CN101432155B - 用于车辆数据特别是轮式行走车辆的速度的测量装置 - Google Patents

Abstract

一种用于测量轮式行走车辆的速度的测量装置，具有一第一传感器(10)和一第二传感器(20)，两个传感器设置在同一个车辆车轮(5)上并且随该车轮旋转。两个传感器设置成，使它们测量分别垂直于车轮(5)的轴并彼此成一角度以及作用在同一点上的力。设置一评估装置(30)，向其供给两个传感器(10、20)的测量值，所述评估装置由此确定车辆沿行驶方向的加速度并由此得出当前的车速。

Description

用于车辆数据特别是轮式行走车辆的速度的测量装置

本发明涉及一种用于车辆数据特别是轮式行走车辆的速度的测量装置。

在很多情况下需要知道车辆的速度。车辆驾驶员需要速度数据，以便在某些驾驶控制过程中获得关于其车辆的预测反应的基准点；当然也要注意，他必须要遵守规定的速度限制。为了估计在超车过程中可能的危险，对自己车辆当前速度的尽可能准确的认识也是值得追求的。由速度的认识，也可推断出其他车辆或其他可移动物体的速度。

通常，车辆例如汽车在公路上的速度由一车轴的转速确定。已知所谓的转速计装置，其通过机械的以及在更近期通过电子的转换，从车前轴或从与其连接的元件的转数一方面算出走过的路程、特别是公里数，另一方面算出车速并且告知车辆驾驶员。这种测量在极限内是精确的并且其显示精度也规定用以提高交通安全性。

用于测量车速的传统的方法通常是从车轴的旋转运动出发。因此，它们相对于车辆底盘或车辆的另一不旋转的元件测量车轴的转速。在汽车中这种测量虽然比较精确，但仍保留着不准确性，因为，车轴的转速的测量和紧接着为在汽车中显示的评估计算必定是从车轮直径的固定值出发，并且自然必定忽略了在车轴与车轮之间以及在车轮与车行道表面之间的滑差。

对于自行车，在DE100 37 377A1中建议，在车本身的前轮上夹紧电磁式或静电式或类似的传感器，借此可以尽可能容易地拆卸和安装一个相应的自行车转速计。也需要将一计算装置与传感器一起安装到自行车的辐条上。针对测量的型式则未给出更详细的信息。

由DE10 2005 014 500A1得知一种传感器系统，借其拟检测车轮上的振动，以便探测车轮运动的异常。

通常采用的测量装置具有这样的缺点，即它们很难安装，因为人们必须达到车辆的隐蔽部分。最近，在车辆中也采用了所谓Bus系统(总线系统)，以便在车辆中传输信息，例如车速。在其上，通常为了安全性之原因而不允许连接测量装置。此外，对于不同的车辆型式通常需要进行匹配。而且对于每一车辆必须要将测量装置参数化和校准，因为该方法并不提供绝对的测量值，而只是以与速度成比例的值、例如每分钟的车轮转数工作。

原则上也已知的是，由加速度的积分得到速度，这种方法很好地适用于从一已知的速度v₀出发按以下公式得出速度v(t)：

v(t)＝v₀+∫a(t)dt

但同时必须不断地调整速度v₀，因为持续进行的积分导致测量值偏移并因此在短时以后就已不再提供精确的值。

在涉及针对交通监控的测量时，例如提出了对车辆速度测量精度的更高要求。这样，由一行驶的车辆出发，通过跟在后面行驶也可以确定前行的车辆的速度，在这种情况下当然需要对自身速度的特别精确的认识，以便即使是相对测量仍然能保持效度和信度。

这一点因此也是成问题的，因为，在传统上在随后行驶的车辆的转速计上显示的速度还仍必须以某一种适当的形式提取或确定，以便将其与前行的车辆的监视数据相关联。这样的提取在技术上非常困难，因为在随后的车辆的安全性技术的范围内实现干预肯定是不允许的。

