CN101057122A - 通过分析传感器波形确定行驶路面特征 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于获取各种所选轮胎和行驶路面情况的相关信息的方法。在一个或多个需监控的轮胎中相关联的安装一个或多个传感器。以类似分析病人的心电图的方式，来分析通过操作一个或多个传感器生成的信号波形，以便确定所选的来自所监控轮胎正在通过的行驶或路面特征。信号波形的分析可包括分析单一信号和/或比较源自单一轮胎或成对轮胎的相关联的传感器的成对波形。

Description

通过分析传感器波形确定行驶路面特征

技术领域

本主题涉及用于汽车轮胎的行驶或路面情况监控系统。更具体地，本主题涉及这种系统的改进；部分地、特别是用于根据由关联的轮胎传感器生成的波形类型来辨识与所选行驶或路面有关情况的方法。

背景技术

关于充气轮胎和车轮结构的电子设备公司创造了很多实用技术优势。轮胎电子装置可包含传感器和其它元件，用于传递轮胎识别参数，并同样用于获得关于轮胎的各种物理参数的信息，诸如温度、压力、胎面花纹磨损、轮胎转数、车速等等。这些性能信息在监控和警报系统中可变得有益，并甚至可潜在地被反馈系统用来管理适当的轮胎参数或汽车系统运行和/或性能。

然而由集成在轮胎结构上的电子系统提供的另一潜在能力，对应用于商业的和其它类型的车载应用的资产跟踪和性能特征。商业卡车车队、航空业和路面运输\采矿汽车都是可以从电子系统和相关的信息传输获益的行业。可使用射频识别(RFID)标记为特定轮胎提供统一识别，使轮胎具有跟踪能力。轮胎传感器可确定汽车的每个轮胎已经行驶的距离并从而帮助用于这种商业系统的保养计划。

关于轮胎情况监控设备和系统及它们相关的传感器的一个特定范围，涉及从关于轮胎和/或汽车运行的轮胎传感器获得最大可能数据的方法。通常这些努力包括使用大量不同类型的结合和安装的传感器来获得所需信息。

这种实例包含轮胎压力监控应用，其中对于跟踪其它的轮胎或汽车相关参数是同样重要或关键的，相关参数诸如轮胎温度、转速、行驶距离、定速行驶距离、以及其它参数。除了可或多或少用于历史记录保存的这些类型的数据之外，可在实时的基础上收集和报告数据。关于轮胎压力监控系统，例如，如果在可影响汽车方向性控制或稳定性的“暴胎”发生时极其突然地出现低压情况，特别是当汽车以高速路的速度运行时，实时向汽车驾驶员报告低压情况变得非常重要。

此外可在汽车的某些功能的实时控制中积极地使用轮胎传感器。这些功能的实例可包含防抱死或防侧滑刹车系统。在汽车功能实时控制中应用这样的轮胎传感器信号和其它涉及汽车运行的信号方面，对变化的行驶和路面情况的识别可变得有利。

尽管已经开发了多种汽车轮胎情况监控系统，并且尽管已使用传统技术提供了多种传感器的组合，但还没有出现通常包含依照本主题技术在这里提出的全部所需特征的设计。

发明内容

考虑到在以前的技术中遇到的和本主题中描述的公认的特征，已经开发了用于获得涉及各种行驶或路面特征的数据的改进的方法。应该注意的是，尽管本公开的提示的主要部分涉及使用集成在或安装在轮胎上或轮胎内的压电传感器，但事实上这种使用并非是打算表现本技术的特殊限制，将在后面更加完整的描述可与信号处理方法结合来使用其它类型的传感器。此外，本领域的技术人员应该很容易理解数据传输和处理机制必须与从各种传感器得到的信号相关，这样的数据可传输到受监控的轮胎和/或从受监控的轮胎传出，用于同时的或后续的处理。

在一个示范性实施例中，检测和分析由轮胎传感器生成的波形来确定许多所选行驶或路面特征。在某种意义上和在病人身上做心电图(EKG)有些类似，本技术提出对轮胎关联传感器产生的波形做类似的分析。

在本技术的进一步示范性实施例中，可在一个或多个轮胎中或轮胎上安装一个或多个轮胎关联传感器从而提供一个或多个信号，可分析这些信号来确定多个行驶或路面相关特征。这个不无遗漏的实例包含但不限于将传感器安装在与汽车相关联的一个或多个轮胎的各个内表面，包括在胎顶，即，在胎冠(tread)相对区的内衬(inside liner)上、在轮胎的胎壁内部、在胎壁外表面、和/或集成到轮胎本身的结构中。

