述为
而轮胎的径向刚度k又与胎压P有关，可表述为k＝aP+b(a、b为未拟合系数)，故轮胎下沉量可表示为
轮胎所承受的垂向力FZ可表示为FZ(ΔH,p)＝ΔH·(aP+b)；所述数据处理模块通过轮胎下沉量监测模块测得的轮胎下沉量ΔH和温压监测模块测得的胎压P可计算得到单条轮胎所承受的垂向力FZ，进而可以获得前后轴荷和整车载荷等状态信息。
进一步地，当螺旋弹簧所处位置通过接地区域时，在垂向力的作用下螺旋弹簧被压缩，此时压力传感器将受到的弹簧力信号转变为可被识别的电信号传送给数据处理模块，数据处理模块据此根据建立的数学模型分析计算出相应的弹簧压缩量，也就是在此垂向力和胎压下的轮胎下沉量。
进一步地，轮胎未加载且螺旋弹簧所处位置在接地区域中心时，受轮胎自重影响，压力传感器测得的数据为F0，根据胡克定律计算得到弹簧的压缩量x0，此时轮胎的下沉量为H0；加载完成后，在车轮转动过程中螺旋弹簧所处位置在接地区域中心时，压力传感器测得的数据为F1，此时弹簧的压缩量为x1，轮胎的下沉量为H1；根据胡克定律F＝kx(k为弹簧的劲度系数)，计算得到在此垂向力和胎压下弹簧的压缩量Δx，即轮胎的下沉量
由此最终得到轮胎所承受的垂向力
进一步地，所述加速度监测模块采用MEMS加速度传感器并用特制胶水周向等间距黏贴在轮胎内衬层中央位置，由于MEMS传感器尺寸小、质量轻、可靠性高，使用特制胶水将其粘接在轮胎内壁，不会影响轮胎的动态均衡性，也不会改变轮胎原有的特性。MEMS加速度传感器的技术指标如下：量程±200g，采样频率200～3200Hz，分辨率100mg·LSB-1，尺寸3mm×3.25mm×1.06mm，质量0.3g。
进一步地，所述MEMS加速度传感器可实时采集轮胎运动过程中的径向加速度，并由数据处理模块对轮胎转动一圈过程中所有加速度传感器测得的径向加速度进行分析处理，得出轮胎接地时间ti(i为加速度传感器的标号)的平均值t；结合前述测得的垂向力FZ和由SWIFT TIRE模型计算得到的轮胎接地印痕长度
(a为接地印痕半长，R0为轮胎自由滚动半径，FZ为垂向力，CZ为垂向刚度，a1和b1为待拟合系数，m和n为待拟合次数)，可得轮胎的滚动速度
即车速。
进一步地，所述车载终端信息收集***主要实现内部信息采集***和手持终端显示***之间的信息传输与交换功能，其采用无线传输方式收集不同轮胎的状态信息，并通过蓝牙传输与手持终端显示***进行通信。
进一步地，所述手持终端显示***不断向车载终端发送信息传输指令，以更新轮胎状态信息数据并进行显示，当其监测到胎压、胎内温度达到其临界值或轮胎下沉量、轮胎所承受的垂向力、轮胎接地印痕长度达到极限值时报警以及时提醒驾驶员采取相应的处理措施，保障行驶安全性。
综上所述，本发明的有益效果是：
(1)利用智能轮胎技术与测量技术，对胎压、胎内温度信息进行实时监测的同时，对轮胎转动过程中的轮胎下沉量、轮胎所承受的垂向力、接地印痕长度和车速等状态信息进行实时分析计算。
(2)综合考虑垂向力和轮胎径向刚度对轮胎下沉量的影响，并利用胎压和轮胎径向刚度之间的关系，分析计算出单条轮胎所承受的垂向力，进而可以获得前后轴荷和整车载荷等状态信息。
(3)利用加速度监测模块和数据处理模块采集、分析处理得到的轮胎接地时间和由SWIFT TIRE模型计算得到的轮胎接地印痕长度，可计算得到轮胎的滚动速度，即车速。
(4)基于传感器直观测得的轮胎状态信息而综合计算得到的整车状态信息可进一步拓展应用到汽车辅助及无人驾驶、汽车网联及智能化等领域，为汽车的智能控制提供更多信息与技术支持。
附图说明
图1为本发明结构组成原理示意图；
图2为本发明传感器安装位置示意图；
图3为本发明所测轮胎下沉量示意图；
图4为本发明轮胎接地时间示意图；
图5为本发明工作流程图。
