跟踪轮胎磨损的方法和设备以及装载在车辆上的磨损跟踪系统与流程

本发明涉及使用超宽带（或者UWB，英语术语“Ultra Wide Band（超宽带）”的首字母）脉冲的发射来跟踪车辆的轮胎的磨损的方法，并且涉及磨损跟踪设备以及适于实施该方法的被装载的系统。

背景技术：

传统地，轮胎被安装在车辆的车轮的轮辋上以便不管使用的状况如何都改善车轮在行驶地面上的贴附。特别是，轮胎包括与地面接触的滚动带。该滚动带是由天然的或合成的橡胶制成的厚胶层，其被以“进行刻槽”的形式挖凿，以便允许排出水、雪以及其它疏松物质，这允许改善贴附并且减少侧滑类型的影响。

在滚动带之下，平行金属线层—一般为两层—通过胶合而斜向地彼此交叉，以便形成刚性轮箍并且特别是抵抗在转弯期间生成的侧向推力。

轮胎的滚动带随时间磨损并且刻槽倾向于逐渐消失，这可能引起贴附的丧失。为了检测轮胎的临界磨损—超出该临界磨损则可以认为行驶是危险的—传统的技术是安放磨损对照物。这些对照物以集成在滚动带中的有颜色的标识的形式呈现。当滚动带被磨损时，其厚度减小并且标识终于与滚动带的外部表面齐平。视觉控制于是允许确证更换轮胎的必要性。

这种传统的检测并不令人满意：其不怎么精确，其由于依赖于检查滚动带的频率因而是随机的，并且最终可能不怎么有效，因为没有任何告警来加强这样的检测的临界特性。

因此开发了其它技术以克服这些不足。一种方法建立在如下之上：在每个轮胎的滚动带中把至少一个无线电标识类型的标记或者RFID（英语术语“Radio Frequency Identification（无线电频率标识）”的首字母缩写）集成电路片集成到与临界磨损对应的位置处。例如在专利申请公开US 2006/0042734中描述了这种技术。

在该技术的框架中，RFID集成电路片被由发射机提供的存在信号激活并且响应于此而将确认信号发送到检测器。当轮胎达到临界磨损时，集成电路片被损坏并且不再对存在信号进行响应：这种响应缺失启动告警以提醒驾驶员一个或多个轮胎的磨损状态。

另一种技术在于把集成在轮胎的滚动带中的压电元件与根据由压电元件生成的电压信号而发射的无线电波信号的发生器相关联。专利文献EP 2368724揭示了这样的方案。在该文献中，检测单元接收这些无线电波，并且通过无线通信—基于无线电波信号—将轮胎的磨损数据信号发送到接收单元。只有当无线电波信号大于预先确定的水平时启动磨损数据信号的发送。告警装置以及接收单元的显示器于是允许提醒驾驶员。

这些技术在它们的检测模式方面缺少精度并且是不怎么可靠的，因为它们依赖于并入到滚动带中的、可能随时间而劣化的元件。

另一种方法使用轮胎的加速度的检测。专利文献EP 1106397说明了如下的这样的方法：该方法用于通过如下来确定轮胎的滚动带的磨损：在通过傅立叶变换得出的轮胎的径向或侧向加速度的谐振频率与所存储的至少一个的频率之间进行比较。

这种类型的方法同样不怎么可靠并且不怎么精确，因为其依赖于加速度的测量，加速度是不良的磨损标记，被使用在复杂的计算和根据所存储的值的随机比较中。

技术实现要素：

本发明明确地以提供对轮胎的滚动带的磨损的可靠且精确的测量为目的。为此，本发明提出使用宽带（所说的UWB，英语术语“Ultra Wide Band（超宽带）”的首字母缩写）脉冲并且分析由这些脉冲获得的在轮胎的滚动带及其环境上的特征，以由此得出其磨损状态。

