CN101010209B - 通过速度的空间谐波分析确定行驶条件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种确定在表面上转动的元件的行驶情况的方法，所述方法包括初始过程和循环过程，该初始过程包括进行元件的转速的空间频率分析，以确定至少一个不包括元件转动的谐波的频率窗口，其中建立确定行驶情况的定律，用以确定行驶情况的循环过程包括以下步骤：测量所述元件的转速V；每隔固定的空间采样间隔Δd进行采样；在确定的频率窗口中分析采样信号，以在建立的定律的基础上确定行驶情况。

Description

通过速度的空间谐波分析确定行驶条件的方法
技术领域
本发明涉及一种确定在表面上转动的元件的滚动情况的方法。
背景技术
通常用来确定至少在地面上的汽车轮胎的滚动或“行驶”情况之一。具体地，确定的滚动情况能够用来确定轮胎和地面之间的接触面处的连接状态或参数，特别是，该状态或参数有助于执行控制车辆动态的系统，如防暴死系统(ABS)，电子稳定程序(ESP)。
为了确定滚动情况，已经提出分析轮胎转速如何变化，特别是通过比较同一轴上的两个车轮的转速的变化来进行分析。但是，具体地说，由于相关特性，而且由于影响同一个轴上的车轮的相对速度的参数(如转弯)有很多，所以确定方案并不令人满意。所以，具体地，确定的滚动情况的可靠性和精确性与车辆动态安全系统的使用不符合。
为了改进确定方案，已经提出暂时分析轮胎的转速，以规定确定滚动状态的定律。不幸地，特别是由于该定律严重依赖于转速的变化，所以该方案不可能解决上述问题。
从WO-A-00/01545还可以知道，一种检测车辆轮胎的瘪胎滚动状态的方法。在该方法中，通过空间傅立叶变换分析车轮的转动角速度，以在转动谐波附近使用该能量的变化。虽然该方法可能克服时间分析的约束，但是在确定瘪胎滚动情况中不可能得到令人满意的可靠性。
通过设计本发明时申请人的观察，如下面所解释的，以谐波为中心的频谱带中的能量变化依赖于大量的参数。具体地说，在这些参数中，有一部分是独立于滚动情况的(如测量链的特性或轮胎的特性)并且很大程度上降低了能量变化和滚动状态变化之间的关系的明确特性。因此，当实施WO-A-00/01545中的方法时，能量变化，即使是明显的能量变化，也不一定意味着滚动状态的变化，并且严重影响到确定滚动情况的可靠性。
发明内容
本发明的一个具体目的是：通过提出一种确定在一表面上转动的转动元件的滚动情况的方法来解决上述问题，这种确定独立于元件的转速和干扰参数的变化，从而有可能精确并可靠地确定滚动情况。
为此，第一方面，本发明提供一种确定在一表面上转动的转动元件的滚动情况的方法，所述方法包括：初始过程，其用于进行元件转速的空间频率分析，从而确定至少一个不包括元件转动谐波的频率窗口，在该窗口中建立一个确定滚动情况的定律；以及确定滚动情况的循环过程，其包括以下步骤：
测量所述元件的转速V；
以固定空间采样间隔Δd对所述速度空间采样；
根据所建立定律的函数分析在确定频率窗口中采集到的信号，以确定滚动情况。
第二方面，本发明提供这种确定方法的使用，该确定方法用于确定在地面上滚动的汽车轮胎的至少一种滚动情况。
附图说明
本发明的其他目的和优点将通过结合附图的以下描述给出，所述附图中：
图1a是作为时间T的函数的车轮转速V的变化曲线，分别为当曲线是在平均速度周围具有1HZ频率的正弦波(如虚线所示的曲线)的理想情况，和当引入具有同样振幅且在每次回转中分别出现一次、两次和三次的三个断点(fault)的情况(如实线所示的曲线)；
图1b和1c分别是对作为频率F的函数的表示振幅A的变化的图1a中的曲线进行时间和空间傅立叶变换的频谱；
图2a到2c是示出车轮转动的第一谐波的频谱线的变化的空间傅立叶变换频谱，其分别作为车轮的每次回转中出现一次的断点的三个振幅的函数；
图3a到3c是分别以三个不同比例，在“正常表面”滚动情况下的代表车轮转速信号的空间傅立叶变换频谱；和
图4a到4c是在“粗糙面”滚动情况中，对图3a到3c的频谱分析。
具体实施方式
本发明涉及一种确定在一个表面上转动的转动元件的转动情况的方法，具体地说，涉及一种确定在地面上转动的汽车车轮的转动情况的方法。
在很多应用中，特别是控制车辆动态特性的系统中，如ABS或ESP，确定滚动情况是非常有用的，具体地说，以作为所述条件的函数适应那些系统的干扰。
具体地说，滚动情况可涉及车轮和/或轮胎状态、路面状态或轮胎和地面之间的相互作用。而且，根据本发明确定的滚动情况可以是定量的，也就是说总体来说是二元的，或者是定性的形式，即以参数的形式。
