一种车辆稳定性及轮胎面内作用力集成测量系统及方法与流程

本发明涉及车辆测试领域，尤指一种车辆稳定性及轮胎面内作用力集成测量系统及方法。

背景技术：

事故现场轮胎痕迹反映了事故前-后车辆的运动轨迹、行驶速度、轮胎状态和制动措施，通过分析轮胎痕迹可判定车辆碰撞前-后的瞬时速度、碰撞特性、接触部位和碰撞点位置。因此，勘测并分析现场轮胎痕迹就成为事故处理的最常用手段。然而，道路交通事故现场的轮胎印迹经常表现出一定的显隐特性，如图1所示。这种具有显隐特征的轮胎痕迹是车辆紧急制动工况下轮胎与粗糙路面接触并发生相对滑移时，在载荷、接触应力和摩擦生热等多因素耦合作用下使胎面橡胶微粒脱落并沿轮胎宽度和周向不均匀粘附的直观表现(三维全局磨损)，是车辆、轮胎和路面系统综合作用的结果。这种印迹当中隐藏着丰富的交通事故信息，解析印迹与车辆稳定性的关联特性是之后交通事故判定的重要方向。

分析轮胎印迹特性的关键是获得轮胎面内作用力动态变化特性与车辆非稳态动态参数的关联机理，而如何同时获得车辆非稳态动态参数和轮胎面内作用力时变特性是基础。于此同时，针对车辆稳定性及轮胎面内作用力分析、性能评估这个特殊的领域，传统的测评方法已不适用。为高效推进交通事故判定中关于轮胎印迹特性判定的发展，有必要针对车辆稳定性测量及轮胎面内动态力进行研究。

技术实现要素：

本发明提供了一种车辆稳定性及轮胎面内作用力集成测量系统及方法，能够同时对车辆稳定性及轮胎面内作用力进行实时测量。

为了达到本发明目的，本发明提供一种车辆稳定性及轮胎面内作用力集成测量系统，包括定位系统、车辆稳定性测量系统、轮胎动态应变测量系统、以及数据采集和处理系统，其中：

所述定位系统用于实时记录车辆的行驶位置信息、运动时间及时基信息；

所述车辆稳定性测量系统用于实时测量车辆质心稳定性参数、转向盘转向角参数和制动踏板力参数；

所述轮胎动态应变测量系统用于实时测量轮胎的转速、加速度以及轮毂和胎面应变信息；

所述数据采集和处理系统用于采集所述定位系统、车辆稳定性测量系统、轮胎动态应变测量系统记录的数据，进行处理并存储。

可选地，所述定位系统进一步用于采用通用分组无线业务GPRS技术，接收卫星信号，采用差分的方式记录车辆的运行轨迹、运行时间和制动距离。

可选地，所述车辆稳定性测量系统包括陀螺仪、方向盘转角测量仪和制动踏板力测量仪，其中，

所述陀螺仪位于车辆质心处，用于实时测量车辆质心稳定性参数；

所述方向盘转角测量仪位于方向盘处，用于实时测量方向盘转角和力矩；

所述制动踏板力测量仪用于检测对踩踏制动踏板的力。

可选地，所述制动踏板力测量仪进一步用于当检测到踩踏制动踏板的力时，触发所述定位系统、陀螺仪、方向盘转角测量仪和轮胎动态应变测量系统开始记录。

可选地，所述车辆稳定性测量系统还包括与所述制动踏板力测量仪相连的无线触发装置，

所述无线触发装置用于根据所述制动踏板力测量仪的触发信息，通过无线方式发送触发信号至所述轮胎动态应变测量系统。

可选地，所述轮胎动态应变测量系统包括：安装在轮毂上的应变传感器装置、安装在轮胎内部的PVDF装置和轮速传感器测量装置，其中

所述应变传感器装置用于测量轮毂应力；

所述PVDF装置用于测量胎面应力；

所述轮速传感器测量装置用于测量轮胎的转速和加速度信息。

可选地，所述轮胎动态应变测量系统还包括：数据无线收发装置，

所述数据无线收发装置用于通过紫蜂协议Zigbee无线传输方式接收触发信号，并将所述触发信号发送至应变传感器装置、PVDF装置和轮速传感器测量装置，以及，通过Zigbee无线传输方式将测量的数据发送至所述数据采集和处理系统。

