一种汽车行驶过程中轮胎载荷实时监测系统及其监测方法
【专利摘要】本发明公开了一种汽车行驶过程中轮胎载荷实时监测系统及其监测方法，其特征在于：首先通过台架试验标定出汽车轮胎载荷与轮胎压力、轮胎温度以及轮胎橡胶胎体垂直变形量之间的映射关系；然后通过车速测试设备、轮胎压力监测装置及轮速传感器等对汽车行驶过程中轮胎载荷进行实时估算。本发明所提出的方法理论成熟，设计的监测装置具有较高的测试精度，适用车型范围广。
【专利说明】一种汽车行驶过程中轮胎载荷实时监测系统及其监测方法【技术领域】
[0001]本发明属于汽车测试与控制领域，具体的说是涉及一种汽车行驶过程中轮胎载荷实时监测系统与监测方法。
【背景技术】
[0002]随着汽车行业的飞速发展，驾驶者对汽车性能要求逐步提高，尤其在轮胎的性能方面。轮胎厂商需要分析其轮胎产品在投放市场后的使用数据，用于提高轮胎性能以满足驾驶者的使用要求和提高市场占有率。因此，轮胎厂商急需一种适用范围广，测试精度高，成本较低的测试方法用于轮胎使用数据的采集与分析，其中，轮胎的垂直载荷是轮胎使用数据中的重要参数。
[0003]轮胎的受力情况密切影响着汽车行驶安全性，汽车在正常行驶过程中所需要的力，如驱动力、制动力等，都产生于轮胎与路面相互作用的摩擦面上，轮胎的垂直载荷影响着汽车的附着性能，其中，汽车的制动距离的长短与附着系数有着直接的关系。较小的轮胎垂直载荷易导致轮胎的抱死现象，过大的轮胎垂直载荷易导致爆胎现象的发生，这些现象恶化了汽车的行驶安全性。
[0004]因此，精确获取汽车行驶过程中的轮胎载荷并对其进行监测有着重要的意义。现有技术中对汽车轮胎载荷的获取方法有，基于六分力轮胎传感器(WFT)的测试方法；智能轮胎；以及基于图像的方法。
[0005]基于六分力轮胎传感器(WFT)的测试方法能够实时测量车辆行驶过程中地面作用于轮胎上的力，获得准确的路面信息，这对于悬架和车身的耐久性分析起到重要作用，也有助于提高车辆行驶及操纵稳定性优化、动力学分析和轮胎的开发。其中，美国Kistler等公司已有成熟的产品面世，但价格昂贵，安装复杂、不同轮胎不通用。
[0006]智能轮胎，通过在轮胎的橡胶胎体加上芯片方法，测试出汽车在行驶过程中轮胎的受力情况，但是，目前智能轮胎的研究还处于理论阶段。
[0007]通过光学的方法，利用摄像头照射被测轮胎橡胶胎体变形量的方法。但是，此种方法只适用于在台架试验，不能应用于实车行驶过程中。
【发明内容】
[0008]本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种理论成熟、适用范围广、精度较高的汽车行驶过程中轮胎载荷实时监测方法和装置。
[0009]本发明为解决技术问题采用如下技术方案:
[0010]本发明汽车行驶过程中轮胎载荷实时监测系统，其结构特点在于:所述监测系统由GPS车速测试设备、ABS轮速传感器、轮胎压力监测装置及数据采集与处理装置构成；
[0011]所述GPS车速测试设备包括GPS车载天线和GPS车载接收机；所述GPS车载天线安装在汽车车顶且位于汽车纵向对称平面与车顶平面交线的A点处；所述GPS车载接收机安装在汽车车内且与GPS车载天线相连；所述GPS车载天线用于接收GPS卫星信号，所述GPS车载接收机用于解算所述GPS车载天线接收到的GPS卫星信号，实时获得汽车A点处的水平速度V，并将所述汽车A点处的水平速度V发送至数据采集与处理装置；
