专利名称：用于确定轮胎滚动表面粗糙度的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及与安装在汽车上的轮胎有关的测量设备。
背景技术：
已知，人们使用布置在轮胎内侧的测量设备确定表征轮胎工作状况的特定量。
专利申请US-A-2003/0058118描述了一种用于检测负荷下轮胎路面接触区域的检测设备，以及其它的一些设备。这种检测设备包括一个径向加速度计，其测量轴与安装有轮胎的车轮半径对直。该径向加速度计提供一个信号，通过操作(by means of elaboration)，由该信号可以获得与接触区域有关的信息。在本专利申请中明确指出，这些操作还包括低频滤波操作，用于消除与坑洼、石块和砂砾的存在有关的“道路噪音”。
专利申请US 2003/0095050描述了一种用于连续测量轮胎变形的设备，通过它可以获得与轮胎垂直压缩有关的信息，以及与汽车机动类型(沿着直线或曲线前进)有关的信息。本专利申请中描述的传感器设备包括一个安装在轮胎支持轮辋上的发光器，和一个固定在轮胎内壁上的反射面。
发明内容
本申请人处理与如下事实有关的问题，即已知技术所描述的有关轮胎测量装置只能提供有限类型的信息。特别地，本申请人观察到，传统的涉及轮胎的测量系统和方法不能够收集与轮胎滚动路面有关的信息。
本申请人观察到，通过从涉及轮胎的测量设备提供的信号中提取一个指示汽车在其上行进表面和轮胎在其上滚动表面粗糙度的输出，可以克服传统测量设备的限制。与轮胎滚动面(例如路面)的粗糙度有关的信息在汽车可自身安装的监视和/或控制系统中有非常有用的应用。例如，这些信息可能在由ABS(防抱死系统)系统执行的检查阶段具有重要作用。
根据第一个方面，本发明涉及一种用于确定轮胎滚动表面粗糙度的方法，其由附加权利要求1限定。实现该方法的优选形式由随后的权利要求2-16限定。根据第二个方面，本发明涉及一种用于检查汽车行为的方法，其由权利要求17限定，并且其优选的实现形式如权利要求18所述。
根据第三个方面，本发明涉及一种用于确定轮胎滚动表面粗糙度的系统，其由权利要求19限定，并且其优选的实现形式如随后的权利要求20-43所述。
根据第四个方面，本发明涉及一种轮胎，其由权利要求44限定。该轮胎的优选实现形式如随后的权利要求45-50所述。一种由权利要求51限定的车轮也是本发明的一个对象。
为了更好地理解本发明并感知其优点，下面参考附图对本发明的一些非限制的示例性实施例进行了说明，其中图1显示了轮胎的剖面图，在轮胎上固定有根据本发明特殊实施例的传感器设备；图2显示了根据本发明的传感器设备的一个实例的示意性功能框图；图3显示了根据本发明的固定单元的一个实例的示意性功能框图，其可以安装在汽车上；图4定性地显示了可以从所述传感器设备获得的加速度信号的行为；图5定性地显示了可以从所述传感器设备的过滤级获得的低通滤波加速度信号SLP和带通滤波加速度信号SBP的行为；图6显示了在第一试验条件下获得的三条曲线，其显示了粗糙度参数的趋势，其是轮胎角速度的函数，并且表征了三个不同的轮胎滚动表面；图7显示了与图6相似的另外三条曲线，但是在第二试验条件下导出的；图8显示了与图6相似的三条曲线，它们属于三种不同的轮胎模型并且与三个不同的轮胎滚动表面相关。
具体实施例方式
下面参考图1、2和3说明根据本发明的与汽车(未显示)轮胎11操作上相连的测量系统的实例。这种系统可以获得与汽车行进表面的粗糙度水平有关的信息。有利地，本发明的系统能够提供这种“行驶时间”信息，也就是说，它可以在汽车行进期间工作，可获得基本上与汽车行进面是同一表面的粗糙度的信息。需要注意，正如从下文的说明中可以显见的，本发明的系统(其可以包括与其相连的相同的轮胎)还可以具有其它的部件或部件单元，它们不固定在轮胎上，而是布置在汽车上，或者固定在装有该轮胎的车轮上。在任何一种情况下，这种系统都被认为与轮胎操作相连，因为它的至少一个部件在工作时，特别是在轮胎自身滚动期间，与轮胎或者与轮胎的一部分相互作用。
根据本实例，本发明的系统包括一个传感器设备3，其与轮胎11操作相连，并且任选地，在汽车上布置一个固定单元2。
根据本发明的一个特殊实施例，传感器设备3可以固定在轮胎11上，特别地，可以安装在可以被轮胎自身识别的空腔内部。参考这一实施例，图1显示了包括轮胎11和支持轮辋12的车轮的剖面图。这种轮胎11的类型称作“无内胎”类型，也就是，没有内胎。轮胎11通过布置在例如所述支持轮辋12的通道(channel)上的充气阀13充气。
轮胎11包括一个胎体(carcass)16，其终止在两个胎边(bead)14和14’，这两个胎边每一个沿着胎体16的一个内周缘形成，用于将轮胎11固定在相应的支持轮辋12上。胎边14和14’包括各自的增强环形芯(reinforcing annular core)15和15’，称作胎边芯(bead core)。
胎体16包括至少一种增强垫层(reinforcing ply)，其包括编织物或金属帘线(metallic cords)，其以一种超环面轮廓轴向地从一个胎边14延伸到另一个胎边14’，其末端与各自的胎边型芯15和15’相连。
在传统的“辐射”型轮胎中，前述帘线位于一个包含轮胎旋转轴的平面内。相对于胎体16的径向外侧位置布置一个环形结构17，称作条带(belt)。典型地，条带结构17包括一个或多个含有金属和/或编织物帘线的弹性材料条带，它们彼此交叠。在条带结构17周围缠绕由弹性材料构成的胎面带(tread band)18，该胎面带具有多种按照特殊配置分布的浮凸(relief)或块状图案(未显示)，与滚动面例如路面接触。在胎体的两个沿径向相对的横向位置处还布置两个由弹性材料构成的侧壁19和19’，它们的每一个从相应胎边14和14’的外缘径向地向外延伸。