更确切地，本发明的目的在于一种跟踪车辆的轮胎的滚动带的磨损的方法，车辆的轮胎的滚动带包括具有内部界面的内部层、并入有至少一个金属加强筋面的中间层以及具有刻槽底部的内部界面和被进行刻槽的外部界面的滚动外部层，轮胎适于在行车道之上形成被进行刻槽的外部面的接触压迹的情况下行驶。所述方法在于：从安装在轮胎附近的源在外部层的包含该轮胎在行车道之上的压迹的方向上发射至少一个宽带（所说的UWB）入射脉冲信号，以接收由滚动带的界面以及由行车道反射的脉冲，以根据由所反射的至少一个脉冲表现的相对于入射脉冲的发射时刻的相对延迟形成的磨损特征来通过在所述磨损特征和所述滚动带的先前的磨损特征之间进行比较而确定轮胎的磨损状态；以及在磨损特征与就在行车道之上的轮胎的压迹的贴附丧失的预先估计的风险而限定的滚动带的临界状态对应时启动告警。

可以根据有利地伴随有由刻槽底部的内部界面和/或由至少一个金属加强筋界面反射的脉冲的相对延迟的、由行车道和/或由被进行刻槽的外部界面反射的脉冲表现的相对延迟来限定磨损特征。优选地，入射脉冲信号的发射被朝向被进行刻槽的外部面在行车道之上的接触压迹而径向地定向。此外，有利地规则地对磨损特征进行采样，并且对被相继地采样的磨损特征进行比较，以便根据对应的里程来确定入射脉冲信号的发射周期。

为了避免轮胎的可变压力和/或车辆的可变负载的影响，本发明的方法准备在于如下的至少一个补充步骤：

•分析在压迹之外的区域中的由被进行刻槽的外部界面反射的脉冲表现的相对延迟，并且将该相对延迟与磨损特征的相对延迟进行比较；和/或

•还分析由专用检测提供的轮胎的负载和压力的信息，得出反射脉冲的相对延迟的修正，并且相应地修改磨损特征。

另外，为了使具有来自邻近轮胎或来自附近的其它车辆的发射的干扰最小化，可以通过利用对每个轮胎特有的已知的帧来对脉冲进行编码，从而发射入射脉冲信号。

本发明还涉及一种适于实施上述方法的跟踪轮胎的磨损的设备。

这样的设备包括：专用于信号操控和数据处理的控制单元，该控制单元耦合到超宽带（或者UWB）脉冲信号的发生器，该发生器自身耦合到入射UWB脉冲的发射天线；以及在轮胎的滚动带的至少一个界面上以及在行车道上反射的UWB脉冲的接收天线，接收天线耦合到脉冲信号接收机，该脉冲信号接收机自身耦合到所述控制单元。

根据特定的实现方式，UWB脉冲的发射天线和接收天线形成单个UWB脉冲发射/接收天线或不同的两个天线，一个是发射天线并且一个是接收天线。优选地，一个或多个天线具有单向发射部件以及有向接收部件，从而消除寄生回波。

有利地，脉冲放大器被布置在脉冲信号的发生器的输出与UWB脉冲的发射天线的输入之间，并且耦合到低噪声放大器的滤波器组件被安装在UWB脉冲的接收天线的输出与脉冲信号的接收机的输入之间。

根据有利的实现方式：

•UWB脉冲信号的发生器包括由控制单元启动的并且经由基带发送时钟调制的起始信号的数字/模拟转换器（或者CNA），所述转换器经由滤波器耦合到混合器，从而被调制并被滤波的信号承载由还在控制单元的操控之下的RF振荡器提供的射频信号（或RF信号）的短脉冲，起始信号的持续时间被调整，从而所承载的信号在被放大前对应于如下的频谱：其宽度至少等于该谱的中心频率的值的25%，然后被以UWB脉冲信号的形式由发射天线发射；以及

•UWB脉冲信号的接收机包括混合器，混合器被耦合到采样器/模数转换器（或者ECAN），采样器/模数转换器自身耦合到所述控制单元，以用于对来自接收天线的、并且在被滤波和放大之后与由还在控制单元操控下的本地射频振荡器提供的RF信号混合的反射UWB脉冲信号进行采样，由在控制单元操控下的基带时钟对采样设定节律（cadencer），以把与反射UWB脉冲信号对应的数字UWB脉冲信号提供给控制单元。

