专利名称：一种测量车轮六维的传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及汽车测控技术领域，具体涉及到机械结构设计，以及信号采集与传输系统，尤其涉及一种测量车轮六维的传感器。
背景技术：
汽车的运动是车轮与路面相互作用的结果，因此对于车轮力的测量在汽车测试技术乃至道路分析中，都具有无可替代的重要意义。具体来说，车轮在行驶中分别受到三个力和三个扭矩的作用，分别为纵向力、侧向力、垂直力和侧倾力矩、侧向力矩、回正力矩。从20世纪70年代起，美国通用汽车公司最早开始对车轮力传感器的研究，目前美国、德国、瑞士和日本等国均有类似的产品问世。我国对于六维力传感器的研究起步较晚，能够应用于汽车的轮力测试技术的研究在很长一段时间内几乎是空白，对其的研究基本处于理论阶段，在实际车辆设计或性能评估时，往往采用借鉴国外相关参数并结合以往设计经验的方法，很难有定量的数据分析和处理的设备及方法。随着国标的推广和对于汽车设计愈加严格的要求，对车轮力传感器的需求也日渐增大，现在大多汽车生产厂家和试验场都选择购买进口产品，但存在以下几个问题
1、进口产品价格昂贵，不利于降低研发成本；
2、采用标准不同，不利于我国国标的推广；
3、关键技术对我国实施技术封锁，不利于国产车辆的自主研发。因此，研发具有自主知识产权的低成本车轮六维力传感器，对于我国汽车工业的发展具有重要意义。现有技术中，专利申请号为ZL 200320110714. 5的专利公开了一种汽车车轮多维力测量装置，是一种用于汽车行驶工况下的车轮受力状态的实时测量的装置；专利申请号为ZL 200320110713. O公开了一种车轮多维力测量传感器，是一种汽车行驶工况检测系统中的力传感器。然而上述专利所提及的车轮力传感器存在如下一些不足
1、将车轮力传感器安装在轮毂上时，紧固螺栓会对车轮力传感器施加一个较大的预紧力，从而对侧向力测量精度产生较大影响；
2、车轮六维力信号和转角信号的采集不同步，这将直接影响后续解耦精度；
3、车轮力传感器内部采用光电传输方式，采用光电发射二极管和接收二级管作为传输通道，因此数据传输稳定性差，且数据丢包率较高。
发明内容
针对上述缺陷，本发明的目的在于提供一种测量车轮六维的传感器，能够在车辆行驶过程中，实时测量单个车轮所受的相互垂直的三个方向上的力和相互垂直的三个方向上的扭矩，实现了对汽车车轮六维力准确、可靠的测量。为了解决上述问题，本发明的技术方案是，提供了一种测量车轮六维的传感器，包括安装在车轮上随车轮一起转动的旋转部分和与车辆本身相对静止的非旋转部分，所述的旋转部分包括弹性体、组桥电路、单圈绝对式编码器和采集模块，所述的非旋转部分包括传输模块，所述的弹性体在车轮所受的六维力的作用下会产生形变，使得粘贴在弹性体上的电阻应变片的阻值发生变化；所述的组桥电路会将这种弹性体上应变片的阻值变化转化成与之相对应的差动电压变化信号；所述的采集模块将电压变化信号调理和放大，并将其与单圈绝对式编码器采集的角度信号打包后，通过无线方式传输给和与车身相对静止的传输模块；所述的传输模块可通过串口线将打包后的信号传输到上位计算机，在上位计算机进行数据分析和处理后便得到当前的车轮六维力信号。在本发明一个较佳实施例中，所述的旋转部分采用电池组供 电。在本发明一个较佳实施例中，所述的弹性体采用具有多梁对称特点的轮辐式结构，在8条应变梁上分别粘贴电阻应变片。在本发明一个较佳实施例中，所述的米集模块包括微弱电压放大电路、电压信号调理电路、车轮转角测量电路、无线传输电路和电池剩余电量监控电路。在本发明一个较佳实施例中，所述的采集模块同时采集组桥电路的差动电压信号和单圈绝对式编码器采集的角度信号。在本发明一个较佳实施例中，所述的采集模块和传输模块之间采用高频无线通讯的方式。本发明揭示的测量车轮六维的传感器，由弹性体、组桥电路、单圈绝对式编码器、采集模块以及传输模块组成，能够在车辆行驶过程中，实时测量单个车轮所受的相互垂直的三个方向上的力和相互垂直的三个方向上的扭矩，实现了对汽车车轮六维力准确、可靠的测量。
