感知车辆行驶状态参数的轮胎电子皮肤及状态显示方法

本发明属于纳米新能源，特别涉及一种感知车辆行驶状态参数的轮胎电子皮肤及状态显示方法。

背景技术：

1、在车辆行驶状态变量中，路面附着条件、车速、滑移率的准确估计直接影响着驾驶员行车安全和控制策略的有效施行。现有的车辆动力学控制器中，滑移率估计依赖于车速估计，车速估计依赖gps，当车辆所处的地区gps信号不佳时，车速依赖于轮速传感器和相应的车速估计算法，不同的路面附着条件对估计值偏差影响较大；此外，滑移率估计又继续依赖估计好的车速和滑移率估计算法中的模型的准确性，误差进一步扩大，影响行车安全。智能轮胎相关的传感器往往安装于轮胎里面，供电难度大，无线传输可靠性低，需要经常更换电池。同时对于检测路面附着条件和车速及滑移率的轮胎传感器应用并不完善。

2、电致变色是指在外加电压下，材料颜色发生可逆变化的现象。目前大多数的电致变色器件需要外部供电，且不能呈现多样的图案。摩擦纳米发电机依靠摩擦点电势的充电泵效应，两层聚合物薄膜之间产生电荷分离形成电势差，通过外部电路形成电流，将摩擦纳米发电机与电致变色器件连接即可形成自供能的电致变色器件。

3、智能轮胎相关的传感器往往安装于轮胎里面，供电难度大，无线传输可靠性低，需要经常更换电池。同时现阶段没有根据轮胎与地面接触压力来推测路面附着条件的纳米发电机应用。

技术实现思路

1、发明目的：提供了一种感知车辆行驶状态参数的轮胎电子皮肤及状态显示方法，将纳米发电机与轮胎结合，结构简单，工作可靠，能够实现自供电；同时提供一种能够将行驶状态进行数字化并显示出来的方法。

2、技术方案：一种感知车辆行驶状态参数的轮胎电子皮肤，包括电连接的复合型纳米发电机组件和电致变色器件，所述复合型纳米发电机组件与电致变色器件之间安装有控制系统，所述复合型纳米发电机组件包括电连接的摩擦纳米发电机、压电纳米发电机和同轴安装在车轮轴上的电能采集器，所述摩擦纳米发电机和压电纳米发电机嵌入式成组均布在轮胎内胎面上，所述电能采集器与车轮轴通过轴承连接，所述电能采集器设置有重物端。

3、本发明通过将压电纳米发电机采集的电信号转换成车轮和地面的接触压力，同时收集摩擦纳米发电机采集的电能并计算出有效发电面积，预估路面附着条件；摩擦纳米发电机和压电纳米发电机成组的嵌入安装在轮胎内台面上且分布均匀，实现了数据获取更加准确，采集数据间隔均匀，便于系统识别判断路面状态，设置重物端，使电能采集器输入端口始终向下，仅与最下端复合纳米发电机接通并传输数据，实现高效的数据采集。

4、优选项，为了使摩擦纳米发电机具备高效的发电能力，所述摩擦纳米发电机包括至少一组摩擦发电组件，所述摩擦发电组件包括由轮胎向内依次排布的摩擦层、ag浆布线以及摩擦纳米发电机输出端口。

5、摩擦层可以有效地增强摩擦纳米发电机的发电性能，ag具有优异的导电性能，进一步提升摩擦发电机的发电效率。

6、优选项，为了实现压电纳米发电机与轮胎之间安装更加契合，并拥有较好的发电能力，所述压电纳米发电机包括至少一组压电发电组件，所述压电发电组件包括由轮胎向内依次排布的橡胶支撑体、氧化锌层、石墨烯层以及压电纳米发电机输出端口。

7、采用橡胶支撑体，与轮胎材料一致可以保护功能材料不受损害。

8、优选项，为了实现对路面状态的数字化显示，所述电致变色器件包括：电解质层以及设置在电解质层两侧的氧化钨薄膜层组和氧化镍层组，所述氧化钨薄膜层组包括由外层向电解质层依次设置的第一玻璃层、第一ito层和氧化钨薄膜层，所述氧化镍层组包括由外层向电解质层依次设置的第二玻璃层、第二ito层和氧化镍层。