可选地，所述轮胎动态应变测量系统还包括：能量自给装置，

所述能量自给装置用于为所述应变传感器装置、PVDF装置、轮速传感器测量装置和数据无线收发装置供电。

本发明还提供一种车辆稳定性及轮胎面内作用力集成测量方法，包括：

当检测到踩踏制动踏板的力时，实时测量车辆的运行轨迹、运行时间和制动距离，以及实时测量车辆质心稳定性参数、转向盘转向角参数、轮胎的转速、加速度以及轮毂和胎面应变信息；

对测量得到数据进行采集、处理并存储。

可选地，所述当检测到踩踏制动踏板的力时，实时测量车辆的运行轨迹、运行时间和制动距离，以及实时测量车辆质心稳定性参数、转向盘转向角参数、轮胎的转速、加速度以及轮毂和胎面应变信息的步骤中，

通过定位系统采用通用分组无线业务GPRS技术，接收卫星信号，采用差分的方式记录车辆的运行轨迹、运行时间和制动距离；

通过位于车辆质心处的陀螺仪实时测量车辆质心稳定性参数；

通过位于方向盘处的方向盘转角测量仪实时测量方向盘转角和力矩；

通过制动踏板力测量仪检测对踩踏制动踏板的力；

通过应变传感器装置测量轮毂应力；

通过PVDF装置测量胎面应力；

通过轮速传感器测量装置测量轮胎的转速和加速度信息。

通过本发明实施例，能够快速准确、同步的检测车辆非稳态输入下的稳定性参数及轮胎面内作用力时变特性，对于分析交通事故现场轮胎印迹产生机理具有很高的理论价值，同时对车辆稳定性和轮胎作用力分析及测试应用带来很大的方便。为车辆稳定性、轮胎印迹机理分析的研究工作打下了良好的基础。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1是轮胎显隐印迹特性图；

图2是本发明实施例的车辆稳定性及轮胎面内作用力集成测量系统的组成示意图；

图3是本发明实施例的车辆稳定性测量系统组成示意图；

图4是本发明实施例的轮胎动态应变测量系统组成示意图；

图5(a)是PVDF装置纵向布局及测量原理；

图5(b)是PVDF薄膜测量原理；

图5(c)是PVDF装置横向布局示意图；

图6是本发明实施例的能量自给装置组成示意图；

图7是本发明应用示例的车辆稳定性及轮胎面内作用力集成测量系统的组成示意图；

图8是本发明实施例的车辆稳定性及轮胎面内作用力集成测量方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

目前，通过室内静态、动态试验可测量并验证基于点接触模型的轮胎力的大小和变化特性，通过拟合对轮胎动力学特性进行全面分析，其主要作用为分析车辆的稳定性，但车辆在运行过程中轮胎的动态特性变化无法通过室内试验进行精确测量；采用轮胎面内应力测试设备(Tirescan)能够对轮胎面内三向作用力进行详细的分析，但是只能分析固定路段轮胎经过时的瞬态接触特性；基于ABAQUS的有限元分析模型虽然能够全面的分析轮胎力学、轮胎接触面内动态特性等，但是获取轮胎参数较困难，有些参数仍然需要拟合，影响了轮胎力学分析的精度。

近年来，PVDF测量技术的发展为轮胎动态应变实时测量提供了可能。PVDF很柔软，能很好适应轮胎橡胶变形大的特点，同时因其刚度小，对轮胎橡胶的干扰很小，测量更准确。目前PVDF薄膜的机械性能、物理性能等指标可以满足轮胎胎内测试环境要求。从高速旋转的轮胎内部传输胎内传感器测量数据只能通过无线的方式，而无线局域网通讯技术的快速发展使非接触测量数据的实时收发成为可能。Zigbee(紫蜂协议)数据传输是一种近距离、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术，可实现250kbps速率的数据传输，适合轮胎内传感器的数据传输，为轮胎动态应变数据传输、车辆稳定性能和轮胎面内作用力测量系统试验平台开发提供了基础。

