专利名称：一种基于轮载式智能传感车轮动载荷监测方法
技术领域：
本发明涉及机动车安全运行状态监测领域，尤其用于监测机动车在行驶过 程中车轮动载荷的实时情况。
背景技术：
机动车运行安全状态监测技术是保证机动车安全行驶的主要手段，也是机 动车运行安全检测技术发展的必然趋势。采用机动车运行安全状态监控技术对 机动车运行安全状态和运行指标进行动态监测，及时发现和预防机动车故障， 发展监测、控制、管理和决策于一体的安全监控网络体系，对机动车安全运行
具有重要意义；它是关系到国家和人民生命财产安全的一项重大的社会公益技 术工作，是保障机动车辆运行安全重要的技术支撑，是政府管理部门对机动车 安全运行的非常重要的技术保障；它不仅能提高机动车安全运行的技术保障能 力、减少交通事故，而且对促进机动车工业及交通运输事业的发展有重大意义。 机动车运行安全状态监测主要包括监测机动车(车身、车轮)运动姿态参 数、动载荷参数、制动性能参数。机动车在运行过程中，会产生制动、加速、 转向、直线行驶等工况，车轮是机动车行驶过程中唯一与地面接触部件，车轮 的安全至关重要，车轮动载荷是影响轮胎安全的重要参数。车轮动载荷是衡量 车辆在不同路面条件下、车身和轮胎处于不同姿态下的轮胎以及整车动态载荷 情况的参数。通过监测车轮的动载荷可以较全面评价机动车的动载荷，从而获 得较直接、较真实、较丰富的机动车安全运行信息。
目前，对车轮动载荷的监测只是尝试通过对轮胎转速、压力等参数的测量 来间接计算车轮的静态载荷，还没有对机动车行驶过程中的动载荷进行实时监
测，未能准确分析车辆在不同路面条件下、车身和轮胎处于不同姿态下的轮胎以及整车动态载荷情况，从而无法有效监测车轮动载荷，不利于对运行过程中 机动车轮胎超载、爆胎等危险状况的预测与评估。
发明内容
为解决上述中存在的问题与缺陷，本发明提供一种实时性好、可靠性高、 数据处理能力强的机动车轮载式车轮动载荷监测方法。主要通过在机动车各个 车轮的轮毂赤道平面上安装智能传感模块、在车内安装智能无陀螺惯性传感单 元和在悬挂安装智能传感单元，对机动车行驶状况进行全面检测。各传感信号 经信号调理、数字化、姿态算法、动载荷算法计算获得车轮的主要动载荷参数。 上述动载荷参数经多传感数据融合及分析，能够监测及主动评价机动车行驶安 全状况。
本发明是通过以下技术方案实现的
本发明所涉及的一种基于轮载式智能传感车轮动载荷监测方法，包括 根据车身三维加速度参数中的至少一种获得车身运动姿态角度参数； 通过悬挂车身智能传感单元感知悬挂垂向加速度；
利用车身三维加速度参数、车身运动姿态角度参数及整车质量中的至少一 种参数获得悬挂质量；
根据悬挂质量、悬挂垂向加速度参数、车轮质量及车轮垂向加速度参数中 的至少一种参数并经动载荷计算获得车轮动载荷数据；
将车轮动载荷数据进行融合并分析获得车轮动载荷的变化趋势。
基于轮载式智能传感车轮动载荷监测方法还包括-
通过车轮智能传感模块感知车轮的三维加速度；
根据三维加速度参数中的至少一种参数获得车轮垂向加速度；
通过车身智能传感单元感知车身三维加速度。
对三维加速度信号进行数字滤波、补偿及插值运算得出车轮运动姿态中的 三维加速度值。所述车轮三维加速度为切向加速度、侧向加速度和向心加速度；所述车 身三维加速度为纵向加速的、侧向加速度和垂向加速度。 所述车身运动姿态角包括侧倾角、俯仰角和横摆角。
将所述车轮和车身的各运动姿态参数进行融合并判断智能传感单元的工 作状况。
所述车轮智能传感模块设置在车轮轮毂的赤道面上。 本发明提供的技术方案的有益效果是
1、 通过应用MEMS无陀螺捷联式微惯性测量技术测量车轮动载荷，实现
了不同运行速度下对机动车车轮动载荷的实时监测；
2、 车轮动载荷参数能够衡量车辆在不同路面条件下、车身和轮胎处于不