图I是本发明所述的车轮右手正交坐标系和六维力定义 图2是本发明所述的弹性体的立体 图3是本发明所述的弹性体的俯视 图4是本发明所述的弹性体的主视 图5是本发明所述的弹性体的侧视 图6是本发明所述的组桥电路 图7是本发明所述的采集模块的电路框 图8是本发明所述的采集模块与传输模块控制器的电路 图9是本发明所述的采集模块与传输模块的无线传输电路 图10是本发明所述的采集模块电源调理电路 图11是本发明所述的采集模块电量检测电路 图12是本发明所述的采集模块读取单圈绝对式编码器数值电路 图13是本发明所述的组桥电路信号放大电路 图14是本发明所述的传输模块电路框 图15是本发明所述的传输模块电源电路 图16是本发明所述的传输模块串口电路图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。一种测量车轮六维的传感器，包括安装在车轮上随车轮一起转动的旋转部分和与车辆本身相对静止的非旋转部分 ，旋转部分包括弹性体、组桥电路、单圈绝对式编码器和采集模块，非旋转部分包括传输模块，采集模块和传输模块之间采用高频无线通讯的方式。其中，旋转部分采用电池组供电，并能在电池组剩余电量不足时发出报警信号；非旋转部分即为传输模块，通过无线通讯方式接收采集模块发送的信号并能经由串口将数据上传到上位计算机进行分析与处理。本发明中的弹性体安装在车轮上，并随车轮一起转动，在六维力的作用下弹性体会产生形变，这使得粘贴在弹性体上的电阻应变片的阻值发生变化，组桥电路会将这种阻值变化转化成与之相对应的电压变化信号，采集模块将电压变化信号调理和放大，并将其与单圈绝对式编码器采集的角度信号打包后，通过无线方式传输给和与车身相对静止的传输模块，传输模块不随车轮一起转动，并可通过串口线将打包后的信号传输到上位计算机，在上位计算机进行数据分析和处理后便可以得到当前的车轮六维力信号。本发明中的弹性体采用具有多梁对称特点的轮辐式结构，在8条应变梁上分别粘贴电阻应变片，该弹性体结构轴向尺寸小，可以承受很大的径向力，且对车辆的整体性能影响较小。本发明中的采集模块包括微弱电压放大电路、电压信号调理电路、车轮转角测量电路、无线传输电路和电池剩余电量监控电路。该采集模块能够以大于200Hz的速度同时采集组桥电路的差动电压信号和单圈绝对式编码器采集的角度信号，并实时监控电池的剩余电量，当电量不足时，会发出报警信号。图I给出了车轮右手正交坐标系和车轮六维力传感器所测量的三个力和三个扭矩的定义方法。垂直于车轮旋转轴线的轮胎中分面称为车轮平面，坐标系的圆点O为车轮平面和车轮旋转轴线在地平面上投影的交点。定义车轮平面与地平面的交线为Xw轴，且向前为正；Zw轴与地平面垂直，指向上方为正；Yw轴在地平面上，面向车轮前进方向时指向左方为正。图中ω为车轮旋转角速度，α为侧偏角，Y为车轮外倾角。车轮力传感器的六测量分力定义在车轮坐标系中(w系)，为原点在车轮中心的右手直角坐标系。测量六分力分别定义为纵向力 Fxw (Longitudinal Force)、侧向力 Fyw (Lateral Force)、垂直力 Fzw(Vertical Load)和侧倾力矩Mxw(Overturning Moment)、侧向力矩Myw(Lateral Moment)、回正力矩Mzw (Aligning Moment)。其中，侧向力矩包括驱动扭矩(Driving Torque)、制动扭矩(Braking Torque)和滚动阻力矩(Rolling Resistance Moment)。力分量沿坐标轴正向为正，力矩分量沿坐标轴正向逆时针为正。如图2-5所示的弹性体，该弹性体分为内外两圈，中间用8条弹性梁相连，内圈的8个小安装孔用于和车轴固定，外圈的8个大安装孔用于和车轮固定，8条弹性梁均匀分布在内圈与外圈之间。当车轮受力时，8条弹性梁会发生弹性形变，8条弹性梁通过不同的组合，能够以结构解耦的方式获得相互独立车轮力。弹性体的材料选用优质的合金结构钢，具有较高的弹性极限和冲击韧性，具有良好的的机械加工和热处理性能。确定弹性体结构后，需要对其进行有限元分析，以确定在受力条件下结构的应变情况，从而找出应变片的最合理粘贴位置。使用ANSYS软件，将弹性体被划分为138717个单元，在软件模拟中假定内圈固定，六维力通过外圈的8个安装孔均匀的施加在弹性体上，通过分析弹性体在受力时的应力和应变，确定用于测量六维力的电阻应变片的贴片位置，贴片位置描述如下所述
