用于确定汽车车轮的绝对角度位置的装置和方法
【专利摘要】本发明涉及用于确定汽车的车轮(11a-11d)的绝对角度位置的一种装置(9)和一种方法。该装置包括：可安装在车轮侧的车轮单元(10a-10d)，该车轮单元被设计用来求取数据并无线地传输所求取的数据，所述数据能实现确定车轮的基准指针(29)；以及可安装在汽车侧的接收单元(12)，用于接收车轮单元的数据。基准指针确定机构(14)基于所接收的数据来确定出车轮的基准指针(29)。该装置还包括：测量机构(16a-16d)，用于在车轮旋转预定的角度时分别产生信号；和计数机构(18)，用于计数由测量机构产生的信号。角度确定机构(19)基于由计数机构计数的信号和所确定的基准指针来确定出车轮的绝对角度位置。
【专利说明】用于确定汽车车轮的绝对角度位置的装置和方法
[0001] 本发明涉及用于确定车轮的绝对角度位置的装置和方法。这种装置包括用于在车 轮旋转预定的角度时产生相应信号的测量机构和用于计数由该测量机构产生的信号的计 数机构。相应地，所述方法在车轮旋转预定的角度时产生相应的信号并计数所产生的信号。
[0002] 这种测量和计数机构由现有技术已知为转速传感器，其例如在防抱死系统（ABS) 或防滑控制系统中使用。DE 41 41 958A1记载了这种转速传感器的一个例子。齿轮旋转， 从而其每个齿都首先经过第一霍尔元件，随后经过第二霍尔元件。这些霍尔元件输出信号， 所述信号能实现探测每个经过的齿并相应地计数经过的齿的数量。基于此可以确定与齿轮 连接的汽车车轮的转速。但问题是，采用这种方式无法实现求取车轮的绝对角度位置。
[0003] 作为用来解决该问题的一种可行方案，DE 197 21 488 A1提到，可以忽略掉齿轮 的一个齿，以便根据因而在霍尔元件的信号曲线中产生的异常部位（ Anomialitat)来推断 出齿轮的绝对角度位置。但DE 197 21 488 A1若无这种标记就无法工作，因而提出，在无 参考脉冲情况下通过相关性分析来确定出齿轮的当前位置。这种相关性分析却相当缓慢， 因为需要很多圈，直到能够推断出齿轮的绝对角度位置。
[0004] 基于该现有技术，本发明的目的是，提出一种装置和一种方法，其能实现快速而可 靠地确定出汽车车轮的绝对角度位置。
[0005] 根据本发明，该目的通过独立权利要求的主题得以实现。从属权利要求给出了本 发明的实施方式。
[0006] 相应地，本发明涵盖一种用于确定汽车车轮的绝对角度位置的装置，其带有可安 装在车轮侧的车轮单元，该车轮单元被设计用来求取数据并无线地传输所求取的数据，这 些数据能实现确定车轮的基准指针。该装置具有可安装在汽车侧的接收单元，用于接收车 轮单元的数据。基准指针确定机构可以基于所接收的数据来确定出基准指针。本发明的装 置还包括用于在车轮旋转预定的角度时分别产生信号的测量机构和用于计数由测量机构 产生的信号的计数机构。这种测量机构例如可以具有ABS传感器的与车轮同步地旋转的旋 转部件。于是，角度确定机构可以基于由计数机构计数的信号和所确定的基准指针来确定 出车轮的绝对角度位置。
[0007] 本发明的装置不仅能实现确定齿轮的绝对角度位置，而且能实现确定汽车车轮的 绝对角度位置。根据DE 197 21 488 A1，这两个绝对角度位置只有当在安装汽车车轮情况 下准确地注意汽车车轮如何安装时才相同。通常，用五个螺钉进行固定，因而可以实现汽车 车轮相对于齿轮每次转动72度。由于车轮单元可以直接安装在车轮上，所以由其提供的数 据独立于在汽车上的安装位置。
[0008] 按照一种实施方式，所述装置被设计用于接收或者求取关于汽车速度的数据，而 基准指针确定机构被设计用于当速度由低于预定极限值的值改变至高于极限值的值时确 定车轮的基准指针。