其中：1-轮胎；2-轮辋；3-轮辐；4-气门嘴阀杆；5-温压监测模块；6-加速度监测模块；7-压力传感器；8-螺旋弹簧。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明所述一种基于智能轮胎技术的车辆状态监测***，主要由内部信息采集***、车载终端信息收集***和手持终端显示***三部分组成；其中，内部信息采集***由温压监测模块、轮胎下沉量监测模块、加速度监测模块、数据处理模块和供电模块组成；供电模块负责本***的供电。
所述温压监测模块、轮胎下沉量监测模块、加速度监测模块分别完成对胎压和胎内温度、轮胎下沉量、轮胎径向加速度等轮胎状态信息的采集和监测后，由数据处理模块根据建立的数学模型对轮胎状态信息进行分析、计算轮胎所承受的垂向力、轮胎接地印痕长度、接地时间和车速等状态信息，并将其通过无线方式上传至车载终端信息收集***；所述车载终端信息收集***采用无线传输方式收集不同轮胎的状态信息，并通过蓝牙传输与手持终端显示***进行通信；所述手持终端显示***负责对各轮胎状态信息的显示和越限预警。
如图2所示，本发明所述一种基于智能轮胎技术的车辆状态监测***，所述轮胎下沉量监测模块由压力传感器7和螺旋弹簧8组成，并组合安装在与气门嘴4相对位置的轮辋2外表面和轮胎1内衬层之间；温压监测模块5安装在轮辋2上的气门嘴阀杆4处，加速度监测模块6用特制胶水黏贴在轮胎1内衬层中央位置。
所述温压监测模块、轮胎下沉量监测模块和加速度监测模块分别对汽车行驶过程中的胎压、胎内温度、轮胎下沉量和轮胎径向加速度等状态信息进行实时监测；温压监测模块选用英飞凌公司的SP40+系列传感器，该传感器提供了高度集成的设备，可执行胎压监测***车轮模块的所有功能，适用于大容量应用；该装置测量的压力范围为100kPa至1400kPa，且具有高效的电源管理和集成微控制器，集成的低频接收器和射频发射器允许无线通信；压力传感器选用DYZ-100微型小尺寸拉压力传感器，该传感器结构紧凑，综合精度高，长期运行稳定性好，动态响应频率高；加速度监测模块采用MEMS加速度传感器，其尺寸小、质量轻、可靠性高，使用特制胶水将其粘接在轮胎内壁，不会影响轮胎动态均衡性，也不会改变轮胎原有的特性。
如图3所示，本发明所述一种基于智能轮胎技术的车辆状态监测***，轮胎未加载且螺旋弹簧所处位置在接地区域中心时，受轮胎自重影响，压力传感器测得的数据为F0，弹簧的压缩量为x0，轮胎的下沉量为H0；加载完成后，在车轮转动过程中螺旋弹簧所处位置在接地区域中心时压力传感器测得的数据为F1，此时弹簧的压缩量为x1，轮胎的下沉量为H1；根据胡克定律F＝kx(k为弹簧的劲度系数)，计算得到在此垂向力和胎压下弹簧的压缩量Δx，即轮胎的下沉量
由此最终得到轮胎所承受的垂向力
如图4所示，本发明所述一种基于智能轮胎技术的车辆状态监测***工作时，所述数据处理模块会对轮胎转动一圈过程中所有加速度传感器测得的径向加速度进行分析处理，得到对应的轮胎接地时间ti(i为加速度传感器的标号)，并对ti取均值得最终的轮胎接地时间t，图示为对第1个加速度传感器测得的径向加速度处理得到的接地时间t1。
如图5所示，本发明所述一种基于智能轮胎技术的车辆状态监测***工作时，温压监测模块会对每一工作循环前轮胎的温度和胎压状态进行初步监测，并由数据处理模块对其正常与否进行判断：当某个轮胎的胎压或胎内温度不在正常范围内时手持终端显示***报警，提醒驾驶员及时采取相应的处理措施；当胎压和温度都正常时，轮胎下沉量监测模块和加速度监测模块开始工作：当其监测到所测轮胎下沉量数据波动较大或径向加速度不在正常范围内时，说明车辆运行不够平稳，存在较大的抖动，所测数据不可用，此时轮胎下沉量监测模块和加速度监测模块会对轮胎下一转动周期的轮胎下沉量和径向加速度再次测量，当测得的各轮胎的状态信息都正常时，数据处理模块根据建立的数学模型对各轮胎状态信息进行分析计算，得到对应轮胎所承受的垂向力、轮胎接地印痕长度、接地时间和轮胎滚动速度，进而推算出前后轴荷、整车载荷和车速等车辆状态信息，并最终将轮胎和整车的状态信息直观呈现在车载终端信息***和手持终端显示***上。