I)在C梁和G梁上下表面中间轴线处分别粘贴拉压应变片IO、13、28、31，测量纵向力
Fxw02)在D梁和H梁侧表面中间轴线处分别粘贴剪力应变片15、16、17、18和33、34、35、36，测量侧向力Fyw03)在E梁和A梁上下表面中间轴线处分别粘贴拉压应变片20、23、2、5，测量垂直力 Fzw04)在A梁和E梁侧表面中间轴线处分别粘贴剪力应变片1、3、4、6和19、21、22、24，测量侧倾力矩Mxw。5)在B梁和F梁侧表面根部轴线处分别粘贴拉压应变片7、8、25、26，测量侧向力矩 Myw。6)选择在C梁和G梁侧表面中间轴线处分别粘贴剪力应变片9、11、12、14和27、29、30、32，测量回正力矩Mzw。在贴片点位置选取准确，各个应变片阻值相等，且传感器弹性体结构完全对称、各向同性这三个前提下，上述的贴片方式实现了车轮六维力的结构解耦。对于各维力，选取在该维力作用下形变趋势相反的应变片对，用低阻抗导线将其相连，组成了六个差动电桥，每一个电桥的差动输出对应一维力，组桥方法如图6所示。对六个组桥电路进行分析，得到车轮六维力传感器的六维力信号解耦的应变片布片的组桥方案，实现了多维力直接解耦测量，车轮力传感器各个力和力矩与电桥输出应变的关系为
权利要求
1.一种测量车轮六维力的传感器，包括安装在车轮上随车轮一起转动的旋转部分和与车辆本身相对静止的非旋转部分，其特征在于，所述的旋转部分包括弹性体、组桥电路、单圈绝对式编码器和采集模块，所述的非旋转部分包括传输模块，所述的弹性体在车轮所受的六维力的作用下会产生形变，使得粘贴在弹性体上的电阻应变片的阻值发生变化；所述的组桥电路将弹性体上应变片的阻值变化转化成与之相对应的差动电压变化信号；所述的采集模块将电压变化信号调理和放大，并将其与单圈绝对式编码器采集的角度信号打包后，通过无线方式传输给和与车身相对静止的传输模块；所述的传输模块可通过串口线将打包后的信号传输到上位计算机，在上位计算机进行数据分析和处理后便得到当前的车轮六维力信号。
2.根据权利要求I所述的测量车轮六维的传感器，其特征在于，所述的旋转部分采用电池组供电。
3.根据权利要求I所述的测量车轮六维的传感器，其特征在于，所述的弹性体采用具有多梁对称特点的轮辐式结构，在8条应变梁上分别粘贴电阻应变片。
4.根据权利要求I所述的测量车轮六维的传感器，其特征在于，所述的采集模块包括微弱电压放大电路、电压信号调理电路、车轮转角测量电路、无线传输电路和电池剩余电量监控电路。
5.根据权利要求I所述的测量车轮六维的传感器，其特征在于，所述的采集模块同时采集组桥电路的差动电压信号和单圈绝对式编码器采集的角度信号。
6.根据权利要求I所述的测量车轮六维的传感器，其特征在于，所述的采集模块和传输模块之间采用高频无线通讯的方式。
全文摘要
本发明公开了一种测量车轮六维力的传感器，包括安装在车轮上随车轮一起转动的旋转部分和与车辆本身相对静止的非旋转部分，所述的旋转部分包括弹性体、组桥电路、单圈绝对式编码器和采集模块，所述的非旋转部分包括传输模块。通过上述方式，本发明提供了一种测量车轮六维的传感器，能够在车辆行驶过程中，实时测量单个车轮所受的相互垂直的三个方向上的力和相互垂直的三个方向上的扭矩，实现了对汽车车轮六维力准确、可靠的测量。
文档编号G01L1/22GK102636299SQ20121007176
公开日2012年8月15日 申请日期2012年3月19日 优先权日2012年3月19日
发明者张为公, 林国余, 王东 申请人:东南大学