本申请要求于2015年9月14日提交的序号为62/218,097的美国临时申请的优先权，其公开通过引用并入本文。
背景技术：
本发明总体上涉及车轮组件，并且尤其涉及具有改进的用于监测各种车辆状况的监测能力的车辆车轮以及涉及用于完成这种监测的监测装置。
除重型载重卡车外，全尺寸卡车在沿某些行进道路行驶时受到重量限制。车辆中的负载可以经由集成在卡车本身上的重量传感器来检测。这样的重量传感器如果结合在卡车上，则可以集成到车辆的位于车辆底盘与车辆车箱之间的固定架上。这些相应的负载传感器专用于仅仅感测车辆车箱中的重量。这种传感器不设置用于其他车辆状况的其他数据，这种传感器也不设计用于感测其他状况或定位成感测其他状况(诸如车轮的重量分布、温度和胎压倾角)。这些负载状况以及其他感测到的操作状况会影响车辆系统如何可操作地作出反应。尽管与不同操作状况有关的信息在控制车辆操作时是有用的，但是车辆的许多感测到的状况需要专用传感器，所述专用传感器价格贵且增大包装复杂性。
技术实现要素：
本发明涉及具有改进的用于监测各种车辆状况的监测能力的车轮以及涉及用于完成这种监测的监控装置。
根据一个实施例，本发明的特征在于通过将包括一个或多个部件和相关联的传感器的监测装置或监测系统添加到车辆车轮来向现有车轮增添功能性。监测装置将具有监测各种车辆状况的能力，例如包括但不限于：车轮夹紧负载、车轮负载、轴载、重量分布、环境温度、车轮温度和轮胎气压。
传感器得到的信息可由各种系统应用，包括但不限于：TCS、ABS、EBD、AAR、CMBS、AWD、CTIS、轮胎磨损和损坏控制报告。这些系统可以利用该信息来对抗不稳定控制问题或进行调整以保持稳定性。此外，这样的信息可以提供给驾驶员以用于向驾驶员提供警示，诸如过载或不均匀装载、不安全的车轮附接、低胎压或潜在的侧翻。
另外，监测装置的特征在于该监测装置优选地产生足够的电力以经由将动能转化为电能的若干技术中的一种技术来为其自身供电。这种能量可用来直接驱动传感器的电气部件，或者可用作电源给可充电电池充电。
一个实施例设想了一种监测装置，所述监测装置包括外壳，所述外壳附接到车辆轮胎内部的车轮的凹槽。所述外壳与所述车轮一起旋转。电子电路布置在所述外壳内。所述电路包括布置在所述外壳内的负载感测装置。所述负载感测装置感测施加在所述车轮上的力。收发器耦合到所述电路。所述收发器将由所述负载感测装置感测到的负载数据传送到车轮外部的部件。
一个实施例设想了一种监测系统，所述监测系统包括外壳，所述外壳附接到车辆轮胎内部的车轮的凹槽。所述外壳与所述车轮一起旋转。电子电路布置在所述外壳内。所述电路包括布置在所述外壳内的负载感测装置。所述负载感测装置感测施加在所述车轮上的力。收发器耦合到所述电路。所述收发器将由所述负载感测装置感测到的负载数据传送到车轮外部的部件。至少一个控制器控制车辆操作。所述至少一个控制器接收负载数据并且响应于所述负载数据调整车辆操作。
当根据附图阅读时，根据下面对本发明和优选实施例的详细描述，本发明的其它优点对于本领域技术人员而言将变得显而易见。
附图说明
图1是根据本发明的具有改进的监测装置的车辆车轮的一部分的视图，该改进的监测装置构造为可操作地安装在车辆车轮上。
图2是图1中所示的监测传感器的一部分的透视图，其示出了相关联的监测装置的内部部件。
图3是用于所述监测传感器的外壳盖的透视图。
图4是夹紧负载间隔装置的透视俯视图。
图5是夹紧负载间隔装置的底表面的透视图。
图6是结合有夹紧负载传感器的车轮的透视图。
图7是车辆内的监测系统的系统框图。
具体实施方式
现在参见附图，在图1中示出了总体上用10表示的根据本发明的监测装置的实施例，该监测装置构造成可操作地安装在车辆车轮12上。车辆车轮12可以具有任何类型的结构和/或构造。此外，监测装置10可以安装在车辆车轮12上的任何希望位置处，优选如图所示通过合适的技术定位于车轮12的外侧表面14的凹槽13中，所述合适的技术包括但不限于粘合剂、紧固件或类似物。外侧表面14在本文中被限定为暴露于轮胎内部以用于封闭腔室来维持轮胎压力的车轮侧面。凹槽13在本文中被限定为围绕车轮12周向形成的外侧表面14的轴向部分，其邻近周缘段15和胎圈凸起16。监测装置10当安装在车轮的外侧表面14的凹槽13上时，将设置在加压轮胎的相对于外部环境元件被屏蔽的腔室内部。