在无内胎轮胎中，胎体16的内表面通常用保护涂层111，称作内衬，加以覆盖，该内衬由一个或多个不透气的弹性材料保护层构成。根据轮胎的具体类型，轮胎11还可以安装其它的传统元件或部件，例如胎边填料(filling)。
如图1所示，可以为轮胎11定义如下的基本方向径向Z，纵向(或者前进方向)X和横向Y。
根据图1的实例，传感器设备3布置在轮胎11与胎面18相对的内壁上，其结构在下文加以举例说明。更特别地，它基本上在与径向轴Z对准的轮胎11的中心线上。
传感器设备3通过一个固定元件332固定在内衬111的至少一个观察点P上，该固定元件同时附着在传感器设备3外壳的一个器壁上及内衬本身上。应当注意，根据本发明，术语“点”是指轮胎11的一个区域或一部分，其尺寸并非为零，而是与整个轮胎的尺寸相比很小，其有效值取决于传感器设备3的分辨率。
固定元件332用柔性橡胶制成，例如天然或人工橡胶(例如由具有4-10个碳原子的共轭二烯制成，如聚异戊二烯、聚丁二烯、苯乙烯-丁二烯橡胶等)。有利地，该固定元件332对传感器设备3还有保护作用，以减少损伤的可能性。
根据一种可选择的执行方式，传感器设备3可以安装在轮胎11的结构内部，位于胎面18的区域内，例如，位于胎面带本身的内部或者位于条带17与胎面18之间。
注意到，传感器设备不固定在轮胎11的一个壁上，而是固定在例如支持轮辋12上，并且/或者传感器设备不位于轮胎的中心线上，而是固定或者安装在轮胎11的侧壁19和19’上，或者位于轮胎的其它区域，这也是可以使用的。
而且，根据本发明，可以使用多个与轮胎11有关的传感器设备3。特别地，传感器设备以基本上固定的角度沿圆周彼此间隔布置。例如，可以使用三个与设备3相似的传感器设备，它们沿周边地布置在轮胎11的内部，并且彼此间隔大约120°的角度。
参考图2，根据一个特殊的实施例，传感器设备3包括一个测量设备(M-D)32，以便用于向相应的输出端50提供一个电信号，其代表轮胎在路面上滚动期间轮胎的所述至少一个点P沿至少一个方向的运动。有利地，测量设备32是如下的类型，即向输出端50提供一个其还代表由于轮胎11在滚动期间经历的变形导致的观察点P的运动分量的电信号。应注意到，可由测量设备32检测到的轮胎11的变形也可以是由于轮胎滚动表面的粗糙度导致的，也就是，由于路面的特殊纹理(texture)产生的粗糙度导致的。
根据本发明的一个优选实现形式，测量设备32是一个加速度计，用于提供至少一个信号，其代表轮胎的所述点P沿着下述方向的一个或多个所经历的加速度(根据扇形中通常使用的术语加以定义)径向或向心方向Z，纵向方向(或前进方向或切线方向)X，横向方向Y。
适用于本发明的测量设备可以在市场上获得，并且用例如MEMS(微电机系统)技术制成，或者是例如光学或声学传感器设备。
关于此，上述的专利申请US-A-2003/0095050描述了一种光学类型传感器设备，用于测量轮胎的着地(footprint)区域，其可以用在本发明中，用以产生一个代表由于轮胎在滚动期间经历的变形导致的观察点P的运动分量的信号。这种类型的光学传感器设备可以固定在轮辋12上，能够检测轮胎11的预定观察点P的运动，并且布置在轮胎的任何内壁上，可以给其施加一个适当的反射面，用于反射由该光学传感器设备发射的光辐射。
根据本发明的一个实施例，传感器设备3还包括一个处理级51，对由测量设备32提供的信号进行处理，从而提供一个指示轮胎11滚动表面粗糙度的输出。
需要注意，处理级51可以包括用于处理模拟信号的电路单元和/或用于用于处理数字信号的电路单元。而且，前述对来自测量设备32的输出信号的处理可以完全或者部分地通过软件加以执行，也就是，通过执行电子数据处理器(计算机)程序加以处理。
参考图2所示的特殊实施例，处理级51包括一个滤波单元52，其输入端与测量设备32的输出端50相连，其输出端与模拟-数字(A/D)转换器53的输入端相连。
滤波单元52用于执行带通滤波，并且如图2所示，第一低通滤波器(LPF)56和高通滤波器(HPF)57串联。这些滤波器56和57可以由例如传统的模拟滤波器构成。
以如下的方式选择滤波单元52的通带B，即能够从输出端50的加速度信号中提取出含有如下频率成分的部分，该频率成分的起源是由于路面粗糙度对轮胎11结构产生的应力。而且，以如下的方式选择该通带B，使得能够降低或者基本上消除与不关心的现象有关的低频成分，例如与垂直载荷、滑行或者漂移有关的现象。
预选通带B由滤波单元52的下截止频率fl和上截止频率fu确定。有利地，通带B处于300Hz-5000Hz，优选地处于300Hz-2500Hz，或者更优选地，处于500Hz-1200Hz。
上述通带值B由本申请人经验地确定，并证明适合于从加速度信号中提取关心的频率。据此，申请人注意到，轮胎11在路面上滚动期间，其结构振动的振幅直接与路面本身的粗糙度幅度有关，而且用滤波单元52提取的频率带取决于轮胎11对于如下应力的结构振动的精确模式，其中该应力的频率相应于具体路面的特定激发波长。观察到，上述的频率间隔与轮胎滚动表面对轮胎的应力的定性理论分析高度一致。
根据执行本发明的一个特殊形式，高通滤波器57和第一低通滤波器56各自的截止频率可以小于常数fl和大于常数fu(特别地，该常数随着轮胎11的角速度而变化)，使得相应的通带B处于上述数值之内。
选择地，高通滤波器57和第一低通滤波器56可以是跟踪类型，也就是，下截止频率fl和/或上截止频率fu不固定，而是可以通过发送给滤波器本身的各个控制信号加以修改或调节。特别地，下截止频率fl和上截止频率fu可以随着轮胎滚动的角速度变化。这种情况下，下截止和上截止频率可以用如下的方程加以估计fl=nl12πairg---(1)]]>fu=nu12πairg---(2)]]>其中ai轮胎在第i次旋转期间的向心加速度；rg轮胎的充气后半径；nl下谐波成分；nu上谐波成分由方程(1)和(2)，根据因子nl和nu，上、下截止频率是轮胎瞬时角速度ωp的倍数，其取决于与轮胎的充气后半径rg有关的向心加速度。
