轮胎磨损预测系统的制作方法

本专利申请涉及一种方法，用于估计轮胎特性如轮胎与地面的接触印痕的特性、轮胎磨损、一轮胎上的负载及路面粗糙度，以及利用一胎内传感器测量轮胎振动。所述专利还提及利用多个手段，例如光学传感及电磁传感等，感测多个轮胎模态。

背景技术：

1、汽车正在经历从燃料驱动到电力驱动、从人类控制到机器控制的重大变革。未来几年，越来越多的自动驾驶及电动汽车将在道路上行驶，其效率及先进性也将不断提高。

2、另一方面，尽管物质条件在逐步改善，但轮胎的性能却基本保持不变。胎压监测系统(tire pressure monitoring system,tpms)是唯一可用的胎内传感器，这主要是因为轮胎是一个封闭的环境，一次性电池是为胎内传感器供电的唯一方式。实际上，电池的使用寿命控制着它支持tpms的平均耗电量。增加平均耗电量可能会提高数据传输速率，或增加胎内传感器数量，但这会导致电池寿命缩短，以至于需要快速更换电池，从而使这一概念变得不切实际。

3、轮胎是车辆与路面的接口。虽然轮胎通常会逐渐磨损，但有时也会因轮胎异常或路面坑洞造成致命缺陷而突然爆炸，导致轮胎快速耗尽甚至爆炸。轮胎可能在光滑或崎岖的路面上滚动，也可能在潮湿、积雪或结冰的路面上滚动，每种情况的制动时间都不同，如果知道这些情况，车辆adas系统就会大幅地受益。轮胎负载也是一个重要特性。不仅对于按照欧盟法规要求每10分钟传输一次负载的卡车来说重要，对于在制动或转弯时调整adas参数也很重要。此外，通过测量车辆重量，电动汽车可以实时估计出需要充电前的剩余时间。此外，轮胎状况会影响车辆油耗及车队车辆(如卡车及租赁车辆)的停机时间，从而影响车队的盈利能力。

4、如果能集成足够的电源来支持胎内传感器，智能轮胎就能在车辆实时控制及维护方面发挥关键作用。克服这一问题的方法之一是通过车辆底盘上的传感器对上述特性进行估计。然而，这种估计不如直接从轮胎行为中测量轮胎及路面特性来得准确及快速。

5、图1a参考专利申请us9050864b2，其描述不同胎面深度下轮胎的第一径向模态，显示振动的峰值及频率随胎面深度而变化。此专利要求保护基于轮胎充气压力数据、垂直模态频率数据及轮胎特定频率模态系数估计轮胎磨损状态的轮胎磨损估计方法。

6、专利公开号us9290069a是基于轮胎内衬的系统，用于估计一车辆参数，包括：支撑车辆的至少一个轮胎，所述轮胎具有轮胎侧壁及一胎冠，支撑一轮胎内衬限定一轮胎气腔；安装在所述轮胎上的至少一个轮胎压力传感器，用于检测一测量轮胎气腔压力；安装在所述轮胎上的至少一个车辆速度传感器，用于提供一测量车辆速度；安装在所述轮胎上的至少一个轮胎识别装置，用于提供一轮胎识别；安装在所述轮胎上的至少一个轮胎内衬偏转传感器，用于提供一加载内衬半径测量值；估计装置，用于根据测量轮胎气腔压力及加载内衬半径测量值计算一车辆参数估计估计轮胎参数；其中所述至少一个轮胎内衬偏转传感器是从激光测距传感器、涡流传感器、磁感应传感器、电容传感器的传感器群组中选取的一传感器。

