专利名称：基于轮载式智能传感车轮运动姿态监测方法
技术领域：
本发明涉及机动车安全运行状态监测方法及装置，尤其涉及一种用于监测 机动车在行驶过程中的车轮运动姿态的瞬时状态的监测方法。
背景技术：
机动车运行安全状态监测技术是保证机动车安全行驶的主要手段，也是机 动车运行安全检测技术发展的必然趋势。采用机动车运行安全状态监控技术对
机动车运行安全状态和运行指标进行动态监测，及时发现和预防机动车故障， 发展监测、控制、管理和决策于一体的安全监控网络体系，对机动车安全运行 具有重要意义；它是关系到国家和人民生命财产安全的一项重大的社会公益技 术工作，是保障机动车辆运行安全重要的技术支撑，是政府管理部门对机动车 安全运行的非常重要的技术保障；它不仅能提高机动车安全运行的技术保障能 力和减少交通事故，而且对促进机动车工业及交通运输事业的发展有重大意 义。
机动车运行安全状态监测主要包括监测机动车(车身、车轮)运动姿态参 数、动载荷参数、制动性能参数。机动车在运行过程中，会产生制动、加速、 转向直线行驶等工况，车轮是机动车行驶过程中唯一与地面接触部件，在机动 车行驶过程中，轮胎上以稳定状态和以各种瞬时状态滚动的任何点都进行一种 运动，对车轮每一时刻的运动姿态，上述运动都可以用车轮在三个空间方向上 速度前进速度、侧向速度、向心速度和车轮姿态角度外倾角、侧偏角、横 摆角来代表。包含丰富的机动车运行信息(运动姿态、驱动力、制动力、动载 荷、转动、冲击)，通过监测车轮的运动姿态可以获得最直接、最真实、最丰 富的机动车安全运行信息。车轮运动姿态参数对车身运动姿态参数、动载荷参
3数、制动性能参数都有决定性的影响，是衡量衡量轮胎不平衡度、松动、飞脱 的状态和趋势。
目前，对车轮运动的监测只是涉及到轮胎局部加速度曲线的获得，没有对 车轮运动姿态进行深入分析，从而无法分析车轮运动姿态参数对车身运动姿态 参数、动载荷参数、制动性能参数的影响。所以需要对机动车轮胎运动姿态进 行监测和预测才能全面反映机动车运行安全状态；而且在现有技术中是将加速 度传感器安装在轮胎里面，由于轮胎在与地面的接触时轮胎里面的传感器会受 到冲击，从而使加速度曲线产生周期变化，而使所测加速度曲线失真，二无法
表示车轮实际的加速度状态；同时，由于加速度测量的不真实，没有也无法对
车轮的三维加速度、姿态角度作进一步的分析和计算。所以车轮的运动姿态监 测不全面，没有、也无法建立车轮运动姿态与车身运动姿态的关系。
发明内容
为解决上述中存在的问题与缺陷，本发明提供了一种监测精度、实时性好， 数据处理能力强的机动车轮载式车轮运动姿态监测方法。
本发明是通过以下技术方案实现的
本发明所涉及的一种基于轮载式智能传感车轮运动姿态监测方法，包括 通过无陀螺捷联式微惯性测量单元感知车轮的三维加速度，该加速度包
括切向加速度、侧向加速度和向心加速度；
利用三维加速度参数中至少一种加速度参数，并经姿态算法计算获得车轮
运动姿态中的速度参数与车轮运动姿态角，所述姿态中的速度包括前进速度和
侧向速度；所述车轮运动姿态角包括外倾角、侧偏角和横摆角； 通过三维加速度参数中至少一种参数获得车轮的角加速度； 将车轮运动姿态切向加速度、侧向加速度、向心加速度、前进速度、侧
向速度、角加速度、外倾角、侧偏角、横摆角的数据进行融合并对其分析获得
车轮姿态的变化趋势。所述无陀螺捷联式微惯性测量单元是否正常工作是通过车轮运动姿态参 数的融合进行检查与判断。所述轮胎内无陀螺捷联式微惯性测量单元的温度测 量用于对车轮运动姿态参数中的切向加速度、侧向加速度和向心加速度三个参 数进行温度补偿。所述无陀螺捷联式微惯性测量单元设置在车轮轮毂赤道面的 表面上。
本发明提供的技术方案的有益效果是
1、 通过应用无陀螺捷联式微惯性测量技术测量车轮运动姿态，现实了对 机动车车轮运动姿态进行监测；
2、 通过车轮运动姿态参数分析其对车身运动姿态参数、动载荷参数、制 动性能参数的影响；
3、 通过分析预测程序将车轮运动姿态数据与其历史数据分析比较，获得 车轮运动姿态的趋势，增加对车轮运动姿态的预测功能，形成一个完整的、相 对独立的测量平台，并能够提供统一数据接口模式供有关政府管理部门加以应 用。
4、 在高中低各运行速度下对机动车实际运行工况进行动态监测；
5、 车轮运动姿态参数能够衡量轮胎的不平衡度、松动、飞脱的姿态状态
和趋势。