因子nl和nu考虑了轮胎11胎面18外表面上具有的块状花纹的数目，其影响轮胎本身振动的谐波成分的数目。例如，当轮胎面18上具有的块状花纹的总数为n时，可以假定，轮胎振动的谐波成分恰好等于n。下谐波成分的数值nl小于数值n，上谐波成分的数值nu大于数值n，以这样的方式使得它们确认的间隔包括感兴趣的谐波成分。根据一个特殊实施例，上谐波成分的数值nu接近块状花纹的数目n，例如小于2n。
例如，对于块状花纹数目n＝70，nl可以选择等于65，nu可以选择等于75。利用上下谐波成分的这些数值实例，当轮胎角速度ωp等于100Km/h时，通过应用方程(1)和(2)，可得下截止频率fl等于930Hz，上截止频率fu等于1070Hz。
或者，有可能以如下的方式选择数值nu，使其等于或大于n的倍数。换言之，nu的数值可以等于或大于2n，或者n的其它倍数(3n，4n等)。这样，可以考虑与更高阶谐波有关的现象的贡献。
正如下文将更详细说明的，根据使用跟踪型低通滤波器56和高通滤波器57的本发明的执行形式，可以根据方程(1)和(2)计算上下截止频率的数值(例如，在轮胎11的每一次旋转时)，然后将该上下截止频率馈给到各自的滤波器。
无论在跟踪滤波器还是在固定截止频率的滤波器的实例中，第一低通滤波器56和高通滤波器57可以是传统的类型，例如离散水平类型，其根据轮胎的角速度以不连续的方式按照度数或预定步幅调节截止频率。
处理级51还具有用于确定第二参数的第二低通滤波器(LPF)54，和处理单元(CPU)34，其相应的输入端与输出端50相连，相应的输出端与模拟-数字转换器53的输入端相连。
一般地，第二低通滤波器54的截止频率ft小于或等于带通滤波器52的下截止频率fl。优选地，截止频率ft小于300Hz。例如，在速度依赖的滤波器的实例中，第二低通滤波器54的截止频率ft在20km/h下等于大约40Hz，在100km/h下等于大约240Hz。
根据本发明，第二低通滤波器54可以具有恒定的截止频率ft，或者可以是跟踪型，其截止频率可以根据轮胎11的角速度ωp加以调节，进而加以计算，这在下文有进一步的说明。特别地，截止频率ft按照一个预定的因子K与角速度ωp成比例
f1=K12πωp---(1')]]>因子K(例如，一个大于1的整数)依赖于所考虑轮胎的类型，并且，例如，可以根据其尺寸加以选择，以便提取以足够完整的方式描述特定轮胎的运动的谐波成分。
而且，处理级51中包括一个处理单元(CPU)34，其与存储器(MEM)35相连，并通过总线55与模拟-数字转换器53相连用于从转换器53接收数字值。
处理单元34由例如传统的微处理器构成，对存储在存储器35中的和/或得自于模拟-数字转换器53的数字数据进行操作，用于产生代表路面粗糙度的输出。有利地，通过相关控制/监视线路可获得的控制信号Sc和监视信号Sm_(来自于被监视设备或单元)，该处理单元34还对测量设备32和传感器设备3中所含的其它单元具有控制和监视功能。为了简化起见，图2中省略了与传感器设备3的相应部件相连的控制/监视线路。
处理单元34具有至少一个输出线路OUL，向该线路上提供至少一个输出信号Sp，其得自于处理步骤并且至少携带与路面粗糙度有关的信息。
注意到，测量设备32以及处理级51中的一些单元，除了用于产生与粗糙度有关的信号之外，还可以用于产生携带其它信息的输出信号，这些信息可以从测量设备自身产生的信号中推导出来。例如，处理单元34可以提供携带与轮胎的当前加速度和当前角度速有关的数据的信号，或者与轮胎的其它工作状况有关的信息，例如施加在轮胎上的垂直载荷。
而且，传感器设备3包括一个传统的收发器(Rx/Tx)设备31，其与输出线路OUL和天线37相连，以便从/向安装在汽车上的固定单元2接收和发送信号。
传感器设备3安装有一个电源(PW)33，例如电池。然而，与轮胎11的寿命相比，在传感器设备3内部执行的处理和与收发器设备31有关的处理可能会缩短电池的寿命。因此，根据执行本发明的优选形式，电源33包括一个自充电设备(未显示)，其产生的电能来自于自充电设备本身经历的机械应力(例如离心力，或者由于在不均匀的道路上前进导致的内衬111变形或运动)。例如，自充电设备可以包括一个或多个由压电材料制成的部件。自充电设备还包括电能存储电路(未显示)，其典型地包括电阻器和电容器。作为进一步的选择，传感器设备3可以通过一个与可动天线37相连的合适接收设备(未显示)由固定单元2提供电力。优选地，电能分配设备(PW-D)36根据需要以适当的方式向处理单元34、存储器35、收发器设备31和测量设备32分配由电源33提供的电力。
需要注意，在同一个外壳或封装中不必包括上述传感器设备3的所有部件(例如，测量设备32、收发器设备31和处理级51)。例如，处理级51和收发器设备31可以包含在一个外壳中，该外壳可以和包含测量设备32并固定在轮胎11或车轮其它部分(例如支持轮辋12上)的外壳分离，并且以电缆相联系或者无线地连接(例如，通过光波或射频)。在这种情况下，测量设备32可以布置在例如固定在轮胎上的一个外壳中，与图1所示针对传感器设备3的情形类似。
图3用功能框图并且以非常概略的方式显示了可以在本发明的系统中使用的固定单元2的一个实施例。优选地，固定单元2包括一个接收设备(Rx)26(例如射频接收器)，其与固定天线25相连，以便允许接收由传感器设备3发送的信号。优选地，接收器26与解调器(DEM)27相连，用于解调所接收的数据。存储单元(MEM)28(例如EPROM)可以存储从传感器设备32接收的并被解调器27解调的数据。存储单元28可以和一个附加的处理单元(CPU)24相连，该CPU可以对从传感器设备3接收的和/或存储在存储器28内的数据进行操作和计算，并且控制例如固定单元2的部件。此外，固定单元2优选地包括一个发射和调制设备(Tx/Mod)23，其适合于向传感器设备3发送信号。