例如，会提到下列滚动情况：
受压的轮胎；
路面黏附度，有时也称作“摩擦系数”；
施加在轮胎/路面接触面上的力或力矩；
方向盘角度；
横摆角；
轮胎相对于车轮平面的偏移角；
从动轮相对于非从动轮的滑移；
同一轴上两个轮之间的速度差；
滚动元件的偏心率，滚动元件包括编码器、车轮和轮胎；
车辆发动机及其变速箱的振动或摆动水平；
路面的状态(薄冰、水坑、油膜、灰尘、表面状态等)；
轮胎被刺破；
轮胎磨损程度；
轮胎或车轮安装错误；
调节同一轴上的车轮设置(轮曲面或倾斜度)。
根据被讨论的应用的特殊需要，本发明提出一种非直接确定至少一种滚动情况的方案，并且提供进行初始过程，用于确定并建立滚动情况对车轮转速的影响的模型，然后进行迭代过程，以确定滚动情况。
初始过程进行车轮转动速度的空间谐波分析。在一个实施例中，该分析如下：
测量车轮的转速V；
以固定空间采样间隔Δd对所述速度空间采样；
计算采样信号的空间傅立叶变换，以得到元件转速的频谱。
因此，空间谐波分析就有可能从速度信号中提取单独的空间频率，并且为其中每一个分配各自的振幅。
图1a虚线所示的是表示速度V的变化的曲线，其是在平均速度附近的频率为1Hz的正弦波，实线所示的是同样的曲线，其引入具有同样振幅，而且每次转动分别出现一次、两次和三次的三个断点。
图1b所示的是图1a的曲线的时间傅立叶变换频谱。在这些频谱中，可以观察到，产生的断点出现于贯穿明显振幅的多频谱线的频谱。因此，这个频谱很难达到建立确定滚动情况的定律的目的，具体地说，将由于断点而产生的频谱线的变化与由于滚动情况的变换引起的频谱线的变化区别开是很困难的。另外，时间分析是有限的，因为很多现象出现在一个频率，该频率是车轮频率的倍数，如果所述车轮转动频率随着时间而变化，则该频率增加以使特性频谱线加宽、加倍或交迭。另外，在空间分析范围中，由于获得的速度信号的多个点必须是小的，所以结果频谱的频率分解必须近似的，以限制采集期间车速变化的影响。
因此，本发明提出进行如图1c所示的空间谐波分析，图1c所示的为图1a曲线的空间傅立叶变换频谱。可以看出，这些频谱的线是精细的并且是局部化的，以使它们更易于解释。第一频谱线(谐波1)对应于车轮(车轮圆周等于2m，频谱线的空间频率为0.5m-1)每转动一次出现一次的断点，第二频谱线(谐波2)对应于车轮每转动一次出现两次的断点，等。
但是，谐波线的振幅正比于对应断点的振幅。图2a、2b和2c示出分别作为车轮每转动一次出现一次的断点的三个振幅的函数的谐波1的振幅。因此，由于周期性断点的出现或变化(具体地说，在包括发动机、变速箱、轮胎、车轮安装、轴承、编码器和传感器的测量链中)干扰了谐波线的振幅变化，所以本申请已经表示不能可靠地将谐波线的振幅变化与滚动情况的变化联系起来。
因此，本发明提出，在初始过程期间，确定至少一个不包括车轮转动谐波的频率窗口，在其中能够建立确定滚动情况的定律。这样，在所述窗口中的频谱的变化独立于断点，从而简单地与滚动情况关联起来。
参考图3和4，描述了当滚动情况为路面表面，并且能够取两个数值时的初始过程，这两个值以车轮转动表面的块状物的大小为函数分别为“正常表面”或“粗糙表面”。
在该实施例中，车轮转速的空间频率分析包括当车轮在“正常”表面上转动时的速度信号的空间傅立叶变换(图3)和当车轮在“粗糙”表面上转动时的速度信号的空间傅立叶变换(图4)。例如，通过测量车轮转速和以固定空间采样期Δd对所述速度空间采样，在已知类型表面的测试阶段能够得到这两种类型的速度信号。
然后，通过比较图3和4的两个频谱，可以确定至少一个不包括车轮转动谐波的频率窗口，在其中可以看出明显的不同.因此，如上所示，有可能将这样的不同与滚动情况的状态变化联系起来.在所给的实施例中，确定了两个窗口，分别在9.1m-1和9.4m-1之间和9.6m-1和9.9m-1之间(假定车轮周长为2米，即每0.5m-1处理一次谐波)。在所述窗口中，可以观察到，在“粗糙表面”状态中的信号的全部能量(将频谱的振幅积分或平均)大于“正常表面”状态中信号的全部能量。因此，有可能建立确定定律，在目前情况下，确定在各窗口中的信号参量的阈值，超过该阈值，则可靠地确定是“粗糙表面”状态。
在变化中，为了进一步提高确定滚动情况的可靠性，则有可能根据来自各窗口的至少一个值的函数建立确定定律。在所讨论的例子中，上述的参量阈值能够等于各窗口中的阈值的组合。
在另一个实施例中，可能建立一个确定定律，包括一个可能确定至少一个滚动情况的行为定律(behavior law)。因此，在上述实施例中，该行为定律可以是作为在限定窗口中的频谱的能量的函数的道路表面的黏附力的变化。
