一种汽车轮胎偏转角度测量装置及测量方法与流程

本发明能够实时的显示在侧方位停车和倒车时轮胎的偏转角度，以帮助汽车新手能够实时准确的调整轮胎角度和车身，让汽车安全入库。

背景技术：

在驾照科目考试中，科目二中侧方位停车和倒车入库通过率最低。侧方位停车和倒车入库的常用方法：从后视镜中观察轮胎与车位的位置，通过调整方向盘的角度进而调整轮胎角度以使车辆顺利入库。但是，对于新手而言，因为经验不足，无法准确的判断方向盘偏转角度与汽车轮胎偏转角度的关系，在侧方位停车或倒车入库时会因为汽车轮胎角度调整的不正确而碰撞到车位旁边的车辆，会造成经济上的损失。

在现有的汽车装置中还没有专门针对汽车新手侧方位停车和倒车入库时轮胎偏转角度实时显示的装置。因此，需要一种能够准确的显示轮胎偏转角度的装置和方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种结构简单、使用方便、可靠性高的实时显示汽车轮胎偏转角度的装置和方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种汽车轮胎偏转角度测量装置，其特征在于，包括电源模块、角度测量模块、控制模块、无线通讯模块、显示模块；所述电源模块、角度测量模块、控制模块、无线通讯模块集成在一起组成汽车偏转角度测量装置，尺寸小，可将测量装置嵌入汽车方向盘套中；显示模块的液晶显示屏置于汽车仪表盘上方；电源模块为其他模块供电；角度测量模块实时的测量汽车轮胎的偏转角度，角度测量模块的数据输出端与中央处理器(即控制模块)的数据输入端相连接，角度测量模块将汽车轮胎偏转角度数据送入中央处理器进行处理；中央处理器对从角度测量模块获得的数据进行分析解算，得出汽车轮胎准确的偏转角度数值；得到汽车轮胎的偏转角度后，中央处理器控制无线通讯模块把得到的汽车轮胎偏转角度数据传送到显示模块；显示模块将无线通讯模块传送的汽车轮胎偏转角度数据在液晶显示屏上实时显示，汽车轮胎向左偏转显示为负角度值，汽车轮胎向右偏转显示为正角度值。

一种汽车轮胎偏转角度测量方法，包括以下步骤：

步骤s1:角度测量模块实时的测量汽车轮胎的偏转角度，角度测量模块的数据输出端与中央处理器(即控制模块)的数据输入端相连接，角度测量模块将汽车轮胎偏转角度数据送入中央处理器进行处理；中央处理器对从角度测量模块获得的数据进行分析解算，得出汽车轮胎准确的偏转角度数值；

步骤s2:得到汽车轮胎的偏转角度后，中央处理器控制无线通讯模块把得到的汽车轮胎偏转角度数据传送到显示模块；显示模块将无线通讯模块传送的汽车轮胎偏转角度数据在液晶显示屏上实时显示，汽车轮胎向左偏转显示为负角度值，汽车轮胎向右偏转显示为正角度值。

优选地，所述步骤s1具体包括以下步骤：

步骤s11：角度测量模块中的三轴加速度传感器通过测量静止状态下x、y、z三轴的加速度，利用重力加速度与其在三轴加速度传感器的x、y、z三轴的分量关系，计算出各轴与重力加速度的夹角，从而得出系统倾角；

步骤s12：角度测量模块的数据输出端与中央处理器的数据输入端相连接，角度测量模块将汽车轮胎偏转角度数据送入中央处理器进行处理；

步骤s13：中央处理器(即控制模块)对从角度测量模块获得的数据进行分析解算得出汽车轮胎准确的偏转角度数值；

优选地，所述步骤s11具体包括以下步骤：

步骤s111：如果芯片水平静止，x，y方向的重力加速度为0g，z轴方向的重力分量为g；

步骤s112：如果各边与水平方向有一些夹角，x轴方向的加速度大小为ax，其与水平线的夹角为α，与重力加速度的夹角为α1；同理,y轴方向的加速度大小为ay，其与水平线的夹角为β，与重力加速度的夹角为β1；y轴方向的加速度大小为az，其与水平线的夹角为γ，与重力加速度的夹角为γ1；

步骤s113：计算得到

步骤s114：解算得到弧度值分别为：

步骤s115:传感器模块上电后，加速度使惯性质量偏转、差分电容失衡，使传感器输出与加速度成正比的电压值；模块对得到的电压值进行模数转换后进行数字滤波，再存入fifo存储器，最后根据中断指令将数字信号传输给外部控制器。

本发明优点：

(1)本发明汽车轮胎偏转角度测量装置及测量方法根据汽车方向盘偏转角度与汽车轮胎偏转角度的转向比关系，通过角度测量装置测量出汽车方向盘的偏转角度，可间接的测得汽车轮胎的偏转角度，把测得的汽车轮胎偏转角度实时在液晶显示屏上显示，以便车主及时调整方向盘角度进而调整汽车轮胎的偏转角度和车身使车辆安全正确的入库，测量装置结构简单，有良好的精确度和稳定度。

