CN203869794U - 一种车轮运动状态矢量采集装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开一种车轮运动状态矢量采集装置,包括力-惯性测量组、信号传输组、连接轴;力惯性测量组和信号传输组之间通过连接轴连接;所述的信号传输组包括固定板、轴承、信号传输电路板、光电编码器、信号传输组壳体、壳体盖板;所述的连接轴贯穿信号传输组壳体和壳体盖板,连接轴通过轴承分别与信号传输组壳体和壳体盖板连接,信号传输电路板和光电编码器设置于信号传输组壳体内,固定板设置于信号传输组壳体上,并固定该信号传输组壳体。本实用新型提供一种同时测量车轮的力和运动量的状态监测装置,可实时检测单个车轮的六维力/力矩,三维角速度和三维加速度,共十二维车轮运动状态信号。

Description

一种车轮运动状态矢量采集装置
技术领域
本实用新型属于汽车电子与智能监测领域,尤其涉及一种车轮运动状态矢量测量装置,具体涉及车轮运动测量装置的结构组成与集成设计;同时还涉及多维车轮力和惯性信号的组合测量装置,从而得到十二个自由度的车轮力-运动信号。 
背景技术
汽车行驶是车轮与路面相互作用的结果,车轮的力和运动由路面输入,从根本上反映了汽车自身状态,在道路试验和智能交通中,具有无可替代的意义。 
早期的车轮传感器仅对转速进行测量。从20世纪70年代起,美国通用公司最早进行了车轮力/力矩传感器(Wheel Force Transducer,WFT)的研究,目前美、德、日以及中国均已有类似的产品。但由于WFT安装在高速旋转的车轮上,车辆进行运动,传感器存在滚动和平动两种方式,因而其测量始终处于一个运动场中。近年来,伴随着以MEMS为代表的运动传感器的发展,国外发达国家已经研发出兼具力和运动信号组合测量的装置与技术,可同时检测并分离出车轮的速度,加速度以及力信号。我国在这方面的技术还处于理论阶段,主要在WFT传感器的开发,对于同时测量力和运动信号的车轮监测技术还是空白;在汽车性能测试和道路试验中,往往采用借鉴国外参数或者经验方法,难有定量数据分析的设备和方法,且在实际中仍存在很多问题: 
(1)进口设备的价格昂贵,不利于降低成本; 
(2)采用的标准不同,不适合我国的技术标准; 
(3)核心关键技术实施封锁,不利于国产测试设备和车辆的自主研发。 
因而,研发具有自主产权的装置和设装,以满足汽车公司和试验场对于车轮力-运动的测量技术的需求,对我国的汽车工业具有重要的意义。 
现有技术中,ZL200320110714.5专利公开了一种汽车车轮多维力测量装置,是一种汽车行驶工况下车轮受力状态的实时测量装置;ZL200320110713.0公开了一种车轮多维力传感器,是一种汽车行驶工况采集装置中的力传感器;ZL201220102243.2和ZL201210071761.7公开了一种测量车轮六维力的传感器,由安装在车轮上的随着转动的旋转部分和与车辆本身相对静止的非旋转部分组成,能够实时测量单个车轮的六维力信号。然而,上述专利在实际应用还存在非 常多的不足: 
1、仅仅进行了车轮六维力的测量,不能很全面的反映车轮的运动状态。由于上述测量对于车轮的旋转状态、惯性矢量等信息无法反馈,在实际的汽车刹车和制动过程中,力信号的只能对惯性测量进行定性的估计,提供的参考有限。 
2、在实际的汽车测试中,上述WFT力的测量通常还需结合其他的外部传感器如运动传感器,位移传感器等,但是这些传感器大多集成安装于车身、悬架、驾驶室、车轮外部等部位,不仅不能准确的反映车轮的有效运动状态,也未有集成的***设备和方法 
实用新型内容
实用新型目的:本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足,提供一种实现力-运动组合测量的车轮状态采集装置,实时测量单个车轮所受的六维力/力矩,三维角速度以及三维加速度,共十二维车轮运动状态矢量信号。 