图2示出了包括用于感测各种状况的各种部件的监测装置10(即，去掉了盖)，所述各种状况包括但不限于车轮负载、车轮夹紧负载、轴负载、重量分布、外倾角、撞击负载、环境温度、车轮温度和轮胎气压。底盘主体18包括用于封装监测装置10的各种部件的外壳的下部部分。如图3所示，顶部封闭件或盖20附接到底盘主体18，用于密封其中的部件。
再次参见图2，底盘主体18和盖20由能够经受高温和可潜在地损坏其中的电气部件的不利化学物质的材料制成。例如，由于监测装置10存在于轮胎内，在车辆运行期间可能从轮胎的橡胶化合物中散发出硫酸，硫酸使得监测装置10中的如果没有适当地包覆的电气部件退化。用于形成底盘主体18和盖20的材料可以包括但不限于塑料、尼龙或复合材料。
安装在监测装置10内的部件包括但不限于多个压电元件22，多个激励块体24和印刷电路板(PCB)26以及应变仪28。
所述多个压电元件22用于能量收获。应该理解的是，尽管在此示出了盘状件，但是压电元件可以具有包括但不限于压电膜的其他形状和构造。所述多个压电元件22对压力、加速度、应变、温度以及在压电元件上产生振动的其他力作出反应。振动被转换为电荷。组成盘的压电材料具有晶体结构。每个压电元件22的正电荷和负电荷不重叠并且因此产生偶极矩。当晶体结构经受机械振动或运动时，对压电材料施加机械力或应变，这导致偶极子变形，从而产生电荷。电能可以通过将能量储存在电池、电容装置中来收获，或者可以直接供应给监测装置10的各装置。可以利用的其它类型的能量收获装置包括但不限于微型发电机和太阳能。
如图2所示，多个压电元件22包括不同尺寸的盘。图2示出了围绕监测传感器10设置在各位置处的第一压电元件和相关联的激励块体30，第二压电元件和相关联的激励块体32，第三压电元件和相关联的激励块体34以及第四压电元件和相关联的激励块体36。应当理解的是，相关联的压电元件的数量可以比所示出的更多或更少，并且可以位于与所示出的位置不同的位置处。压电元件的频率极限通常由压电元件的尺寸和/或形状所展示的共振来确定。因此，不同尺寸的多个压电元件用来引起可能激励压电元件的大带宽的不同频率。
为了在每个压电元件22内产生振动，激励块体24设置在每个压电元件22的中心内。每个激励块体24与相应的压电元件相关联。每个激励块体24包括由杆部分37支撑的圆柱形部分35。
每个圆柱形部分35定位在每个压电元件22上方的预定高度处。每个杆部分37延伸穿过每个压电元件22的中心。图2示出了压电元件和激励块体的放大侧视图。示出了与激励块体/压电元件32相关联的杆部分37是整体式的，使得杆部分37和激励块体32形成为单个部件。与激励块体/压电元件32相关联的杆部分37是圆锥形的。随着杆部分37安装在相关联的压电元件的中心内时，杆部分37逐渐变细。这允许当轮子旋转时激励块体的移动，这在相关联的压电元件中引起振动。相反，与激励块体/压电元件30相关联的杆部分37是圆柱形杆部分。圆柱形杆部分的长度和直径构造成允许激励块体的移动引起相关联的压电元件中的振动。应该理解的是，对于所有激励块体，监测传感器10的相应的激励块体中的每一个可使用圆锥形杆部分，或者对于所有激励块体，可以使用圆柱形杆部分，或者可以使用圆锥形杆部分和圆柱形杆部分两者的组合。还应该理解，可以使用其他形状和构造。
当车辆车轮沿着行进道路转动时，每个激励块体24的每个圆柱形部分35在各个方向上摇摆。联接到激励块体24并延伸穿过压电元件22的中心的杆部分37作用在压电元件22上，从而在压电元件22上产生力。压电元件22感测沿着中性线施加的力，其在与力作用线垂直的相应方向上产生电荷。感测到的激励被转换成由PCB 24的电力部件收获的电荷。
