一种汽车动态轮荷测定和驾驶安全辅助系统

1.本发明涉及机动车智能感知和行驶辅助技术领域，尤其是涉及一种汽车动态轮荷测定和驾驶安全辅助系统。


背景技术：

2.车辆行驶时，车轮对地面的载荷不是固定的，而是随着车辆的运动参数改变以及路面的性质变化实时变化的，车辆的重量也不一定与车辆对地面的载荷相同，而路面对车的直接作用就是轮荷受力而不是车的重量，所以研究车轮的轮荷能够直观的反应车辆的运动属性。
3.车辆对环境的感知是汽车智能化的重要组成部分，轮荷作为底盘系统的直接作用力，影响着车辆每时每刻的运行状态，智能驾驶模式下，对于；轮荷的实时监控有助于增加汽车自动驾驶的舒适度，稳定性。在智能底盘系统中，能够利用轮荷受力控制不同悬架的软硬，使车辆有更好的通过性能，还能够将轮荷数据应用在高性能车辆，用于主动空气动力学套件精准控制车辆抓地力，在电动的智能底盘系统中，还可作为轮毂电机输入的重要参考数据以及电控横向稳定装置的直接数据来源，总而言之，轮荷数据对车辆的控制至关重要。
4.车辆悬架的设计也离不开轮荷数据作为支撑，轮荷作用于轮胎随后作用于悬架，对悬架结构的设计有着至关重要的作用，车辆设计者能够通过轮荷数据调整悬架结构，达到更高的舒适度以及行驶稳定性。
5.轮荷数据反映了车辆的驾乘感受和驾驶员的驾驶风格，对于车企来说，可以用于智能底盘的远程固件升级，并作为重要实验数据加快新车开发的速度并减少新车开发的成本。
6.轮荷作为路面与车辆的直接作用力，能够直接反应车辆运行是否安全，能够利用轮荷数据对车辆的超载行为进行警示，而不是利用被动的地秤测量，防患于未然，提升安全性，还能够利用轮荷数据在极端天气下进行侧翻预警、打滑预警等等，所采集的数据还能够作为交通管理部门事故分析的重要依据。
7.路面受到的压力不是车辆的直接质量，而是轮胎所受的载荷，所以在道路结构和材料设计、道路维护等领域，轮荷数据能够作为重要参考，节省用料优化结构。
8.近似的，对环境的载荷感知，还能够利用到军事车辆、机器人等众多领域，对于机械控制实现智能化有重要意义。
9.目前对于轮荷的测定技术绝大部分在于优化地秤测量的准确性和量程，所用产品用于检查站、收费站等固定场所，目前没有面向市场的主动测量车辆轮荷的产品，且无法测量真实放映路面所受压强的轴荷。
10.相关的现有技术中唯一具代表性的是由荷兰代尔夫特理工大学的kerst,stijn等人研究的reconstruction of wheel forces using an intelligent bearing轮荷测定轴承，其通过在轮毂与立柱连接的轴承外圈上嵌入压力传感器，测出轴承受力从而直接得到车轮载荷。但其安装难度大，成本高，并且对运行工况提出了较高要求，不适用于广大的民
用车辆，故其也仅停留在样本概念阶段。


技术实现要素：

11.本发明的目的是解决上述提到的车辆行驶中的安全问题，车辆设计中的结构问题，交通管理中的后处理问题以及交通设计和维护的设计问题，而提供一种汽车动态轮荷测定和驾驶安全辅助系统。
12.本发明的目的能够通过以下技术方案来实现：
13.一种汽车动态轮荷测定和驾驶安全辅助系统，该系统包括分别安装在车辆上的：
14.主控制器：通过接收数据处理子系统处理后的数据，实时计算车辆受到的动态轮荷，并与车辆规定的载重实时比较；
15.数据采集子系统：用以采集车辆数据并发送给数据处理子系统，包括悬架几何采集模块、悬架动力采集模块和车辆运行参数采集模块；
16.数据处理子系统：用以进行数据滤波清洗和信号放大，包括数据信号放大模块；
17.数据交互子系统：可视化模块、驾驶预警模块和存储单元，所述的可视化模块和驾驶预警模块根据主控制器计算的动态轮荷数据以及风险等级进行预警，并将轮荷数据存储在存储单元中，存储单元中的数据可以被其他需要轮荷数据支持的系统实时读取。
18.所述的悬架动力采集模块包括悬架受力和力矩传感器，所述的悬架受力和力矩传感器具体为应变片的编组，安装在车辆悬架的每一根杆件上，所述的数据处理子系统将悬架受力和力矩传感器采集的悬架受力数据进行放大并滤波后发送到主控制器中。