同姿态下的轮胎以及整车动态载荷情况，通过对车轮动载荷参数监测和分析实
现对机动车动载荷的全面评价；
3、 通过分析预测程序将车轮动载荷数据与其历史数据分析比较，获得车 轮动载荷的趋势，增加对车轮动载荷的预测功能，形成一个完整的、相对独立 的测量平台，并能够提供统一数据接口模式供有关政府管理部门加以应用。
图1是以车轮侧视图示意本发明所涉及轮载式智能传感车轮动载荷测量 模块安装示意图2是以车轮俯视图示意本发明所涉及轮载式智能传感车轮动载荷测量 模块安装示意图3是以车轮正视图示意本发明所涉及轮载式智能传感车轮动载荷测量 模块安装示意图4是以车辆俯视图示意本发明所涉及轮载式智能传感车轮动载荷监测 系统整体布置图5是以车辆侧视图示意本发明所涉及轮载式智能传感车轮动载荷监测系统整体布置图6是本发明所述基于轮载式智能传感车轮动载荷监测方法的主要原理 示意图7是本发明机所述基于轮载式智能传感车轮动载荷监测系统硬件结构 示意图8分别示出利用图l的智能传感模块监测的一个轮胎其中一个规定点 的向心、切向和侧向加速度的曲线。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，本实施例提供一种实时性 好、可靠性高、数据处理能力强的机动车轮载式车轮动载荷监测方法。主要通 过在机动车各个车轮的轮毂赤道平面上安装智能传感模块、在车内安装智能无 陀螺惯性传感单元和在悬挂安装智能传感单元，对机动车行驶状况进行全面检 测。各传感信号经信号调理、数字化、姿态算法、动载荷算法计算获得车轮的 主要动载荷参数。上述动载荷参数经多传感数据融合及分析，能够监测及主动 评价机动车行驶安全状况。下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细 描述
本实施例提供了一种基于轮载式智能传感车轮动载荷监测方法。 参见图l，该方法包括以下步骤
步骤IOI通过智能传感模块感知安装点的三维加速度、车轮温度及轮胎气压。
车轮智能传感模块输出的切向加速度、侧向加速度、向心加速度和轮胎内 温度共四路模拟信号。
步骤102将切向加速度、侧向加速度、向心加速度和轮胎内温度模拟信号 转化为数字信号，并进行滤波及温度补偿。
步骤103车轮智能传感模块输出轮胎内气压信号经过温度补偿得到实时的轮胎温度及轮胎压力值。
步骤104车轮智能传感模块将处理后得到三维加速度值。
三维加速度包括切向加速度、侧向加速度和向心加速度，且该加速度值以 无线通讯的方式发送到安装于车内的中央控制模块。
步骤105根据三维加速度参数经姿态算法获得车轮与车身的相关姿态参 数(步骤106)，然后执行步骤107及步骤108。
步骤107将车轮与车身的相关姿态参数进行数据融合分析能对智能传感 模块安全自检。
步骤10S对姿态参数进行动载计算。
步骤110根据计算得出的动载荷参数对车轮与车身做出主动安全评价及 趋势预测。
参见图2、图3、图4，车轮动载荷智能传感模块安装于车轮轮毂赤道面的 表面上，车轮智能传感模块的安装要求加速度传感器的三个敏感轴X轴、Y 轴、Z轴分别指向轮毂切线方向、轮毂的侧向、轮毂的轴心的方向；坐标系Oxyz 是正交的右手坐标系。
参见图5、图6，为本发明所述一种基于轮载式智能传感车轮动载荷监测方 法所采用的系统整体布局图，包括车轮l 、车轮智能传感模块2 、车内中央控 制模块3、悬挂智能传感模块4，其中车轮智能传感模块安装于各个车轮的轮毂 赤道表面上，车内中央控制模块3安装于车内，悬挂智能传感模块4安装于车轮 上方位悬架上；车轮智能传感模块2与车内中央控制模块3之间通过无线射频实 现双向通信，悬挂智能传感模块4与车内中央控制模块3之间通过CAN总线双向 通信。 '