图1是本发明所述基于轮载式智能传感车轮运动姿态监测方法流程图； 图2本发明所涉及轮载式智能传感车轮运动姿态监测系统整体布置图； 图3本发明所涉及轮载式智能传感车轮运动姿态测量模块安装示意图； 图4是本发明机所述基于轮载式智能传感车轮运动姿态监测系统硬件结 构示意图5分别示出利用图4的智能传感模块监测的一个轮胎其中一个规定点的 向心、切向和侧向加速度的曲线。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明 实施方式作进一步地详细描述
本实施例提供了一种基于轮载式智能传感车轮运动姿态监测方法，其中， 参见图l，该方法包括以下步骤
步骤IOI通过无陀螺惯性测量单元用于感知车轮的三维加速度；
三维加速度包括切向加速度、侧向加速度和向心加速度。
步骤102利用三维加速度参数中至少一种加速度参数，并经姿态算法计算
获得车轮运动姿态中的速度参数与车轮运动姿态角；
所述姿态中的速度包括前进速度和侧向速度；所述车轮运动姿态角包括外
倾角、侧偏角和横摆角。
步骤103通过三维加速度参数中至少一种参数获得车轮的角加速度。 步骤104将车轮运动姿态的数据进行融合并对其分析获得车轮姿态的变
化趋势；
车轮运动姿态包括切向加速度、侧向加速度、向心加速度、前进速度、侧 向速度、角加速度、外倾角、侧偏角、横摆角。
参见图2，为基于轮载式智能传感车轮运动姿态监测方法所采用的系统整 体布局图，包括机动车l、车轮2及车轮姿态测量模块3 ，其中车轮姿态测量 模块包含有多个，并且每个车轮姿态测量模块3分别安装于各个车轮的轮毂赤 道表面上，车轮姿态测量模块3还与安装车内的中央控制模块通过无线射频实 现双向通讯。
参见图3，车轮制动性能智能传感模块安装于车轮轮毂赤道面的表面上， 车轮智能传感模块的安装要求加速度传感器的三个敏感轴X轴、Y轴、Z轴分 别指向轮毂切线方向、轮毂的侧向、轮毂的轴心的方向；坐标系Oxyz是正交的 右手坐标系。
6参见图4，本发明涉及的基于轮载式车轮制动性能监测方法的硬件系统，
包括安装于各个车轮内的车轮姿态测量模块2和安装于车内的车内中央控制模 块3; (1)车轮姿态测量模块2包含第一无陀螺惯性测量单元2a、调理单元2b、 无线单片机2c和第一电源2d;该第一无陀螺惯性测量单元2a包括一个三轴加速 度传感器21a和温度传感器21b;三轴加速度传感器21a和温度传感器21b输出模 拟信号，该第一无陀螺惯性测量单元2a与调理单元2b电气连接；调理单元2b用 于对输入的加速度和温度信号进行滤波和调压，该调理单元2b与无线单片机2c 相互连接，该信号为模拟信号；无线单片机2c的自检信号与三轴加速度传感器 连接，用于检查三轴加速度传感器21a工作是否正常；无线单片机2c片上集成无 线收发电路和单片机，用于进行传感采集、运算并实现与车内中央控制模块3 的双向通信功能；第一电源4d是为第一无陀螺惯性测量单元2a、调理单元2b和 无线单片机2c提供直流电源；其中，第一无陀螺惯性测量单元2a的三轴加速度 传感器21a采用一个两轴加速度传感器ADXL323和一个单轴加速度传感器 ADXL193组合而成，无线单片机2c采用CC2510F32; (2)车内中央控制模块3 包含无线单片机3a、第二无陀螺惯性测量单元3b、第二电源3c、 ARM处理器3d 及人机交互单元3e;该无线单片机3a实现与车轮智能传感模块通信功能，通过 数字信号与ARM处理器3d相互连接；第二无陀螺惯性测量单元3b与ARM处理 器3d相互连接，该信号为数字信号；第二电源3c为无线单片机3a、第二无陀螺 惯性测量单元3b、 ARM处理器3d及人机交互单元3e提供直流电源；人机交互单 元3e由液晶屏31e、触摸屏32e、蜂鸣器33e、 CAN接口34e组成；液晶屏31e用于 输出显示ARM处理器3d的输出显示信息，包括车轮动载荷参数、状态等参数； 触摸屏32e用于设置参数、查询数据；蜂鸣器33e用于出现故障时由ARM处理器 3d驱动发出警示；CAN接口34e用于提供其他CAN设备访问车内中央控制模块3 的接口；其中，无线单片机3a (2c)采用CC2510F32。
7其工作过程为无陀螺捷联式微惯性测量单元2a输出的切向加速度、侧向 加速度、向心加速度、温度模拟信号经调理单元2b信号调理后，经无线单片机