本发明实施例提供一种能够同时对车辆稳定性和轮胎面内作用力进行测量及评价的测量系统。该系统具有设计简单、运算量小、便于实现等特点。此系统可以对车辆稳定性及轮胎面内作用力进行高精度实时测量和评价，对应用带来很大的简便。

如图2所示，本发明实施例的车辆稳定性及轮胎面内作用力集成测量系统，可在测量车辆稳定性参数的同时对轮胎面内作用力进行实时测量，包括定位系统11、车辆稳定性测量系统12、轮胎动态应变测量系统13、以及数据采集和处理系统14，其中：

所述定位系统11用于实时记录车辆行驶位置信息、运动时间及时基信息；

所述车辆稳定性测量系统12用于实时测量车辆质心稳定性参数、转向盘转向角参数和制动踏板力参数；

所述轮胎动态应变测量系统13用于实时测量轮胎的转速、加速度以及轮毂和胎面应变信息；

所述数据采集和处理系统14用于采集所述定位系统、车辆稳定性测量系统、轮胎动态应变测量系统记录的数据，进行处理并存储。

通过本发明实施例，能够快速准确、同步的检测车辆非稳态输入下的稳定性参数及轮胎面内作用力时变特性，对于分析交通事故现场轮胎印迹产生机理具有很高的理论价值，同时对车辆稳定性和轮胎作用力分析及测试应用带来很大的方便。为车辆稳定性、轮胎印迹机理分析的研究工作打下了良好的基础。

下面对车辆稳定性及轮胎面内作用力集成测量系统的每个组成部分进行详细说明。

一、定位系统11

所述定位系统11进一步用于采用GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线业务)技术，接收卫星信号，采用差分的方式记录车辆运行轨迹、运行时间和制动距离。

制动距离由车辆稳定性测量系统12中制动踏板力测量仪触发，经差分计算得出。经过GPRS定位系统11，将车辆运行坐标进行实时存储，经过后期数据处理即可实现车辆轨迹的多模式显示。同时，基于GPRS定位系统11为整个系统提供时基，所有测量系统的测量时序严格按照此时基进行。

二、车辆稳定性测量系统12

如图3所示，所述车辆稳定性测量系统12包括陀螺仪121、方向盘转角测量仪122和制动踏板力测量仪123，其中，

所述陀螺仪121位于车辆质心处，用于实时测量车辆质心稳定性参数；

其中，所述陀螺仪121可以采用IMU02陀螺仪；

所述方向盘转角测量仪122位于方向盘处，用于实时测量方向盘转角和力矩；

所述制动踏板力测量仪123用于检测对踩踏制动踏板的力。

本实施例中，通过方向盘转角测量仪122及制动踏板力测量仪123测量车辆模型的输入参数，由陀螺仪121测量车辆质心稳定性动态参数的变化。

本实施例中，所述制动踏板力测量仪123进一步用于当检测到踩踏制动踏板的力时，触发所述定位系统11、陀螺仪121、方向盘转角测量仪122和轮胎动态应变测量系统13开始记录。

所述制动踏板力测量仪123进一步用于当检测不到踩踏制动踏板的力时，触发所述定位系统11、陀螺仪121、方向盘转角测量仪122和轮胎动态应变测量系统13停止记录记录。

在其他实施方案中，也可以是当所述踩踏制动踏板的力大于等于预设阈值时，触发所述定位系统11、陀螺仪121、方向盘转角测量仪122和轮胎动态应变测量系统13开始记录，当所述踩踏制动踏板的力小于预设阈值时，触发所述定位系统11、陀螺仪121、方向盘转角测量仪122和轮胎动态应变测量系统13停止记录。