(2)本发明汽车轮胎偏转角度测量装置及测量方法将电源模块、角度测量模块、控制模块、无线通讯模块集成在一起组成角度测量装置，尺寸小，可以嵌入汽车方向盘套中，不会改动汽车内部的电路，保证汽车内部电路原有的整体性。

(3)本发明汽车轮胎偏转角度测量装置及测量方法，使用方便，把测量装置嵌入汽车方向盘套中即可测得汽车轮胎的偏转角度。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明汽车轮胎偏转角度测量装置模块图。

图2为本发明汽车轮胎偏转角度测量装置结构示意图和汽车轮胎偏转角度示意图。

图3为本发明汽车轮胎偏转角度测量装置中三轴加速度分量与倾角关系原理示意图。

图4为本发明汽车轮胎偏转角度测量装置检测到汽车轮胎向左偏转30度结构示意图和汽车轮胎向左偏转30度示意图。

图5为本发明汽车轮胎偏转角度测量装置检测到汽车轮胎向右偏转10度结构示意图和汽车轮胎向右偏转10度示意图。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，本发明一种汽车轮胎偏转角度测量方法采用电源模块、角度测量模块、控制模块、无线通讯模块、显示模块依次顺序连接，所述测量方法包括以下步骤：

步骤s1:角度测量模块实时的测量汽车轮胎的偏转角度，角度测量模块的数据输出端与中央处理器(即控制模块)的数据输入端相连接，角度测量模块将汽车轮胎偏转角度数据送入中央处理器进行处理；中央处理器对从角度测量模块获得的数据进行分析解算，得出汽车轮胎准确的偏转角度数值；步骤s1具体包括以下步骤：

步骤s11：角度测量模块由三轴加速度传感器和滤波电容组成，三轴加速度传感器可以测量空间加速度，能够全面准确反映物体的运动性质；在预先不知道方向盘偏转方向时，应用三轴加速度计传感器来检测加速度信号；角度测量模块中的三轴加速度传感器通过测量静止状态下x、y、z三轴的加速度，利用重力加速度与其在三轴加速度传感器的x、y、z三轴的分量关系，计算出各轴与重力加速度的夹角，从而得出系统倾角；重力加速度在三轴的分量与倾角关系如图3a、图3b、图3c、图3d所示；

步骤s12：角度测量模块的数据输出端与中央处理器的数据输入端相连接，角度测量模块将汽车轮胎偏转角度数据送入中央处理器进行处理；

步骤s13：中央处理器(即控制模块)对从角度测量模块获得的数据进行分析解算得出汽车轮胎准确的偏转角度数值；

步骤s2:得到汽车轮胎的偏转角度后，中央处理器控制无线通讯模块把得到的汽车轮胎偏转角度数据传送到显示模块；显示模块将无线通讯模块传送的汽车轮胎偏转角度数据在液晶显示屏上实时显示，汽车轮胎向左偏转显示为负角度值，汽车轮胎向右偏转显示为正角度值。

本发明汽车轮胎偏转角度测量方法的汽车方向盘偏转角度测量环节的步骤s11包括以下过程：

步骤s111：如果芯片水平静止，x，y方向的重力加速度为0g，z轴方向的重力分量为g；

步骤s112：如果各边与水平方向有一些夹角，x轴方向的加速度大小为ax，其与水平线的夹角为α，与重力加速度的夹角为α1；同理,y轴方向的加速度大小为ay，其与水平线的夹角为β，与重力加速度的夹角为β1；y轴方向的加速度大小为az，其与水平线的夹角为γ，与重力加速度的夹角为γ1；

步骤s113：计算得到

步骤s114：解算得到弧度值分别为：

步骤s115:传感器模块上电后，加速度使惯性质量偏转、差分电容失衡，使传感器输出与加速度成正比的电压值；模块对得到的电压值进行模数转换后进行数字滤波，再存入fifo存储器，最后根据中断指令将数字信号传输给外部控制器。

步骤s113的求解过程如下：

α1＝90°-α，β1＝90°-β，υ1＝90°-υ(1)

g在各轴上的分量为：ax＝gcosα1，ay＝gcosβ1，az＝gcosγ1(2)

根据公式(1)和公式(2)可以计算得到

g*g＝ax*ax+gcosα*gcosα(4)

