CN101939177A - 用于确定轮胎支承面变化的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于基于可以与轮胎旋转对应的、由传感器输出的信号确定轮胎的支承面的变化的方法，该信号相应于加速度，其中，通过下面的步骤进行确定：接收至少一个可以与轮胎旋转对应的加速度信号g1；读出储存的、可以与轮胎旋转对应的基准加速度信号g0；由加速度信号g1和基准加速度信号g0构成差值；并且基于加速度信号的所构成的差值确定轮胎支承面的变化。

Description

用于确定轮胎支承面变化的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于确定轮胎支承面变化的方法。此外，本发明涉及一种用于实施用来确定轮胎支承面变化的方法的装置。
背景技术
随着参与到道路交通中的车辆的增加，对车辆中的主动和被动安全系统的要求也在提高。因此，近年来不仅在车辆中使用的安全系统(例如防抱死系统、防滑调节装置、电子稳定程序、安全气囊等)的数量而且它们的复杂性也一直继续增加。除了安全系统外附加地越来越多的舒适系统(例如自动水平调节装置、可调整的汽车底盘等)也按照司机的期望集成在车辆中。这些安全系统和舒适系统依赖大量的不同传感器的不同数据。所谓的轮胎压力控制系统也属于上面提及的安全系统和舒适系统，这些轮胎压力控制系统被越来越广泛地推广。在轮胎压力控制系统中轮胎压力被监控，由此对于轮胎中突然的以及缓慢的压力损失可以向司机发出警报。对于轮胎压力控制系统，车辆的载荷状态也附加地起到不容忽视的作用，因为根据载荷状态，与载荷有关的、对于单个车轮或者所有车轮的轮胎压力推荐可以被输出给司机。
由现有技术已知一些方法和装置，借助这些方法和装置能够基于加速度信号、轮胎压力和温度实施载荷测量。
例如由WO2005/005950A1已知一种方法，借助该方法能够基于加速度信号的、轮胎压力的和温度的幅值变化曲线确定载荷变化。
然而这些已知的方法具有缺点：它们为了确定载荷变化除加速度信号外附加地还需要关于轮胎压力和温度的信息。
发明内容
根据本发明的具有独立权利要求1特征的方法有利地具有基于一可以与轮胎旋转对应的、相应于加速度的信号(加速度信号)和一相应于基准加速度的信号(基准加速度信号)的、用于确定轮胎支承面变化的稳定方法，其中，不需要关于轮胎压力和温度的信息。对传感器作用的加速度可以包含一径向分量。
本发明有利的构型和扩展能够通过在从属权利要求中说明的措施实现。
在一优选实施例中基于可以与轮胎旋转对应的、由一传感器输出的加速度信号确定轮胎支承面的变化，具有如下步骤：接收至少一个可以与轮胎旋转对应的加速度信号g1；读出储存的、可以与轮胎旋转对应的基准加速度信号g0；由加速度信号g1和基准加速度信号g0构成差值；和/或基于所构成的加速度信号差值确定轮胎支承面的变化。
根据本发明，轮胎的支承面表示轮胎表面的与地面相接的面区段。
根据本发明，输出加速度信号的传感器是压电加速度传感器或微电子机械系统。对于压电式加速度传感器，压力波动通过压电传感器小板转化成电信号，这些电信号能够被相应地再处理。对于微电子机械系统，传感器由弹簧-质量系统组成，在该弹簧-质量系统中“弹簧”由硅连接条组成并且质量由硅组成。通过在加速时的偏移，可测量弹簧和质量之间的与加速度成比例的电容变化。
由传感器输出的加速度信号可以具有连续的或者离散的变化曲线。由传感器输出的加速度信号又可以被连续地或者时间离散地、也就是说以确定的时间间隔接收。