技术方案:本实用新型的一种的车轮运动状态矢量采集装置,包括力-惯性测量组、信号传输组、连接轴;惯性测量组和信号传输组之间通过连接轴连接;所述的信号传输组包括固定板、轴承、信号传输电路板、光电编码器、信号传输组壳体、壳体盖板;所述的连接轴贯穿信号传输组壳体和壳体盖板,连接轴通过轴承分别与信号传输组壳体和壳体盖板连接,信号传输电路板和光电编码器设置于信号传输组壳体内,固定板设置于信号传输组壳体上,并固定该信号传输组壳体;所述的力-惯性测量组包括弹性体、惯性传感器、结构壳体、车轮内的改制轮辋、焊接法兰、内法兰、惯性传感器和采集电路板,所述的惯性传感器和采集电路板设置于结构壳体内,所述的弹性体还设置有刚性外环、刚性内环和六维车轮力传感器,所述的刚性内环由内法兰固定至至车轮的驱动半桥,所述的刚性外环通过焊接法兰固定至改制轮辋,所述六维车轮力传感器通过探测弹性体的形变测量得到六维车轮力;所述的六维车轮力传感器和惯性传感器的信号传送至采集电路板,所述的采集电路板将信号传送至信号传输电路板,所述的光电编码器的信号传输至信号传输电路板。 
所述的力-惯性测量组件为六维WFT传感器和惯性传感器构成的组合式测量装置,用于测量车轮所受的十二维力-运动信号,实现信号的采集,调理和发送。 整个结构组件主要由六维WFT车轮力传感器,三维MEMS陀螺仪,三维MEMS加速度计,采集电路板以及内置电源组成,固定于一个结构壳体内,可随车轮一起旋转。其中,WFT传感器用于测量车轮所受的六维力/力矩信号(Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz),当汽车行驶时,地面-车轮的力加载到WFT的应变梁上并使之变形,粘贴在应变梁上的电阻应变片感受这种变形而产生阻值变化,再由组桥电路将其转变为弱的差动电压信号,通过采集板卡上的信号调理电路将该模拟电压信号滤波、放大,并经采集板卡上的微型控制器(Micro Control Unit,MCU)的A/D接口转换为数字信号缓存。与此同时,包含MEMS陀螺仪和MEMS加速度的惯性传感器,用于检测车轮的六维运动信号——三维角速度(Wx,Wy,Wz)和三维加速度(ax,ay,az),该单元精确的安装于采集板卡所处的轮心位置处,可对车轮运动进行测量,并直接输出六维运动的数字信号。 
在本实用新型一个较佳的实例中,采用由应变梁,刚性内环和刚性外环组成的轮辐对称式WFT弹性体(如图4),该结构由弹性合金材料制成的一体式结构,其材料抗拉强度不小于980Mpa,屈服强度不小于840MPa,经表面热处理后,可承受很大的载荷又在弹性变形范围内; 
在本实用新型一个较佳的实例中,采用美国InvenSense公司的MPU-6050惯性测量单元,该单元集成了三轴MEMS陀螺仪,三轴MEMS加速度计,以及一个可扩展的数字运动处理器,芯片尺寸小(4mm×4mm×0.9mm)方便集成,采用无引线方形封装,可承受最大10000g的冲击,寄存器之间通信采用400kHz的I2C接口,且读取和中断可用20MHz的SPI,以满足需要高速传输的应用。该传感器还存在可控测量范围,陀螺仪为±250,±500,±1000,±2000°/秒(dps),加速度计为±2,±4,±8,±16g,能够精确跟踪快速和慢速的运动,通过陀螺仪和加速度计各自的16位ADC,可将测量的模拟量转化为数字量输出,完全满足汽车行驶工况下车轮力信号的精度补偿。 
