CN202485850U - 一种测量车轮六维的传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种测量车轮六维力的传感器，包括安装在车轮上随车轮一起转动的旋转部分和与车辆本身相对静止的非旋转部分，所述的旋转部分包括弹性体、组桥电路、单圈绝对式编码器和采集模块，所述的非旋转部分包括传输模块。通过上述方式，本实用新型提供了一种测量车轮六维的传感器，能够在车辆行驶过程中，实时测量单个车轮所受的相互垂直的三个方向上的力和相互垂直的三个方向上的扭矩，实现了对汽车车轮六维力准确、可靠的测量。

Description

一种测量车轮六维的传感器

技术领域

本实用新型涉及汽车测控技术领域，具体涉及到机械结构设计，以及信号采集与传输***，尤其涉及一种测量车轮六维的传感器。

背景技术

汽车的运动是车轮与路面相互作用的结果，因此对于车轮力的测量在汽车测试技术乃至道路分析中，都具有无可替代的重要意义。具体来说，车轮在行驶中分别受到三个力和三个扭矩的作用，分别为纵向力、侧向力、垂直力和侧倾力矩、侧向力矩、回正力矩。从20世纪70年代起，美国通用汽车公司最早开始对车轮力传感器的研究，目前美国、德国、瑞士和日本等国均有类似的产品问世。我国对于六维力传感器的研究起步较晚，能够应用于汽车的轮力测试技术的研究在很长一段时间内几乎是空白，对其的研究基本处于理论阶段，在实际车辆设计或性能评估时，往往采用借鉴国外相关参数并结合以往设计经验的方法，很难有定量的数据分析和处理的设备及方法。

随着国标的推广和对于汽车设计愈加严格的要求，对车轮力传感器的需求也日渐增大，现在大多汽车生产厂家和试验场都选择购买进口产品，但存在以下几个问题：

1、进口产品价格昂贵，不利于降低研发成本；

2、采用标准不同，不利于我国国标的推广；

3、关键技术对我国实施技术封锁，不利于国产车辆的自主研发。

因此，研发具有自主知识产权的低成本车轮六维力传感器，对于我国汽车工业的发展具有重要意义。

现有技术中，专利申请号为ZL 200320110714.5的专利公开了一种汽车车轮多维力测量装置，是一种用于汽车行驶工况下的车轮受力状态的实时测量的装置；专利申请号为ZL 200320110713.0公开了一种车轮多维力测量传感器，是一种汽车行驶工况检测***中的力传感器。然而上述专利所提及的车轮力传感器存在如下一些不足：

1、将车轮力传感器安装在轮毂上时，紧固螺栓会对车轮力传感器施加一个较大的预紧力，从而对侧向力测量精度产生较大影响；

2、车轮六维力信号和转角信号的采集不同步，这将直接影响后续解耦精度；

3、车轮力传感器内部采用光电传输方式，采用光电发射二极管和接收二级管作为传输通道，因此数据传输稳定性差，且数据丢包率较高。

实用新型内容

针对上述缺陷，本实用新型的目的在于提供一种测量车轮六维的传感器，能够在车辆行驶过程中，实时测量单个车轮所受的相互垂直的三个方向上的力和相互垂直的三个方向上的扭矩，实现了对汽车车轮六维力准确、可靠的测量。

为了解决上述问题，本实用新型的技术方案是，提供了一种测量车轮六维的传感器，包括安装在车轮上随车轮一起转动的旋转部分和与车辆本身相对静止的非旋转部分，所述的旋转部分包括弹性体、组桥电路、单圈绝对式编码器和采集模块，所述的非旋转部分包括传输模块，所述的弹性体在车轮所受的六维力的作用下会产生形变，使得粘贴在弹性体上的电阻应变片的阻值发生变化；所述的组桥电路会将这种弹性体上应变片的阻值变化转化成与之相对应的差动电压变化信号；所述的采集模块将电压变化信号调理和放大，并将其与单圈绝对式编码器采集的角度信号打包后，通过无线方式传输给和与车身相对静止的传输模块；所述的传输模块可通过串口线将打包后的信号传输到上位计算机，在上位计算机进行数据分析和处理后便得到当前的车轮六维力信号。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述的旋转部分采用电池组供电。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述的弹性体采用具有多梁对称特点的轮辐式结构，在8条应变梁上分别粘贴电阻应变片。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述的采集模块包括微弱电压放大电路、电压信号调理电路、车轮转角测量电路、无线传输电路和电池剩余电量监控电路。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述的采集模块同时采集组桥电路的差动电压信号和单圈绝对式编码器采集的角度信号。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述的采集模块和传输模块之间采用高频无线通讯的方式。