根据公式(3)和公式(4)计算得到

步骤s114的求解过程如下：

根据立体几何中，g相当于立方体的对角线，ax，ay，az相当于三条边，根据勾股定理ax²+ay²+az²＝g²，则可知

根据公式(6)可以计算得到：同理可得最后得出加速度传感器值与角速度的关系为：

α，β，γ分别是x、y、z与水平线的角速度值即弧度值，ax，ay，az是三个轴上的加速度值。根据公式(7)计算得到弧度值分别为：

如图2所示，此图为汽车轮胎偏转角度测量装置结构示意图，角度测量装置6嵌入在汽车方向盘7上的汽车方向盘套中，液晶显示屏8置于汽车仪表盘上方；角度测量装置6集成了如图1所示的电源模块1、角度测量模块2、控制模块3、无线通讯模块4；电源模块1为其他模块供电；角度测量模块2由三轴加速度传感器和滤波电容组成，三轴加速度传感器可以测量空间加速度，能够全面准确反映物体的运动性质；在预先不知道方向盘偏转方向时，应用三轴加速度计传感器来检测加速度信号；所选的传感器的技术规格：小巧轻薄(3mm×5mm×1mm的外形尺寸)、超低功耗(在典型电压vs＝2.5v时功耗电流约为25～130μa)、可变量程(最大量程可达±16g，另可选择±2、±4、±8g量程)、高分辨率(采用固定的4mg/lsb分辨率模式，可测得0.25°的倾角变化)、集成一个32级fifo缓存器(用来缓存数据以减轻处理器的负担)、具有spi和i2c数字输出功能；传感器模块上电后，加速度使惯性质量偏转、差分电容失衡，使传感器输出与加速度成正比的电压值；模块对得到的电压值进行模数转换后进行数字滤波，再存入fifo存储器，最后根据中断指令将数字信号传输给外部控制器；传感器不直接测量倾斜角度，而是通过测量静止状态下x、y、z三轴的加速度，利用重力加速度与其在三轴加速度传感器的x、y、z三轴的分量关系，计算出各轴与重力加速度的夹角，从而得出系统倾角；重力加速度在三轴的分量与倾角关系如图3a、图3b、图3c、图3d所示；根据图3a、图3b、图3c、图3d可推导出倾角的计算公式：

其中x轴方向的重力加速度大小为ax,其与水平线的夹角为α，y轴方向的重力加速度大小为ay,其与水平线的夹角为β，z轴方向的重力加速度大小为az,其与水平线的夹角为γ。

在角度测量装置6中，单片机控制模块3是数据处理和信号控制的核心；要满足本测控系统设计需求，单片机控制模块3具备控制系统所需的模拟和数字外设，包括看门狗、a/d和d/a转换器、电压基准输出、定时器、pwm、定时器捕捉和方波输出等；能够实现方向盘转角数据采集、角度解算、lcd显示控制等一系列功能；根据得到的三个系统倾角值就可以得到方向盘的转动角度；对于一般的小汽车，方向盘向右打死为一圈半(270度)，向左打死也为一圈半(270度)，普通汽车的转向比是8:1，即方向盘转动8度，轮胎转动1度；因此可得当方向盘向左或向右打死时，轮胎的最大转动角度为33.75度；得到汽车方向盘的转动角度后即可用单片机控制模块3计算得到汽车轮胎的偏转角度。

在角度测量装置6中，显示模块5实时显示轮胎偏转角度，显示屏能够同时显示16×2即32个字符、显示效果好、价格低、开发方便；液晶显示屏端口，包括背光源正负极、电源正负极与液晶显示偏压信号，3个命令选择端和8个数据i/o口；将3个命令选择端和8个数据i/o口配置给单片机，设置单片机p3.0为数据/命令选择端，p3.1为读写选择端，p3.5为使能端，数据i/o口分别配置给p2.0-p2.7，通过编程实现单片机与液晶显示屏之间的通信，达到实时显示轮胎偏转角度的目的。

在角度测量装置6中，无线通讯模块4把轮胎偏转角度数据传送到显示模块5中。根据系统需求，采用基于ieee802.15.4标准的低功耗局域网协议，即低功耗的近距离无线组网通讯技术；无线通讯协议简单、网络容量大、延时短、网络的自组织、自愈能力强、通信可靠、数据安全；能够实时准确的把汽车轮胎的偏转角度数据传送到显示模块5中。

本发明一种汽车轮胎偏转角度测量装置及测量方法把角度测量装置嵌入在汽车方向盘套中，显示屏置于汽车仪表盘上方；角度测量装置在检测得到汽车方向盘的偏转角度之后即可得到汽车轮胎的偏转角度，并在液晶显示屏上显示汽车轮胎的偏转角度，如图4和图5所示达到检测汽车轮胎偏转角度的目的。

综上所述，本发明一种汽车轮胎偏转角度测量装置尺寸小，能够安装在汽车方向盘套中；本发明一种汽车轮胎偏转角度测量方法通过角度检测装置检测到汽车方向盘的偏转角度，进而得到汽车轮胎的偏转角度；本发明汽车轮胎偏转角度测量装置结构简单，便于移植，根据不同类型的汽车，修改相应的系统参数，把角度测量装置安装于汽车方向盘套中即可。