所述车辆稳定性测量系统12还可包括与所述制动踏板力测量仪123相连的无线触发装置124，

所述无线触发装置124用于根据所述制动踏板力测量仪123的触发信息，通过无线方式发送触发信号至所述轮胎动态应变测量系统13。

所述无线触发装置124可采用Zigbee数据传输方式发送触发信号至轮胎动态应变测量系统13。

在本实施例中，方向盘转角测量仪122对方向盘转角和力矩进行测量，制动踏板力测量仪123对踩踏制动踏板的力进行测量，车辆质心处的稳定性参数由IMU02陀螺仪121进行实时测量，经坐标转换为质心处的动态参数。三个测量装置由制动踏板力测量仪123触发，并作为基准进行数据的存储和分析，所测得的数据直接传输至数据采集和处理系统14，可以经快速总线技术传输至数据采集和处理系统14中的数据存储记录仪当中，可以进一步由上位机及其软件系统统一进行处理和分析。

三、轮胎动态应变测量系统13

如图4所示，轮胎动态应变测量系统13包括：安装在轮毂上的应变传感器装置131、安装在轮胎内部的PVDF装置132和轮速传感器测量装置133，其中

所述应变传感器装置131用于测量轮毂应力；

其中，应变传感器装置131可包括多个安装在轮毂上的应变传感器。

所述PVDF装置132用于测量胎面应力；

如图5(a)～图5(c)所示，PVDF装置132可包括安装在轮胎内部的多个PVDF装置。其中，L_p表示轮胎接地长度，T_x表示传感器接地长度，v表示车辆行驶速度，ω表示车轮转动角速度，r表示传感器和轮胎半径，R(x,y)表示传感器在对应点处的曲率半径，θ表示传感器表面夹角，F表示在x方向上的受力。当PVDF装置收到x方向的力时，PVDF薄膜曲率发生变化，此时可通过测量PVDF薄膜变形量求解受力大小。

所述轮速传感器测量装置133用于测量轮胎的转速和加速度信息。

所述轮速传感器测量装置133可采用Kisler WPT轮速传感器。

本实施例中，通过在轮毂周围布置应变传感器对轮毂在车辆稳定性过程中的应变进行测量；对胎面应力的测量则使用PVDF装置，适当的安装在轮胎内部，安装位置如图5(c)所示，其密度由研究目的决定。在车辆运行过程中，轮胎动态应变测量系统13在制动踏板力测量仪123的触发下开始对轮胎动态应变进行测量。

虽然目前的PVDF装置已可以实现轮胎胎内变形和加速度信息的实时动态监测，其中的变形数据与加速度数据互为等效，通过简单的数学处理可以互相转化，但测量过程中噪声较大且存在一定的误差。因此，为对车轮加速度进行精确的测量，采用Kisler轮速传感器测量系统，对轮胎的转速、转角加速度进行测量和对比验证。

在本实施例中，所述轮胎动态应变测量系统还包括：数据无线收发装置134，

所述数据无线收发装置134用于通过无线方式接收触发信号，并将所述触发信号发送至应变传感器装置131、PVDF装置132和轮速传感器测量装置133，以及，通过无线方式将测量的数据发送至所述数据采集和处理系统14。

所述数据无线收发装置134可采用紫蜂协议Zigbee无线传输技术传输数据。

所采集数据不经存储直接由Zigbee无线传输技术进行传输，通过数据无线收发装置134将数据实时传递至数据采集和处理系统14，由此方式完成应变信息的采集和无线传输。

可选地，所述轮胎动态应变测量系统13还包括：能量自给装置135，

所述能量自给装置135用于为所述应变传感器装置131、PVDF装置132、轮速传感器测量装置133和数据无线收发装置134供电。如图6所示，能量自给装置135包括依次相连的充电管理电路、锂电池、放电保护电路和开关控制电路，充电电源分别与充电管理电路和开关控制电路相连，开关控制电路输出电压为所述应变传感器装置131、PVDF装置132、轮速传感器测量装置133和数据无线收发装置134供电。

四、数据采集和处理系统14

所述数据采集和处理系统14用于采集所述定位系统、车辆稳定性测量系统、轮胎动态应变测量系统记录的数据，进行处理并存储，可包括数据采集和处理模块和数据存储记录仪。

其中，数据采集和处理模块可采用DEWEsoft，经传感器采集到的数据存在一定的噪声，且数据格式也可能需要转换，因此数据采集和处理模块需对数据进行适当处理。对所采集到的轮胎动态参数、车辆稳定性参数及轮胎动态应变信息进行统一采集和处理，最后经高速总线技术将采集参数传输至数据存储记录仪当中，用于后期的数据分析和处理。至此，完成整个系统的测量和数据采集、存储和分析工作。