在本实用新型一个较佳的实例中,力-惯性测量组件的采集电路板设计为便于安装的环形结构,主要集成了一块具有高速处理能力和低功耗要求的微型控制器(单片机,MCU),以及一个用于对十二维信号进行发射和接收的一体式无线数字芯片,通过MCU的总线接口实现对无线传输芯片的驱动,将十二维的数字信号发送出去。选用美国Silicon Labs公司的C8051F021单片机,该单片机采用流 水线指令结构,8位ADC的转换速率达500ksps,内核速度达25MIPS,22个矢量中断源,3.3V低电压工作,满足对力-运动信号的高速处理,选用美国Nodic公司的无线数字传输芯片nRF2401,工作于2.4GHz~2.5GHz的全球免申请(ISM)频率,具有250Kbps、1Mbps高速数据传输速率。整个力-惯性测量组的电气元件由一组内置电源供电,固定安装于采集模块壳体内部。 
所述的信号传输组用于将十二维数字信号进行接收,打包并通过总线上传至上位机,主要包括光电编码器,信号传输电路板,连接轴及其轴承组成,该组件通过连接轴一端固定于力-惯性测量模块结构壳体,另一端经过两对轴承可贯穿于传输模块内部,整个模块组由一块固定板连接于车身上的支座,即相对于车身静止。同样地,信号传输电路板的上也集成了一块MCU和一体式无线数字芯片,通过MCU通过现有的程序控制和驱动无线芯片进行接收,并实现与上位机的通信,将编码同步的数字信号回传给上位机。 
在本实用新型一个较佳的实例中,采用12位单圈绝对式光电编码器作为转角位置反馈元件,可将车轮的转角以脉冲的形式输出,转速正比于脉冲频率,转角值正比于脉冲个数,实现十二维力-运动信号的实时坐标转换和信号同步编码,该车体-车轮坐标转换关系与ZL201210077400相同;采用的MCU和无线芯片与力-惯性测量组采集电路板相配套;组块内部的电气件同样由一块内置电源供电,固定安装于传输壳体内表面,所述惯性传感器包括MEMS三轴陀螺仪。 
进一步地,弹性体上设置有应变梁,所述的六维车轮力传感器为设置在应变梁上的若干个电阻应变片,所述惯性传感器包括MEMS三轴陀螺仪和MEMS三周加速度传感器。 
进一步地,采集电路板上设置有无线数字芯片,所述的采集电路板将无线信号传输至信号传输电路板;所述的车轮运动状态矢量采集装置还包括上位机,所述的信号传输电路板上设置有无线数字芯片,信号传输电路板将无线信号传输至上位机。上位机将直接显示测得的十二维数字信号。 
附图说明
图1为本实用新型的车轮右手正交坐标系和十二维状态矢量图; 
图2为本实用新型的装置结构组成图; 
图3为本实用新型的传感器弹性体结构及力测量组桥电路; 
图4为本实用新型所述的传感装置-车体安装示意图; 
图5为本实用新型所述的力-惯性测量组的电路框图; 
图6为本实用新型所述的惯性传感器(MPU-60X0)与控制单元(MCU)的电路连接图。 
具体实施方式
下面对本实用新型技术方案进行详细说明,但是本实用新型的保护范围不局限于所述实施例。 
如图1所示为本实用新型装置所测量的车轮右手正交坐标系,垂直于驱动半桥2的车轮1所在的旋转平面为车轮平面,坐标系的原点为O。所测量的十二维车轮运动矢量为三个坐标轴方向上相互垂直的力和力矩矢量,角速度矢量,以及线加速度矢量:分别为纵向力Fx,侧向力Fy,垂直力Fz,侧倾力矩Mx,,驱动/制动扭矩My,横摆力矩Mz;纵向角速度Wx,侧向角速度Wy,垂直角速度Wz;纵向加速度ax,侧向加速度ay,垂直加速度az。所有矢量以沿着坐标轴方向、绕坐标轴逆时针旋转为正方向。 
一种车轮运动状态矢量测量装置,其装置总体结构设计如图2所示。该装置主要包括力-惯性测量组18,信号传输组19和上位机三个部分,通过连接轴11和外部固定板13连接起来。 