[0012]所述ABS轮速传感器用于实时监测汽车车轮角速度ω，并将所述汽车车轮角速度ω以方波信号的形式发送至数据采集与处理装置；现代汽车从汽车行驶的安全性出发，汽车厂商普遍在汽车上安装防抱死制动系统，即ABS。ABS在汽车的制动过程中强制性地把车轮的滑移率控制在峰值附着系数附近，从而防止车轮被制动抱死，提高制动效果。ABS通常由传感器、电子控制单元(ECU)和液压执行元件组成。其中，传感器用于检测轮速等信息；电子控制单元(ECU)用于处理传感器信号；液压执行元件用于将ECU发出的命令变为车轮上制动压力的变化。本发明中的汽车车轮角速度传感器采用汽车ABS内置传感器。
[0013]所述轮胎压力监测装置安装在汽车轮胎气门芯上，由压力传感器、温度传感器、加速度传感器和RF发送模块组成；所述压力传感器用于实时检测汽车轮胎压强P，所述温度传感器用于实时检测汽车轮胎温度T，所述加速度传感器用于实时检测汽车在行驶过程中，由轮胎与地面的相互作用而产生的垂直于地面的加速度a ;所述RF发送模块用于实时发送所述汽车轮胎压强P、所述汽车轮胎温度T及所述加速度a至数据采集与处理装置；
[0014]所述数据采集与处理装置包括数据采集与处理板卡和报警器；所述数据采集与处理板卡用于实时接收所述GPS车载接收机发送的汽车A点处的水平速度V、所述ABS轮速传感器发送的汽车车轮角速度ω的方波信号及所述RF发送模块发送的所述汽车轮胎压强P、所述汽车轮胎温度T和所述加速度a，并获得汽车轮胎载荷Fz，所述数据采集与处理板卡判断汽车轮胎载荷Fz是否超过阈值，若超过，则通过所述报警器发出报警信号。
[0015]本发明汽车行驶过程中轮胎载荷实时监测系统，其结构特点也在于:
[0016]所述数据采集与处理装置还包括无线接收模块；
[0017]所述GPS车载接收机通过串口将所述汽车A点处的水平速度V发送至数据采集与处理装置的数据采集与处理板卡；
[0018]所述ABS轮速传感器通过CAN将所述汽车车轮角速度ω以方波信号的形式发送至数据采集与处理装置的数据采集与处理板卡；
[0019]所述RF发送模块通过无线形式将所述汽车轮胎压强P、所述汽车轮胎温度T及所述加速度a发送至数据采集与处理装置的无线接收模块；
[0020]所述无线接收模块将所述汽车轮胎压强P、所述汽车轮胎温度T及所述加速度a发送至数据采集与处理板卡。
[0021]优选的，所述数据采集与处理板卡采用TI公司的TMS320F28335DSP芯片。
[0022]利用本发明的监测系统的监测方法，其特点在于:
[0023]所述汽车轮胎载荷Fz由式(I)获得:
[0024]Fz=f(P, T, As) (I)
[0025]式中f为通过台架试验标定的汽车轮胎载荷Fz与汽车轮胎压强P、所述汽车轮胎温度T及汽车轮胎与地面相互作用时橡胶胎体(5)的垂直变形量Λ s之间的映射关系；Α.N.Gent和J.D.Walter主编的《轮胎理论与技术》阐述了轮胎载荷Fz与汽车轮胎压强P、汽车轮胎温度T及汽车轮胎与地面相互作用时橡胶胎体(5)的垂直变形量△ s之间存在着非线性关系。
[0026]所述垂直变形量Δ s由式(2 )获取:[0027]As=rr-1-As/ (2)
[0028]式中&为汽车轮胎的滚动半径；1为汽车轮胎中心至车轮轮辋(4)边缘的距离；As'为汽车行驶过程中轮胎与地面作用时产生的垂直跳动量；
[0029]所述汽车轮胎的滚动半径匕由式(3)获得:
[0030]rr=v/ ω (3)
[0031]式中V为汽车A点处的水平速度；ω为由数据采集与处理板卡通过汽车车轮角速度ω的方波信号解算获得的汽车车轮角速度；
[0032]式(2)中的As'由数据采集与处理板卡根据加速度a通过FFT-DDI滤波方法获取。对 FFT-DDI 滤波方法，Ribeiro T G T 等人的《New improvements in thedigital double interation filtering method to measure displacements usingaccelerometers))以及太原理工大学李东文的《振动加速度信号直接数字积分的DSP实现》进行了深入的研究。发明人发表的《基于加速度的汽车悬架位移实时测试方法试验研究》一文中通过FFT-DDI方法，将频域滤波和时域积分交替进行，特别是频域滤波时对FFT的前面的数值和最后一个数值直接赋值改变，这样可有效提高低频信号的积分效果。