如图7所示，为本发明应用示例的车辆稳定性及轮胎面内作用力集成测量系统的组成示意图。车辆稳定性参数由方向盘转角测量仪、制动踏板力测量仪和IMU02陀螺仪进行测量，车轮动态特性由Kistler WPT轮速传感器测量，GPRS/北斗卫星测量模块实施测量车辆的运行轨迹、制动时间和制动距离；轮胎动态应变测试系统对轮毂应力和胎面应力进行实时测量，经局域无线传输技术对数据进行传输；所有系统触发都由制动踏板力测量仪触发条触发，所测得的数据经卫星系统所提供的时基传输至数据采集与处理模块，最后经高速总线技术汇总至数据存储记录仪当中，用于后期的数据分析和研究。

如图7所示，为本发明实施例的车辆稳定性及轮胎面内作用力集成测量方法，包括：

步骤201，当检测到踩踏制动踏板的力时，实时测量车辆的运行轨迹、运行时间和制动距离，以及实时测量车辆质心稳定性参数、转向盘转向角参数、轮胎的转速、加速度以及轮毂和胎面应变信息；

其中，在本步骤中，通过定位系统采用GPRS技术，接收卫星信号，采用差分的方式记录车辆的运行轨迹、运行时间和制动距离。

通过GPRS定位系统实时记录车辆行驶位置信息、运动时间及时基等信息，这是本技术方案需要处理的时间基准和对象。

通过位于车辆质心处的陀螺仪实时测量车辆质心稳定性参数；通过位于方向盘处的方向盘转角测量仪实时测量方向盘转角和力矩；通过制动踏板力测量仪检测对踩踏制动踏板的力。

车辆行驶过程中的质心稳定性参数可由安装在近质心处的IMU02陀螺仪进行实时测量，方向盘转向角输入由方向盘转角测量仪进行测量，制动力由制动踏板力进行实时测量。

通过应变传感器装置测量轮毂应力；通过PVDF装置测量胎面应力；通过轮速传感器测量装置测量轮胎的转速和加速度信息。

其中，轮胎的转速、加速度和轮胎路面的整体接触信息，可通过Kisler轮速传感器进行实时测量；在轮胎内部进行PVDF装置的布局和无线数据采集、传输系统的固定，组成轮胎动态应变测量系统，在车辆运行过程中对轮胎作用力进行实时测量和数据的无线传输。其中时间的标定采用无线触发的方式对数据进行实时同步，此无线触发系统由制动踏板力测量仪进行触发。

步骤202，对测量得到数据进行采集、处理并存储。

通过车载数据采集和处理模块和数据存储记录仪对数据进行实时采集和处理，通过数据采集和处理模块将数据通过高速总线技术实时传送给数据存储记录仪，便于后期对车辆运行过程中的所有数据进行统一采集、处理和显示。

综上所述，本发明实施例具有如下优点：

1、有效的将GPRS数据采集，无线模块间数据传送，数据处理与存储融合于一个系统，为简单有效的评价车辆稳定性和轮胎面内作用力动态特性提供了一个良好的平台。

2、轮胎动态应变测量系统能够实时准确的测量轮胎非稳态工况接地过程中的三向作用力变化特性，使用方便、测量精度和实时性高。

3、有效的填补了车辆稳定性及轮胎作用力实时测量与评价的空洞，为今后车辆稳定性及轮胎作用力测量、轮胎印迹机理解析打下良好的基础。

通过以上分析可知，结合轮胎动态应变测量技术的车辆稳定性及轮胎面内作用力集成测量系统为车辆稳定性及轮胎面内作用力同时进行实时测试提供了一种简单有效、快速准确的方法。本发明实施例的方法可以延伸到车辆稳定性分析、轮胎印迹形成、轮胎磨损等相关的领域，具有广阔的应用前景。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的模块或步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。