下面说明可以用例如传感器设备3执行的计算一个或多个参数的方法，所述参数代表路面或者轮胎11在上面滚动的另一测试面的粗糙度。
考虑一个特殊的实例，其中测量设备32是一个加速度传感器设备，其向输出端50返回至少一个指示轮胎11观察点P的暂时加速度趋势的信号Sa。例如，考虑一个示例性实例，其中信号Sa代表轮胎11观察点P的径向或向心加速度(也就是，沿着方向Z)。
为了更好地理解随后的处理，图4显示了该加速度信号Sa的一个可能的趋势，代表向心加速度az的振幅(以g的倍数表示)，其作为旋转角度R(在0°-360°之间可变)的函数，并且针对轮胎11的一个预定角速度ωp加以估计。图4的趋势表示的是轮胎11进行的一次完整的旋转。
通过对信号Sa趋势的观察，可以区分出一个接触或者着地区域C-Z(位于图4所示实例的大约180°处)，其中受传感器设备3监视的轮胎区域与路面接触。在接触区域内，加速度az急剧减小，直到基本上消失，随后又增加。在轮胎旋转过程中，在轮胎移动观察点P到接触区C-Z之前，发现在进入区IN-Z(与接触区毗邻)内，其中向心加速度az不断增加。当观察点P离开接触区C-Z时，加速度信号Sa允许识别一个退出区OU-Z(与接触区毗邻)，其中加速度az不断降低。
在前述三个区域之外的信号Sa部分中(例如，对于0°-100°的角度)，向心加速度取减小的振幅间隔中的可变值。
本申请人注意到，为了确定与路面粗糙度有关的参数，特别有意义的是分析非常邻近于接触区C-Z的信号Sa。例如，包括进入区IN-Z、接触区C-Z和退出区OU-Z的信号部分是感兴趣的。而且，本申请人注意到，可提供最多的与表面粗糙度有关的信息的区域是进入区IN-Z。这一结果已经经试验证实，在如下的事实中找到了一个可能的解释，即进入区IN-Z能够“感测”由路面粗糙度导致的应力，但是受与着地区下面道路有关的其它现象的干扰较小(例如由负载导致的较重或较轻的碾压)，其中进入区IN-Z与接触区C-Z毗邻，其中发生了路面直接挤压轮胎的结构。
根据将在下文中说明的方法，参考图5以及图2，确定用于进行分析以确定前述粗糙度参数的信号Sa部分。
将来自测量设备32的输出信号Sa前馈给第二低通滤波器54，该滤波器可减小或者消除高频贡献，并且返回一个经过滤波的低通信号SLP。特别地，低通滤波器54消除或者显著减小由于轮胎11受到路面的应力导致的频率成分。
在图5中，定性地显示了经过滤波的低通信号SLP作为时间t的函数的趋势。而且，为了更加清晰，在图5中，还显示了轮胎11、其旋转感测结果，并且在相同轮胎的外表面上指示出了与路面接触的区域C-Z(轮胎在该处遭到挤压)、进入区IN-Z和退出区OU-Z。
与由测量设备32检测的信号Sa的所述相似，经过滤波的低通信号SLP具有一个趋势，其在进入区IN-Z内增加到第一最大值pi。在接触区C-Z中，经过滤波的低通信号SLP具有不断降低的趋势，直到达到最小值，以便然后再次增加，直到达到第二最大值pu。在退出区OU-Z中，信号SLP从第二最大值pu开始具有一个降低的趋势。
低通信号SLP于是前馈到模拟数字转换器53，其返回相应的数字数据，并存储在存储器35内。
随后，对所存储的数字数据进行分析，目的在于识别出第一最大值pi、第二最大值pu和用于核实该最大值的数值或时间坐标ti和tu(从初始瞬时开始估计)。
根据所述的实例，根据执行对于本领域技术人员而言显而易见的算法的程序，由处理单元34进行分析，从而识别出最大值pi和pu的时间坐标(ti和tu)。需要注意，除时间坐标之外，还可以估计轮胎11相应于前述最大值的旋转角度。
根据本发明的方法，通过考虑在随后的操作中希望被处理的数据的量，进入区IN-Z的振幅被固定。
例如，进入区IN-Z的范围相应于具有预定角α的角部分(在轮胎11的中心C处加以估计)，其可以随着轮胎长度增加而变宽。例如，角α可以在30°-100°之间选择。在小汽车轮胎的实例中(例如195/65/R15型轮胎)，该角度的一个方便的数值是等于大约50°，而对于卡车轮胎，该角度等于大约70°。从相应于第一最大值pi的数值ti开始，角α允许识别出另一个时间坐标t1(或角度)，其限定进入区IN-Z的界线。
类似地，接触区C-Z包括坐标ti和tu之间的区域。退出区OU-Z包含于介于时间坐标tu和另一个时间坐标t2之间，其中t2是通过预先确定感兴趣的退出区OU-Z的范围获得的，其方式与确定进入区IN-Z的方式相似。然后，将这样确定的时间坐标t1、ti、tu、t2存储在存储器35中。
选择地，进入区IN-Z的振幅和退出区OU-Z的振幅的确定不是基于预先建立的角度孔径角部分，而是通过预先确定在随后的操作中需要考虑的样本数目加以确定。
需要注意，确定时间坐标t1、ti、tu、t2的步骤(其识别加速度信号的感兴趣部分)可以在轮胎11的每次旋转中重复。
而且，已知，为了确定用于识别加速度信号感兴趣部分的时间坐标，有利地，可以像上述实例中说明的那样，使用按照方向X、Y和Z中任何一个的加速度信号，而不必是向心加速度信号。
本发明的方法还包括一个处理步骤(其本身可以在轮胎的每次旋转中重复)，其用于估计与轮胎11第i次旋转有关的角速度ωp。
有利地，从测量设备32提供的向心加速度信号开始执行角速度ωp的估计。
例如，对于该估计，可以使用相同的经过滤波的低通信号SLP，其从第二低通滤波器54输出，并馈给到模拟-数字转换器53。选择地，存在于末端50的信号Sa可以直接馈给到模拟-数字转换器53，或者可以通过另一个滤波器(未显示)执行低通滤波。