[0033]与现有技术相比，本发明有益效果体现在:
[0034]1、本发明通过台架试验标定出轮胎的垂直载荷Fz与轮胎参数的映射关系f，然后通过GPS车速测试设备、轮胎压力监测系统及ABS轮速传感器等获取映射关系所需要的汽车行驶参数，从而获得汽车行驶过程中轮胎载荷，监测装置安装方便、监测方法简单、理论成熟且具有较高的测试精度；
[0035]2、本发明所采用的监测方法与监测装置适用于汽车在行驶过程中的实时监测；
[0036]3、本发明所采用的监测方法与装置适用的车型范围广。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1为本发明监测装置安装示意图；
[0038]图2为本发明监测装置硬件结构框图
[0039]图3为本发明汽车行驶过程中轮胎角速度获取示意图；
[0040]图4为本发明轮胎压力监测系统安装示意图；
[0041]图5为本发明加速度传感器安装示意图；
[0042]图6为本发明轮胎橡胶胎体垂直变形量计算示意图；
[0043]图中标号:IGPS车载天线；2ABS轮速传感器；3轮胎压力监测装置；3a加速度传感器；4车轮轮辋；5橡胶胎体。
【具体实施方式】
[0044]如图1所示，本实施例的汽车行驶过程中轮胎载荷实时监测系统由GPS车速测试设备、ABS轮速传感器2、轮胎压力监测装置3及数据采集与处理装置构成；
[0045]所述GPS车速测试设备包括GPS车载天线I和GPS车载接收机；所述GPS车载天线I安装在汽车车顶且位于汽车纵向对称平面与车顶平面交线的A点处；所述GPS车载接收机安装在汽车车内且与GPS车载天线I相连；所述GPS车载天线I用于接收GPS卫星信号，所述GPS车载接收机用于解算所述GPS车载天线I接收到的GPS卫星信号，实时获得汽车A点处的水平速度V，并将所述汽车A点处的水平速度V发送至数据采集与处理装置；
[0046]如图3所示，所述ABS轮速传感器2用于实时监测汽车车轮角速度ω，并将所述汽车车轮角速度ω以方波信号的形式发送至数据采集与处理装置；现代汽车从汽车行驶的安全性出发，汽车厂商普遍在汽车上安装防抱死制动系统，即ABS。ABS在汽车的制动过程中强制性地把车轮的滑移率控制在峰值附着系数附近，从而防止车轮被制动抱死，提高制动效果。ABS通常由传感器、电子控制单元(Ε⑶)和液压执行元件组成。其中，传感器用于检测轮速等信息；电子控制单元(ECU)用于处理传感器信号；液压执行元件用于将ECU发出的命令变为车轮上制动压力的变化。本发明中的汽车车轮角速度传感器2采用汽车ABS内置传感器。具体实施中，由于汽车在行驶过程中，四个车轮的角速度存在差异，本监测方法采用取四个车轮角速度平均值的方法；
[0047]如图4所示，所述轮胎压力监测装置3安装在汽车轮胎气门芯上，由压力传感器、温度传感器、加速度传感器3a和RF发送模块组成；所述压力传感器用于实时检测汽车轮胎压强P，所述温度传感器用于实时检测汽车轮胎温度T，所述加速度传感器3a用于实时检测汽车在行驶过程中，由轮胎与地面的相互作用而产生的垂直于地面的加速度a ;所述RF发送模块用于实时发送所述汽车轮胎压强P、所述汽车轮胎温度T及所述加速度a至数据采集与处理装置；
