轮胎传感器的制作方法

本发明总体涉及轮胎传感器。更具体地，本发明针对用于收集车辆操作期间所测量的轮胎参数数据的轮胎监控系统。

背景技术：

将电子装置与充气轮胎结构相结合带来许多实际优点。轮胎电子器件可包括用于获得关于轮胎的各种物理参数（诸如温度、压力、轮胎转数、车辆速度等）的信息的传感器和其他部件。这些性能信息在轮胎监控和警告系统方面可以是有用的，并且可具有作为反馈系统的一部分，以调整或控制某轮胎和/或车辆相关系统的潜在用途。

与轮胎结构集成的电子系统提供的另一潜在能力相应于商业车辆应用的资产追踪和性能特征描述。商用卡车车队、飞行器和土方/采矿车辆都是可利用轮胎电子系统和相关信息传输的益处的可行工业。轮胎传感器可确定车辆中的每个轮胎已经行进的距离，并因此有助于这类商用系统的维护计划。可以为成本高的应用，诸如采矿，优化车辆位置和性能。

技术实现要素：

根据本发明的组件确定轮胎的操作参数。所述组件包括安装在所述轮胎的内腔中、胎冠部分下方的三脚式传感器和所述三脚式传感器安装于其上的内衬层。所述三脚式传感器包括三轴加速计，所述三轴加速计用于产生用于确定滑移率的周向信号、用于确定滑移角的横向信号、和用于确定所述轮胎上的负载的径向信号。

根据本发明的轮胎磨损状态估算系统，包括支撑车辆的至少一个轮胎和安装到所述轮胎的三轴传感器。所述三轴传感器测量轮胎充气压力并产生轮胎充气压力数据，测量轮胎竖直模式频率并产生轮胎竖直模式频率数据，利用轮胎特定识别数据产生轮胎特定频率模式系数，并且基于所述轮胎充气压力数据、所述竖直模式频率数据和所述轮胎特定频率模式系数计算轮胎磨损状态的估算。

根据系统的另一方面，所述三轴传感器包括安装在轮胎的压力测量装置，所述压力测量装置能够操作为测量轮胎腔压力并且传输从轮胎腔压力测量所得的轮胎充气压力数据。

根据系统的又另一方面，所述三轴传感器包括存储于其中的轮胎特定识别数据。

根据系统的再另一方面，轮胎特定频率模式系数由所述三轴传感器利用对轮胎竖直模式频率在车上的测量或在轮胎中的测量而产生。

根据系统的又另一方面，对轮胎竖直模式频率的测量由安装在车轮的加速计或安装在轮胎胎冠的加速计执行。

根据系统的再另一方面，所述三轴传感器包括在轮胎磨损状态和轮胎竖直模式频率之间的关联模型。

根据系统的再另一方面，所述关联模型包括基于多项式模型的递归最小二乘算法，获取所述轮胎的磨损状态、轮胎充气压力数据和所述轮胎的轮胎竖直模式频率之间的依赖关系。

第二轮胎磨损状态估算系统包括：支撑车辆的至少一个轮胎；固定到所述轮胎的三轴传感器，所述三轴传感器操作为测量轮胎腔压力并且传输轮胎充气压力数据；以及存储在所述三轴传感器内并且能够从所述三轴传感器访问的轮胎特定识别数据。所述三轴传感器测量轮胎竖直模式频率并产生轮胎竖直模式频率数据，利用所述轮胎特定识别数据和对轮胎竖直模式频率在车上的测量或在轮胎中的测量产生轮胎特定频率模式系数，并且基于轮胎充气压力数据、轮胎竖直模式频率数据和轮胎特定频率模式系数计算轮胎磨损状态的估算。

根据第二系统的另一方面，所述轮胎竖直模式频率的测量来自安装在车轮的加速计或安装在轮胎胎冠的加速计。

根据第二系统的又另一方面，所述三轴传感器包括轮胎磨损状态和轮胎竖直模式频率之间的关联模型。

根据第二系统的再另一方面，所述关联模型包括基于多项式模型的递归最小二乘算法，获取所述轮胎的磨损状态、轮胎充气压力数据和轮胎竖直模式频率之间的依赖关系。

根据本发明的轮胎磨损状态估算方法包括如下步骤：将三轴传感器固定到支撑车辆的轮胎，所述三轴传感器测量轮胎腔充气压力并产生轮胎充气压力数据；测量轮胎竖直模式频率并产生轮胎竖直模式频率数据；利用轮胎特定识别数据产生轮胎特定频率模式系数；以及基于所述轮胎充气压力数据、竖直模式频率数据和轮胎特定频率模式系数计算轮胎磨损状态的估算。