涉及本主题的示范性实施例的更多细节，这里也被称作压电片(piezoelectric patch)的压电传感器，可牢牢固定在汽车的轮胎中或轮胎上。已经证明压电轮胎传感器是极度敏感的设备，并且将对应用在这样的传感器所关联的轮胎上任何部位的力做出实质性的反应。因此，选择性的分析从这样的传感器获得的信号能够提供很多信息。

使用压电传感器的额外的积极方面包括提供双重功能传感器的可能性，其中可同样使用该传感器作为用于操作各种可与该传感器相关联的元件的电源。这样的元件可包含但并不限于诸如微处理器、存储单元、数据传输和接收电路的元件，或其它可需要用于任何特定情况或安装的元件或部件。

从这里详细的说明中提出了本主题额外的方面，该方面或将对于所属领域的技术人员变得明显。同样，应该进一步意识到未背离本主题的精神和范围情况下，对在这里特定地说明的、涉及的和讨论的特征和元件的修改和变化，可用于本主题的各种实施例和使用中。变化可包含但并不限于对等价装置、特征、或那些说明的、涉及的、或讨论的步骤的替换、以及各部分、特征、步骤、或类似的功能的、操作的、或位置的翻转。

依然进一步理解，本主题的不同实施例和当前不同的优选的实施例，可包含当前公开的特征、步骤、或元件的各种结合或配置、或其它等价(包含没有在附图中清楚地显示或在该附图的详细说明中没有声明的特征、部分、或步骤或配置的结合)。没有必要在发明内容部分中表达的本主题额外的实施例，可包含和合并各种特征、元件、或涉及上面概括的对象步骤方面的结合，和/或其它特征、元件、或同样在这个应用中讨论的步骤。以及其它，所属领域的技术人员将更好的理解在该说明书的提示的回顾中的该实施例的特征和方面。

附图说明

包括了对于所属领域技术人员为最佳模式的本发明的完全的和授权的公开，阐述在对后附的附图做出参考的说明书中，其中：

图1概略地显示了已被部分夸大的轮胎侧面，来说明在轮胎滚动时与路面接触的部分；

图2概略地描述了当轮胎和路面接触来回滚动时，由轮胎传感器产生的代表性信号，该传感器关联的安装在图1中的轮胎中；以及

图3概略地描述了轮胎和可选的传感器位置的结合。

在贯穿本说明书和后附的附图中重复使用的参考字符表明本发明的相同或相似的特征或元素。

具体实施方式

如在发明内容中所讨论的，本主题具体地涉及用于从与轮胎关联的传感器获得行驶或路面特征的相关数据的方法。更具体地，本主题识别重要的行驶或路面特征的相关数据，该数据可由分析当安装了这种轮胎的汽车运行时各轮胎传感器产生成的波形来得出，在汽车运行或移动时轮胎面对各种行驶或路面情况，在作用于轮胎的压力下这种轮胎产生轮胎挠曲。

将在后面更全面的解释，在运行时这样的轮胎的挠曲(flexing)产生的“特征”波形，当通过相关联的传感器分析时，可用来揭示与当前轮胎和行驶或路面情况相关的重要数据。以此类推，众所周知医生可分析病人的心电图并辨别出由心跳所揭示的许多人类心脏的不同情况。相似地，轮胎内部张力的特征可当作轮胎和轮胎已接触的路面的相关信息的丰富来源。

应该注意的是这里讨论的和提出的每个示范性实施例并非暗指本主题的限制。可使用一个实施例的部分描述的和说明的特征和步骤与另一个实施例的方面结合来产生进一步的实施例。此外，某些特征可以和此处没有清楚地提及的但执行相似功能的相似设备和特征相交换。

现在将对目前本主题的轮胎挠曲特征信号分析方法的优选实施例做出详细的参考。现在参照附图，图1概略地描述了将围绕轴20转动的轮胎10设置成和路面30接触，轮胎和路面的接触产生了由括号40描述的接触面(contact patch)。

可在图1描述中看到，本技术的轮胎挠曲特征分析利用了这样的事实，在夸张的、装载的轮胎中基本地有四个不同曲率的区域。区域2代表轮胎的主要部分，对应于在轮胎10上的既不与当前与路面30接触、也不由于紧紧靠近区域6而发生显著伸缩的部分。区域6对应轮胎上完全与路面30相接触的部分。轮胎部分4和8对应过渡区，在汽车停止和匀速运动时是基本相同的，但在汽车加速或刹车的情况时会变成不同的形状和范围。在本讨论的上下文中，假设轮胎转动的方向由箭头26所显示，可认为过渡区8为“进入(entry)”区、认为过渡区4为“离开(exit)”区、并认为区域6为“接触”区。