[0048]如图5所示，所述加速度传感器3a集成在所述轮胎压力监测系统3中，用于实时测量汽车在行驶过程中，轮胎与地面的相互作用而产生的垂直于地面的加速度a。本实施例采用的加速度传感器3a可以测量X，y, z三个方向的加速度，由于集成在轮胎压力监测系统3中，因此，需要对加速度传感器3a的位置进行判断，当加速度传感器3a位于车轮的正下方时，Y轴输出的加速度值可直接计算，当加速度传感器3a位于车轮的正上方时，y轴取其反方向输出的加速度值。
[0049]如图2所示，所述数据采集与处理装置包括数据采集与处理板卡和报警器；所述数据采集与处理板卡用于实时接收所述GPS车载接收机发送的汽车A点处的水平速度V、所述ABS轮速传感器2发送的汽车车轮角速度ω的方波信号及所述RF发送模块发送的所述汽车轮胎压强P、所述汽车轮胎温度T和所述加速度a，并获得汽车轮胎载荷Fz，所述数据采集与处理板卡判断汽车轮胎载荷Fz是否超过阈值，若超过，则通过所述报警器发出报警信号。本实施例的数据采集与处理板卡采用TI公司的TMS320F28335DSP芯片。
[0050]具体实施中，所述数据采集与处理装置还包括无线接收模块；
[0051]所述GPS车载接收机通过串口将所述汽车A点处的水平速度V发送至数据采集与处理装置的数据采集与处理板卡(DSP)；
[0052]所述ABS轮速传感器2通过CAN将所述汽车车轮角速度ω以方波信号的形式发送至数据采集与处理装置的数据采集与处理板卡(DSP)；
[0053]所述RF发送模块通过无线形式将所述汽车轮胎压强P、所述汽车轮胎温度T及所述加速度a发送至数据采集与处理装置的无线接收模块；
[0054]所述无线接收模块将所述汽车轮胎压强P、所述汽车轮胎温度T及所述加速度a发送至数据采集与处理板卡(DSP )。
[0055]所述汽车轮胎垂直载荷Fz按(I)式获得:
[0056]Fz=f (P，Τ，Δ s) (I)[0057]式中f为通过台架试验标定的汽车轮胎载荷Fz与汽车轮胎压强P、所述汽车轮胎温度T及汽车轮胎与地面相互作用时橡胶胎体5的垂直变形量As之间的映射关系；A.N.Gent和J.D.Walter主编的《轮胎理论与技术》一书中阐述了随着轮胎下沉量加大，轮胎应变更严重，生热更多，所以工作温度也提高，轮胎载荷与汽车轮胎压强P、汽车轮胎温度T及汽车轮胎与地面相互作用时橡胶胎体5的垂直变形量Λ s之间存在着非线性关系。
[0058]如图6所示，式(I)中As按(2)式获取:
[0059]Δ s=rr-l-Δ s' (2)
[0060]式中&为汽车轮胎的滚动半径；1为汽车轮胎中心至车轮轮辋4边缘的距离；As'为汽车行驶过程中轮胎与地面作用时产生的垂直跳动量；
[0061]汽车轮胎的滚动半径&按下(3)式获得:
[0062]rr=v/ ω (3)
[0063]式中V为汽车A点处的水平速度；ω为由数据采集与处理板卡通过汽车车轮角速度ω的方波信号解算获得的汽车车轮角速度；
[0064]式(2)中的As'由数据采集与处理板卡根据加速度a通过FFT-DDI滤波方法获取。对 FFT-DDI 滤波方法，Ribeiro T G T 等人的《New improvements in thedigital double interation filtering method to measure displacements usingaccelerometers))以及太原理工大学李东文的《振动加速度信号直接数字积分的DSP实现》进行了深入的研究。发明人发表的《基于加速度的汽车悬架位移实时测试方法试验研究》一文中通过FFT-DDI方法，将频域滤波和时域积分交替进行，特别是频域滤波时对FFT的前面的数值和最后一个数值直接赋值改变，这样可有效提高低频信号的积分效果。
[0065]最后，将获得的P，T，As代入式(1)，获得轮胎的垂直载荷。
【权利要求】