[0009] 该实施方式是有利的，因为由现有技术已知的测量和计数机构在低速情况下往往 提供错误的值。与此有关的一方面在于，霍尔元件的信号被采样，脉冲往往被忽略，如果这 些脉冲未完整地落入设定的时段内的话。另一方面，在霍尔元件内引起的电压在齿轮的低 转速情况下往往很小，因而无法再测量和分析。另一问题在于，汽车完全可能向后行驶，在 这种情况下，由测量机构产生的信号被减去，而不是必须累加。因此，当汽车速度由低于预 定极限值的值改变至高于极限值的值时，最好重新确定车轮的基准指针。在这里，极限值要 适当地选取，使得当速度高于极限值时可靠地产生并计数信号。通过重新确定基准指针，保 证又能正确地确定车轮的绝对角度位置。
[0010] 车轮单元可以包括加速度传感器，且被设计用于基于作用到加速度传感器上的地 球重力、在加速度传感器进入到车轮的接触区（Latsch)中时产生的加速度或者在加速度 传感器从车轮的接触区中出来时产生的加速度来求取数据。在此，在本专利申请的意义下， 术语"加速度传感器"也涵盖冲击传感器。
[0011] 在车轮旋转时，离心力作用到安装在轮圈或轮胎上的加速度传感器上。该离心力 与地球重力叠加，基于其可以确定加速度传感器的绝对角度位置，进而确定车轮的绝对角 度位置。车轮的接触区也称为轮胎支撑面。该轮胎支撑面基本上是笔直的，而不像车轮其 余部分那样呈弧形，因而在加速度传感器进出接触区时会发生加速度变化。
[0012] 附加地或替代地,车轮单元可以包括压电元件，该压电元件例如硫化到轮胎中，或 者固定在轮胎内侧面上。车轮单元可以被设计用于基于在压电元件进入到车轮的接触区中 时产生的压电元件曲率变化、或者在压电元件从车轮的接触区中出来时产生的压电元件曲 率变化来求取数据。压电元件是一种非常简单的成本低廉的耐用的元件，以便提供所需的 测量值。
[0013] 在一种实施方式中，车轮单兀包括磁场传感器，且被设计用于基于作用到磁场传 感器上的地球磁场来求取数据。相比于加速度传感器，这种磁场传感器独立于汽车的可能 的加速过程和制动过程。
[0014] 车轮单元可以包括分析单元，该分析单元被设计用于对车轮单元的传感器（比如 加速度传感器、压电元件或磁场传感器）的输出信号进行采样，以便产生经采样的信号，并 分析经采样的信号，以便识别到车轮经过基准指针。这种分析单元例如可以对加速度传感 器的信号曲线进行采样，算出待由离心力解释的信号分量，从而基本上只还剩下地球重力 场的影响，且在剩下的信号曲线中确定出最大值或最小值，以便由此识别出车轮经过基准 指针。也可以规定对车轮单元的传感器的输出信号进行受事件控制的分析。例如，分析单元 可以休眠，且总是通过压电元件的在压电元件进出接触区时产生的电压脉冲而被唤醒。这 种受事件控制的分析特别节能，据此，分析单元在事件之间休眠。
[0015] 在一种实施方式中，车轮单元被设计用于基本上在车轮经过基准指针时的时间点 传输数据。于是可以在汽车侧基于接收时间点推断出车轮何时经过基准指针。但这里的问 题是，车轮单元与接收单元之间的连接路段有可能恰好在车轮单元经过基准指针时特别劣 质，以至于可以说是存在所谓的"黑点"。
[0016] 在另一种实施方式中，车轮单元被设计用于求取在车轮经过基准指针时的时间 点，并在数据的范畴内传输所求取的时间点。该变型方案可以相对自由地确定在传输数据 时的传输时间点，从而可以避免在"黑点"内进行传输。但该变型方案要求车轮单元与汽车 侧之间的时钟同步。