9、对ito进行图案化处理，使得ito呈现矩阵阵列的排布，每个ito的矩阵点都和外电路相连，电致变色器件的工作电极是氧化钨层，对电极是氧化镍层，工作电极和对电极采用和ito矩阵结构相同的排布方式，相邻层的每个矩阵单元都一一对应。

10、优选项，所述摩擦纳米发电机输出端口和压电纳米发电机输出端口与电能采集器分别通过安装在汽车轮辋上的导线束独立连接。

11、线束固定在轮辋上，随着车轮一起转动，线束的信号最终传递给车轮中间的电能采集器，电能采集器的中间通过轴承和车轴相连接，在车轮转动时，电能采集器的重物端始终竖直朝下，这种结构的设计可以保证电能采集器始终可以和车轮最下端的复合型纳米发电机单元的输出相连。

12、优选项，还包括与电致变色器件并联的蓄电池。

13、将发电产生的多余电量储存起来，给电致变色器件供电，不用更换电池。

14、一种感知车辆行驶状态参数的轮胎电子皮肤的状态显示方法，包括以下步骤：

15、步骤1、建立压电效应模型，将压电纳米发电机采集的电信号转换为车轮与地面的接触压力，并计算出有效发电面积；

16、步骤2、根据有效发电面积确定路面附着条件；

17、步骤3、根据确定的路面附着条件以数字的可视化形式呈现在电致变色器件上。

18、所述步骤1具体如下：

19、车辆行驶状态判断系统通过压电效应模型将采集的电信号转换成车轮和地面的接触压力；

20、通过试验校正获取制备的压电纳米发电机的压电系数d，每个压电纳米发电机的电压和所受的压强成正比；当车轮旋转一圈，只有最下端的摩擦纳米发电机和压电纳米发电机处于工作状态，输出的电信号被传输给车辆行驶状态判断系统；车辆行驶状态判断系统对摩擦纳米发电机和压电纳米发电机的有效发电输出口进行累加，计算出摩擦纳米发电机和压电纳米发电机分别的有效发电面积s1和s2；

21、车轮接地点和地面之间的压强根据压电纳米发电机的电信号用以下公式计算：

22、

23、其中，v2是压电纳米发电机的电压输出，p是车轮和地面实时的接触压强，s2是压电纳米发电机的有效发电面积，t是车轮最下端的摩擦纳米发电机和压电纳米发电机与路面接触的时长；

24、有效发电面积通过车载控制系统对电信号直接计数累加获取；

25、si＝a·ni

26、其中，i＝1,2，分别表示摩擦纳米发电机和压电纳米发电机，a为微米阵列的面积，ni为摩擦纳米发电机和压电纳米发电机发电阵列元的个数。

27、所述步骤2具体如下：

28、不同路面附着条件对应着不同的路面粗糙程度，根据发电阵列元分布密度判断路面附着条件，发电阵列元分布密度f由式求取：

29、

30、式中，nw是车轮转速；

31、将计算得出的发电阵列元分布密度f分成n个范围，n的数量根据实际需要进行选择，分别对应n种路面附着条件，并将路面附着条件由1至n赋予代号，路面附着条件的选择分类由路面附着系数决定。

32、所述步骤3具体如下：

33、路面附着条件以数字的可视化形式呈现在电致变色器件上，将电致变色器件上ito的矩阵单元记作1，2，3…15，上述15个矩阵单元对应着控制系统相应的电压输入口和同一个地线，电压输入口同样可以记作1’，2’，3’…15’；所述15个矩阵单元通过颜色呈现透明到深色的变化显示路面附着条件代号n的数值。

34、有益效果：本发明通过将自供电的轮胎电子皮肤安装于传统的车轮上，和传统控制系统协同工作，提高控制系统的安全性和可靠性，尽可能地使车轮纯滚动，减少行驶阻力和排放，提高燃油经济性，还可以辅助驾驶员判断道路工况，方便做出合理的驾驶策略；同时利用每一个摩擦纳米发电机和压电纳米发电机的输出端口与电致变色器件上的端口一一对应，利用电致变色器件受电颜色发生变化的原理，实现对汽车行驶状态的数字化显示。