7、图1b描述激光测距传感器(2001)，其固定在安装轮胎的轮辋上，测量轮辋及轮胎之间的距离。激光测距传感器测量的轮辋及轮胎之间的距离与轮胎空腔的压力一起用于计算轮胎的负载。通常情况下，一乘用车轮胎轮辋与轮胎内侧之间的距离约为30公分，卡车轮胎可达70公分。固定在轮辋上并面向轮胎的发光二极管(led)等普通光源会产生较大的光散射，从轮胎的一宽广区域反射回光传感器，从而导致印痕长度估计不准确。为了对印痕长度进行正确的光学测量，需要使用聚焦光源或激光二极管，以限制光线从轮胎内侧足够窄的区域反射。事实上，专利公开号us9290069a使用的激光测距传感器是一种昂贵的光源。此外，胎内光学传感器若要实用，就不能使用电池供电，因为电池会在较短时间内耗尽，因此并不实用。这种传感器必须由能量收集器(如动能收集器)支持，动能收集器可将轮胎的弯曲或振动转换为电能。将光学传感器固定在轮辋上，将动能收集器固定在轮胎上，会产生复杂的方法或系统。

8、此外，使用加速度计的轮胎传感器也是一种已知技术。加速度计安装在轮胎内侧，当车轮转动时，加速度计会感应到加速度在进入及离开接触印痕时的变化。通过测量接触印痕长度，可以估计出轮胎的负载。由于高布朗噪声，加速度计的信噪比(singal to noiseratio,snr)相对较大。这种噪声会限制接触印痕长度测量的准确性，从而限制负载估计的准确性。

9、专利公开号jp4165320b2描述一种轮胎状况检测装置，如图1c所示，该装置使用嵌入轮胎内部的应变片(2003、2004)。专利公开号ep2085253b1描述一种带有传感器的轮胎，以及使用固定在轮胎内侧的应变片测量轮胎应变的方法。

10、使用应变计及加速度计的缺点是这些传感器会直接或间接受到应变。固定在轮胎上或嵌入轮胎内部的应变片会受到压缩及拉伸应变，这是应变片在轮胎弯曲时产生电信号的来源。加速度计使用一个由弹簧悬挂的质量块，在轮胎旋转过程中对加速度及减速度做出响应，从而引起质量块振动，并使弹簧承受压缩及拉伸应力。加速度计还可能受到高加速度的影响，导致弹簧弯曲超出其弹性范围。这些装置的使用寿命受限于其可承受的循环次数及最大允许力。

技术实现思路

技术特征：

1.一种轮胎系统，其特征在于，用于一轮胎，所述轮胎设计成安装在一车辆的一车轮上，所述轮胎系统包括一底盘、一光源、一光传感器、一数据传输单元、一处理单元及用于供电给所述系统的一电源；

2.如权利要求1所述的轮胎系统，其特征在于，所述轮胎系统还包括一压力传感器，设计成测量所述轮胎的一压力，其中所述数据传输单元设计成将关于一检测轮胎压力的信息传输到所述处理单元，并且其中所述处理单元设计成基于所述光信号及所述检测轮胎压力，检测所述轮胎与所述路面的所述接触区域的所述特性、检测所述车辆行驶的所述路面的所述类型、检测所述轮胎的所述磨损程度或检测所述车轮上的所述负载大小。

3.如权利要求1所述的轮胎系统，其特征在于，所述轮胎系统还包括一温度传感器，设计成测量所述轮胎的一温度，其中所述数据传输单元设计成将关于一检测轮胎温度的信息传输到所述处理单元，并且其中所述处理单元设计成基于所述光信号及所述检测轮胎温度，检测所述轮胎与所述路面的所述接触区域的所述特性、检测所述车辆行驶的所述路面的所述类型、检测所述轮胎的所述磨损程度或检测所述车轮上的所述负载大小。

4.如权利要求1所述的轮胎系统，其特征在于，所述光传感器设计成检测所述特定区域何时进入所述接触印痕以及所述特定区域何时离开所述接触印痕，并且其中所述数据传输单元设计成在所述特定区域进入及离开所述接触印痕时向所述处理单元发送多个时间信号，并且其中所述处理单元设计成基于所述光信号及所述多个时间信号，检测所述轮胎与所述路面的所述接触区域的所述特性、检测所述车辆行驶的所述路面的所述类型、检测所述轮胎的所述磨损程度或检测所述车轮上的所述负载大小。