参见图7，本发明涉及的基于轮载式车轮动载荷监测方法的硬件系统，包 括安装于各个车轮内的车轮智能传感模块2、安装于车身悬挂的悬挂智能传感 模块4和安装于车内的车内中央控制模块3; (1)车轮智能传感模块2包含车轮惯性测量单元2a、调理单元2b、无线单片机2c和第一电源2d;该车轮惯性 测量单元2a包括一个三轴加速度传感器21a、温度传感器22a和压力传感器 23a;三轴加速度传感器21a、温度传感器22a和压力传感器23a输出模拟信号， 该车轮惯性测量单元2a与调理单元2b电气连接；调理单元2b用于对输入的 加速度和温度信号进行滤波和调压，该调理单元2b与无线单片机2c相互连接， 该信号为模拟信号；无线单片机2c可向三轴加速度传感器21a、温度传感器22a 和压力传感器23a发出自检信号，用于检查三轴加速度传感器21a、温度传感 器22a和压力传感器23a工作是否正常；无线单片机2c片上集成无线收发电路 和单片机，用于进行传感采集、运算并实现与车内中央控制模块2的双向通信 功能；第一电源2d是为车轮惯性测量单元2a、调理单元2b和无线单片机2c 提供直流电源；其中，车轮惯性测量单元2a的三轴加速度传感器21a采用一个 两轴加速度传感器ADXL323和一个单轴加速度传感器ADXL193组合而成， 无线单片机2c采用CC2510F32; (2)悬挂智能传感模块4包含第三惯性测量 单元4a、调理电路4b、处理器4c、第三电源4d和CAN接口 4e，第三惯性测 量单元4a由单轴加速度传感器41a、温度传感器42a组成，与调理单元4b相 互连接，该信号为模拟信号；调理单元4b与处理器4c相互电气连接，该信号 为模拟信号；单轴加速度传感器4a采用ADXL103型；第三电源4d为第三惯 性测量单元4a、调理单元4b、处理器4c提供直流电源；其中，处理器4c选用 C8051F041型；(3)车内中央控制模块3包含无线单片机3a、第二无陀螺惯 性测量单元3b、第二电源3c、 ARM处理器3d及人机交互单元3e;该无线单 片机3a实现与车轮智能传感模块通信功能，通过数字信号与ARM处理器3d 相互连接；第二无陀螺惯性测量单元3b与ARM处理器3d相互连接，该信号 为数字信号；第二电源3c为无线单片机3a、第二无陀螺惯性测量单元3b、 ARM 处理器3d及人机交互单元3e提供直流电源；人机交互单元3e由液晶屏31e、 触摸屏32e、蜂鸣器33e、 CAN接口34e组成；液晶屏31e用于输出显示ARM处理器3d的输出显示信息，包括车轮动载荷参数、状态等参数；触摸屏32e 用于设置参数、査询数据；蜂鸣器33e用于出现故障时由ARM处理器3d驱动 发出警示；CAN接口 34e用于提供其他CAN设备访问车内中央控制模块3d 的接口；其中，无线单片机3a (2c)采用CC2510F32。
本发明涉及的基于轮载式车轮动载荷监测方法的硬件系统，采用C语言编 制各相应处理程序，其工作流程包括(1)车轮惯性测量单元2a输出的切向加 速度、侧向加速度、向心加速度、温度模拟信号经调理单元2b信号调理后， 经无线单片机2c的ADC外设转换成数字信号，以中断触发方式提供给无线单 片机2c的CPU访问；无线单片机2c在必要的时候可以通过驱动自检信号对 加速度传感器进行自检；(2)无线单片机2c中的微处理器对信号进行数字滤波、 补偿及插值运算得出车轮运动姿态中的三维加速度值，包括切向加速度、侧 向加速度和向心加速度，表征车轮任何瞬时三维加速的状态；通过无线单片机 2c内部的无线收发电路将数据发射输出到车内中央处理模块3的无线单片机 3a，同时通过该无线单片机2c内部的无线收发电路也可接收来车内中央处理模 块3通过无线单片机3a发送过来的命令；(3)车内中央处理模块3的任务 ①接收来自第二无陀螺惯性测量单元3b的车身姿态信息；②接收来自悬挂智 能传感模块4悬挂垂向加速度信息；③通过无线单片机3a接收来自车轮智能 