所述的力-惯性测量组18为六维WFT传感器和惯性传感器10构成的组合式测量装置,用于测量车轮所受的十二维力-运动信号,实现信号的采集,调理和发送。整个结构组件主要由六维WFT车轮力传感器,惯性传感器10,采集电路板9以及内置电源组成,固定于一个结构7壳体内,可随车轮一起旋转。其中,WFT传感器用于测量车轮所受的六维力/力矩信号(Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz),当汽车行驶时,地面-车轮的力通过改制轮辋4上的焊接法兰3施加在弹性体5的刚性外环上,其刚性内环则由内法兰6螺栓连接于汽车的驱动半桥,弹性体5的应变梁表面粘贴的电阻应变片感受变形并产生阻值变化,再由组桥电路板8将其转变为弱的差动电压信号,通过采集板卡9上的信号调理电路将该模拟电压信号滤波、放大,并在板卡9上的微型控制器(Micro Control Unit,MCU)的A/D接口转换为数字信号缓存。与此同时,惯性传感器10内的MEMS陀螺仪和MEMS加速度,分别用于检测车轮的六维运动信号——三维角速度(Wx,Wy,Wz)和三 维加速度(ax,ay,az),该单元精确的安装于采集板卡所处的轮心位置处,可对车轮运动进行测量,并直接输出六维运动的数字信号。 
其中,六维WFT传感器采用由应变梁,刚性内环和刚性外环组成的轮辐对称式WFT弹性体,如图4所示为弹性体结构图及其应变片组桥,该结构由弹性合金材料制成的一体式结构,其材料抗拉强度不小于980Mpa,屈服强度不小于840MPa,经表面热处理后,可承受很大的载荷又在弹性变形范围内。 
惯性传感器10为美国InvenSense公司的MPU-6050惯性传感器,该单元集成了三轴MEMS陀螺仪,三轴MEMS加速度计,以及一个可扩展的数字运动处理器,芯片尺寸小(4mm×4mm×0.9mm)方便集成,采用无引线方形封装,可承受最大10000g的冲击,寄存器之间通信采用400kHz的I2C接口,且读取和中断可用20MHz的SPI,以满足需要高速传输的应用。该传感器还存在可控测量范围,陀螺仪为±250,±500,±1000,±2000°/秒(dps),加速度计为±2,±4,±8,±16g,能够精确跟踪快速和慢速的运动,通过陀螺仪和加速度计各自的16位ADC,可将测量的模拟量转化为数字量输出,完全满足汽车行驶工况下车轮力信号的精度补偿。 
力-惯性测量组件的采集电路板9设计为便于安装的环形结构,集成了一块具有高速处理能力和低功耗要求的MCU以及一个用于对十二维信号进行发射和接收的一体式无线数字芯片,通过MCU的总线接口实现对无线传输芯片的驱动,将十二维的数字信号发送出去。选用美国Silicon Labs公司的C8051F021单片机,该单片机采用流水线指令结构,8位ADC的可编程转换速率达500ksps,内核速度达25MIPS,22个矢量中断源,3.3V低电压工作,满足对力-运动信号的高速处理,选用美国Nodic公司的无线数字传输芯片nRF2401,工作于2.4GHz~2.5GHz的全球免申请(ISM)频率,具有250Kbps、1Mbps高速数据传输速率。整个力-惯性测量组的电气元件由一组内置电源供电,固定安装于采集模块壳体内部。 
图5给出了力-惯性测量组的电路框图及其接口连接形式。六维力信号由A/D转换为数字信号,运动信号由MPU6050的12C接口通信,编码器则将角度信号通过串口输入,一块C8051F021作为控制控制器与无线发射器进行通信,并将信号发送出去,运动传感器MPU-60X0与C8051F02的管脚连接由图6所示,通 过I2C总线方式,可满足惯性测量的需求。 