根据所述方法的另一方面，所述方法利用对轮胎竖直模式频率在车上的测量或在轮胎中的测量产生轮胎特定频率模式系统。

根据所述方法的又另一方面，所述方法从安装在车轮的加速计或安装在轮胎胎冠的加速计测量所述轮胎竖直模式频率。

根据所述方法的再另一方面，所述方法计算所述轮胎磨损状态的估算包括利用轮胎磨损状态和轮胎竖直模式频率之间的关联模型。

根据所述方法的又另一方面，所述方法配置所述关联模型以包括基于多项式模型的递归最小二乘算法，获取轮胎磨损状态、轮胎充气压力数据和轮胎竖直模式频率之间的依赖关系。

本发明还包括如下技术方案：

1.一种用于确定轮胎的操作参数的组件，包括：

安装在所述轮胎的内腔中、胎冠部分下方的三脚式传感器和所述三脚式传感器安装于其上的内衬层，所述三脚式传感器包括三轴加速计，所述三轴加速计用于产生用于确定滑移率的周向信号、用于确定滑移角的横向信号、和用于确定所述轮胎上的负载的径向信号。

2.一种轮胎磨损状态估算系统，包括：

支撑车辆的至少一个轮胎；

安装到所述轮胎的三轴传感器，所述三轴传感器测量轮胎充气压力并产生轮胎充气压力数据，测量轮胎竖直模式频率并产生轮胎竖直模式频率数据，利用轮胎特定识别数据产生轮胎特定频率模式系数，并且基于所述轮胎充气压力数据、所述竖直模式频率数据和所述轮胎特定频率模式系数计算轮胎磨损状态的估算。

3.如技术方案2所述的轮胎磨损状态估算系统，其中，所述三轴传感器包括安装在轮胎的压力测量装置，所述压力测量装置能够操作为测量轮胎腔压力并且传输从轮胎腔压力测量所得的轮胎充气压力数据。

4.如技术方案3所述的轮胎磨损状态估算系统，其中，所述三轴传感器包括存储于其中的轮胎特定识别数据。

5.如技术方案4所述的轮胎磨损状态估算系统，其中，轮胎特定频率模式系数由所述三轴传感器利用对轮胎竖直模式频率在车上的测量或在轮胎中的测量而产生。

6.如技术方案5所述的轮胎磨损状态估算系统，其中，对轮胎竖直模式频率的测量由安装在车轮的加速计或安装在轮胎胎冠的加速计执行。

7.如技术方案6所述的轮胎磨损状态估算系统，其中，所述三轴传感器包括在轮胎磨损状态和轮胎竖直模式频率之间的关联模型。

8.如技术方案7所述的轮胎磨损状态估算系统，其中，所述关联模型包括基于多项式模型的递归最小二乘算法，获取所述轮胎的磨损状态、轮胎充气压力数据和所述轮胎的轮胎竖直模式频率之间的依赖关系。

9.如技术方案2所述的轮胎磨损状态估算系统，其中，所述三轴传感器包括轮胎磨损状态和轮胎竖直模式频率之间的关联模型。

10.如技术方案9所述的轮胎磨损状态估算系统，其中，所述关联模型包括基于多项式模型的递归最小二乘算法，获取轮胎磨损状态、轮胎充气压力数据和轮胎竖直模式频率之间的依赖关系。

11.一种轮胎磨损状态估算系统，包括：

支撑车辆的至少一个轮胎；

固定到所述轮胎的三轴传感器，所述三轴传感器操作为测量轮胎腔压力并且传输轮胎充气压力数据；以及

存储在所述三轴传感器内并且能够从所述三轴传感器访问的轮胎特定识别数据，所述三轴传感器测量轮胎竖直模式频率并产生轮胎竖直模式频率数据，利用所述轮胎特定识别数据和对轮胎竖直模式频率在车上的测量或在轮胎中的测量产生轮胎特定频率模式系数，并且基于轮胎充气压力数据、轮胎竖直模式频率数据和轮胎特定频率模式系数计算轮胎磨损状态的估算。

12.如技术方案11所述的轮胎磨损状态估算系统，其中，所述轮胎竖直模式频率的测量来自安装在车轮的加速计或安装在轮胎胎冠的加速计。

13.如技术方案11所述的轮胎磨损状态估算系统，其中，所述三轴传感器包括轮胎磨损状态和轮胎竖直模式频率之间的关联模型。

14.如技术方案13所述的轮胎磨损状态估算系统，其中，所述关联模型包括基于多项式模型的递归最小二乘算法，获取所述轮胎的磨损状态、轮胎充气压力数据和轮胎竖直模式频率之间的依赖关系。