本实用新型揭示的测量车轮六维的传感器，由弹性体、组桥电路、单圈绝对式编码器、采集模块以及传输模块组成，能够在车辆行驶过程中，实时测量单个车轮所受的相互垂直的三个方向上的力和相互垂直的三个方向上的扭矩，实现了对汽车车轮六维力准确、可靠的测量。

附图说明

图1是本实用新型所述的车轮右手正交坐标系和六维力定义图；

图2是本实用新型所述的弹性体的立体图；

图3是本实用新型所述的弹性体的俯视图；

图4是本实用新型所述的弹性体的主视图；

图5是本实用新型所述的弹性体的侧视图；

图6是本实用新型所述的组桥电路图；

图7是本实用新型所述的采集模块的电路框图；

图8是本实用新型所述的采集模块与传输模块控制器的电路图；

图9是本实用新型所述的采集模块与传输模块的无线传输电路图；

图10是本实用新型所述的采集模块电源调理电路图；

图11是本实用新型所述的采集模块电量检测电路图；

图12是本实用新型所述的采集模块读取单圈绝对式编码器数值电路图；

图13是本实用新型所述的组桥电路信号放大电路图；

图14是本实用新型所述的传输模块电路框图；

图15是本实用新型所述的传输模块电源电路图；

图16是本实用新型所述的传输模块串口电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。

一种测量车轮六维的传感器，包括安装在车轮上随车轮一起转动的旋转部分和与车辆本身相对静止的非旋转部分，旋转部分包括弹性体、组桥电路、单圈绝对式编码器和采集模块，非旋转部分包括传输模块，采集模块和传输模块之间采用高频无线通讯的方式。其中，旋转部分采用电池组供电，并能在电池组剩余电量不足时发出报警信号；非旋转部分即为传输模块，通过无线通讯方式接收采集模块发送的信号并能经由串口将数据上传到上位计算机进行分析与处理。

本实用新型中的弹性体安装在车轮上，并随车轮一起转动，在六维力的作用下弹性体会产生形变，这使得粘贴在弹性体上的电阻应变片的阻值发生变化，组桥电路会将这种阻值变化转化成与之相对应的电压变化信号，采集模块将电压变化信号调理和放大，并将其与单圈绝对式编码器采集的角度信号打包后，通过无线方式传输给和与车身相对静止的传输模块，传输模块不随车轮一起转动，并可通过串口线将打包后的信号传输到上位计算机，在上位计算机进行数据分析和处理后便可以得到当前的车轮六维力信号。

本实用新型中的弹性体采用具有多梁对称特点的轮辐式结构，在8条应变梁上分别粘贴电阻应变片，该弹性体结构轴向尺寸小，可以承受很大的径向力，且对车辆的整体性能影响较小。

本实用新型中的采集模块包括微弱电压放大电路、电压信号调理电路、车轮转角测量电路、无线传输电路和电池剩余电量监控电路。该采集模块能够以大于200Hz的速度同时采集组桥电路的差动电压信号和单圈绝对式编码器采集的角度信号，并实时监控电池的剩余电量，当电量不足时，会发出报警信号。

图1给出了车轮右手正交坐标系和车轮六维力传感器所测量的三个力和三个扭矩的定义方法。垂直于车轮旋转轴线的轮胎中分面称为车轮平面，坐标系的圆点O为车轮平面和车轮旋转轴线在地平面上投影的交点。定义车轮平面与地平面的交线为Xw轴，且向前为正；Zw轴与地平面垂直，指向上方为正；Yw轴在地平面上，面向车轮前进方向时指向左方为正。图中ω为车轮旋转角速度，α为侧偏角，γ为车轮外倾角。车轮力传感器的六测量分力定义在车轮坐标系中(w系)，为原点在车轮中心的右手直角坐标系。测量六分力分别定义为纵向力Fxw（Longitudinal Force）、侧向力Fyw（Lateral Force）、垂直力Fzw（Vertical Load）和侧倾力矩Mxw（Overturning Moment）、侧向力矩Myw（Lateral Moment）、回正力矩Mzw（Aligning Moment）。其中，侧向力矩包括驱动扭矩（Driving Torque）、制动扭矩（Braking Torque）和滚动阻力矩（Rolling Resistance Moment）。力分量沿坐标轴正向为正，力矩分量沿坐标轴正向逆时针为正。