模拟-数字转换器53以传统的方式工作，返回相应的数字值，然后其被存储在存储器35内。使用这些存储的数字值，通过例如处理单元34执行用于确定角速度的计算操作。
优选地，角速度ωp通过考虑在感兴趣区域中，优选地，在接触区C-Z之前或之后采用的向心加速度振幅值ai加以估计。
参考图5，有可能考虑为时间坐标t1和t2估计的向心加速度ai的数值aii和aui，该时间坐标识别进入区IN-Z的开始和退出区OU-Z的结束。
根据数值aii(感兴趣区域之前的向心加速度)和数值aui(感兴趣区域之后的向心加速度)，计算平均加速度值aimaim＝(aii+aui)/2 (3)因此，角速度ωp由如下方程给出ωp=aimrg---(4)]]>其中，与观察点P有关的膨胀半径rg被预先存储在存储器35中。
角速度ωp的数值本身也可以存储在存储器35中，并且可用于本发明方法的一些处理步骤。而且，例如根据上述的方程(1’)，可以使用相同的角速度ωp数值以便修改第二低通跟踪滤波器54的截止频率ft。
现在考虑，当轮胎11作旋转运动期间，将来自输出端50的加速度信号Sa馈给到带通滤波单元52中。
带通滤波单元52返回一个经过滤波的带通信号SBP，其含有频率成分，该频率成分是由于路面的纹理或粗糙度导致到轮胎11结构上的应力产生的。在该经过滤波的带通信号SBP中，由于其它非感兴趣的现象产生的频率成分被强烈衰减，或者基本上消除。
图5定性地显示了经过滤波的带通加速度信号SBP的一个可能的时间趋势。
可以观察到，在滤波单元52使用由跟踪滤波器构成的而不是由具有恒定截止频率的滤波器构成的第一低通滤波器56和高通滤波器57的实例中，处理单元34根据先前计算的并且相应于所考虑轮胎旋转的角速度ωp，采用上述的方程(1)和(2)计算下截止频率fl和上截止频率fi。然后，处理单元34将相应的控制信号发送到两个滤波器56和57，这两个滤波器给经过计算的信号施加为截止频率计算的数值或滤波器类型所允许的最近可能值。
随后，经过滤波的带通信号SBP在转换器53中经历模拟-数字转换，其可以想像包括传统的采样给定频率fc、量化和编码。
采样频率fc等于例如10KHz，根据Nyquist定理加以选择，并且等于在给定的时间单位内获得的样本的数目N。
如先前已经提到的，根据本发明的一个优选实施例，对于随后的操作，不使用由滤波带通信号SBP的模拟数字转换产生的并且与轮胎的完整旋转有关的全部的加速度信号。有利地，对于随后的操作，只考虑经过滤波的带通信号SBP中被判断对用于估计路面粗糙度感兴趣的部分(或者更详细地讲，通过转换获得的相应数字信号)。
特别地，考虑相应于接触区C-Z和/或邻近区(例如进入区IN-Z和/或退出区OU-Z)的信号部分。
这些信号SBP的部分可以由处理单元34根据如前所述估计的并且存储在存储器35中的时间坐标t1、ti、tu、t2确定。如图5所示，经过滤波的带通信号SBP被分成由时间坐标t1和ti限定的第一计算部分δ1，和由时间坐标ti和tu限定的第二计算部分δ2，以及由时间坐标tu和t2限定的第三计算部分δ3。
应当记述，轮胎11的角速度ωp(其值存储在存储器35中)根据方程ωp＝2πfp与角频率fp(每单位时间的旋转数目)相关。
根据旋转频率fp和采样频率fc，估计相应于轮胎一次旋转的数字信号中存在的样本总数nptnpt＝fc/fp对于三个计算部分δ1、δ2、δ3的每一个，所考虑的样本数目是与特定感兴趣区域的范围有关的、总数npt的适当的一部分。例如，对于第一计算部分δ1，可选择的样本数目n1等于npt/8。
类似地，对于其余的计算部分δ2和δ3，选择使用相应数目的样本n2和n3。根据这些样本，计算指示路面粗糙度的参数。根据本发明的一个优选实现形式，该参数是低通滤波信号SBP所取的值的平均。特别地，所估计的参数是均方值。
更详细地讲，处理单元34执行能量参数的计算，其由符号OLj表示(其中首字母OL得自于术语“整体水平(Overall Level)”，也就是，整个表面水平)，并表示为加速度信号所取的振幅值的均方值，遵循如下的方程
OLj=1nj-1Σk=1njaik2---(5)]]>其中aik是相应于第k个样本的加速度ai的振幅(根据本文的实例，其本质上是径向的)，下标j(其可以采用数值1、2、3)表示特定的计算部分δ1、δ2、δ3，为它们估算该参数OLj(例如，可以为经过数字转换的低通滤波信号SBP的所有三个部分进行估计)。
方程(5)中的求和在构成第j个计算部分的nj个样本上执行。
如先前已经提到的，在相应于进入区IN-Z的计算部分δ1中获得的参数OLj的数值对指示待测量的粗糙度特别有意义。例如，根据本发明的一个特殊实施例，不为计算区域δ2和δ3估计参数OLj，而只考虑由第一计算区域δ1导出的信息。选择地，通过对其它区域δ2和δ3中的一个或全部也重复计算，有可能获得从第一计算区域得到的参数OLj与从第二和/或第三计算区域δ2和/或δ3得到的参数OLj的平均值。
有利地，能量参数OLj的计算，不仅从径向或向心加速度信号Sa开始，而且从与另一个方向有关的或者甚至与所有其它方向有关的加速度信号开始，例如纵向方向X和横向方向Y。
在使用两个或三个由测量设备32(例如三轴加速度计)获得的加速度信号的实例中，传感器设备3安装有合适的信号处理级。例如，在这种情况下，传感器设备3还可以包括至少一个另外的滤波单元，其与单元52相似，用于滤波纵向或横向加速度信号。其它的计算操作可以由具有足够处理能力的处理单元34执行。
还要注意，能量参数OLj的计算可以不是在单个传感器设备3中执行的，而是由与前述相似的并且可以安装在轮胎11中的各个观察点上的多个传感器设备执行。
如下的执行形式是特别有利的，可以想像，其除了如图1所示的布置在轮胎11中心线上的传感器设备3之外，还有两个附加的传感器设备，在胎面18朝着侧壁19和19’的区域中向其横向地固定，或者例如，布置在它们的侧壁上。