盖20包括壁39，当盖20联接到底盘主体18时，壁39与多个激励块体24对准。每个壁39的形状类似于激励块体的形状。例如，如图2所示的激励块体24是圆柱形的；因此，与每个激励块体相关联的壁39是圆柱形的。每个壁39周向地大于其相关联的激励块体的圆周。盖20中的壁39的功能是限制激励块体移位太远而损坏压电元件。结果，激励块体被限制在允许激励块体移位的预定距离处。
PCB 26包括电力调节PCB(印刷电路板)40和处理PCB 42。电力调节PCB 40和处理PCB 42可以是单个集成的PCB或者可以是通过如图所示的通信介质44(例如带状电缆)耦合的两个或更多个单独的PCB。由于底盘主体18的可能的曲率，可以使用两个或更多个单独的PCB。由于车轮本身是弓形的，优选的是，传感器遵循安装有传感器的凹槽的安装面的轮廓。如果监测传感器10是平坦的并且底盘主体18是弓形的，则底盘主体18可能具有在底盘主体18的指定安放位置内安放的问题。因此，通过利用比底盘主体18的一半长度都小的两个单独的PCB 40和42，尽管底盘主体18是部分弓形的，每个PCB板可以合适地安放在底盘主体44内。如果使用两个或更多个PCB，则通信电缆44用于可通信地耦合PCB。可替代地，应该理解的是，可以对底盘主体18进行替代设计以容纳包含用于电力调节部件和处理部件的单个PCB板。
电力调节PCB 40控制监测装置10的能量产生和管理。电力调节PCB 40包括电池46、AC/DC转换器48、DC/DC转换器50和电力管理器52。
电池46包括能量存储装置，所述能量存储装置包括但不限于电池单元。这种电池单元可以包括呈现长寿命的锂离子电池。另外，可以使用包括可充电电池的其他类型的电池。优选地，电池是可再充电的并且通过压电元件22的能量收获而再充电。
AC-DC(交流-直流)转换器48用作整流器，以经由从压电元件22收获的能量振动来转换由压电元件22引起的能量。如前所述，利用压电元件22的能量收获以交流电(AC)的形式产生电荷。从压电元件22的振动得到的AC电荷由AC-DC转换器48整流以产生可用于对电池46进行再充电的直流电(DC)，或者可能直接激励监测装置10内的部件。
DC-DC(直流-直流)转换器50是将直流(DC)源从一个电压电平转换成另一个电压电平的电子电路或机电装置。DC-DC转换器50升高用于处理PCB42上的各种装置的功耗的电力电平。而且，DC-DC转换器50可以包括感应充电系统，其中车辆的主电源可以用于对电池46进行感应式再充电或对监测装置10的相应装置直接供电。
电力管理器52是诸如固态装置的集成电路，用于通过控制电力的流动和方向来管理电力需求。电力管理器52提供电子电力转换和/或相关的电力控制功能。当能量可用时，电力管理器52启用，以从压电元件22收获能量。电力管理器52可以使用DC-DC转换器50进一步提供电力控制(例如电压监管和欠压保护以及能量管理、电压调节、充电功能和动态电压调节)以允许动态电压调节。电力管理器52还可以以脉冲频率调制(PFM)和脉宽调制(PWM)的形式提供能量。
通信介质44电耦合电力调节PCB 40和处理PCB 42以提供电力调节PCB 40和处理PCB 42上的部件之间的电力传输和数据传输。
处理PCB42包括诸如中央处理单元(CPU)54、放大器56、加速计58、温度传感器60和收发器62的装置。
CPU 54是通过执行包括但不限于在由其操作码中的其指令指定的数学函数、逻辑函数、控制和输入/输出(I/O)操作的各种功能来实施程序指令的电子电路固态装置。CPU从各种装置接收感测数据，基于由各种装置收集的感测数据识别各自的状况并相应地输出控制信号。
放大器56允许选择不同的性能水平选项。放大器56在差分信号被输入到模拟-数字转换器之前放大差分信号。