如图2-5所示的弹性体，该弹性体分为内外两圈，中间用8条弹性梁相连，内圈的8个小安装孔用于和车轴固定，外圈的8个大安装孔用于和车轮固定，8条弹性梁均匀分布在内圈与外圈之间。当车轮受力时，8条弹性梁会发生弹性形变，8条弹性梁通过不同的组合，能够以结构解耦的方式获得相互独立车轮力。弹性体的材料选用优质的合金结构钢，具有较高的弹性极限和冲击韧性，具有良好的的机械加工和热处理性能。确定弹性体结构后，需要对其进行有限元分析，以确定在受力条件下结构的应变情况，从而找出应变片的最合理粘贴位置。使用ANSYS软件，将弹性体被划分为138717个单元，在软件模拟中假定内圈固定，六维力通过外圈的8个安装孔均匀的施加在弹性体上，通过分析弹性体在受力时的应力和应变，确定用于测量六维力的电阻应变片的贴片位置，贴片位置描述如下所述：

1）在C梁和G梁上下表面中间轴线处分别粘贴拉压应变片10、13、28、31，测量纵向力Fxw。

2）在D梁和H梁侧表面中间轴线处分别粘贴剪力应变片15、16、17、18和33、34、35、36，测量侧向力Fyw。

3）在E梁和A梁上下表面中间轴线处分别粘贴拉压应变片20、23、2、5，测量垂直力Fzw。

4）在A梁和E梁侧表面中间轴线处分别粘贴剪力应变片1、3、4、6和19、21、22、24，测量侧倾力矩Mxw。

5）在B梁和F梁侧表面根部轴线处分别粘贴拉压应变片 7、8、25、26，测量侧向力矩Myw。

6）选择在C梁和G梁侧表面中间轴线处分别粘贴剪力应变片9、11、12、14和27、29、30、32，测量回正力矩Mzw。

在贴片点位置选取准确，各个应变片阻值相等，且传感器弹性体结构完全对称、各向同性这三个前提下，上述的贴片方式实现了车轮六维力的结构解耦。对于各维力，选取在该维力作用下形变趋势相反的应变片对，用低阻抗导线将其相连，组成了六个差动电桥，每一个电桥的差动输出对应一维力，组桥方法如图6所示。对六个组桥电路进行分析，得到车轮六维力传感器的六维力信号解耦的应变片布片的组桥方案，实现了多维力直接解耦测量，车轮力传感器各个力和力矩与电桥输出应变的关系为：

 

其中Gi(i=1,2…6)为对应桥路的标定系数, Si(i=1,2…32)为应变片输出应变。

采集模块的电路框图如图7所示，采集模块通过电池组进行供电，电池组电压由控制器进行监控，组桥电路感应轮力传感器弹性体的形变并产生模拟电压信号输出，模拟电压经过滤波、放大，最后由MCU的A/D口采集。码盘采用单圈绝对式编码器，用于采集车轮转角信号，以用于后续的解耦，码盘通过I/O口和MCU相连。将电桥和码盘的数字信号打包后加上包头包尾，通过SPI口经由无线传输芯片发送出去。

在车轮六维力传感器中，控制器需要具有A/D转换（用于信号采集）、电压比较（用于检测电池电量）、SPI总线（用于驱动无线传输芯片）、串口（用于和上位计算机通讯）等功能，因此，对微控制器的处理能力和外设有较高的要求，同时考虑到采集模块由电池组供电，控制器的功耗也应当尽可能低。本实用新型选用美国 Cygnal 公司的C8051F005单片机，该款单片机在传统51单片机的基础上采用流水线结构，将周期由标准的12个***时钟周期变为一个***时钟周期，处理能力、处理速度大大提高，峰值性能可达25MIPS，另外，它的闲置(idle)和停机(stop)两种电源管理方式对于电池供电的采集***来说都是至关重要的性能。图8给出了采集模块和传输模块的控制器C8051F005最小***的电路图。图中C8051F005的标号为U1。20号引脚用于复位，通过一个RC复位电路连接到高电平。21、22号引脚用于在线编程与调试，编程接口的标号为JP1。18、19号引脚外接一个12MHz的无源晶振，并通过两个22pF的电容接地。电容C4、C5、C6、C7、C8用于电源滤波。磁珠L3实现了模拟地的单点接地。