[0017] 本发明还涵盖一种用于确定汽车车轮的绝对角度位置的方法。按照该方法，利用 可安装在车轮侧的车轮单元来求取数据，这些数据能实现确定车轮的基准指针。把所求取 的数据从车轮单元无线地传输至可安装在汽车侧的接收单元。然后基于所传输的数据来确 定出车轮的基准指针。在车轮旋转预定的角度时分别产生信号，并计数所产生的信号。基 于被计数的所产生的信号和所确定的基准指针来确定出车轮的绝对角度位置。
[0018] 在此优选求取并传输能实现确定车轮基准指针的数据，且当汽车速度从低于预定 极限值的值改变至高于极限值的值时基于这些数据确定车轮的相应的基准指针。
[0019] 本发明的特征已针对装置和/或针对方法介绍过。只要未明确地进行其它说明， 装置特征也可以相应地应用于方法。因此，本发明针对方法的实施方式规定了相应的步骤， 以便实施该方法，为此设计了装置部件。所以，本发明的方法当然可以包括基于作用到加速 度传感器上的地球重力来求取数据的步骤。同样，本发明的方法在一个实施方式中包括基 于在压电元件进入到车轮接触区中时产生的压电元件曲率变化来求取数据的步骤。
[0020] 还将借助附图中所示的实施方式来介绍本发明的其它优点和细节。
[0021] 其中：
[0022] 图1示出根据现有技术的转速传感器；
[0023] 图2示出汽车的速度曲线，用于说明根据图1的转速传感器的问题；
[0024] 图3示出本发明的用于确定车轮的绝对角度位置的装置的一个实施方式；
[0025] 图4详细地示出图3的车轮单元；
[0026] 图5示出车轮单元的两个可能的安装位置；
[0027] 图6示出加速度传感器的信号曲线；和
[0028] 图7示出本发明的用于确定车轮的绝对角度位置的方法的一个实施方式。
[0029] 在如下论述中，只要未做其它说明，相同的和相同作用的部件标有相同的附图标 记。
[0030] 图1绘出在DE 41 41 958 A1中记载的转速传感器1。齿轮2与未示出的汽车车 轮同步地沿箭头3的方向转动。在这里，齿轮2的齿4移动经过霍尔传感器5。霍尔传感 器5包括磁体6和两个霍尔元件7、8,这些霍尔元件在齿4移动经过它们时分别产生电压脉 冲。由于齿轮2总共有24个齿，所以可以认为，经过24个电压脉冲之后，齿轮2便已转完 一整圈。当然也可考虑其它数量的齿。在下面的公式中用N表示与一个车轮整圈相应的电 压脉冲的数量。这些电压脉冲经过计数，计数后的电压脉冲的数量用Μ表示。I表示齿轮2 的初始位置。借助这些参数可以利用如下等式确定齿轮2的绝对角度位置Ρ :
[0031] P = MOD (Μ+Ι，Ν) /Ν*360 °。
[0032] 然而该公式的问题是，初始位置I是未知的。此外，对于电压脉冲的可靠计数过程 来说，有些行驶状况形成了问题。图2示出了汽车速度关于时间的曲线，以便解释这些问 题。为了说明所出现的现象，绘出了四条虚线的速度线V1-V4。VI相应于速度为25km/h， V2相应于速度为2km/h，V3相应于速度为-2km/h，V4相应于速度为-25km/h，其中，负号表 示反向行驶。圆圈里的在速度曲线上方和下方的箭头表示齿轮2的旋转方向。其旁边的 公式N = N+1表示累加电压脉冲。在圆圈中可看到数字，由这些数字可知，若有基准指针 (Bezugsschenkel)则以零开始，转过90°便计数6个电压脉冲，转过180°便计数12个电 压脉冲，转过270°便计数18个电压脉冲，转过360°便计数24个电压脉冲。当然，这些数 字在齿轮具有不同于24的其它数量的齿时可以改变。