现在参照图2，其中概略地描述了根据本技术的示范性轮胎关联传感器产生的轮胎挠曲特征或波形的表示。作为非限定的实例，该轮胎关联传感器可以是压电传感器，压电传感器可以是自供电(self-powered)或分离供电(separately powered)，或可以将两种供电形式的元件相结合来操作传感器。此外，波形生成传感器可对应于其它可利用的或仍在开发的传感器。应该清楚的是，与本技术相关的概念不在于使用特定类型的传感器、而是在于识别可应用于由合适的传感器生成的波形的轮胎挠曲特征波形分析，并且可不用依靠任何特定的传感器类型，来确定重要的轮胎和行驶或路面情况的相关数据。

本技术的原理概念是检测表现应用于轮胎的张力的波形，张力不仅来自路面本身也基于和路面相关联的异常。通过实际地测量前面提到的四个区域的每一个的曲率，以及基于时间特征的区域的大小或范围，可以确定关于轮胎的使用和情况的许多事实。然而，此外通过分析由区域6和接触面40所表现的轮胎实际接触时期生成的波形，可识别各种行驶或路面情况。

如前面提到的，已经证明压电轮胎传感器是极度敏感的设备，并且将对应用在这样的传感器所关联的轮胎上任何部位的力做出实质性的反应。因此，使用这种压电传感器有利于本技术，这样的使用并不是本技术的限制。

对从这样的传感器获得的信号的适当的分析将产生许多实际有益的参数，诸如速度、载荷、胎压、受压或超载的情况(也许独立地，因为硬度(stiffness)的变化不等同于偏斜(deflection)的变化)、胎面花纹磨损(横梁(beam)的厚度随磨损而变化，从而改变中性面的位置和横梁的硬度)、加速/刹车扭矩(进入和离开的曲率变化轨迹)、隔离带(belt separation)(传感器很敏感可反应轮胎任何位置的不均匀，不仅在传感器下面)、侧滑(出现高频分量)、纵向力、横向力(特定地如果横向地安装第二个传感器)、湿路滑轮(hydroplaning)、自矫正扭矩(self-aligning torque)、外倾角(camber)。

对从这样的信号的适当的分析将同样产生许多涉及行驶或路面情况的实际有益的参数。这种情况的非限制的实例可包含在路面上出现松软砂砾(loose gravel)或其它碎石(debris)以及确定轮胎是否行驶在相对于干燥路面的深水中。同样可包含对其它的行驶或路面特征的探测，例如，冰和/或雪、深坑、突出物和/或其它的危险。

进一步参考图2，示范性波形描述了在匀速运动情况下与轮胎相关联的传感器产生的信号。如图所示，轮胎10以箭头26的方向围绕轴20转动，当轮胎进入和离开前面识别的四个区域时在波形中产生了扰动。例如，波形部分22和它的重复伴随部分24对应于轮胎在当前没有和路面30接触的部分产生的信号。正脉冲84表示进入区8的起点，即，在非接触轮胎部分2和完全接触部分6的起点之间的过渡。负脉冲82表示进入区8的终点和接触区6的起点。波形部分62对应于接触区6。负脉冲44对应于接触区6的终点和离开区4的起点。负脉冲42对应于离开区4的终点和非接触区2的起点。

在稳态的情况下，图2中的波形的脉冲明显的表明进入区8和离开区4的起点和终点大体相似。此外，这些区域的起点和终点脉冲之间的空间大体相似。分析各种脉冲间的幅度差和时间差可以确定信息，诸如轮胎转速、轮胎载荷、压力、超过和低于压力情况以及其它前面略述的参数。在加速和减速的情况下，由于任何加速或减速与轮胎和路面的牵引力的结合作用，作为堰塞(damming up)或凸出(bulging)影响的结果，将改变前面的轮胎过渡区域4和区域8产生的大体相似的波形。

现在更具体的参照对应于接触区6的波形部分62。如图2中描述，波形部分62表示如前面提到的各种行驶或路面异常生成的信号。各种信号分析方法包含可用于检测波形部分62中高频分量的模拟和/或数字技术，高频分量可表示粗糙路面的出现，例如在路面上出现砂砾或其它特定的物质。另一方面，行驶在相对深水中的轮胎在接触区6的边缘会有不同的表现。可通过分析这种接触面边缘产生的波形形状来探测这种情况。

现在参照图3，这里描述了几个可选的位置，可根据本技术将传感器安装在轮胎内、轮胎上或轮胎中。如图3所描述，可通过把这样的传感器安装在胎壁的外部(如90)、胎冠上(如92)、胎壁的内部(如94)、或通过虚线矩形(如96)描述的物理地嵌入到轮胎结构中来将一个或多个传感器与轮胎10相关联。这些位置无论哪一个、一些或是全部都可用于在任何轮胎上的传感器位置。此外，可设置多个传感器，使得可以更容易地探测线性力和横向力，来获得最大可能范围的可识别数据。此外，本技术并不限制所有多个传感器应为同一类型。相反地，为获得或多或少与特定的情况类型相关的挠曲特征的所需或必需，可使用多种类型的传感器。