在另一个实施例中，可能限定至少一个频率窗口，其中信号的能量根据胎压的函数变化。因此，可能建立一个行为定律：将胎压作为窗口中的参量的函数，以通过执行本发明的方法确定胎压。
在另一个实施例中，可能选择以识别至少一个不包括车轮转动谐波的窗口和至少一个包括车轮转动谐波的窗口。具体地说，该实施例可能确定周期性的滚动情况，即，主要出现在谐波处。但是，通过将上述频率窗口组合在一起，在谐波处，通过使用考虑来自不包括谐波的窗口的至少一个值的确定定律，本发明可能将各自的影响与周期性的断点和滚动情况的变化分别开。因此，例如，可能可靠地确定条件(如编码器相对于传感器的偏心率，轮胎和车轮组件的椭圆度(圆度以外)或者轮胎平衡的恶劣状态)，该条件包括由于车轮每旋转一次上述现象就出现一次而引起的谐波1的振幅的变化。
如上所述，通过在已知条件下的滚动测试期间测量和采集车轮速度，以建立所需的确定定律，能够执行初始过程。然后，可以将该确定定律保存在主机中，以在其后使用。
至此，在建立确定定律后，该方法进行循环过程，以确定滚动情况，该过程具有以下步骤：
测量所述元件的转速V；
以固定空间采样间隔Δd空间采样所述速度；
根据建立的定律，分析在确定频率窗口中采集的信号，以确定滚动情况。
在参考图3和4所述的实施例中，反复比较两个频率窗口中的采集的信号的能量与阈值，从而确定“正常表面”或“粗糙表面”的滚动情况。
在一个实施例中，在确定过程期间及初始过程期间，用以下设备测量和采集速度：
被强制与元件一起转动的编码器，所述编码器具有多极磁道；
具有至少两个敏感元件的固定传感器，其中敏感元件面对面放置并且距离多极磁道一读取距离，放置所述传感器以传递空间采集的速度信号。
在特定的实施例中，编码器由多极磁片组成，在磁片上具有以固定角宽度均匀分布的多对磁化的南北极。例如，以公知的方法，编码器能够密封在固定车轮的轴承的转动环中。
通过在距离编码器的气隙处放置至少两个敏感元件，例如，敏感元件由霍尔探针或磁控电阻器组成，传感器能够以公知的方式传递表示相对于底盘的速度的信号，以固定的间隔空间Δd采集所述信号，该间隔是磁极角宽度的函数。具体地说，文件FR-A-2792380描述了一种具有一个编码器和一个传感器的轴承，该传感器设置成传递适当的速度信号以执行本发明的方法。
在一个实施例中，插入采集的速度信号以增加空间分解，例如，文件FR-A-2754063中所述的插入。在该实施例中，可观察到的频率带扩大，从而有可能从大量的可能性中确定频率窗口。在特定实施例中，当编码器具有48对极，且当插入因数是32时，可以达到的最大频率为1550m-1(当车轮周长等于2米时)。因此，通过执行本发明的方法，大于0.6毫米的空间期间的现象将容易被检测到从而能够以该现象的发生来确定滚动情况，其中，0.6毫米的空间期间将干扰车轮速度。
下面描述在循环过程期间采集信号分析的四个实施例。在这些实施例中，可以对速度信号采集多个对应于10次车轮转动的采集点。
在第一实施例中，该分析包括：
计算采集信号的空间傅立叶变换，以得到元件转速的频谱；和
在确定的频率窗口中，将确定定律作为至少一个频谱特性值(具体的说是频谱能量)的函数。
因此，在该实施例中，确定区间的信号分析与循环过程的信号分析是同样类型的。
在第二实施例中，该分析包括：
计算采集信号的空间傅立叶变换，以得到元件转速的频谱；
通过去掉不能插入的频率，在确定的窗口中过滤频谱；和
将确定定律作为至少一个过滤后信号的特性值(具体地说是过滤后信号的能量)的函数。
在变化中，在应用确定定律之前，就朝向低频移动确定窗口，然后通过本领域技术人员公知的技术以更低的采样频率(抽取)重建空间信号，以限制随后执行的计算的量。
在接下来的两个实施例中，使用数字滤波器，其通频带对应于初始过程期间确定的频率窗口。
在第三实施例，该分析包括：
在确定窗口中，采集信号的数字滤波器；和
将确定定律作为至少一个过滤后信号特性值的函数，特别是所述值表示过滤后信号的能量。
在该实施例中，首先过滤采集信号，以避免重复计算空间傅立叶变换。
在第四实施例中，该分析包括：
在确定窗口中，采集信号的数字滤波器；
计算过滤后信号的空间傅立叶变换；和
将确定定律作为至少一个频谱特性值的函数，具体地说，所述值表示过滤后信号的能量。
在变化中，在计算之前，朝向低频移动确定窗口，然后通过本领域技术人员公知的技术以更低的采样频率(抽取)重建空间信号，以限制随后执行的计算的量。

Claims (16)