19.所述的悬架几何采集模块包括悬架几何变形传感器和方向盘转角传感器，所述的悬架几何变形传感器为伸缩线位移传感器，与悬架阻尼弹簧并联安装，所述的方向盘转角传感器串联安装在转向柱末端以采集方向盘转角数据，所述的主控制器通过数据处理子系统分别与悬架几何变形传感器和方向盘转角传感器连接，并实时计算出悬架的几何结构。
20.所述的车辆运行参数采集模块包括多个加速度传感器，并且分别安装在所有车轮的轮心位置，所述的主控制器通过数据处理子系统与加速度传感器连接，并计算车辆运行参数，得到车身的姿态参数。
21.所述的数据处理子系统包括主控制器连接的仪表放大电路，所述的仪表放大电路安装在车辆底盘上，以减少走线长度防止电磁干扰。
22.所述的主控制器计算悬架的几何结构采用的模型具体为：
23.将双横臂式悬架分解成为两个rssr模型和一个rssp模型的并联机构，整体为一个二自由度系统，通过空间向量和坐标变换的三角函数方法，从推杆处开始顺次求解杆件几何关系。
24.所述的主控制器计算悬架受力采用的物理模型具体为：
25.将悬架受力和力矩传感器采集得到的数据，利用空间汇交力系解法，通过矩阵变换求解每一点所受到的力和力矩，所述的矩阵变换为：
[0026][0027]
其中，e代表每根对应杆件的方向向量，带下标的m代表所受到的力矩的方向向量，下标ucafront代表上横臂前杆、ucarear代表上横臂后杆、lcafront代表下横臂前杆、
lcarear代表下横臂后杆、push代表推杆、steer代表转向横拉杆，f、m分别为受到的外力和外力矩。
[0028]
所述的主控制器在计算悬架的几何结构时，采用遍历法得到二自由度双横臂式悬架在所有范围内的高密度离散解，然后利用多项式插值对悬架所有的几何情况进行化简，得到悬架各点坐标关于悬架几何变形传感器数据和方向盘转角传感器数据的函数关系，以加快运行速度，所述的主控制器在计算悬架受力时，采用部分遍历法对可能存在的可行域进行遍历，得到在特定几何结构下，车轮轮荷对于悬架受力和力矩传感器数据和加速度传感器数据的函数关系，以加快运行速度。
[0029]
所述的可视化模块与主控制器连接，融合在车辆仪表盘内，用以实时反馈轮荷信息，所述的驾驶预警模块融合在车辆仪表盘内，当主控制器通过计算判断车辆处于危险工况，包括超载、即将侧翻和即将打滑时，对驾驶员进行预警。
[0030]
所述的可视化模块在平时正常行驶时不进行数据显示，以防止分散驾驶员注意力，仅在即将出现危险工况出发预警时对驾驶员做出相应的警示，所述的驾驶预警模块根据判断车轮的轮荷以及车身的姿态参数，通过反解的方式求出车辆的静态质量以判断是否超载，通过正解的方式判断轮荷数据的波动对打滑和侧翻进行预警，所述的主控制器存储车辆的动态行驶轮荷数据在数据存储单元中，便于后续的数据分析和数据通信。
[0031]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0032]
一、区别于地秤式被动测量的主动测量轮荷的方法以及驾驶交互，本发明通过安装在车辆底盘上的测试系统和与车辆电控系统融合的主控制器，主动地测出车辆受到的轮荷，区别于绝大多数的被动测量，主动测量拥有准确测量，动态真实反映行车状态，能够随时调用等特点，能够有效满足在车辆设计、车辆控制和行驶辅助等领域对数据的需求。
[0033]
二、本发明通过明晰的悬架结构计算车辆的受力，区别于轮荷测定轴承，本系统成本不高，并且能够达到民用工况下的精度需求。
[0034]
三、本系统结合了轮荷测定和驾驶预警的功能，将数据真正应用到实际驾驶环境中，对动态驾驶安全作出指导，这是之前的相关研究没有做到的。
附图说明
[0035]
图1为本发明系统工作流程示意图。
[0036]
图2为本发明系统的硬件安装示意图。
[0037]
图中标记说明：
[0038]
1、主控制器，2、悬架受力和力矩传感器，3、悬架几何变形传感器，4、加速度传感器，5、方向盘转角传感器，6、仪表放大电路，7、可视化模块，8、驾驶预警模块，9、数据存储单元。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明的保护范畴。