由US6 466 887B1已知一种两个重量测量的旋转传感器的组合，其记录邻接于车轮的转轴的加速度并由此确定车速。

EP0 517 082A2介绍了一种方法和装置，用于通过对车轮转数的监控防虚假地检测车轮的车轮转数。同时确定加速度数值，其相当于重力加速度和/或离心加速度。

针对车速测量的更精确的可能性的企求仍然存在。此外，也还有测量其他的车辆数据的企求，并且例如在行驶过程中自动地确定关于车轮的直径的数据。

因此本发明的目的是，建议一种测量装置和方法，用以测量车辆数据，其特别是能够尽可能精确地测量轮式行走车辆的速度和在行驶过程中确定车轮的直径。

上述目的通过这样一种用于测量车辆数据特别是轮式行走车辆的速度的测量装置达到，其包括一第一传感器用以测量作用到第一传感器上的加速度、一第二传感器用以测量作用到第二传感器上的加速度，其中两个传感器设置在同一个车轮上并且随该车轮旋转，并且两个传感器设置成，使它们测量分别垂直于轮轴作用并且彼此成一角度的加速度，还包括一评估装置，向其供给两个传感器的测量值，其中，评估装置构造和连接为，使其由两个传感器的测量值确定车轮沿车辆行驶方向的加速度并由此确定当前的车速，以及，评估装置构造和连接为，使其由相同的测量值也确定车轮在旋转频率改变期间的角加速度并且通过该评估与车轮沿行驶方向的加速度的比较来绝对地确定车轮的直径。

对此优选的是，将评估装置构造和连接为，使其由这样求得的车轮的绝对直径和两个传感器的测量值确定绝对车速。

按照本发明，这样提供一种精确的绝对的速度测量装置，其不必参数化并且可以按简单的方式附加配备于车辆中。

上述目的也通过一种用于测量轮式行走车辆的速度的方法得以实现，其中，在车辆运动和车轮旋转的过程中测量在一个随车轮旋转的点上并垂直于轮轴作用的第一加速度，并且在车辆运动和车轮旋转的过程中测量在一个随车轮旋转的点上并垂直于轮轴作用的第二加速度，该第二加速度相对第一加速度成一角度地作用，其中将两个测量的加速度的测量值供给一评估装置，将各测量值相互结合并由此确定车辆的车轮轴沿行驶方向的加速度，同时由该求得的加速度确定当前的车速，以及，由相同的测量值也确定车轮在旋转频率改变期间的角加速度并且通过该评估与车轮轴沿行驶方向的加速度的比较来绝对地确定车轮的直径。

优选地，在该方法中，由这样求得的车轮直径和两个传感器的测量值确定绝对车速。

本发明利用了在这方面来说至今几乎未被用到的效果：除沿行驶方向的加速度外(其由振动信号的振幅确定)，还同样经由振动信号的频率来确定角速度。在此优选的是，对按照本发明得到的测量信号的两个典型的特征进行评估。

本发明现在将测量从车轴转到车轮本身上。在此利用了两个传感器，它们测量在车轮旋转过程中作用到其上的加速度。这除车辆加速度外首先是向下作用的重力加速度。因此在车轮的滚动运动过程中两个传感器将确定一正弦曲线，它们本身旋转，故而重力由其看来成正弦形变化。车辆加速度叠加这两个正弦形的振动。但其并不显著地改变各信号的正弦形变化，它们由于两个传感器的设置而移动一相位。

亦即产生了两个正弦振动，其作为连续的信号提供两个接着的测量值：

a_x(t)＝gcos(ωt)-asin(ωt)

a_y(t)＝gsin(ωt)+acos(ωt)

如果现在将该两公式或信号平方并相加，这样形成的等式便消除了全部依赖于振动的分量，得出以下公式：

a_x ²+a_y ²＝g²+a²

由于重力加速度g的数值是已知的，因此可以由两个传感器的测量值或信号在任何任意时刻确定车轮沿行驶方向的加速度。

经由重力加速度校准了加速度传感器的测量值。亦即如果车辆加速度a＝0则可以经由两个传感器的振动的振幅确定g的测量值并由此进行校准。速度v₀＝常数的事实通过不改变振动的周期长度T得以确定。