加速度计58测量车辆和车辆车轮的加速度。加速度计用于惯性导航系统中以及测量车辆上的振动和撞击(如碰撞、隆起和凹坑)。加速计58可用于进一步确定和监测车轮的外倾角和车轮的旋转，这可辅助于确定车辆加速度、方向和速度。除了加速度计58之外，可以使用诸如陀螺仪和磁力计的类似装置来监测本文所述的各种状况。此外，倾斜仪可以结合在车辆上以确定车辆的倾斜度。倾斜仪优选安装在车辆底盘的底部平坦表面上。由倾斜仪感测到的数据被输送到监测装置10。给定来自倾斜仪的倾斜数据以及由监测装置10感测到的负载数据，监测装置可以确定车辆的重心，该重心可用于各种稳定性控制操作。
温度传感器60用于测量轮胎内的空气温度，空气温度可以与压力一起用来确定用于车辆操纵能力的策略。
可以安装在板上的其他装置包括用于感测胎压的板载压力传感器。
收发器62是包括在同一芯片内共享共用电路的发射器和接收器的装置。收发器62将由CPU 54处理的数据发送到车辆中其他地方的接收单元，以便由一个或多个控制器利用数据来启用各种车辆应用，这将在后面详细讨论。
应变计28、传感器薄膜或类似装置安放在底盘主体18的底面内表面上。应变计28用于监测在动态条件和静态条件下施加在车轮上的撞击负载。在动态条件下，车辆正在移动并且应变仪28测量车轮旋转时施加在车轮上的负载力。测得的负载产生正弦信号。通过测量并记录正弦信号的峰值，可以根据记录的峰值确定负载。
在静态条件下，使用加速度计基于监测车轮的旋转来确定监测传感器10的位置。可替代地，旋转式电位计可以通过将旋转电位计安装在车轮自身上或安装在监测传感器10内部而进行安装。在测试阶段，车轮每次旋转一度，并且预定负载施加到车轮。以一度的增量，针对给定监测装置10的位置记录负载。一旦处于该情形(once in production)，监测装置的旋转位置通过加速度计58确认。CPU 54保留用于使得相应位置的应变仪测量值相关的查找表或类似物。基于相关数据，确定相应的负载。
应该理解，负载数据可以以各种方式使用。例如，车辆可以是自我监测的，用于检测车辆携带的负载何时超过预定阈值(例如，由市、州或联邦法规规定的重量限制)。在另一个示例中，可以确定车辆是前部加载、后部加载或过载。除了警告驾驶员这种状况之外，悬架可以适应性地修改以补偿不适当的负载。而且，基于不适当的负载可以应用不同的制动策略。在又一示例中，响应于具有不适当负载的单个车轮，可以适应性地调整具有不适当负载的车轮的悬架以修正单个车轮的不适当负载。
图4和图5示出了用于容纳用来确定车轮的夹紧负载的夹紧负载传感器的夹紧负载装置。当螺栓连接件(例如车轮安装系统)将两个表面紧紧地夹紧在一起时发生夹紧负载。两个配合表面的摩擦以及通过用螺栓将这两个表面夹紧在一起而产生的力使表面抵抗移动。结果，摩擦和夹紧负载的量决定了连接件抵抗移动的阻力水平。虽然夹紧负载是通过拧紧螺栓以抵靠在配合表面上而产生的并且通常以英尺磅的扭矩进行测量，但由螺纹上的锈蚀或润滑剂引起的表面夹紧变化会影响夹紧负载与扭矩的关系。另外，设置在配合表面之间的物品可以减小连接件的摩擦，并且还可以改变夹紧负载和扭矩之间的关系。为了确定夹紧负载，夹紧负载间隔装置64定位在车轮和轮毂之间。夹紧负载间隔装置64呈弓形，以与车轮的轮毂安装板对准。夹紧负载间隔装置64包括与车轮的凸耳螺母孔对准的孔66(即，凸耳螺母孔)。如图所示，夹紧负载间隔装置64可以被分成多个部分，其中每个部分安装在车轮和轮毂之间，以便在车轮安装到轮毂上时均匀地间隔开车轮。可替代地，夹紧负载间隔装置64可以是形成为完整圆的单个整体式部件。利用单个整体式间隔装置的优点是便于组装。可替代地，如果需要更换夹紧负载传感器，则利用单独的间隔装置将降低服务成本，从而仅移除一部分。
当将车轮安装到车轮轮毂时，设置有车轮的凸耳螺母孔的车轮的圆盘部分不完全与轮毂平齐。相反，圆盘部分在朝向轮毂的方向上部分地呈喇叭形/圆锥形。当车轮安装在轮毂上并且凸耳螺母固定到凸耳螺栓上时，圆盘部分变形，使得当凸耳螺母完全固定时，这一部分与轮毂基本上平齐。结果，圆盘部分在固定到轮毂上时进入加载状态。与实际上感测凸耳螺母的扭矩相比，感测的状况是圆盘部分是否从其负载状态变为无负载，这表明夹紧负载正在减小。为了检测指示圆盘部分从其负载状态过渡到无负载状态的夹紧负载的减小，应变或偏转传感器68集成在夹紧负载间隔装置64内。图5示出了应变或偏转传感器68集成在夹紧负载间隔装置64内。夹紧负载间隔装置64可包括凹口70和相关联的通道72，传感器68和相关联的线路安放于其中。可替代地，传感器68可以使用各种技术(例如包覆成型技术)一体地形成为夹紧负载间隔装置64的一部分。