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于智能轮胎技术的车辆状态监测***，其特征在于，所述车辆状态监测***主要由内部信息采集***、车载终端信息收集***和手持终端显示***三部分组成；所述内部信息采集***由温压监测模块、轮胎下沉量监测模块、加速度监测模块、数据处理模块和供电模块等组成。
2.根据权利要求1所述的一种基于智能轮胎技术的车辆状态监测***，其特征在于，所述内部信息采集***是整个***功能实现的核心，它在采样周期内以固定的频率采集并监测由温压监测模块、轮胎下沉量检测模块和加速度监测模块测得的胎压、胎内温度、轮胎下沉量和轮胎的径向加速度等状态信息；所述数据处理模块根据建立的数学模型对轮胎状态信息进行分析、计算轮胎所承受的垂向力、轮胎接地印痕长度、接地时间和车速等状态信息，并将其通过无线方式上传至车载终端信息收集***；所述供电模块选用锂电池，保证***稳定运行。
3.根据权利要求1所述的一种基于智能轮胎技术的车辆状态监测***，其特征在于，所述轮胎下沉量监测模块由压力传感器和螺旋弹簧组成，将其组合安装在与气门嘴相对位置的轮辋外表面和轮胎内衬层之间；所述温压监测模块安装在轮辋上的气门嘴阀杆处，其安装位置与轮胎下沉量监测模块相对，从而保持车轮转动过程中的动平衡。
4.根据权利要求1所述的一种基于智能轮胎技术的车辆状态监测***，其特征在于，所述轮胎下沉量检测模块测得的轮胎下沉量受垂向力和轮胎径向刚度的影响，而轮胎的径向刚度又受胎压影响，因此可以根据轮胎下沉量和胎压等状态信息反推出轮胎所承受的垂向力；通过轮胎下沉量监测模块测得的轮胎下沉量和温压监测模块测得的胎压数据可计算得到单条轮胎所承受的垂向力，进而可以获得前后轴荷和整车载荷等状态信息。
5.根据权利要求1所述的一种基于智能轮胎技术的车辆状态监测***，其特征在于，所述轮胎下沉量监测模块所处位置通过接地区域时，在垂向力的作用下螺旋弹簧被压缩，此时压力传感器将受到的弹簧力信号转变为可被识别的电信号传送给数据处理模块，数据处理模块据此分析计算出相应的弹簧压缩量，即在此垂向力和胎压下的轮胎下沉量。
6.根据权利要求1所述的一种基于智能轮胎技术的车辆状态监测***，其特征在于，所述加速度监测模块沿着轮胎内衬层周向等间距分布，将其用特制胶水黏贴在轮胎内衬层中央位置；其在采样周期内可实时采集轮胎运动过程中的径向加速度，并由数据处理模块对轮胎转动一圈过程中所有加速度监测模块测得的径向加速度进行分析处理，得出轮胎接地时间的平均值，结合由SWIFT TIRE模型计算得到的轮胎接地印痕长度得轮胎的滚动速度，即车速。
7.根据权利要求1所述的一种基于智能轮胎技术的车辆状态监测***，其特征在于，所述车载终端信息收集***主要实现内部信息采集***和手持终端显示***之间的信息传输与交换功能，其采用无线传输方式收集不同轮胎的状态信息，并通过蓝牙传输与手持终端显示***进行通信。
8.根据权利要求1所述的一种基于智能轮胎技术的车辆状态监测***，其特征在于，所述手持终端显示***的主要功能为对各轮胎状态信息的显示及越限预警，当监测到胎压、胎内温度达到其临界值或轮胎的下沉量、轮胎所承受的垂向力、轮胎接地印痕长度达到极限值时报警以及时提醒驾驶员采取相应的处理措施，保障行驶安全性。
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