振动的周期长度T对其角速度ω的关系是T＝1/ω。由此自动地产生车轮的平均前进运动速度v＝2πRω，其中R是车轮的半径。

现在也为了可以确定R，在优选的实施形式采用以下方法，这涉及

V＝2πRω

如果按时间离散地导出该公式，亦即在一个时间间隔T中考虑在一个车轮整转过程中的变化，则得到：

ΔV＝at＝2πRΔω

经变换得出

$R=\frac{\stackrel{\‾}{a}T}{2\mathrm{\π\Δ\ω}}$

Δω对于一整转可以直接由周期长度T的延长或同样缩短Δt算出，因为这涉及：

$\mathrm{\Δ\ω}=\frac{1}{\mathrm{\Δt}}$

由此得出半径为：

$R=\frac{\stackrel{\‾}{a}\mathrm{T\Δt}}{2\mathrm{\π}}$

因此可以由周期的长度、周期长度在一个周期过程中的变化和加速度在一个周期过程中的平均值来确定半径。全部这些参数已知是绝对的，借此可以绝对地确定半径，从而自然也就可以确定车速。如果采用两个传感器进行测量，则可利用每一车轮整转四个零相交，因此也可以用在一四分之一车轮整转的过程中的变化来工作。该方法和公式并不因此改变。只利用在四分之一车轮整转时所得出的数值，由此提高了测量的在时间上的分辨率。

因此，为了确定半径，使振动频率的变化与加速度沿行驶方向的平均值相关联并由此确定车轮直径。如果假定车轮直径不可能突然改变，则为了提高精度和为了检验测量的信度，要多次确定半径。

如果已这样求得半径，则可以经由公式

$v=\frac{2\mathrm{\πR}}{T}$

确定每一整转四次的速度作为平均值。其中该速度也可以从这样求得的值出发借助于加速度通过积分算出。只通过积分的速度的计算由于积分的偏移特性导致测量在短时间以后不再是有效的。对此，为确定速度的频率的评估提供支持点V₀，其按以下公式在任何任意的时刻的基础上可以提供速度。

v(t)＝v₀+∫a(t)dt

特别的优点是，可以完全独立地和附加于传统的速度测量地在车辆中实现该测量。因此也有可能采用这些数据，而没有根本上介入车辆的安全性范围。车辆的加速度a的测量或者说该数值由两个传感器的测量值和信号的确定可以仍在车轮上在一相应的评估装置的两个传感器中实现，或者还可以在例如车辆内室区域内的一评估装置中实现，同时也可将其他的测量值供给评估装置。

优选地还设置过滤器，其过滤两个传感器的测量值并由此消除不符合要求的干扰信号。这些干扰信号可能例如由于车轮振动而产生。

为了进一步处理之目的，将测量值数字化并且供给一微型控制器。对信号的过滤可以在处理的模拟侧或者数字化侧进行。

通过本发明，还提供了在传统上仍不能考虑的其他的可能性。例如，评估装置或微型控制器也可以以所描述的方式不断地确定轮胎直径并且与一理论值相比较，并由此较为简单地确定偏差，该偏差例如可能归因于不足够的轮胎压力或者也可以推断出轮胎达到了一定状态的磨损。按这种方式可以很简单地由测量值附加地向车辆驾驶员发送警告。

此外，该系统有利地是自校准的。也就是说，重力加速度g值除作为一不变的时间基础外还用作系统的标准量度。如果加速度a＝0时则进行校准，因为在这种情况下只有重力加速度g作用到两个传感器上。接着便可应用求得的绝对的速度信号来相应地进行校准，。

优选通过一组合的供电电源来操作两个传感器。

传感器也可以用作为滑差传感器，方式是，基于前文已描述的方式求得的R的当前值，来比较角加速度和车轮加速度a的比值。如果对于已知的R在这里具有偏差，则其归因于滑差，从而，在先前的校准中也可以绝对地确定滑差。由此，绝对车速的确定在该基础上也是可能的。

该测量装置也可以用于一GPS系统的扩展，用以确定车辆的位置。如果例如GPS接收是受限制的，尽管如此，仍然可以由绝对车速的确定来实现位置确定。

传感器也可以用作为行程传感器，其中，通过已知的车轮周长和由一定的时刻起测定的整转数目来确定走过的路程。

由于该测量装置也测量加速度a，其也记录着每一次很强的制动。这可以例如在优选的实施形式中与一视频系统相组合，作为用于视频记录的触发器。这样，按选择或附加地，也可以在事故之后在事故数据存储器中提供事故侦测的可能性。为此附加设置一存储器，在其中保持测量值。人们总是可以存储最后的当前值，以便在事故之后将其提取。