15.一种轮胎磨损状态估算方法，包括：

将三轴传感器固定到支撑车辆的轮胎，所述三轴传感器测量轮胎腔充气压力并产生轮胎充气压力数据；

测量轮胎竖直模式频率并产生轮胎竖直模式频率数据；

利用轮胎特定识别数据产生轮胎特定频率模式系数；以及

基于所述轮胎充气压力数据、竖直模式频率数据和轮胎特定频率模式系数计算轮胎磨损状态的估算。

16.如技术方案15所述的方法，还包括利用对轮胎竖直模式频率在车上的测量或在轮胎中的测量产生轮胎特定频率模式系统。

17.如技术方案16所述的方法，还包括从安装在车轮的加速计或安装在轮胎胎冠的加速计测量所述轮胎竖直模式频率。

18.如技术方案15所述的方法，还包括：计算所述轮胎磨损状态的估算包括利用轮胎磨损状态和轮胎竖直模式频率之间的关联模型。

19.如技术方案18所述的方法，还包括：配置所述关联模型以包括基于多项式模型的递归最小二乘算法，获取轮胎磨损状态、轮胎充气压力数据和轮胎竖直模式频率之间的依赖关系。

附图说明

参照附图，针对本领域普通技术人员，在说明书中陈述了本发明全面且可行的描述，包括本发明的最佳实施方式，在附图中：

图1示意性地显示根据本发明的示例性轮胎组件的等角视图；

图2示意性地图示采用一对压电传感器的示例性系统；

图3示意性地图示采用多对压电传感器的另一示例性系统；

图4示意性地显示将压电传感器定向在充气轮胎结构内的另一示例性系统的等角视图；

图5示意性地图示采用共享传感器由三个单独的传感器形成两对传感器的另一示例性系统；以及

图6示意性地图示采用由单对传感器有效地产生的两对传感器的另一示例性系统。

贯穿本说明书和附图重复使用的附图标记意图代表本发明的相同或相似特征或元件。

具体实施方式

根据本发明的组件可产生用于确定轮胎相关特性的轮胎相关信号，如在us8,166,809和us9,050,864中所公开，其全部内容通过引用合并于此。参照图2，示例性轮胎内多元件压电传感器100可采用以互相平行的关系被安装在衬底102的任一端上的一对相对窄的条形压电传感器110、112。衬底102可以是玻璃纤维背板，该背板类似于作为电子装置中的印刷电路板的那些。示例性压电材料可包括石英、钛酸钡、硫化镉、锆钛酸铅（pzt）、聚偏氟乙烯（pvdf）和聚氯乙烯（pvc）。

压电传感器110、112可以安装为以预定距离分开，如下所述。在压电传感器110、112之间的区域中，可安装能量采集式压电元件120。能量采集式压电元件120可能应该占据压电传感器110、112之间最大的可能剩余表面积，并且还可安装有用于调节和存储能量采集式压电元件120所采集的能量的电路。压电传感器110、112、120中的每个可与其他压电元件电绝缘。用作能量采集式压电元件120的合适压电材料可包括上述相同材料。可选的能量调节和存储电路可类似于us6,725,713中公开的电路，其全部内容通过引用合并于此。

压电传感器110、112可以仅是信号发生器，提供用于随后分析的轮胎相关信息。能量采集式压电元件120可产生类似信号，但是这类信号可能被该元件上的电负载改变，并因此必须考虑这一情况。多元件式压电传感器100可居中地被安装在轮胎的周向中心线上、在胎冠下方内衬层的表面上，并且沿轮胎的旋转方向定向，如箭头130所指示的。

此配置可提供一对可时间分离的信号，从而使得通过知晓其方向和精确的分离距离，可以通过分析在一对传感器110、112之间产生的信号序列和所产生的信号之间的延迟时间，确定轮胎带束层组（beltpackage）的滚动方向和表面速度。此外，可根据单独的压电传感器110、112中的任何一个确定滚动的轮胎转动一周所需的时间。

此外，任一单独的信号压电传感器110、112可以，以绝对项的方式或者作为总轮胎带束层长度的比率，测量接触印迹长度的持续时间。然后还可计算轮胎挠曲。利用所包含的轮胎空气压力量，可分析所计算的挠曲以确定轮胎是否过载。