布置在轮胎11中心线上的传感器设备3有利于在汽车沿直线前进时计算能量参数OLj。而朝着侧壁19和19’布置的每个传感器设备对于在汽车沿曲线前进时计算能量参数OLj可能是有用的。
当有三个传感器设备时，有可能通过使用例如合适的软件，只考虑它们所提供的其中一个OLj参数加以确定。例如，可以决定只考虑来自三个安装的传感器设备中其中一个的信号，其保证在特定的工作条件下执行最佳的操作(例如，根据胎面的特征、收敛或者弯度)。
参数OLj作为轮胎11在感兴趣频率下其感兴趣区域的点的加速度的函数，对指示路面的粗糙度有意义。能量参数OLj的数值可以实时地加以计算，有利地，对轮胎11的每次旋转计算。
因此，处理单元34可以在输出线路OUL上产生一个或多个数字信号Sp，指示参数OLj并进而表示轮胎11所运行路面粗糙度。
然后收发器设备31处理该信号Sp(例如放大和调制)，并通过天线37将其前馈到安装在汽车上的固定单元2。
需要注意，上述能量参数计算操作的全部或者一部分可以不用传感器设备3执行，而是由固定单元2执行。
现在说明本发明方法的一个特殊应用实例。该应用参考本申请人执行的一个试验加以说明，但是执行该试验的方法可以更一般地用于表征具有不同纹理的路面所显示出的不同粗糙度。
考虑三种MPD(“平均外形深度”)参数值明显不同的路面。MPD参数是一个常用的指示因子，用于定义表面的纹理水平，并由ISO13473-1标准定义。
所考虑的三种不同路面具有如下的MPD值0.6(“非常平滑”型表面)；1.0(“中等”类型表面)和1.8(“非常粗糙”型表面)。
对于这些表面，采用与上述类似的传感器设备和计算方法通过改变轮胎的角速度ωp估计能量参数OLj的数值。特别地，在这些试验中，使用本申请人制造的轮胎，Pirelli型P7 225/55R16，充气到压力等于2.2巴，静载荷为440Kg，安装在汽车的右前轴。在20-100Km/h的汽车前进速度下进行试验。
而且，为了计算OLj参数，考虑从传感器设备3获取的径向加速度信号Sa，该传感器设备不是像图1所示的那样布置在中心线上，而是相对于轮胎的中心线横向布置在面对汽车的半部。对于这些试验性测试，考虑进入区IN-Z。
在车轮的每次旋转中，为所考虑的三个表面中的每一个实时地计算OLj参数(利用方程(5))。有利地，随后执行的求平均数操作，其包括用在先前的至少一次旋转中估计的同一参数的数值给单独的旋转的OLj参数的数值加权。特别地，对于该平均值，考虑4次连续的旋转，并执行可变均方值(variable quadratic mean)。
这种方法具有如下的优点，即可提高通过实时计算获得的信息的稳定性，降低由于路面的总不规则度导致的偶然(或者随机)应力的影响，并强调能量参数OLj的差异作为就粗糙度而言的测试表面特征的函数。
详细地讲，与第k次循环有关的平均能量参数 由如下方程给出OLj(k)‾=OLj(k-4)2+OLj(k-3)2+OLj(k-2)2+OLj(k-1)2+OLjk2---(6)]]>方程(6)表示一个可变平均数，其中其所考虑的能量参数的数值在轮胎移动期间，特别是在轮胎的每次旋转中被更新。对于角速度ωp的一些数值，为三个表面的每一个估计平均能量参数 随后，识别平均能量参数 数值的插值曲线并与所考虑的三个表面的每一个相关联。
例如，合适的插值曲线用角速度变量ω中的二阶多项式OLj(ω)表示，其具有如下的形式OLj(ω)＝aω2+bω+c其中，a、b和c是插值多项式的系数。
图6显示了在上述试验条件下获得的插值曲线C1(与非常平滑表面有关)、C2(与中等表面有关)和C3(与非常粗糙表面有关)。紧邻每个曲线C1、C2和C3，指示了系数a、b和c(从左到右)的数值。图6的每个曲线将用rad/s表示(在X轴上表示)的角速度ωp与平均能量参数值(在Y轴上)等同起来。
从图6可见，曲线C1、C2和C3具有明显的不同，尤其是对于大于40rad/s的角速度值，并且可以确认非常粗糙表面(曲线C3)的能量参数值非常高，中等表面(曲线C2)的较小，而非常平滑表面(曲线C1)的非常小。
该结果显示，根据本发明执行的能量参数计算如何能够有效地指示路面的纹理。
根据本发明的优选实现形式，将相应于曲线C1、C2和C3的数字数据存储在固定单元24的存储器28内，从而构建一个参考曲线，以便能够表征汽车滚动表面的特征。例如，可以将插值曲线的公式和相应的插值系数存储在存储器中。
传感器设备3能够为例如车轮的每次旋转发送一个相应于能量参数OLj计算值(根据方程(5)估计)的信号和另一个含有轮胎角速度值ωp(根据方程(4)估计)的信号。
固定单元的处理单元可以接收这些信号，并使用能量参数和角速度的数值作为在图6的曲线上识别的点D的坐标。通过在曲线C1、C2和C3之间确定与点D最接近的曲线，可以对汽车行驶表面的类型进行分类，并确定所涉及的表面是非常平滑、中等还是非常粗糙的表面。
该信息可以通过固定单元2提供给布置在汽车上的另一个装置，例如ABS控制系统，其进而根据汽车运动条件的附加描述信息工作，并修改例如一个或多个可影响汽车自身行为的工作参数。
图7显示了以类似方式并且在与图6所示曲线C1、C2和C3相同的试验条件下获得的三条曲线C1’、C2’和C3’，至少针对如下事实，即平均能量参数 的估计不是从径向Z开始的，而是从测量设备32所提供的纵向加速度信号X开始的。在图7中，紧邻每条插值曲线指示了系数a、b和c的数值，它们限定了用于特定试验性测试的相应的二次插值多项式。对于曲线C1’、C2’和C3’，关于图6中三种表面类型的显著差异的可能性的考虑是同样有效的。
图中显示，尽管它是参考径向加速度信号加以描述的，但是本发明的方法即使在使用沿着轮胎其它方向的加速度信号时仍然是有效的。