图9给出了采集模块和传输模块的无线传输电路图。采用Nordic公司的无线数字传输芯片nRF2401来实现。nRF2401无线收发一体芯片和蓝牙一样，都工作在2.4GHz全球开放ISM自由频段，能够在全球无线市场畅通无阻。nRF2401支持多点间通信，最高传输速率1Mbit/s，而且比蓝牙具有更高的传输速度。与蓝牙不同的是，nRF2401没有复杂的通信协议，它完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信，是业界体积最小、功耗最少、***元件最少的低成本射频***级芯片。它采用SOC方法设计，所有高频元件包括电感、振荡器等已经全部集成在芯片内部，使得一致性良好，性能稳定且不受外界影响。nRF2401在图中标号为U2，其3、5、6、12、13号引脚分别于U1的47、46、45、44、43号引脚相连。U2的1号引脚分别通过10kΩ的电阻和U1的48、49号引脚相连。

图10给出了采集模块电源调理方法。由于采集模块以及传感体均采用电池供电，因此***的低功耗设计尤为重要。为了降低功耗，***设计成在3V的低电压下工作，采集模块最大的电源消耗就是电桥的供电，采用3V的低压供电方案可以有效地较低电桥的电流消耗，延长其工作时间。本模块采用7.2V，4000mAh的电池组供电，在使用的过程中，先采用稳压模块7805将电压稳到5V，再用德州仪器公司的线性稳压芯片TPS76903，将5V转换成满足电桥供电和模拟、数字电路正常工作的3V。TPS76930是专用于电池供电***线性低压降(LDO)稳压器，具有低压降、超低功耗工作和封装最小化的优点。与通常的LDO稳压器相比，有较低的降落电压(最低值为 71mV)和超低的静态电流(最大值为 28μA)。TPS76930采用5端小型集成电路SOT-23封装，能理想地用于微功耗运行和重视电路板空间的设计中，其超低的降落电压特性以及超低功耗的运行使电池工作寿命明显增加。TPS76930还具有逻辑使能(logic-enabled)的睡眠模式，通过控制拉高3号引脚的电平可关闭稳压器，使静态电流减小到典型值1μA。

图11给出了采集模块电源电量检测方法。在采集数据过程中，模块会实时监控电池组的剩余电量。在实际中采用电压检测的方法，通过将分压后的电池组电压进行AD转换，当转换值低于某一阀值电压时，会向上位机报警。

图12给出了采集模块中单圈绝对式编码器的读取电路。单圈绝对式编码器用于实时测量车轮的绝对角度，在采集模块中，选用了12位单圈绝对式编码器，该编码器采用232模式，波特率为115200bit/s，输出格式为格雷码，提高了***的可靠性。单圈绝对式编码器有一个绝对零位代码，当停电或关机后，再开机重新测量时，仍可准确地读出停电或关机位置的代码，并准确地找到零位代码。单圈绝对式编码器通过串口和采集模块相连，串口驱动芯片采用的是MAX232.

图13给出了采集模块中差动电桥信号的放大方法。车轮力传感体正常加载的情况下，电桥输出-0.5mV至+0.5mV的微弱信号。需要采用仪表放大器对其进行放大，将微弱的单极性差分电压转换为合适范围的大信号。由于本模块采用单电源、低电压供电，而一般的仪表放大器只有在正负双电源供电时才能正常工作。在这里选用美国Burr-Brown公司的仪表放大器INA122PA。该器件由于Burr-Brown公司的PMOS技术，得以在低至2.2V的单电源工作电压的情况下而能获得良好的性能。INA122PA通过 2 个运放的组合设计，使器件具有极低的静态电流和较宽的电源范围。经激光修正后的电路，具有很低的输入失调、输入漂移和极好的共模抑制比。其增益通过一个外接电阻即可方便的设置为5—10000倍的放大能力。如图13所示，Vin+、Vin-为差分信号输入， 7脚和4脚接入3.3V电源，5脚的VREF为参考电压输入，1脚和8脚之间接入放大倍数调节电阻。R2和C2构成了一阶低通滤波器，具体参数可根据截止频率进行调节。经过放大和滤波以后，模拟电压信号An送入MCU的AD模块进行采样。