1.一种确定在表面上转动的转动元件的滚动情况的方法，所述方法包括初始过程和循环过程，初始过程进行元件转速的空间频率分析，以确定至少一个不包括元件回转谐波的频率窗口，在该窗口中建立一个确定滚动情况的确定定律，循环过程用于确定滚动情况，且包括以下步骤：
测量所述元件的转速V；
以固定空间采样间隔
Figure F2005800290677C00011
d对所述转速空间采样；和
分析在确定频率窗口中采集的信号，以确定作为建立定律的函数的滚动情况。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：通过以下步骤执行空间频率分析：
测量所述元件的转速V；
以固定空间采样间隔
Figure F2005800290677C00012
d对所述转速空间采样；和
计算采集信号的空间傅立叶变换，从而得到元件转速的频谱。
3.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于：确定至少两个频率窗口，确定定律建立为来自各窗口的至少一个值的函数。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：至少一个频率窗口包括元件的回转谐波。
5.如权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于：所述确定定律包括阈值，该阈值用于确定至少一个滚动状态。
6.如权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于：所述确定定律包括行为定律，该行为定律用于确定至少一个滚动参数。
7.如权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于：所述确定定律是在确定频率窗口中的频谱能量的函数。
8.如权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于：所述转速的采集由以下装置执行：
被强制与元件一起转动的编码器，所述编码器具有多极磁道；
具有至少两个敏感元件的固定传感器，其中所述至少两个敏感元件面对面放置，并且所述至少两个敏感元件距离多极磁道一读取距离，放置所述传感器用以传递空间采集的转速信号。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：插入采集信号，以增加空间分解。
10.如权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于：所述在确定频率窗口中采集的信号的分析包括：
计算所述在确定频率窗口中采集的信号的空间傅立叶变换，以得到元件转速的频谱；和
在确定频率窗口，将确定定律作为至少一个频谱特性值的函数。
11.如权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于：所述在确定频率窗口中采集的信号的分析包括：
计算所述在确定频率窗口中采集的信号的空间傅立叶变换，以得到元件转速的频谱；
在确定窗口中，数字过滤频谱；和
将确定定律作为至少一个过滤后信号的特性值的函数。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于：在使用所述确定定律之前，朝向低频移动所述确定窗口。
13.如权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于：所述在确定频率窗口中采集的信号的分析包括：
在确定窗口中，数字过滤所述在确定频率窗口中采集的信号；和
将确定定律作为至少一个过滤后信号的特性值的函数。
14.如权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于：所述在确定频率窗口中采集的信号的分析包括：
在确定窗口中，数字过滤所述在确定频率窗口中采集的信号；
计算过滤后信号的空间傅立叶变换；和
将确定定律作为至少一个频谱特性值的函数。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于：在计算傅立叶变换前，朝向低频移动所述确定窗口。
16.确定在路面上滚动的汽车轮胎的至少一个滚动情况的方法，其利用权利要求1至15中任一项所述的方法来实现。
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