图8显示了用上述方法在相同试验条件下(通过处理径向加速度信号)对三种不同的轮胎模型在相同的笛卡儿平面上获得的差值曲线，三种轮胎模型是Pirelli P6000 205/55R16、Pirelli P7 205/55R16(如用于图6中曲线所使用的)和Pirelli Pzero 205/55R16。
图8显示了三个曲线族，其中每条曲线相应于上述的其中一个模型F1族，其与非常平滑表面相关；F2族，其与中等平面相关；F3族，其与非常粗糙表面相关。
观察图8可以看出，随着轮胎模型的改变，仍然可以看到，为三个不同表面估计的曲线族之间存在非常显著的差异，尤其是当角速度超过大约40rad/s时。
每族的三条曲线彼此之间的差异并不大。换言之，上述用于获得轮胎滚动面粗糙度信息的方法基本上与轮胎的结构无关。然而，本申请人认为，为了表征汽车行驶路面的特征，当汽车具有特定轮胎型号时，更加方便的是记住从用相同轮胎型号进行的测量获得的参考曲线。
根据本发明应用的其它形式，在汽车行驶期间，有可能以如下的方式存储轮胎多次旋转的能量参数OLj的数值，即估计这些数值的方差(或平均二次差)，以便获得有关道路的一个长段的总体特征的信息，例如所考虑道路段的表面的不均匀性或不规则性的指示。
本发明讲授的内容是特别有利的，因为它允许确定可表征汽车行驶表面纹理/粗糙度的参数。如果例如该参数可以提供给仪表板系统，例如ABS(防抱死系统)控制系统，该参数将具有重要意义。
权利要求
1.一种用于确定轮胎(11)的滚动表面的粗糙度的方法，包括如下步骤-提供代表轮胎在该表面上滚动期间轮胎的至少一个点(P)的运动的第一信号(Sa)，-处理该第一信号，以提供指示所述轮胎滚动表面的粗糙度的输出(OUL)。
2.根据权利要求1的方法，其中处理步骤包括对第一信号(Sa)的频率过滤步骤，用于提取第二信号(SBP)，其代表由于轮胎在滚动期间经历的变形导致的所述至少一个点的运动分量。
3.根据权利要求2的方法，其中处理步骤包括对所述第二信号的至少一个部分(δ1)的数据处理步骤，以便计算至少一个指示滚动表面的粗糙度的参数。
4.根据权利要求1的方法，其中第一信号(Sa)是加速度信号，其代表轮胎在表面上滚动期间轮胎的所述至少一个点的加速度。
5.根据权利要求4的方法，其中所述加速度信号代表轮胎的至少一个点的如下的加速度中的至少一种径向加速度、纵向加速度、横向加速度。
6.根据权利要求1的方法，其中第一信号代表所述至少一个点(P)在轮胎(11)旋转期间的运动，所述处理步骤包括如下步骤确定相应于第一信号的第一部分的第一时间/角坐标，该第一信号的第一部分与如下的轮胎滚动阶段有关，其中所述至少一个点位于轮胎与滚动表面的接触区(C-Z)内，确定相应于第一信号的第二部分的至少一个第二时间/角坐标，该第一信号的第二部分与如下的轮胎滚动阶段有关，其中所述至少一个点位于毗邻所述接触区的区域(IN-Z；OU-Z)内。
7.根据权利要求6的方法，其中根据轮胎旋转的感测，所述毗邻的区域是一个进入区(IN-Z)，处于所述接触区(C-Z)之前。
8.根据权利要求7的方法，其中所述进入区(IN-Z)相应于具有预定孔径角的轮胎的角度扇形。
9.根据权利要求1的方法，其中处理步骤包括轮胎(11)在其旋转期间的角速度的估计步骤。
10.根据权利要求9的方法，其中估计步骤包括根据轮胎的向心加速度的至少一个数值和根据轮胎的半径对角速度的计算步骤。
11.根据权利要求3和6的方法，其中处理步骤包括根据所述时间/角坐标对第二信号(SBP)的所述至少一个部分(δ1)的限定步骤，所述至少一个部分相应于接触区(C-Z)与毗邻区(IN-Z)之间的部分。
12.根据权利要求3的方法，其中处理步骤包括如下步骤过滤第一信号，以提取第二信号(SBP)，执行模拟数字转换，以获得相应于所述第二信号的数字数据，对所述数字数据的至少一部分进行操作，并提供一个输出信号，该输出信号携带有指示轮胎滚动于其上的表面的粗糙度的当前参数。
13.根据权利要求12的方法，其中对数字数据的至少一部分进行的所述操作步骤包括计算与预选数目的数字样本有关的值的平均。
14.根据权利要求12的方法，还包括数据(a，b，c)预存储步骤，其限定至少一个第一参考曲线，该第一参考曲线代表通过改变轮胎的角速度测得的粗糙度参数的第一趋势，该第一参数曲线指示与第一参考滚动表面有关的第一类粗糙度。
15.根据权利要求14的方法，还包括附加数据(a，b，c)预存储步骤，其限定一个第二参考曲线，该第二参考曲线代表通过改变轮胎的角速度测得的粗糙度参数的第二趋势，该第二参数曲线指示与第一类不同的并且与第二参考滚动表面有关的第二类粗糙度。
16.根据权利要求14的方法，还包括如下步骤接收携带当前参数的输出信号，基本上在当前参数测量期间，接收一个附加输出信号，其指示轮胎所取的当前角速度，基本上在当前参数测量期间，对当前参数与所述至少第一参考曲线的数值进行比较操作，其方式使得能够确定发生轮胎滚动的表面所属的粗糙度类型，该比较操作通过考虑当前的角速度加以执行。
17.一种用于控制安装有至少一个轮胎的汽车的行为的方法，包括如下步骤根据至少一个前述权利要求的方法确定与轮胎(11)的滚动表面的粗糙度有关的信息，使与粗糙度有关的信息成为汽车控制系统可利用的。
18.根据权利要求17的方法，其中所述控制系统是ABS(防抱死系统)系统。
19.一种用于确定安装在汽车上的轮胎(11)的滚动表面的粗糙度的系统，该系统与该轮胎操作上相连，并且包括传感器设备(3，32)，其用于在所述轮胎在具有各自粗糙度的表面上滚动期间提供代表轮胎的至少一个点(P)的运动的第一信号(Sa)，其特征在于，还包括第一信号的处理级(51，2)，用于产生表示所述轮胎滚动表面的粗糙度的输出(OUL)。
20.根据权利要求19的系统，其中该处理级是如下的类型，其对第一信号(Sa)进行频率滤波，以提取代表由于轮胎在滚动期间经历变形导致的所述至少一个点的运动分量的第二信号(SBP)。