2c的ADC外设转换成数字信号，以中断触发方式提供给无线单片机2c的CPU访 问；无线单片机2c在必要的时候可以通过驱动自检信号对加速度传感器进行自 检；无线单片机中的微处理器对信号进行数字滤波、补偿计算得出车轮运动姿 态中的三维加速度，包括切向加速度、侧向加速度、向心加速度，表征车轮 任何瞬时三维加速度的状态，由智能传感模块监测的一个轮胎其中一个规定点 的向心、切向和侧向加速度的曲线(参见图5);通过无线单片机2c内部的无 线收发电路将数据发射输出到车内中央处理模块3的无线单片机3a，同时通过 该无线单片机2c内部的无线收发电路也可接收来车内中央处理模块3通过无线 单片机发送过来的命令；车内中央处理模块3的任务①接收来自车身智能惯 性测量单元3b的车身姿态信息；②通过无线单片机3a接收来自内中央控制模块 2的数据，必要时候通过无线单片机向车轮智能传感模块发送命令；无线单片 机3a中的微处理器对接收到的车轮运动姿态中的三维加速度，包括切向加速 度、侧向加速度、向心加速度进行信号速度计算得出车轮的前进速度、侧向速 度，表征车轮任何瞬时速度的状态；③对接收到的来自无线单片机3a和无陀螺 惯性测量单元3b发送过来的加速度、速度数据，经姿态计算、制动计算得出车 轮的制动性能参数，该参数包括车轮滑移率、车轮路面附着系数、车轮制动 力、车轮制动减速度； 对上述车轮制动性能数据进行主动安全评价及趋势预 测；⑤对车轮制动性能数据与车身制动性能数据进行数据融合及分析以便对车 轮智能传感模块是否正常工作作出判断，并预测车轮制动性能的变化趋势； 通过控制液晶屏31e输出显示车轮制动性能信息、评价等级、趋势预测信息等； ⑦处理触摸屏32e触发的中断并进行参数设置及历史査询等操作；⑧当出现异 常时用数字信号驱动蜂鸣器33e作出蜂鸣警示；(D建立用于存储相关制动性能数据及历史数据的电子数据表格以供其他CAN总线外部设备通过CAN接口34e 访问。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易 想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护 范围应该以权利要求的保护范围为准。i
权利要求
1、基于轮载式智能传感车轮运动姿态监测方法，其特征在于，该方法包括通过无陀螺捷联式微惯性测量单元感知车轮的三维加速度，该加速度包括切向加速度、侧向加速度和向心加速度；利用三维加速度参数中至少一种加速度参数，并经姿态算法计算获得车轮运动姿态中的速度参数与车轮运动姿态角，所述姿态中的速度包括前进速度和侧向速度；所述车轮运动姿态角包括外倾角、侧偏角和横摆角；通过三维加速度参数中至少一种参数获得车轮的角加速度；将车轮运动姿态切向加速度、侧向加速度、向心加速度、前进速度、侧向速度、角加速度、外倾角、侧偏角、横摆角的数据进行融合并对其分析获得车轮姿态的变化趋势。
2、 根据权利要求l所述的基于轮载式智能传感车轮运动姿态监测方法，其 特征在于，所述无陀螺捷联式微惯性测量单元是否正常工作是通过车轮运动姿 态参数的融合进行检査与判断。
3、 根据权利要求l所述的基于轮载式智能传感车轮运动姿态监测方法，其 特征在于，所述轮胎内无陀螺捷联式微惯性测量单元的温度测量用于对车轮运 动姿态参数中的切向加速度、侧向加速度和向心加速度三个参数进行温度补 偿。
4、 根据权利要求l所述的基于轮载式智能传感车轮运动姿态监测方法，其 特征在于，所述无陀螺捷联式微惯性测量单元设置在车轮轮毂赤道面的表面 上。
全文摘要
本发明公开了一种基于轮载式智能传感车轮运动姿态监测方法，该方法包括通过在机动车各个车轮的轮毂赤道平面上安装无陀螺微惯性测量单元，传感信号经信号调理、数字化、姿态算法计算获得车轮的主要运动姿态参数，该方法所监测的车轮的主要运动姿态参数包括切向加速度、侧向加速度、向心加速度、前进速度、侧向速度、角加速度、外倾角、侧偏角、横摆角等；上述参数经多传感数据融合及分析，能够监测及主动评价车轮运动安全状况，例如衡量车轮不平衡度、松动、飞脱、滑移等状态，有利于避免和减少交通事故的发生。
文档编号G01M17/013GK101498621SQ20091007847
公开日2009年8月5日 申请日期2009年2月24日 优先权日2009年2月24日
发明者源 冯, 刘桂雄, 林创鲁, 潘梦鹞 申请人:华南理工大学