[0033] 若齿轮2缓慢右转，比如在速度介于V2和V3之间时就是这种情况，齿轮2的齿4 就会缓慢地移动经过霍尔传感器5,从而由这些齿引起的电压很小，因而不能探测到电压脉 冲。另外，霍尔传感器5的信号通常经过采样，而落入多于1个的时段内的电压脉冲则有时 被忽略。也就是说，转速传感器1有可能从时间点tO起才正确地累加电压脉冲。在时间点 tl，汽车速度又下降到速度V2以下，因而会出现计数错误。在时间点t2,汽车向后行驶。速 度会实现正确地计数电压脉冲，然而，常见的转速传感器往往并非被设计用来在向后行驶 时减去电压脉冲，而是用累加来继续。因此在时间点t2和t3之间计数错误，因为电压脉冲 仍被累加，而不是被减去。在时间点t4可能又正确地计数，但必须重新求取初始位置I，以 便消除在时间点tl和t4之间发生的错误计数。
[0034] 图3示出本发明的用于确定汽车车轮的绝对角度位置的装置的一个实施方式。该 装置9包括四个车轮单元10a、10b、10c、10d，这些车轮单元均被设计用于求取数据并无线 地传输所求取的数据，这些数据能实现确定配设有车轮单元的车轮的基准指针。四个车轮 单元10a、10b、10c、10d安装在汽车的相应的车轮11a、lib、11c、lid上。在汽车侧有个用于 接收由车轮单元10a-10d发出的数据的接收单元12。接收单元12通过导线13把接收到 的数据传递到基准指针确定机构14上。该基准指针确定机构是汽车电子设备15的组成 部分。在车轮lla-lld的附近，在汽车侧还设置有四个测量机构16a、16b、16c、16d，这些测 量机构在与其对应的车轮旋转预定的角度时分别产生信号。这些测量机构通过相应的导线 17a、17b、17c、17d把由其产生的信号传递至中央的计数机构18,该计数机构计数由测量机 构16a_16d产生的信号。
[0035] 汽车电子设备15从外部得到含有数据的输入信号E，这些数据说明了汽车的速 度。例如，可以在变速器的输出侧设置传感器，由该传感器的数据可以推断出速度。输入信 号E被传递至基准指针确定机构14,当速度从低于预定极限值的值改变至高于极限值的值 时，该基准指针确定机构就确定车轮的基准指针。替代地，基准指针确定机构14也可以分 析四个测量机构16a、16b、16c、16d的数据，以便从中求取汽车的速度。
[0036] 有个角度确定机构19与基准指针确定机构14和计数机构18连接，并基于由计数 机构计数的信号和每个车轮的由基准指针确定机构确定的基准指针来确定出车轮lla-lld 的绝对角度位置。
[0037] 在图4中再一次详细地示出了图3中所示的车轮单元之一 10a。该车轮单元10a 在当前属于轮胎压力控制系统，因而具有压力传感器20。该压力传感器将其数据传输至分 析单元21。该车轮单元还包括加速度传感器22,该加速度传感器也将其数据传输至分析单 元21。分析单元21与存储器23接触，且可以通过发送单元24和相应的天线25将其数据 传输至汽车侧的接收单元12。有个电池26负责给车轮单元10a供应以所需要的能量。
[0038] 图5再一次示出图3中所示的车轮11a，以便说明将车轮单元10a设置在该车轮上 的两个可考虑的设置点。车轮11a包括轮圈27和套装到该轮圈27上的轮胎28。车轮单元 l〇a于是例如可以比如借助环绕轮圈的钢带而设置在轮圈上，或者可以粘接到轮胎28的内 侧面上，或者硫化到轮胎中。该车轮单元还可以简单地设置在阀门上。在图5中附加地绘 出了一个可能的基准指针29。设置在轮圈上的车轮单元所在的指针（Schenkel) 30与该基 准指针夹成一个角度α。