1.一种汽车行驶过程中轮胎载荷实时监测系统，其特征在于:所述监测系统由GPS车速测试设备、ABS轮速传感器(2)、轮胎压力监测装置(3)及数据采集与处理装置构成； 所述GPS车速测试设备包括GPS车载天线(I)和GPS车载接收机；所述GPS车载天线(O安装在汽车车顶且位于汽车纵向对称平面与车顶平面交线的A点处；所述GPS车载接收机安装在汽车车内且与GPS车载天线(I)相连；所述GPS车载天线(I)用于接收GPS卫星信号，所述GPS车载接收机用于解算所述GPS车载天线(I)接收到的GPS卫星信号，实时获得汽车A点处的水平速度V，并将所述汽车A点处的水平速度V发送至数据采集与处理装置； 所述ABS轮速传感器(2)用于实时监测汽车车轮角速度ω，并将所述汽车车轮角速度ω以方波信号的形式发送至数据采集与处理装置； 所述轮胎压力监测装置(3)安装在汽车轮胎气门芯上，由压力传感器、温度传感器、加速度传感器(3a)和RF发送模块组成；所述压力传感器用于实时检测汽车轮胎压强P，所述温度传感器用于实时检测汽车轮胎温度T，所述加速度传感器(3a)用于实时检测汽车在行驶过程中，由轮胎与地面的相互作用而产生的垂直于地面的加速度a ;所述RF发送模块用于实时发送所述汽车轮胎压强P、所述汽车轮胎温度T及所述加速度a至数据采集与处理装置； 所述数据采集与处理装置包括数据采集与处理板卡和报警器；所述数据采集与处理板卡用于实时接收所述GPS车载接收机发送的汽车A点处的水平速度V、所述ABS轮速传感器(2)发送的汽车车轮角速度ω的方波信号及所述RF发送模块发送的所述汽车轮胎压强P、所述汽车轮胎温度T和所述加速度a，并获得汽车轮胎载荷Fz，所述数据采集与处理板卡判断汽车轮胎载荷Fz是否超过阈值，若超过，则通过所述报警器发出报警信号。
2.根据权利要求1所述的汽车行驶过程中轮胎载荷实时监测系统，其特征在于: 所述数据采集与处理装置还包括无线接收模块； 所述GPS车载接收机通过串口将所述汽车A点处的水平速度V发送至数据采集与处理装置的数据采集与处理板卡； 所述ABS轮速传感器(2)通过CAN将所述汽车车轮角速度ω以方波信号的形式发送至数据采集与处理装置的数据采集与处理板卡； 所述RF发送模块通过无线形式将所述汽车轮胎压强P、所述汽车轮胎温度T及所述加速度a发送至数据采集与处理装置的无线接收模块； 所述无线接收模块将所述汽车轮胎压强P、所述汽车轮胎温度T及所述加速度a发送至数据采集与处理板卡。
3.根据权利要求1或2所述的汽车行驶过程中轮胎载荷实时监测系统，其特征在于: 所述数据采集与处理板卡采用TI公司的TMS320F28335DSP芯片。
4.一种利用权利要求1、2或3所述的监测系统的监测方法，其特征在于: 所述汽车轮胎载荷Fz由式(I)获得: Fz=f(P,T, As) (I) 式中f为通过台架试验标定的汽车轮胎载荷Fz与汽车轮胎压强P、所述汽车轮胎温度T及汽车轮胎与地面相互作用时橡胶胎体(5)的垂直变形量Λ s之间的映射关系； 所述垂直变形量As由式(2)获取:Δ s=rr-l-Δ s' (2) 式中^为汽车轮胎的滚动半径；1为汽车轮胎中心至车轮轮辋(4)边缘的距离；As'为汽车行驶过程中轮胎与地面作用时产生的垂直跳动量； 所述汽车轮胎的滚动半径&由式(3)获得: rr=v/ ω (3) 式中V为汽车A点处的水平速度；ω为由数据采集与处理板卡通过汽车车轮角速度ω的方波信号解算获得 的汽车车轮角速度； 式(2)中的As'由数据采集与处理板卡根据加速度a通过FFT-DDI滤波方法获取。
【文档编号】B60C23/00GK103786533SQ201410071985
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年2月28日 优先权日:2014年2月28日
【发明者】张小龙, 王啟永, 陈彬, 刘鹏飞 申请人:安徽农业大学