传输模块电路框图如图14所示，分为电源、MCU、串口通讯、无线传输四个部分。电源模块将9-24V车载电源转换为***所需的3.3V电源，分别为MCU、无线模块、串口模块供电。MCU用于串口信号和无线信号的通讯转换；串口模块用于和工控机通信，接收上位机的命令并将采集模块的数据回传给工控机；无线传输模块用于和采集模块进行数据交换。

图15给出了传输模块中车载电源降压的方法。采用美国国家半导体公司的LM2576HV-3.3V，该芯片输入的范围是7～60V，满足了车载电源的各种范围，同时它的输出最大电流为3A，带负载能力很强。在设计正确的情况下，输出电源的纹波会控制在4％以内。实际设计中3V电源纹波在正常工作时达到了20mV以内，即使在启动瞬间也能控制在100mV以内，满足5%的纹波设计要求。图中LM2576HV-3.3V标号为U22，其1号引脚接入车载电源，3、5号引脚接地，4号引脚为反馈端，5号引脚为3.3V电源输出。C44和C45用于车载电源滤波，而L2、D15和C46控制了输出电压的纹波大小，C47和L1构成了LC滤波电路，对输出电压进一步滤波。

图16给出了传输模块中与上位计算机通讯的方法。数据传输模块端用RS-232接口与上位计算机通讯。因为微控制器MCU的UART接口所使用的电平为TTL电平，而RS-232采用的是负逻辑，即逻辑“1”用-5~-15V表示；逻辑“0”用+5~+15V表示，因此MCU的UART与RS-232接口时，需要进行电平转换。本***使用最常见的MAX232进行电平转化。

本实用新型中的旋转部分包括了弹性体、组桥电路、单圈绝对式编码器和采集模块，旋转部分都安装在车轮上，并和车轮保持相对静止，由于车轮会在车辆行驶中转动，因此该部分采用电池供电方式。

本实用新型中的旋转部分在平时处于休眠状态，以减少功耗，延长电池的使用时间。当处于休眠状态时，组桥电路、单圈绝对式编码器均处于关闭状态，只有无线通讯处于激活状态，大大降低了整个采集***的能耗；当需要测量车轮六维力时，上位计算机通过传输模块发送一条激活命令到采集模块，将旋转部分从休眠状态中唤醒。

本实用新型揭示的测量车轮六维的传感器，由弹性体、组桥电路、单圈绝对式编码器、采集模块以及传输模块组成，能够在车辆行驶过程中，实时测量单个车轮所受的相互垂直的三个方向上的力和相互垂直的三个方向上的扭矩，实现了对汽车车轮六维力准确、可靠的测量。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本实用新型所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种测量车轮六维力的传感器，包括安装在车轮上随车轮一起转动的旋转部分和与车辆本身相对静止的非旋转部分，其特征在于，所述的旋转部分包括弹性体、组桥电路、单圈绝对式编码器和采集模块，所述的非旋转部分包括传输模块，所述的弹性体在车轮所受的六维力的作用下会产生形变，使得粘贴在弹性体上的电阻应变片的阻值发生变化；所述的组桥电路将弹性体上应变片的阻值变化转化成与之相对应的差动电压变化信号；所述的采集模块将电压变化信号调理和放大，并将其与单圈绝对式编码器采集的角度信号打包后，通过无线方式传输给和与车身相对静止的传输模块；所述的传输模块可通过串口线将打包后的信号传输到上位计算机，在上位计算机进行数据分析和处理后便得到当前的车轮六维力信号。

2.根据权利要求1所述的测量车轮六维的传感器，其特征在于，所述的旋转部分采用电池组供电。

3.根据权利要求1所述的测量车轮六维的传感器，其特征在于，所述的弹性体采用具有多梁对称特点的轮辐式结构，在8条应变梁上分别粘贴电阻应变片。

4.根据权利要求1所述的测量车轮六维的传感器，其特征在于，所述的采集模块包括微弱电压放大电路、电压信号调理电路、车轮转角测量电路、无线传输电路和电池剩余电量监控电路。

5.根据权利要求1所述的测量车轮六维的传感器，其特征在于，所述的采集模块同时采集组桥电路的差动电压信号和单圈绝对式编码器采集的角度信号。

6.根据权利要求1所述的测量车轮六维的传感器，其特征在于，所述的采集模块和传输模块之间采用高频无线通讯的方式。

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