[0039] 在图6中示出了在车轮旋转时作用到加速度传感器上的加速度。在横坐标上绘出 了角度α，在纵坐标上绘出了加速度。该加速度主要包括由离心力引起的分量和由地球重 力引起的另一分量。在加速度传感器位于基准指针29上时，离心力和地球重力就会恰好沿 同一方向起作用，致使加速度处于其最大值。在角度为180°时，地球重力与离心力相反地 作用，因而在此得到最小的加速度。所以可以根据作用到加速度传感器上的加速度力来获 知车轮单元l〇a何时经过基准指针29。
[0040] 图7示出本发明的用于确定汽车车轮的绝对角度位置的方法的一个实施方式。在 步骤S 1中，利用可安装在车辆侧的车轮单元来求取能实现确定车轮的基准指针的数据。 在步骤S2中，这些数据由车轮单元无线地传输至可安装在汽车侧的接收单元。然后在步骤 S3中基于所传输的数据确定出车轮的基准指针。例如，车轮单元可以基本上在车轮11a经 过基准指针29时的时间点传输数据。接收机构12求取在它接收这些数据时的时间点，并 求取测量机构16a在该时间点处于何种状态，以便由此确定出初始位置I。换句话说，当车 轮单元10a经过基准指针29时，该装置会注意到哪个齿恰好经过测量机构16a的霍尔传感 器。
[0041] 替代地，车轮单元可以求取在车轮11a经过基准指针时的时间点，并在数据的范 畴内传输所求取的时间点。汽车电子设备15具有用车轮单元10a的时钟表示的时钟的接 入点（Zugang)，且能够基于所传输的数据求取测量机构16a的在传输时间点的状态。通过 这种方式也可以求取初始位置I。
[0042] 在图7所示的方法的步骤S4中，测量机构在车轮旋转预定的角度时分别产生信 号。在步骤S5中计数所产生的信号。然后在步骤S6中基于所产生的信号和所确定的基准 指针来求取车轮的绝对角度位置。在步骤S7中检查汽车速度是否已从低于预定极限值的 值改变至高于极限值的值。如果情况如此，就转至步骤S1。否则就无需重新同步，而是转至 步骤S4。
[0043] 参照附图所做的说明纯粹是解释性的，而不应做局限性理解。可以在不偏离如在 所附权利要求中确定的保护范围的情况下，对所示的实施方式进行多种改型。
[0044] 附图标记清单
[0045] 1 根据现有技术的转速传感器
[0046] 2 齿轮
[0047] 3 可考虑的转动方向
[0048] 4 齿
[0049] 5 霍尔传感器
[0050] 6 磁体
[0051] 7 第一霍尔元件
[0052] 8 第二霍尔元件
[0053] 9 本发明的用于确定绝对角度位置的装置的实施方式
[0054] 10a-10d 车轮单元
[0055] 1 la-1 Id 车轮
[0056] 12 接收单元
[0057] 13 导线
[0058] 14 基准指针确定机构
[0059] 15 汽车电子设备
[0060] 16a_16d 测量机构
[0061] 17a_17d 导线
[0062] 18 计数机构
[0063] 19 角度确定机构
[0064] 20 压力传感器
[0065] 21 分析单元
[0066] 22 加速度传感器
[0067] 23 存储器
[0068] 24 发送单元
[0069] 25 天线
[0070] 26 电池
[0071] 27 轮圈
[0072] 28 轮胎
[0073] 29基准指针
[0074] 30 指针
[0075] α 角度
[0076] S1求取能实现确定车轮的基准指针的数据
[0077] S2传输所求取的数据
[0078] S3基于所传输的数据确定出车轮的基准指针
[0079] S4在车轮旋转预定的角度时分别产生信号
[0080] S5计数所产生的信号
[0081] S6确定出车轮的绝对角度位置
[0082] S7汽车速度从低于预定极限值的值改变至高于极限值的值？
[0083] t〇-t4 时间点
[0084] VI 25 km/h
[0085] V2 2 km/h