21.根据权利要求20的系统，其中该处理级是如下的类型，其对所述第二信号的至少一个部分进行操作，以计算至少一个指示滚动表面粗糙度的参数。
22.根据权利要求19的系统，其中所述传感器设备包括一个加速度计，并且该第一信号(Sa)是代表在表面上滚动期间轮胎的所述至少一个点的加速度的加速度信号。
23.根据权利要求22的系统，其中所述加速度信号代表如下轮胎加速度的至少一种径向、纵向和横向。
24.根据权利要求19的系统，其中第一信号代表在轮胎(11)一转期间所述至少一个点(P)的运动，并且处理级(54，53，34)处理该第一信号(Sa)，以便确定与如下相应的时间/角坐标第一信号与如下的轮胎滚动阶段有关的第一部分，其中所述至少一个点位于与表面接触区域(C-Z)内，第一信号与如下的轮胎滚动阶段有关的第二部分，其中所述至少一个点位于毗邻所述接触区的区域(IN-Z；OU-Z)内。
25.根据权利要求24的系统，其中所述毗邻区域是进入区(IN-Z)，其根据轮胎的旋转感测处于所述接触区(C-Z)之前。
26.根据权利要求25的系统，其中所述进入区(IN-Z)相应于具有预定孔径角的轮胎的角度扇形。
27.根据权利要求19的系统，其中该处理级用于估计轮胎(11)在旋转期间所取的角速度。
28.根据权利要求27的系统，其中该处理级根据轮胎的至少一个向心加速度数值和根据轮胎半径估计角速度。
29.根据权利要求21和24的系统，其中该处理级根据所述时间/角坐标识别第二信号(SBP)的所述至少一个部分(δ1)，所述至少一个部分相应于接触区(C-Z)与毗邻区(IN-Z)之间的一个区域。
30.根据权利要求21的系统，其中所述处理级包括带通滤波单元(52)，用于从第一信号开始提供所述第二信号。
31.根据权利要求30的系统，还包括模拟-数字转换器(53)，用于获得相应于所述第二信号(SBP)并具有相关预定采样频率的数字数据，存储设备(35)，用于至少存储所述数字数据。
32.根据权利要求31的系统，其中所述处理级包括处理单元(34)，用于对所述数字数据的至少一部分进行操作，并提供该至少一个指示滚动表面粗糙度的参数。
33.根据权利要求30的系统，其中所述带通滤波器单元(52)的通带为300Hz-5000Hz。
34.根据权利要求33的系统，其中所述带通滤波器单元(52)的通带为300Hz-2500Hz。
35.根据权利要求30的系统，其中所述滤波器单元包括至少一个跟踪滤波器(56，57)，其各个截止频率(f1，fu)可以作为轮胎旋转的角速度的函数加以修改，并且与一个依赖于所述轮胎的胎面上存在的块状花纹数目的因子有关。
36.根据权利要求29和32的系统，其中由处理单元处理的所述样本的至少一个部分作为所述采样频率的函数以及所述毗邻区与所述接触区之间的范围的函数加以确定。
37.根据权利要求19的系统，其中所述传感器设备预先固定在轮胎上。
38.根据权利要求36的系统，还包括一个发送设备(31)，其与所述处理级(51)相连，并安装有第一天线(37)以便辐射至少一个外部信号。
39.根据权利要求38的系统，其中所述至少一个外部信号携带第一信号的信息内容。
40.根据权利要求38的系统，其中所述至少一个外部信号携带指示轮胎滚动表面粗糙度的信息。
41.根据权利要求38的系统，其中所述至少一个外部信号包括代表轮胎在其滚动期间的当前角速度的速度信号。
42.根据权利要求39的系统，还包括固定单元(2)，其可安装在汽车上，并且包括与接收设备(25)耦连的第二天线(25)，以便接收所述外部信号；附加处理单元，其与一个接收设备相连，以便处理所接收的外部信号。
43.根据权利要求19的系统，其中所述传感器设备预先固定在轮胎的支持轮辋(12)上。
44.一种用于汽车的轮胎(11)，包括传感器设备(3)，其与轮胎操作上相连，用于提供代表在所述轮胎在具有各自粗糙度的路面上滚动期间轮胎的至少一个点(P)的运动的第一信号(Sa)，其特征在于，所述传感器设备包括第一信号的处理级(51)，用于产生指示所述轮胎滚动表面粗糙度的输出(OUL)。
45.根据权利要求44的轮胎，其中该处理级用于对第一信号(Sa)进行频率滤波，以提取代表由于轮胎在滚动期间经历变形导致的所述至少一个点的运动分量的第二信号(SBP)。
46.根据权利要求45的轮胎，其中该处理级用于对所述第二信号的至少一个部分进行处理，以计算至少一个代表滚动表面粗糙度的参数。
47.根据权利要求45的轮胎，其中所述传感器设备包括加速度计(32)，并且该第一信号(Sa)是代表在表面上滚动期间轮胎的所述至少一个点的加速度的加速度信号。
48.根据权利要求47的轮胎，其中所述加速度信号代表如下轮胎加速度的至少一种径向、纵向、横向。
49.根据权利要求44的轮胎，其中该传感器设备包括外壳，其通过固定元件(332)固定在轮胎内部的一个壁上。
50.根据权利要求44的轮胎，包括至少一个与轮胎操作上相连的附加传感器设备，用于提供代表所述轮胎在表面上滚动期间轮胎的至少一个附加点的运动的附加相应信号(Sa)。
51.一种车轮，包括支持轮辋(12)和与所述支持轮辋相关联的根据权利要求44-50中至少一个的轮胎(11)。
全文摘要
一种用于确定轮胎滚动表面粗糙度的方法，包括如下步骤提供一个代表轮胎在行驶期间其表面上至少一个点的运动的第一信号(Sa)，处理该第一信号用于提供一个指示所述轮胎滚动表面粗糙度的输出(OU
文档编号B60C23/06GK1878691SQ200380110746
公开日2006年12月13日 申请日期2003年10月31日 优先权日2003年10月31日
发明者费德里克·曼科苏, 马斯莫·布鲁萨罗斯克, 安德列亚·卡拉托尼 申请人:倍耐力轮胎公司