同样应该牢记的是，一个或多个传感器可与任何一辆汽车的一个以上的轮胎相关联。通过比较由不同轮胎上的不同传感器、或甚至同一个轮胎上的不同传感器生成的信号可获得额外的有益的信息。例如，如果来自一个轮胎的信号指明这个轮胎正在冰面上通过，同时这辆车上的另一个轮胎没有经历同样有冰的情况，可生成信号来指示汽车牵引力控制设备考虑这个问题。同样地如果轮胎信号分析显示汽车的一个轮胎正经历与其它轮胎不同的情况，例如，正在砂砾路面或水、泥或雪上，则可生成不同的控制信号。对一辆汽车的各个轮胎经历的行驶或路面情况的差异的识别，可被证明对保持汽车的稳定操作有重大意义。

尽管在这里通过特定实施例详细描述了本主题，应当意识到，所属领域的技术人员达到了对前面所述的内容的理解可容易地做出对这样的实施例的更改、变化或等价。同样地，本公开的范围是通过实例的方式而非通过限制的方式，并且本公开不排除包括所属领域的技术人员对本主题的修改、变化和/或添加。

Claims (17)

1.一种用于确定所选行驶路面情况的相关信息的方法，该方法包括以下步骤：

提供至少具有胎壁、胎顶和胎面部分的轮胎；

将一个或多个电子信号产生传感器与该轮胎相关联；

监控由一个或多个传感器产生的电子信号；以及

分析电子信号的所选特征来确定所选行驶路面情况的相关信息。

2.如权利要求1所述的方法，其中该关联步骤包括将一个或多个电子信号产生传感器安装在轮胎胎壁内部、轮胎胎壁外部、及轮胎胎顶内部的一处或多处。

3.如权利要求1所述的方法，其中该关联步骤包括在轮胎中嵌入一个或多个电子信号产生传感器。

4.如权利要求2所述的方法，其中该关联步骤进一步包括在轮胎中嵌入一个或多个电子信号产生传感器的步骤。

5.如权利要求1所述的方法，该方法进一步包括以下步骤：

在路面上转动该轮胎，由此设立了关于轮胎的多个区域，至少对应于非接触区、进入区、接触区和离开区，

其中该监控步骤包括监控在轮胎通过所选区域时所产生的电子信号。

6.如权利要求5所述的方法，其中该分析步骤包括分析在轮胎通过该接触区时产生的电子信号，来确定轮胎正在通过的路面的特征。

7.如权利要求1所述的方法，其中该分析步骤对应于确定涉及松软砂砾、冰、雪、水、深坑、突出物、及道路危险中一种或多种的信息。

8.一种用于根据一个或多个和轮胎相关联的传感器产生的信号来确定所选路面的相关信息的方法，该方法包括以下步骤：

空间地设立对应轮胎上不同部分的多个不同区域；

监控与所选的多个空间上不同区域相关联的信号；以及

分析该信号来评估行驶路面的至少一个特征。

9.如权利要求8所述的方法，其中该分析步骤包括评估信号的频率内容。

10.如权利要求8所述的方法，其中该分析方法包括评估所选的多个不同区域的范围。

11.一种用于确定所选行驶路面的相关信息的方法，该方法包括以下步骤：

提供一个或多个轮胎；

将一个或多个电子信号产生传感器与一个或多个轮胎相关联；

空间地设立对应于一个或多个轮胎上不同部分的多个不同区域；

监控与所选的多个空间上不同区域相关联的信号；以及

分析该信号来评估行驶路面的至少一个特征。

12.如权利要求11所述的方法，其中该关联步骤包括将成对的传感器与单一轮胎相关联。

13.如权利要求11所述的方法，其中该关联步骤包括将成对的传感器与成对的轮胎相关联。

14.如权利要求12所述的方法，其中该分析步骤包括分析由所选多个电子信号产生传感器产生的信号之间的差异。

15.如权利要求13所述的方法，其中该分析步骤包括分析由所选多个电子信号产生传感器产生的信号之间的差异。

16.如权利要求12所述的方法，其中该分析步骤对应于确定涉及松软砂砾、冰、雪、水、深坑、突出物、及道路危险中一种或多种的信息。

17.如权利要求13所述的方法，其中该分析步骤对应于确定涉及松软砂砾、冰、雪、水、深坑、突出物、及道路危险中一种或多种的信息。

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