[0086] V3 -2km/h
[0087] V4 -25 km/h
【权利要求】
1. 一种用于确定汽车的车轮（lla-lld)的绝对角度位置的装置（9)，带有： -可安装在车轮侧的车轮单元（10a-10d)，该车轮单元被设计用来求取数据并无线地 传输所求取的数据，所述数据能实现确定车轮的基准指针（29); -可安装在汽车侧的接收单元（12)，用于接收车轮单元的数据； -基准指针确定机构（14)，用来基于所接收的数据来确定出车轮的基准指针； -测量机构（16a-16d)，用于在车轮旋转预定的角度时分别产生信号； -计数机构（18)，用于计数由测量机构产生的信号；和 -角度确定机构（19)，用来基于由计数机构计数的信号和所确定的基准指针来确定出 车轮的绝对角度位置。
2. 如权利要求1所述的装置，其中，所述装置被设计用于接收或者求取关于汽车速度 的数据，而基准指针确定机构（14)被设计用于当速度由低于预定的极限值（V2)的值改变 至高于该极限值（V2)的值时确定车轮的基准指针。
3. 如权利要求1或2所述的装置，其中，车轮单元（10a-10d)包括加速度传感器（22)， 且被设计用来基于 -作用到加速度传感器上的地球重力； -在加速度传感器进入到车轮的接触区中时产生的加速度；或者 -在加速度传感器从车轮的接触区中出来时产生的加速度 来求取数据。
4. 如权利要求1或2所述的装置，其中，车轮单元（10a-10d)包括压电元件，且被设计 用来基于 -在压电元件进入到车轮的接触区中时产生的压电元件曲率变化；或 -在压电元件从车轮的接触区中出来时产生的压电元件曲率变化 来求取数据。
5. 如权利要求1或2所述的装置，其中，车轮单元（10a-10d)包括磁场传感器，且被设 计用来基于作用到磁场传感器上的地球磁场来求取数据。
6. 如前述权利要求中任一项所述的装置，其中，车轮单元（10a-10d)包括分析单元 (21)，该分析单元被设计用于对车轮单元的传感器特别是加速度传感器的输出信号进行采 样，以便产生经采样的信号，并分析经采样的信号，以便识别到车轮经过基准指针（29)。
7. 如权利要求6所述的装置，其中，车轮单元（10a-10d)被设计用于基本上在车轮经过 基准指针（29)时的时间点传输数据，或者求取在车轮经过基准指针（29)时的时间点，并在 数据的范畴内传输所求取的时间点。
8. 如前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述测量机构具有ABS传感器的与车 轮同步地旋转的旋转部件。
9. 一种用于确定汽车车轮的绝对角度位置的方法，具有如下步骤： -(a)利用可安装在车轮侧的车轮单元来求取能实现确定车轮的基准指针的数据 (S1)； -(b)把所求取的数据从车轮单元无线地传输至可安装在汽车侧的接收单元（S2); -(c)基于所传输的数据来确定出车轮的基准指针（S3); -(d)在车轮旋转预定的角度时分别产生信号（S4); -(e)计数所产生的信号（S5);和 -(f)基于被计数的所产生的信号和所确定的基准指针来确定出车轮的绝对角度位置 (S6)。
10.如权利要求9所述的方法，其中，当汽车速度从低于预定的极限值（V2)的值改变至 高于该极限值（V2)的值时，执行步骤（a)-(c)。
【文档编号】B60T8/171GK104303015SQ201380014759
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年3月11日 优先权日:2012年3月16日
【发明者】M·克雷奇曼, H·法伊斯特, 矢岛武扬 申请人:大陆汽车有限公司