为了产生轮胎相关的“黑匣子”，上述参数可被周期性地写入轮胎中的永久性的或可重写的存储装置中。因此，长期轮胎历史的记录以及最近轮胎历史的记录可被存储和检索，或者甚至被传输到车辆上的中央处理器或远程位置。通过检查总行驶里程、最高温度、最小压力、最大挠曲、最大速度和/或在一组行驶条件下所花费的时间或里程，这种积累的“黑匣子”数据可用于就单个轮胎做出轮胎翻新决定。

如果已知车辆上的每个轮胎识别标志（id），并且在相同的时间范围、充气压力、带束层速度、轮胎角速度和/或接触印迹长度或挠曲或负载下，可以推断出相对轮胎位置的组合，这种组合足以识别每个轮胎id以及其车辆上的特定位置。例如，在十八轮卡车的情形中，任何一对双安装的轮胎将总是具有相同的角速度，并且因此转向轮胎可被识别成唯一不具有成双的配对的轮胎。在转弯期间，在车辆一侧上的所有轮胎将经历负载和角速度的总体增加，而在车辆另一侧上的所有轮胎将经历负载和角速度的总体减小。还是在转弯期间，轴速度的比较将显示出，由于转弯半径减小，随着从转向轴到车辆后部的进程，角速度总体减小。在很急的转弯中，内侧拖车轮胎实际上可向后旋转。

在制动期间，纵排的引导轴轮胎将经历负载增加。其他可能性包括通过防抱死制动系统（abs）选择性地制动轴，以及知晓哪个轴被制动或基于驱动扭矩的存在或不存在而分类轮胎。相对轮胎数据可被处理器视为相较于最接近的历史或积累的历史而随时间的变化或发展。可对这种数据进行时间平均，以改进对位置决定的可信度或确认之前的决定。

不同的压电传感器结构可以改进相关数据的组合，如果不能控制轮胎中的多元件压电传感器的安装方向的话。这种改进可通过利用第二示例性系统实现，如图3所示。多元件压电传感器200可包括四对压电传感器212、222、214、224、216、226、218、228，这种压电传感器相对于各自成对的压电传感器以平行关系安装，并且围绕中心轴线在衬底202上大体以八边形配置安装。衬底202可类似于图2的衬底102，而成对的压电传感器212、222、214、224、216、226、218、228可由与参照压电传感器110、112描述的材料类似的材料构成。

对于图3的布置，可如之前参照图2描述地，纵向地解释四对相对的传感器中的每个。可通过确定在感测信号之间具有最大相差或时间分离的压电对来确定最接近纵向对齐的对。因此，与所识别的纵向对垂直的对可以被识别出，并且被用于扩展位置识别数据以包括轮胎的转向响应与估算的滚动方向的组合。

通过被安置在车辆的每个轮胎中的图3的示例性多元件压电传感器200，并且假设存在下述通信系统，即该通讯系统使得轮胎上的所有轮胎向车辆上的中心处理单元发送各种数据，车辆控制存在许多可能性。例如，如果来自多元件压电传感器200的数据与充气压力和温度信号结合，并被发送到与车辆的电子控制模块（ecm）连接的中心处理器，则数据可有助于前述车辆轮胎位置学习，并且还可用于控制车辆操作。这种控制可包括但不限于，结合速度的限制、挠曲、负荷、低充气压力。车辆驾驶员可以被供以声音或视觉警告，和/或可通过emc以与现有系统（其可基于发动机温度限制发动机速度）类似的方式限制实际车辆速度。

现在参照图4，另一示例性系统可包括安装在轮胎300内的多元件压电传感器328。轮胎300可包括胎冠部分316，该胎冠部分316分别具有外部胎面部分、内和外侧壁部分322、320；以及在胎冠区域316下方的多元件压电传感器328可安装于其上的内衬层315。

本领域技术人员应该明白，虽然已经参照与充气轮胎及传感器组合图示和描述了本主题，但是可想到其他配置。例如，传感器可以与非充气装置组合。还应该明白，本技术虽然需要存在至少一对传感器已获得当前优选的能力，但是本技术不限于如图2所示的仅单个对的压电传感器，或如图3所示的四对压电传感器。例如，传感器可以被布置成如图5所示的三角形配置。此外，可通过使用除所描述的压电传感器之外的传感器而应用本技术，只要保持成对的运动敏感传感器的物理关系即可。

参照图5，多元件压电传感器400可采用安装在衬底402上的呈大体三角形配置的一组三个压电传感器410、412、414。通过使传感器412在两对中均作为元件而被包含，可产生所述两对传感器。以此方式，传感器410、412可形成第一对传感器420，而传感器412、414结合以形成第二对传感器422。可通过分析来自各个传感器410、412、414的信号确定传感器400的安装方位。