[0040]
实施例
[0041]
本发明公开了一种汽车动态轮荷测定和驾驶安全辅助系统，通过车辆自身对环境的感知和主控制器的计算，得出车辆运行时的实时轮荷，从而分析得到车辆的运行参数和特性，对驾驶状态进行判断，从而对驾驶员进行预警。
[0042]
如图1和图2所示，该系统包括分别安装于车上的主控制器、数据采集子系统、数据处理子系统、数据交互子系统，主控制器通过数据采集子系统采集的数据，再通过数据处理子系统进行数据清洗和信号放大，实时计算车辆受到的动态轮荷，并与车辆规定的载重实时比较，数据采集子系统包括悬架几何采集模块、悬架动力采集模块、车辆运行参数采集模块，数据处理子系统包括数据信号放大模块，数据交互子系统包括可视化模块和驾驶预警模块，可视化模块和驾驶预警模块根据主控制器计算的动态轮荷数据以及风险等级进行预警。
[0043]
数据采集子系统包括悬架受力和力矩传感器2、悬架几何变形传感器3、加速度传感器4、方向盘转角传感器5。其中悬架受力和力矩传感器安装在双横臂式悬架杆件上，本实施例中，悬架受力和力矩传感器2为应变片的编组，悬架几何变形传感器3为线位移传感器，并联安装在悬架阻尼弹簧上，加速度传感器安装在车轮的轮心位置，与立柱相连，方向盘转角传感器安装在转向柱末端，与转向柱串联。
[0044]
本实施例中，数据采集子系统采集到的数据，经过数据处理子系统的仪表放大电路6排除电磁信号干扰，随后与主控制器1相连，在主控制器1中计算车辆受到的轮荷，其中仪表放大电路6安装在底盘上，防止走线长度过长而带来的附加电磁干扰。
[0045]
仪表放大电路6需要对悬架受力和力矩传感器2进行信号放大，主要工作原理为利用集成运算放大器的组合进行信号放大，其中由于电路板布置空间受限，设计了一种特制的布线方式，具体为：
[0046]
对于传感器输入差分信号，采用对称式的差分对布线保证信号的稳定，仪表放大电路6的pcb整体采用四层布局，中间两层只有两组差分对布线和接地铺铜，上下两层负责其他信号且均采用铺铜屏蔽，对于传感器输入差分信号，采用对称式的差分对布线保证信号的稳定，实现其功能。
[0047]
数据交互子系统与主控制器1连接，包括可视化模块7和驾驶预警模块8，将主控制器的计算结果实时传输到驾驶舱的交互面板，并且对当前驾驶状态进行显示和预警，直接与驾驶员进行交互。根据主控制器1判断的风险情况比如超载、侧翻、打滑等情况，数据交互子系统将进行对应的显示和警告。
[0048]
主控制器1中，首先通过悬架几何采集模块，计算得到每一瞬时的悬架结构，随后根据车辆运行参数采集模块，得到在当前整体车辆姿态下，轮荷的分布比例，最后根据悬架动力采集模块，得到对应比例下，基于悬架受力计算出的轮荷大小，整个计算过程环环相扣，互相耦合，并不分开进行，依据已知质量的轮荷分布公式计算如下：
[0049]fx
＝m*a
x-f
空气阻力
[0050]fy
＝m*ay[0051]fz
＝m*(az+g)+f
空套下压力
[0052]fy
＝(fz*m*ay)/(m*(az+g)+f
空套下压力
)
[0053]
其中，f为轴力，a为加速度，m为质量，g为重力加速度，下标x、y和z分别对应x、y和z轴。
[0054]
在主控制器1中，关于悬架几何的计算方法如下。
[0055]
将双横臂式悬架等效成为由rssr和rssp并联机构组成的杆件组合，其中前悬有两个自由度，后悬有一个自由度，悬架几何的rssr模型求解公式为：
[0056]
asinθ0+bcosθ0+c＝0
[0057]
a＝cosα
30
sinθ
1-s0sinα
30
/h1[0058][0059][0060]
其中，θ0为输出横臂的转角，θ1为输入横臂的转角，α
30
为两横臂转轴夹角，s0为输入横臂到两横臂公垂线垂足的距离，h1为输入横臂的摇臂长度，l为两横臂之间连接件的长度，h3为输出横臂的摇臂长度，s3为输出横臂到两横臂公垂线垂足的距离，h0为两横臂转轴的公垂线距离。