供电电源可以例如包括一电池组。但也可设想一蓄电池，其经由一机构通过车轮运动进行充电。蓄电池也可以通过太阳能电池保持于充电的状态。但也可设想借助于感应从外部供电。

还有可能实现测量装置传感器的节电方式。也就是，只在速度处于一定的极限值之上时才实施连续的测量。

此外，传感器还可以经由信度检验自动地确定：它是否是正确亦即优选安装在车轮中心。传感器也可以将这些情况记录下来，以保持例如所实施的测量是可事后检验的。

测量装置的两个传感器在车轮上的居中设置提供了一种特别简单的信号评估，如也已由上面那些公式得知的那样。但原则上也可设想，将传感器固定在车轮中心之外一定距离处，如果出于结构或其他方面的考虑具有优点的话。不过在这种情况下绝对速度和上述数值的计算变得复杂。在这样的计算中，必须要附加考虑由离心力引起的加速度。

也可设想一种具有多于两个加速度传感器的测量装置。这样可提高角加速度和各个数据的分辨率，因此可改进整个测量装置的精度。当然，评估计算因此也变得复杂。

传感器的信号的测量值可以按不同的方式从车轮向车辆或者例如也向一固定不动的接收器转送，例如借助于无线电、光感应或必要时也导线连接地例如经由滑动接触进行转送。

数据可以通过一种协议来转送，在这种情况可以对两个传感器进行验证，从而它们在测量系统是不能被事后替换的。该协议也可以双向地展开，以从外部控制两个传感器。多个传感器也可以在同一无线电网络中并行操作并且被编上单值对应的地址。

以下借助附图更详细地描述本发明的一个实施例。其中：

图1车辆车轮连同本发明装置的一部分的示意图；

图2在恒定的车速v时利用本发明装置记录的信号曲线；

图3在车速改变时产生的另一信号曲线；

图4按照本发明的装置的示意图；

图5评估和自校准过程的示意图；

以一种实例来描述本发明的测量装置，其中，车辆的一车轮5(车辆的其余未示出)在一车行道7上行走。

车轮5具有一半径R。其绕垂直于图平面的轴以角速度ω在所示的实例中向右旋转。因此车轮5的轴、从而未示出的车辆以速度v同样向右运动。

车辆连同车轮5通过重力保持在车行道7上，示出了重力加速度g，其垂直于车行道7向下作用。

在车轮5的中心设有两个传感器10和20。两个传感器10和20中的每一个都是加速度传感器并且测量在其上沿确定的方向作用的加速度。由于两个传感器10和20随车轮5旋转，它们在车轮5以一确定的速度v进行转动时感受作为正弦振动的重力加速度。

图2中示出了这样的信号曲线。其中，向上绘出两个传感器的测量值，而向右则绘出时间t。

可看出两个相同的、但在所示实例中位错90°或π/2的振动，它们在+g与-g之间变化。

其中，周期长度T对角速度ω的关系是T＝1/ω。车轮的速度因此是v＝2πRω。也可以以类似的方式算出沿行驶方向的加速度a，但要取决于车轮5的半径R。

如上文所述，即使在角加速ω不变的情况下对两单个传感器也适用：

a_x(t)＝gcos(ωt)-asin(ωt)

a_y(t)＝gsin(ωt)+acos(ωt)

如果将两公式平方并相加，则由于二项式的公式消除了全部与振动有关的分量，并直接得出沿行驶方向的加速度，而不取决于车轮5的半径R或角速度ω：

a_x ²+a_y ²＝g²+a²

在速度改变的情况下原则上产生所示的传感器信号的曲线，如图3中所示，其中选用类似于图2的图示。

图4示出本发明的测量装置的一种实际的构造。其纯粹示意地示出和表明将传感器10和20的测量值分别转交给一过滤器11或21，从那里将它们作为经过滤的测量值导向各一个模拟-数字转换器12或22。

两转换器12和22的输出被供给一评估装置30中的微型控制器31。这还考虑到一时间基础(f＝常数)。还示意地设定：此后将各数据经由一无线电接口33发送给一天线34。这是一种实施形式，其也将评估装置30设置在车轮5上。