共享传感器身份证明识别标志以限定多个对的构思可如图6所示地进一步扩展，从而使得可通过仅提供两个传感器而获得类似的结果。多元件压电传感器500可采用一对压电传感器502、504。与以上示例一样，可能需要特别知晓传感器500的方向。如果传感器500设置为与传感器500所关联的轮胎的中心线510成角度，则可确定某些移动产生的特性。在传感器500相对于轮胎中心线510成角度安装的情况下，传感器502、504所产生的信号的相位差520可用于确定车辆的速度和滚动方向。类似地，传感器502、504之间产生的波长差522可用于确定转向方向和幅度。

如前提及的，本发明不仅考虑在同一衬底上包含能量产生和采集布置，还考虑包含其他轮胎电子元件和传感器。这类元件和传感器可包括但不限于：温度和压力传感器、表面声波（saw）装置、射频识别（rfid）装置、信号和数据存储和传输部件、信号接收部件和/或包括微处理器和微控制器的数据处理部件。

如图1所示，根据本发明的组件10可利用其先进的传感器技术支持车辆控制系统，包括自动驾驶车辆的控制系统。由于自动驾驶车辆依赖来自其他车辆、驾驶员、行人和/或“智能城市”的数据，组件10可与车辆交换信息。这种“聪明”轮胎10、30可以有意义地为在全部环境中一致且安全地驾驶作出贡献，即使没有人的互动、修正或控制。组件10可以用其先进的传感器技术支持自动驾驶车辆的控制系统。如上所述，自动驾驶车辆可依赖来自其他车辆、其他驾驶员、以及可能来自行人和“智能城市”的数据。组件10因此可优化这种与车辆的信息交换。

如图1所示，根据本发明的组件可包括被安装在轮胎30内的传感器28。轮胎30可包括胎冠部分16，该胎冠部分16分别具有外部胎面部分、内和外侧壁部分20、22，以及在胎冠部分下传感器328可安装于其上的内衬层15。

传感器28可提供用于确定天气/道路不平整/打滑情况以及轮胎30的磨损情况的数据。传感器28改进的敏感度可利用胎面和道路质地参数以改进道路感测能力。例如，来自传感器28的数据可用于优化速度和制动性能。组件10可通过轮胎30内的微芯片以及专门设计的胎面感测道路情况，包括表面和天气情况。对于自动驾驶车辆，检测滑动和摩擦变得特别有用。对于手动驾驶车辆，驾驶员通常确定道路情况。如果轮胎胎面磨损，如果道路表面易滑，和/或如果在车辆上的是错误的季节轮胎，则车辆安全系统可不那么有效。

自动驾驶车辆因此可承担驾驶员的功能。这种车辆可能需要自动地得到轮胎/道路摩擦。自动驾驶汽车的中央计算机系统可考虑轮胎操作情况，并且能够自动地改善车辆控制算法，以给出改进的驾驶性能。传感器可具有三脚式的形状，其具有多个臂和多个臂芯片。三脚式形状可改进传感器28与轮胎30之间的固定。三脚式传感器28可将多个传感器集成到臂的末端，以改进在整个轮胎宽度而非仅单个点上感觉的道路感测。传感器28可以是用于产生周向信号、横向信号和径向信号的三轴加速计。周向信号可确定轮胎30的滑移率。横向信号可确定轮胎30的滑移角。径向信号可确定轮胎30上的负载。

磨损估算方法可以使用传感器数据，用于利用振动模式频率的转变作为轮胎磨损的指示。可以通过使用基于多项式模型制定的递归最小二乘（rls）算法，获取轮胎磨损状态、充气压力和/或轮胎竖直模式频率之间的依赖关系，递归地估算轮胎磨损状态。rls算法的输入可包括充气压力、轮胎id（使用轮胎特定模型系数所需的）和轮胎竖直模式频率。轮胎充气压力和轮胎id信息可以从其他传感器得到。轮胎竖直模式频率数据可通过从胎冠安装的加速计的竖直加速信号提取竖直模式频率来获得。

虽然已经参照本发明的特定示例详细描述了本发明，但是应该明白，通过理解上文，本领域技术人员可容易地产生这类示例的改变、变型和等同。因此，本发明的范围是示例性的而非限制性的，并且本发明的主题不排除包括对本发明的这类修改、变型和/或增补，这对本领域普通技术人员来说是显然的。