5.如权利要求1所述的轮胎系统，其特征在于，所述处理单元还设计成将关于所述轮胎与所述路面的所述接触区域的检测特性的信息传输到所述车辆中的一指示装置，所述指示装置设计成引起所述车辆的一驾驶员、一车队管理中心或所述车辆的一自动驾驶系统的注意，以使所述信息能够用于调整车辆驾驶参数。

6.如权利要求1所述的轮胎系统，其特征在于，所述电源是一电池或将动能转换为电能的一能量收集器。

7.如权利要求1所述的轮胎系统，其特征在于，所述电源包括一能量收集器、一可充电电池及一电源管理电路，所述能量收集器设计成将动能转换为电能，所述电源管理电路用于管理收集电能及为所述可充电电池充电。

8.一种轮胎系统，其特征在于，用于一轮胎，所述轮胎设计成安装在一车辆的一车轮上，所述轮胎系统包括一磁传感器、一磁铁、一数据传输单元、一处理单元及用于供电给所述系统的一电源，其中所述磁传感器及所述磁铁通过以下方式连接到所轮胎的一内侧：所述磁传感器设计成检测所述磁铁的一磁场；其中所述磁传感器设计成基于所述磁铁的检测到的磁场强度的变化产生一信号，其中当所述磁铁与所述轮胎与路面的一接触印痕相交时，所述变化反映出所述轮胎的振动的频率及振幅或所述轮胎的弯曲，并且其中基于所述信号，所述处理单元设计成检测所述轮胎与所述路面的接触区域的特性、检测所述车辆行驶的所述路面的一类型、检测所述轮胎的一磨损程度或检测所述车轮上的一负载大小。

9.如权利要求8所述的轮胎系统，其特征在于，所述轮胎系统还包括一压力传感器，设计成测量所述轮胎的一压力，其中所述数据传输单元设计成将关于一检测轮胎压力的信息传输到所述处理单元，并且其中所述处理单元设计成基于所述信号及所述检测轮胎压力，检测所述轮胎与所述路面的所述接触区域的所述特性、检测所述车辆行驶的所述路面的所述类型、检测所述轮胎的所述磨损程度或检测所述车轮上的所述负载大小。

10.如权利要求8所述的轮胎系统，其特征在于，所述轮胎系统还包括一温度传感器，设计成测量所述轮胎的一温度，其中所述数据传输单元设计成将关于一检测轮胎温度的信息传输到所述处理单元，并且其中所述处理单元设计成基于所述信号及所述检测轮胎温度，检测所述轮胎与所述路面的所述接触区域的所述特性、检测所述车辆行驶的所述路面的所述类型、检测所述轮胎的所述磨损程度或检测所述车轮上的所述负载大小。

11.如权利要求8所述的轮胎系统，其特征在于，所述磁传感器设计成检测所述特定区域何时进入所述接触印痕以及所述特定区域何时离开所述接触印痕，并且其中所述数据传输单元设计成在所述特定区域进入及离开所述接触印痕时向所述处理单元发送多个时间信号，并且其中所述处理单元设计成基于所述信号及所述多个时间信号，检测所述轮胎与所述路面的所述接触区域的所述特性、检测所述车辆行驶的所述路面的所述类型、检测所述轮胎的所述磨损程度或检测所述车轮上的所述负载大小。

12.如权利要求8所述的轮胎系统，其特征在于，所述处理单元还设计成将关于所述轮胎与所述路面的所述接触区域的检测特性的信息传输到所述车辆中的一指示装置，所述指示装置设计成引起所述车辆的一驾驶员、一车队管理中心或所述车辆的一自动驾驶系统的注意，以使所述信息能够用于调整车辆驾驶参数。

13.一种轮胎系统，其特征在于，用于一轮胎，所述轮胎设计成安装在行驶于一路面的一车辆的一车轮上，所述轮胎系统包括一电磁传感器、一数据传输单元、一处理单元及用于供电给所述系统的一电源，其中所述电磁传感器设计成通过以下方式连接到由一钢网加固的所述轮胎的一内侧：所述电磁传感器能够检测到所述钢网的一磁场；其中所述电磁传感器设计成基于所述钢网的检测到的磁场强度的变化产生一信号，其中当所述电磁传感器与所述轮胎与所述路面的一接触印痕相交时，所述变化能够反映出所述轮胎的振动的频率及振幅或所述轮胎的弯曲，并且其中基于所述信号，所述处理单元设计成检测所述轮胎与所述路面的接触区域的特性、检测所述车辆行驶的所述路面的一类型、检测所述轮胎的一磨损程度或检测所述车轮上的一负载大小。