图6示出了设置在车轮的轮毂安装面上的传感器68和包覆成型的夹紧负载间隔装置64。传感器68包括从传感器68延伸到感应充电单元78的通信通道76，感应充电单元78附着到车轮的内部侧表面74(即，靠近轮辋的制动侧的凹槽)。传感器68优选通过粘合剂附接到车轮的内部侧表面，然而，可以使用其他工艺将传感器固定到车轮槽。圆盘部分的偏转由传感器68监测，并通过设置在凹槽的相对壁上的感应充电单元70传送到监测装置10。感应充电单元78通过使用非接触式能量传输的电磁感应方案供电。位于监测装置10中的初级感应线圈激励位于感应充电单元78中的次级感应线圈。次级感应线圈中接收到的能量为传感器68供电。此外，感应充电单元78允许信息/数据信号在电磁感应的辅助下在两个方向上都传输。结果，夹紧负载数据从传感器68经由感应充电单元70传输到监测装置10。
图7示出了利用由监测装置10得到的数据用于车辆应用的系统框图。监测装置10保持在车辆车轮12上。监测装置10包括收发器，该收发器与设置在车辆内而不是车辆车轮12外部的通信单元80无线通信。
通信单元80经由通信总线84耦合到一个或多个控制器82。优选地，通信总线84是控制器局域网(CAN)，其是设计成允许微控制器和装置在没有主机的情况下在各应用中彼此通信的车辆总线标准。每个控制器82可以是车辆子系统的一部分，或者可以用于启用车辆子系统以使得能够进行一车辆操作。这些子系统可以包括制动控制系统84、牵引力控制系统86、转向控制系统88、速度控制系统90、驾驶员警示系统92和通信系统94。各种数据(诸如车辆负载、车辆夹紧负载、重心、外倾角度、转向角度、胎压和温度)可以单独地或协作地使用以确定应该启用哪个控制系统以及一个或多个系统要应用的控制策略。而且，来自车辆的其他传感器或控制器的数据可以与来自监测装置10的数据配合使用，以确定控制策略和系统启用。
制动控制系统84可以通过在给定感测状况下动态应用制动策略来自主地应用。这种控制系统可以包括但不限于防抱死制动系统(ABS)、电子制动-力分配系统(EBD)、使用制动的主动抗侧倾(AAR)系统、和碰撞缓解制动系统(CMBS)。
牵引力控制系统86可以提供一种策略，该策略将动力单独地分配给每个相应的车轮以减轻如果将负载不均匀地施加到一个或多个车轮时的车轮打滑。
转向控制系统88可以提供转向策略，该转向策略可单独或与制动结合使用，以基于与车轮相关联的感测数据提供避免碰撞功能。
在基于感测到的负载确定超速可能导致稳定性问题的情况下，可以基于车辆车轮的负载来启用速度控制系统90(诸如适应性速度控制器)。
驾驶员警示系统92可以用于向车辆驾驶员提供关于诸如不适当的负载或检测到夹紧负载减小时刻的状况的警告。对驾驶员的这种警告可能包括视觉警告、声音警告和触觉警告。向驾驶员输出警报的装置可以是基于车辆的装置或者可以是不基于车辆的装置(例如，智能电话、平板电脑、计算机)。
通信系统94可允许车辆与另一车辆(V2V)、另一实体(V2X)或云服务进行交互通信。传送到云服务的这种数据可以包括提供关于行进道路的细节的车辆撞击数据。例如，运输实体以及车辆保险公司可以利用撞击数据来确定道路状况。运输公司如果运输易碎货物可以利用这些数据来确定行进道路是否足以运输某些类型的货物。保险公司可以向客户提供建议避开哪条道路以防止车辆损坏，诸如如果存在凹坑车轮有可能弯曲。
本发明的操作原理和模式已经在其各种实施例中进行了描述。然而，应该注意的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以以不同于具体示出和描述的方式来实施本发明。