还设置有一供电电源35。

在图5中还示意地示出了可能的评估过程。其中也考虑了在可能存在校准时的过程。

所用的公式符号

a       车辆加速度

a       在一个离散的时间间隔上的车辆加速度平均值

a_x      第一传感器的加速度信号

a_y      第二传感器的加速度信号

g       重力加速度

v       车速

R       车轮半径

T       测量的正弦振动的周期长度

Δt      两个相互接着的周期长度的时差

ω       角速度

Δω     在一个离散的时间间隔内角速度的变化量

ΔV      在一个离散的时间间隔内车速的变化量

v(t)    在时刻t的变化的车速

v₀      瞬时的速度

t       时间

附图标记清单

5      车轮

7      车行道

10     传感器

11     过滤器

12     转换器

20     传感器

21     过滤器

22     转换器

30     评估装置

31     微型控制器

33     无线电接口

34     天线

35     供电电源

Claims (15)

1.用于测量车辆数据的测量装置，该测量装置能够测量轮式行走车辆的速度和在行驶过程中确定车轮的直径，包括：

a)一第一传感器(10)，用以测量作用到该第一传感器(10)上的加速度；

b)一第二传感器(20)，用以测量作用到该第二传感器(20)上的加速度；

c)其中，两个传感器设置在同一个车轮(5)上并且随该车轮旋转；以及

d)两个传感器设置成，使它们测量分别垂直于车轮(5)的轴作用并且彼此成一角度的加速度；

e)一评估装置(30)，向该评估装置供给两个传感器(10、20)的测量值；

f)其中，所述评估装置(30)构造和连接为，使其由两个传感器(10、20)的测量值确定车轮(5)沿车辆行驶方向的加速度并由此确定当前的车速；

g)其中，所述评估装置构造和连接为，使其由所述两个传感器的相同的测量值也确定车轮(5)在旋转频率改变期间的角加速度并且通过该角加速度与车轮(5)沿行驶方向的加速度的比较来确定车轮(5)的绝对直径。

2.按照权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述评估装置(30)构造和连接为，使得由这样求得的车轮(5)的绝对直径和两个传感器(10、20)的测量值确定绝对车速。

3.按照权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，两个传感器(10、20)分别测量作用在同一点上的加速度。

4.按照权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，两个传感器(10、20)分别测量彼此垂直作用的加速度。

5.按照权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，两个传感器(10、20)设置在车轮(5)的中心上。

6.用于测量车辆数据的方法，该方法能够测量轮式行走车辆的速度和在行驶过程中确定车辆的直径，其中：

a)在车辆运动和车轮旋转的过程中测量在一个随车轮旋转的点上并垂直于车轮的轴作用的第一加速度；

b)在车辆运动和车轮旋转的过程中测量在一个随车轮旋转的点上并垂直于车轮的轴作用的第二加速度，该第二加速度相对第一加速度成一角度地作用；

c)将两个测量的加速度的测量值供给一评估装置；

d)将各测量值相互结合并由此确定车辆的车轮轴沿行驶方向的加速度；

e)由该求得的加速度确定当前的车速；以及

f)由相同的测量值也确定车轮(5)在旋转频率改变期间的角加速度并且通过该角加速度与车轮(5)的轴沿行驶方向的加速度的比较来确定车轮(5)的绝对直径。

7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，由这样求得的车轮的绝对直径和两个传感器的测量值确定绝对车速。

8.按照权利要求6或7所述的方法，其特征在于，垂直于所述第一加速度的测量进行所述第二加速度的测量。

9.按照权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在车轮中心的一点上进行两个测量，即所述第一加速度的测量和所述第二加速度的测量。

10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，将测量值平方并相加，并且将结果与重力加速度的平方相比较。

11.按照权利要求6或7所述的方法，其特征在于，考虑干扰信号对测量值进行过滤。

12.按照权利要求6或7所述的方法，其特征在于，将测量值在另一步骤中与一个通过另一方法求得的车速值相比较并由此确定车轮(5)直径的当前值。

13.按照权利要求12所述的方法，其特征在于，将求得的车轮直径的当前值与车轮直径的理论值和/或早先求得的车轮直径值相比较并由此推断出磨损和/或轮胎压力。

14.按照权利要求6或7所述的方法，其特征在于，利用一个借助于另一方法求得的车轮(5)直径值对测量值进行补充并由此确定车轮(5)相对于车行道(7)的滑差。

15.按照权利要求6或7所述的方法，其特征在于，将借助于评估装置求得的值作为信息附加于由一视频装置所采集的视频记录。

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