14.如权利要求13所述的轮胎系统，其特征在于，所述轮胎系统还包括一压力传感器，设计成测量所述轮胎的一压力，其中所述数据传输单元设计成将关于一检测轮胎压力的信息传输到所述处理单元，并且其中所述处理单元设计成基于所述信号及所述检测轮胎压力，检测所述轮胎与所述路面的所述接触区域的所述特性、检测所述车辆行驶的所述路面的所述类型、检测所述轮胎的所述磨损程度或检测所述车轮上的所述负载大小。

15.如权利要求13所述的轮胎系统，其特征在于，所述轮胎系统还包括一温度传感器，设计成测量所述轮胎的一温度，其中所述数据传输单元设计成将关于一检测轮胎温度的信息传输到所述处理单元，并且其中所述处理单元设计成基于所述信号及所述检测轮胎温度，检测所述轮胎与所述路面的所述接触区域的所述特性、检测所述车辆行驶的所述路面的所述类型、检测所述轮胎的所述磨损程度或检测所述车轮上的所述负载大小。

16.如权利要求13所述的轮胎系统，其特征在于，所述电磁传感器设计成检测所述特定区域何时进入所述接触印痕以及所述特定区域何时离开所述接触印痕，并且其中所述数据传输单元设计成在所述特定区域进入及离开所述接触印痕时向所述处理单元发送多个时间信号，并且其中所述处理单元设计成基于所述信号及所述多个时间信号，检测所述轮胎与所述路面的所述接触区域的所述特性、检测所述车辆行驶的所述路面的所述类型、检测所述轮胎的所述磨损程度或检测所述车轮上的所述负载大小。

17.如权利要求13所述的轮胎系统，其特征在于，所述处理单元还设计成将关于所述轮胎与所述路面的所述接触区域的检测特性的信息传输到所述车辆中的一指示装置，所述指示装置设计成引起所述车辆的一驾驶员、一车队管理中心或所述车辆的一自动驾驶系统的注意，以使所述信息能够用于调整车辆驾驶参数。

18.如权利要求13所述的轮胎系统，其特征在于，所述电磁传感器包括一磁铁及一线圈，使得所述钢网的振动改变所述线圈中的一磁场，所述磁场在所述线圈的两端之间感应出电压。

19.一种方法，其特征在于，用于检测安装在一行驶车辆的一车轮上的一轮胎与一路面的一接触区域的特性、检测所述路面的一类型、检测所述轮胎的一磨损程度、检测所述轮胎的一定位程度或检测所述车轮的一负载大小，所述方法包括：

20.一种车辆，其特征在于，具有一负载测量系统，所述负载测量系统用于在车辆行驶时测量所述车辆上的一负载大小，所述车辆包括一中央处理器及多个车轮，其中每一个所述车轮上安装一轮胎；

技术总结
一种轮胎系统，用于安装在一车辆的一车轮上的一轮胎，所述轮胎系统包括一底盘、一光源、一光传感器、一数据传输单元及一处理单元。所述底盘连接到所述轮胎的内侧，所述光源及所述光传感器连接到所述底盘，以当所述光源照射在所述轮胎的所述内侧上的一特定区域时，所述光传感器检测到返回光，所述光传感器基于检测到的光强度的变化产生一信号，以反映出所述轮胎的振动的频率及振幅或所述轮胎的弯曲。基于所述信号，所述处理单元检测所述轮胎与所述路面的接触区域的特性、所述车辆行驶的所述路面的一类型、所述轮胎的一磨损程度或所述车轮上的一负载大小。

技术研发人员：丹·哈罗尼安
受保护的技术使用者：恩乐维宾有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15