传感模块2的数据，必要时候通过无线单片机3a向车轮智能传感模块2发送 命令；④对接收到的来自车轮智能传感模块2发送过来的加速度数据，经姿态 计算、动载荷计算得出车轮的动载荷参数；(D对上述车轮动载荷数据进行主动 安全评价及趋势预测；⑥对车轮动载荷数据与整车动载荷数据进行数据融合及 分析以便对车轮智能传感模块2是否正常工作作出判断，并预测车轮动载荷的 变化趋势；其中，智能传感模块监测的一个轮胎其中一个规定点的向心、切向 和侧向加速度的曲线(参见图8);⑦通过控制液晶屏31e输出显示车轮动载 荷信息、评价等级、趋势预测信息等；⑧处理触摸屏32e触发的中断并进行参数设置及历史查询等操作；⑨当出现异常时用数字信号驱动蜂鸣器33e作出蜂 鸣警示；⑩建立用于存储相关动载荷数据及历史数据的电子数据表格以供其他 外部设备通过CAN接口 34e访问。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易 想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护 范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
1、一种基于轮载式智能传感车轮动载荷监测方法，其特征在于，该方法包括A、根据车身三维加速度参数中的至少一种获得车身运动姿态角度参数；B、通过悬挂车身智能传感单元感知悬挂垂向加速度；C、利用车身三维加速度参数、车身运动姿态角度参数及整车质量中的至少一种参数获得悬挂质量；D、根据悬挂质量、悬挂垂向加速度参数、车轮质量及车轮垂向加速度参数中的至少一种参数并经动载荷计算获得车轮动载荷数据；E、将车轮动载荷数据进行融合并分析获得车轮动载荷的变化趋势。
2、 根据权利要求l所述的基于轮载式智能传感车轮动载荷监测方法，其特 征在于，在执行步骤A之前还包括通过车轮智能传感模块感知车轮的三维加速度；根据三维加速度参数中的至少一种参数获得车轮垂向加速度；通过车身智能传感单元感知车身三维加速度。
3、 根据权利要求l所述的基于轮载式智能传感车轮动载荷监测方法，其特 征在于，所述方法还包括对三维加速度信号进行数字滤波、补偿及插值运算 得出车轮运动姿态中的三维加速度值。
4、 根据权利要求1或2所述的基于轮载式智能传感车轮动载荷监测方法， 其特征在于，所述车轮三维加速度为切向加速度、侧向加速度和向心加速度; 所述车身三维加速度为纵向加速的、侧向加速度和垂向加速度。
5、 根据权利要求l所述的基于轮载式智能传感车轮动载荷监测方法，其特 征在于，所述车身运动姿态角包括侧倾角、俯仰角和横摆角。
6、 根据权利要求1或2所述的基于轮载式智能传感车轮动载荷监测方法， 其特征在于，将所述车轮和车身的各运动姿态参数进行融合并判断智能传感单 元的工作状况。
7、 根据权利要求l所述的基于轮载式智能传感车轮动载荷监测方法，其特征在于，所述车轮智能传感模块设置在车轮轮毂的赤道面上。
全文摘要
本发明公开了一种基于轮载式智能传感车轮动载荷监测方法，该方法通过在机动车各个车轮的轮毂赤道平面上安装智能传感模块、在车内安装智能无陀螺惯性传感单元和在悬挂安装智能传感单元，对机动车行驶状况进行全面检测。各传感信号经信号调理、数字化、姿态算法、动载荷算法计算获得车轮的主要动载荷参数。上述动载荷参数经多传感数据融合及分析，能够监测及主动评价机动车行驶安全状况。该方法可以对机动车超载、爆胎、制动性能故障等预警，有利于避免和减少交通事故的发生。
文档编号B60C23/00GK101480904SQ20091007779
公开日2009年7月15日 申请日期2009年2月19日 优先权日2009年2月19日
发明者刘桂雄, 周岳斌, 潘梦鹞, 黄国健 申请人:华南理工大学