控制单元可以有利地包括相关器，以便对由采样器/转换器（ECAN）提供的数字UWB脉冲信号进行相关并且因此形成磨损特征，该相关器耦合到数字处理单元以根据相继的特征确定轮胎的磨损状态。替换地，数字处理单元可以被放置得远离于控制单元，以特别是在车辆的轮胎的磨损跟踪系统中形成中央计算机，并且相关器与计算机之间的连结于是通过RF信号或UWB信号经由适于发送这样的信号的天线来实现。

本发明还涉及一种车辆的车轮的轮胎的磨损跟踪装载系统。这样的系统由如以上所限定的设备的磨损跟踪设备—包括发生器、UWB脉冲信号接收机、UWB脉冲发射/接收天线以及集成有相关器的控制单元—以及集成有处理单元的中央数字计算机构成。每个设备适于被集成到安装在车辆的每个车轮上的车轮单元中。在每个车轮单元的输出处安装的RF或UWB信号天线发射相关的UWB脉冲信号并且这些信号适于由装载在车辆上的中央数字计算机接收。该中央数字计算机连接到RF或UWB信号的接收天线，并且可以根据由车轮单元的天线发送到处理单元的相继的相关来确定每个轮胎的磨损状态。

每个车轮单元的输出天线可以有利地是UWB脉冲信号的发射/接收天线，这样允许简化架构。

优选地，如果车辆装配有包括在车辆的每个车轮中装配有压力传感器的车轮单元以及装载的中央计算机的轮胎压力跟踪系统或TPMS（“Tyre Pressure Monitoring System(轮胎压力监控系统)”的首字母）系统，则确定轮胎磨损的设备被集成在每个车轮单元中，并且TPMS系统的装载计算机作为以上所限定的中央数字计算机而起作用。这样的方案允许共同地使用车轮单元和装载计算机，这样还提供将成本最小化。

附图说明

参照随附各图，通过阅读接下来的并非进行限制的描述，本发明的其它数据、特性和优点将显而易见，随附各图分别表示：

-图1是呈现为对于由根据本发明的设备发射的入射脉冲的回波的在行车道上以横截面查看的轮胎的滚动带的界面处反射的脉冲的传播的示意图；

-图2是如由根据本发明的设备相继地发射并且接收的根据图1的入射脉冲的幅度和呈现为回波的反射脉冲的幅度的示图；

-图3是根据本发明的包括单个发射/接收天线的或在变形中包括两个天线（脉冲的发射天线和脉冲的接收天线）的设备的示例的示意图；

-图4a和图4b是根据本发明的设备的脉冲的发生器的示例和脉冲的接收机的示例的示意图，以及

-图5是装载在车辆上的磨损跟踪系统的简化的架构的示意图。

具体实施方式

由图1图解的轮胎1在行车道2上的横截面视图显示出由轮胎1的滚动带10和行车道2反射的脉冲iR1至iR6的传播。脉冲iR1至iR5是形成发射信号Se的一系列宽频带的入射脉冲（所说的UWB脉冲）中的每个入射脉冲i1在由滚动带10形成的界面上的相继反射的结果。

所发射的UWB信号Se是由配备有发射/接收天线31—在发射上为单向并且在接收上为有向—的磨损跟踪设备100在滚动带10的方向上并且在滚动带的宽度10L的界限内产生的。该设备100被安放在其上安装有轮胎1的机动车辆（未示出）的车轮5的轮辋4中。

轮胎1传统地具有环形结构，并且容纳在轮辋4中的发射/接收天线31发射主要被径向地定向的信号Se。在所图解的示例中，轮胎1具有以比滚动带10更柔软的橡胶制成的侧壁40以及钩挂于轮辋4的两个环形金属环50。滚动带10从轮胎1的内部起直到它的在行车道2之上的压迹1E包括以下界面：内部层11；形成加强筋的两个金属层12和13；以及由刻槽底部14a和在行车道2上接触的外部面14b形成的被进行刻槽的外部层14。