[0061]
在实际车载情况下，为了加快程序运行速度以及为了确保程序运行的稳定性，将上述求解过程在悬架跳动和转向的区域内合理离散化，随后对所有离散化数据进行多项式插值，得到了一组悬架几何实际硬点关于线位移传感器和方向盘转角传感器数据的函数，将此函数作为真正的对应关系写入实际车载主控制器1中，提高运作效率。
[0062]
主控制器1得到了悬架几何参数之后，随即进行悬架的受力计算，计算原理为，将悬架所有杆件受到的力和力矩联立方程，结合加速度传感器4得到的车辆运行参数，建立关于悬架的在非惯性系下的平衡方程组，随后进行求解，根据已知的悬架受力和力矩传感器的数据，反解求出车辆的轮荷。
[0063]
求解的平衡方程组如下所示，其中，最后的矩阵为空间受力的矩阵方程：
[0064]fz
＝m*(az+g)+f
空套下压力
[0065]fy
＝(fz*m*ay)/(m*(az+g)+f
空套下压力
)
[0066]fx
＝(fz*(m*a
x-f
空气阻力
))/(m*(az+g)+f
空套下压力
)
[0067][0068]
其中，e代表每根对应杆件的方向向量，m(带下标)代表所受到的力矩的方向向量，最右边一列分别代表受到的外力和外力矩。下标ucafront代表上横臂前杆，ucarear代表上横臂后杆，lcafront代表下横臂前杆，lcarear代表下横臂后杆，push代表推杆，steer代表转向横拉杆，上述矩阵中每一项实际为下列的向量：
[0069][0070]
上数矩阵实际为一个6
×
7的矩阵。而矩阵中含有6个未知量，即每个杆件受力对应的大小，故将上述矩阵化简为最简形式之后，对应几个求出各个杆件的受力大小。即可得到|fi|，随后将其乘以杆件对应的单位向量，即可得到杆件受力对应的向量表达式，即：
[0071]fi
＝|fi|
·ei
[0072]
据此可以得到推杆受力f
push
与轮荷fz的表达式，直接对上述方程组进行反解，即可
得到目标结果。
[0073]
在实际车载情况下，为了加快程序运行速度并确保测出的轮荷数据的平滑性，对程序所求解的数据集进行高斯滤波处理，防止在后续的预警计算中出现误报的情况。
[0074]
至此，得到了实时的车辆轮荷数据，为之后的预警以及数据存储提供了数据来源。
[0075]
本发明中的预警功能主要包括车辆超载预警、侧翻预警和打滑预警。通过主控制器1计算得到轮荷之后，进一步对数据进行计算和分析，通过计算的轮荷和加速度传感器4得到的车身姿态参数，能够反解出真实的车辆载重，至此能够得到车辆的实际重量，作为车辆是否超载的判断依据。
[0076]
车辆打滑和侧翻主要体现在根据轮荷求解出的车身姿态是否正常，根据加速度传感器4所求的车身姿态参数和本发明计算出的轮荷数据联立，能够得到车辆各个车轮的附着力变化，由此能够检测到车辆侧翻之前的轮荷不稳定波动以及急剧变化从而提前预警驾驶员调整驾驶策略，通过监测车辆在雨雪天气即将侧滑时的轮速和车身实际速度以及所受载荷的变化，预警驾驶员采取减速和控制方向的措施。
[0077]
在交互界面，驾驶员得到的交互信息不会是直接的轮荷数据，而是类似于车辆的内嵌式系统，只有在危险工况时才会在仪表盘上进行相应的预警显示，充分防止驾驶员受到驾驶干扰，并且能够达到最好的预警效果。
[0078]
在数据存储单元9中，存储有车辆行驶的轮荷数据和车身姿态参数，方便读取。在交通事故分析、道路桥梁设计和维护、车辆悬架改进设计调校等领域均可利用此数据作为辅助或者重要支撑，存储数据能够通过数据存储单元9，为后续的数据通信奠定基础，从而实现交通管理部门对交通隐患的实时监测和排查。
[0079]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围之内，可轻易想到的各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，办发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。