所述的信号传输组19用于将十二维数字信号进行接收,编码,打包并通过总线上传至上位机,主要包括光电编码器15,信号传输电路板14,内置电源,连接轴11及其轴承12,传输模块壳体16及其壳体塑料盖17组成,该组件通过连接轴11一端固定于力-惯性测量模块结构壳体7,另一端经过两对轴承12可贯穿于传输模块内部,整个模块组由传输模块壳体16和壳体塑料盖17封装,并经一块固定板13连接于车身上的支座,即实现相对于车身的静止。同样地,信号传输电路板14也集成了一块MCU和一体式无线数字芯片,通过MCU采用现有的算法控制和驱动无线芯片进行接收,并实现与上位机的通信,将编码同步的数字信号回传给上位机。采用12位单圈绝对式光电编码器作为转角位置反馈元件,可将车轮的转角以脉冲的形式输出,转速正比于脉冲频率,转角值正比于脉冲个数,实现十二维力-运动信号的实时坐标转换和信号同步编码,该车体-车轮坐标转换关系与ZL201210077400相同;采用的MCU和无线芯片与力-惯性测量组采集电路板相配套;组块内部的电气元件同样由一块内置电源供电,固定安装于传输壳体内表面。上位机用于显示十二位数字信号。 
如图4所示为本实用新型所述的传感装置-车体安装示意图,上位机置于汽车驾驶室内,采用横置于汽车前盖的一杆做辅助固定支撑,下置两个吸盘或支撑座连接。结构壳体与端盖封装处均采用密封圈密封。 
本实用新型说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。 
如上所述,尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本实用新型,但其不得解释为对本实用新型自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本实用新型的精神和范围前提下,可对其在形式上和细节上作出各种变化。 

Claims (3)

1.一种的车轮运动状态矢量采集装置,其特征在于,包括力-惯性测量组(18)、信号传输组(19)、连接轴(11);惯性测量组(18)和信号传输组(19)之间通过连接轴(11)连接;所述的信号传输组(18)包括固定板(13)、轴承(12)、信号传输电路板(14)、光电编码器(15)、信号传输组壳体(16)、壳体盖板(17);所述的连接轴(11)贯穿信号传输组壳体(16)和壳体盖板(17),连接轴(11)通过轴承(12)分别与信号传输组壳体(16)和壳体盖板(17)连接,信号传输电路板(14)和光电编码器(15)设置于信号传输组壳体(16)内,固定板(13)设置于信号传输组壳体(16)上,并固定该信号传输组壳体(16);所述的力-惯性测量组(18)包括弹性体(5)、惯性传感器(10)、结构壳体(7)、车轮内的改制轮辋(4)、焊接法兰(3)、内法兰(6)、惯性传感器(10)和采集电路板(9),所述的惯性传感器和采集电路板(9)设置于结构壳体(7)内,所述的弹性体(5)还设置有刚性外环、刚性内环和六维车轮力传感器,所述的刚性内环由内法兰(6)固定至车轮的驱动半桥,所述的刚性外环通过焊接法兰(3)固定至改制轮辋(4),所述六维车轮力传感器通过探测弹性体的形变测量得到六维车轮力;所述的六维车轮力传感器和惯性传感器(10)的信号传送至采集电路板(9),所述的采集电路板(9)将信号传送至信号传输电路板(14),所述的光电编码器(15)的信号传输至信号传输电路板(14),所述惯性传感器(10)包括MEMS三轴陀螺仪。
2.根据权利要求1所述的车轮运动状态矢量采集装置,其特征在于,所述的弹性体(5)上设置有应变梁,所述的六维车轮力传感器为设置在应变梁上的若干个电阻应变片,所述惯性传感器(10)包括MEMS三轴陀螺仪和MEMS三轴加速度传感器。
3.根据权利要求1所述的车轮运动状态矢量采集装置,其特征在于,所述的采集电路板(9)上设置有无线数字芯片,所述的采集电路板(9)将无线信号传输至信号传输电路板(14);所述的车轮运动状态矢量采集装置还包括上位机,所述的信号传输电路板上(14)设置有无线数字芯片,信号传输电路板(14)将无线信号传输至上位机。
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