反射脉冲iR1至iR6于是分别来源于入射脉冲i1在内部层11的面11a上、在金属层12和13上、在外部层14的刻槽底部14a上、在行车道2上以及在外部层14的外部面14b上的相继反射。当外部面14b并未贴附到行车道2，也就是说在压迹1E之外时，在外部面14b上的反射不同于在行车道2上的反射。因此，在入射脉冲i1的角度偏离Δi的情况下，对于在滚动带10的宽度10L中但在压迹1E之外到达该外部面14b的入射脉冲i1而言，在外部面14b上的反射iR6显现。

对于同一入射脉冲i1而言，形成反射脉冲iR1至iR6的相继反射具有越来越小的幅度，因为在每个反射界面11、12、13、14a和14b处，入射脉冲的部分被折射并且另外的部分在滚动带10中被吸收。

图2的示图中显示了反射脉冲的下降水平。该示图—通过结合对图1的参照—图解这些反射脉冲iR1至iR6的幅度水平“A”（即A1至A6）。所述脉冲iR1至iR6被由天线31（图1）按照时间“t”在时刻t1至t6相继地捕获，呈现为对于在时刻t0发射的入射脉冲的回波。被反射并且被捕获的脉冲iR1至iR6的集合形成UWB接收信号Sr。

该示图允许通过计算得到反射界面11、12、13、14a、2和14b（图1）之间的距离，距离与对应的反射脉冲iR1至iR6的相对延迟成比例。滚动带的磨损对其厚度有影响，并且因此，对分别来自在行车道2上或在外部面14b（图1）上的反射的脉冲iR5或iR6的接收时刻有影响。对这些反射脉冲iR5或iR6相对于其它反射脉冲iR1至iR4的延迟进行相关，以便根据延迟的不同的组合来评价滚动带的厚度，这些相关的集合构成滚动带的磨损特征。并且该特征的时间上的变化于是允许建立磨损跟踪。反射脉冲在被处理之前被转换为数字形式（如以下将参照图4b所描述的那样）。

因此，建立第一相关以用于跟踪滚动带10的外部层14的厚度。直接从由入射脉冲i1在该外部层14的外部面14b上以及刻槽底部14a上的反射形成的反射脉冲iR6和iR4的接收时刻之间的差（t6-t4）得出外部层14的厚度。该外部层的厚度按照时间的变化Ve(t)是外部层14并且因此是轮胎的磨损的指标。

由滚动带的反射界面反射的脉冲的接收时刻之间的其它相关允许评价滚动带的磨损。

因此，外部面14b与除了刻槽底部14a之外的滚动带10的任何界面—即内部面11a与金属层12或13中的一个—之间的距离可以被用于确定磨损。这些距离与反射脉冲iR6和反射脉冲iR1、iR2、iR3的接收时刻之间的差（即分别对应于：(t6-t1)，(t6-t2)以及(t6-t3)）成比例。

此外，由于除了滚动带10在行车道2上的压缩以及入射脉冲i1的角度变化“Δi”（图1）之外，在行车道2上和在外部面14b上的反射是相似的，因此时刻t5和t6以几乎相同的方式变化。因此，还有利的是，通过确定在行车道2（图1）—其中反射脉冲iR5出现的界面—和滚动带10的界面之一（图1）之间的距离来确认前述的相关。

该距离被与如下成比例地确定：反射脉冲iR5的接收时刻t5与接收在所述的界面—即，内部面11a、金属层12或13中的一个、以及刻槽底部14a—中的一个上的反射脉冲iR1至iR4中的一个的任何时刻t1至t4之间的差。

在根据本发明的设备中实现所发射的并且被捕获的UWB信号Se和Sr的接收时刻的处理，目的是建立这些时刻之间的相关、根据这些相关的滚动带的磨损特征以及随时间的磨损跟踪。图3更精确地图解根据本发明的设备100的示例的示意图。

这样的设备100包括专用于操控所发射的信号Se并且处理由接收信号Sr提供的数据的控制单元110。对信号Se的发射的编程在每次开启准备发射，然后以周期性的方式进行（例如每一小时）。发射频率根据轮胎已经走过的里程以及由轮胎制造商提供的磨损曲线而增加。有利地可以考虑来自例如集成在车辆中的轮胎的压力的控制系统的该压力的数据以便校正所述发射频率。

控制单元110与第一发射分支B1连结，第一发射分支B1包括：发射UWB脉冲信号Se的发生器120，其在输出处耦合到UWB脉冲放大器130，UWB脉冲放大器130被连接到这些信号的发射天线140。电池101构成设备100的电能量源。

设备100包括第二分支B2，被称为接收分支，接收在磨损上被跟踪（图1）的轮胎1的滚动带10上反射之后的UWB脉冲信号Sr。第二分支B2包括：信号Sr的接收天线150，其耦合到滤波器160，滤波器160用于选择谱宽度与所发射的信号Se相同的UWB信号，滤波器160在输出处连接到低噪声放大器170，低噪声放大器170在脉冲接收机180的输入处耦合到脉冲接收机180，脉冲接收机180适于存储所捕获的信号Sr。在该脉冲接收机180的输出处，第二分支B2连接到设备100的控制单元110。

优选地，发射天线140是单向的，以便增加所发射的脉冲的传播的方向的准确度，并且接收天线150是有向的，以便最佳地避免寄生回波。在变形中，发射天线140和接收天线150被单个发射/接收天线31（图1）替换，这允许使设备更紧凑，简化电路并且使成本最小化。然而，这样的具有发射和接收的双重功能的天线对干扰和寄生回波更灵敏。

以更准确的方式，在图4a中图解了脉冲发生器120的示例，脉冲发生器120在上游与控制单元110连结，并且在下游与连接到发射天线140的脉冲放大器130连接。

这样的UWB脉冲发生器120包括数字/模拟转换器（或者CNA）121，以用于根据由控制单元110启动的起始信号s1提供经由基带发射时钟122调制的模拟信号Sa。CNA转换器121经由滤波器123耦合到混合器124，以使模拟信号Sa承载由也在控制单元110操控之下的RF振荡器125提供的RF信号的短射频脉冲。每个短射频脉冲在（由放大器130进行）放大以及（由天线140进行）发射之后形成发射信号Se的入射脉冲i1中的一个。

所承载的射频脉冲的持续时间由控制单元110规定在例如纳秒或以下的持续时间上，以使得在由混合器124的输出处的脉冲放大器130放大之前所承载的脉冲信号对应于如下的频谱：其宽度等于该谱的中心频率的值的25%，并且然后由发射天线140以UWB脉冲信号的形式发射。例如，如果每个入射脉冲以2GHz为中心，则频带的宽度是500MHz。

以与针对脉冲发生器120的图4a等同的方式，图4b示出脉冲接收机180的示例，脉冲接收机180在上游与脉冲放大器170连结，脉冲放大器170经由滤波器160连接到接收天线150，并且脉冲接收机180在下游与控制单元110连结。

这样的脉冲接收机180包括混合器181，混合器181耦合到采样器/模数转换器（或者ECAN）182，采样器/模数转换器182自身耦合到控制单元110。ECAN 182对如由接收天线150捕获、被（滤波器160）滤波并且被放大（170）的反射UWB脉冲信号Sr的脉冲进行采样。

在被采样之前，通过与由在控制单元110操控下的本地RF振荡器184（其也可以是脉冲发生器120的振荡器125）提供的RF信号进行混合来减低反射UWB脉冲信号Sr。ECAN 182进行的采样由也在控制单元110操控下的基带时钟183（其可以是脉冲发生器120的时钟122）设定节律。与所捕获的UWB信号脉冲Sr对应的数字信号Sn然后被发送到控制单元110以用于在控制单元110进行处理。

该控制单元110有利地包括相关器111以便根据被相继地处理的数字信号iRn的延迟来在它们之间建立相关，如参照图2所描述的那样。相关器111耦合到数字处理单元112以形成磨损特征并且根据相继的特征来确定轮胎的磨损状态。当磨损状态与预先建立的临界状态对应时，告警被控制单元110启动并且由天线140或31发射。告警信号被发送到集成在车辆的仪表板的适当的接收机。该接收启动视觉和/或听觉告警。

替换地，数字处理单元可以例如以如后面描述的中央数字计算机的形式被放置得远离于控制单元，并且相关器与该计算机之间的连结于是经由适于发送RF信号或UWB信号的天线由RF信号或UWB信号来实现。这样的远程架构被适配用于构成针对车辆的全体轮胎的装载磨损跟踪系统，中央数字计算机的使用因此被有利地进行互助化（mutualiser）。

参照图5，图解了装载在车辆上的磨损跟踪系统的简化的示意图。由如集成在车轮中的每一个上的磨损跟踪设备100’中的一个以及与全体设备100’通信的中央数字计算机300来图解系统。

每个磨损跟踪设备100’相对于先前的设备100被简化，因为数字处理单元112不再处于设备中而是被远离放置在适于处理来自所有磨损跟踪设备100’的信号的中央数字计算机300中。

每个磨损跟踪设备100’ 与它的UWB脉冲信号发射/接收天线31一起被集成在安装在车辆（未示出）的每个车轮上的车轮单元200中。RF信号通信天线210在与发射机205连结的情况下安装在每个车轮单元200的输出处。该天线210在所装载的中央计算机300的接收天线310的方向上发射由设备100’的控制单元提供的数字化脉冲信号Sd和/或相关的脉冲信号Sc。

在所装载的中央计算机300中，数字化脉冲信号Sd和/或相关的信号Sc在被数字处理单元112处理之前首先由与RF信号接收机320连结的RF信号接收天线310捕获。数字处理单元根据由所捕获的相关的脉冲信号提供的相继的相关来确定每个轮胎的磨损状态，如上面描述那样。

替换地，安装在车轮单元200的输出处的通信天线210是UWB信号天线，并且于是有利地由磨损跟踪设备100’的UWB脉冲信号发射/接收天线31构成。于是在用于确定磨损的UWB信号的发射/接收之外执行通信。

在其中车辆已经装配有包括在车辆的每个车轮中装配有压力传感器的车轮单元200类型的车轮单元以及计算机300类型的装载中央计算机的轮胎压力跟踪系统（或者TPMS系统）的情况下，每个轮胎磨损跟踪设备100’被集成在存在的每个车轮单元中。TPMS系统的装载计算机充当装载中央计算机300，并且被集成在数字处理单元112中。在此情况下，临界磨损告警信号还由TPMS系统管理，TPMS系统包括集成在车辆的仪表板中以用于启动告警的接收机。

本发明不限制于所描述和表示的实施例。

例如，可以根据想要的测量分辨率来优化采样持续时间。再有，脉冲所经历的持续时间（以及因此滚动带的各界面之间的距离）的测量可以使用不同的检测/相关/阈值化技术。特别是，脉冲前沿检测、最大值检测、广义上的与脉冲的掩蔽或特征的相关（理解为脉冲的特征参数的集合：给定的时间间隔中的点的平均值、最大值与最小值之间的差等）。

两个脉冲之间的持续时间可以根据胎结构（层的数量以及每个层的介电性质）而被用作优化参数。其可以根据胎中出现的材料的复杂属性而被有利地在多个优化的离散值上调整。

磨损跟踪设备的定位可以被优化从而使反射波相对于入射波—特别是针对特征检测—的形变最小化。

也可以根据功能的选择以及天线—接收和/或接收UWB和/或RF信号—的数量来优化天线的方向性。再有，天线的数量以及它们的相应位置取决于对脉冲在笔直的传播路径上或是在偏斜的路径上的反射的使用。

另外，天线面对于滚动带的定向也是用于使反射脉冲信号的幅度最大化的优化参数。

为了使具有来自邻近的胎或来自附近车辆的发射的干扰最小化，可以通过利用对每个车轮特有的已知的帧对各脉冲进行编码来发射信号。码是在被判断为足以用于使地面上的干扰的概率最小化的码的列表当中任意选择的。

该码可以例如对在已知的发射时间窗口中的一个或多个脉冲的存在或缺失进行编码。该码可以是对脉冲进行反转。

此外，可以在每个脉冲的发射之前引入随机时间，以使具有来自附近的其它传感器的发射的干扰和冲突最小化。也可以通过使用伪随机码来确定该随机时间。