所接收的加速度信号能够借助滤波器被变换成脉冲宽度调制信号(PWM信号)。该PWM信号可以具有占空比。该占空比可相当于轮胎支承面与轮胎周长的比例。通过占空比的变化可以检测轮胎支承面的变化。轮胎支承面的变化可以基于车辆充气变化和/或花纹深度变化而发生。
同样可借助滤波器从接收的加速度信号中提取出一个或者多个频率分量(Frequenzanteil)并且该提取出的频率分量如下面所述地被传送给变换单元。这具有优点：保持接收来自接收信号中的全部信息内容。
在一有利构型中，借助该变换单元计算加速度信号的谱。该谱的计算可借助傅立叶变换、快速傅立叶变换或者其它合适的计算方法进行。如此计算的谱可随后关于加速度和/或频率被归一化。傅立叶变换或者快速傅立叶变换具有优点：来自接收信号的信息内容没有丢失。
该方法的一优点是：轮胎支承面的变化导致谱的成比例的变化，谱的变化可被相应地分析处理。
根据本发明，加速度信号的经过轮胎多次转动的计算的谱被接收和中间储存。由加速度信号的多个谱可以构成平均值或者平均的谱。该平均值可以是算术平均值、中位值或者滑动平均值。相继接收的加速度信号的数量可以是2至20，优选4至15，进一步优选6至10，进一步优选8。
在一优选实施例中，可储存至少一个关于通过轮胎转动输出的加速度信号的基准加速度信号。该至少一个基准加速度信号可相应于空载的或者满载的、过载的轮胎的输出加速度信号。基准加速度信号也可与所使用的轮胎类型有关联。
该基准信号可以与检测的加速度信号比较。从信号的比较中可以导出轮胎的负荷状态。通过信号的比较也可以探测负荷的变化(增大/减少)和/或花纹深度的减小。
本发明的另一方面涉及一种用于确定轮胎支承面变化的装置，该装置这样地设置，以便基于可以与轮胎旋转对应的、由一传感器输出的加速度信号通过如下步骤确定轮胎支承面的变化：接收至少一个可以与轮胎旋转对应的加速度信号g1；读出储存的、可以与轮胎旋转对应的基准加速度信号g0；由加速度信号g1和基准加速度信号g0构成差值；和/或基于加速度信号的所构成的差值确定轮胎支承面的变化。
本发明另一方面还涉及计算机程序，该计算机程序执行根据本发明方法的步骤，如果该程序在计算机上运行。
附图说明
下面根据附图举例地详细解释本发明。附图示出：
图1具有加速度传感器的车轮的示意图；
图2接收的加速度信号的示意图；
图3加速度信号的谱的示意图；
图4加速度信号的归一化的谱的示意图。
图5根据本发明方法的流程图；以及
图6线路布置的框图。
具体实施方式
图1示意地示出(没有示出的)车辆的车轮11，该车轮在地面13上滚动。在车轮11上设置一加速度传感器12。该车轮可以由轮辋和轮胎组成。该传感器安装在轮胎上或者轮胎内。该传感器可以是一传感器模块，该传感器模块除了加速度传感器12外还具有压力传感器和/或温度传感器。重力加速度g作用于车轮11和加速度传感器12上。在车轮11转动时，向心力12a在径向上作用于处于轮胎支承面之外的加速度传感器12上。该向心力12a与车轮11的转动速度成比例。在轮胎的支承面区域中，传感器12的旋转运动转变成沿着地面13的直线运动，由此仅重力加速度g还对传感器12作用。
在图2中示意地示出由传感器12输出的加速度信号的变化曲线。该信号的振幅与车轮11的旋转速度成二次幂比例。在图2中示出的图表的横坐标上以秒描述时间。在图2中示出的图表的纵坐标上以重力加速度g的多倍描述加速度。以附图标记21表示在第一速度v1时的加速度信号的变化曲线。以附图标记22表示在第二速度v2时的加速度信号的变化曲线，其中，速度v2大于速度v1。正如已提及的一样，传感器12在轮胎支承面区域中的旋转运动过渡成沿着地面13的直线运动。该直线运动一直持续到传感器12再次离开轮胎支承面区域。在直线运动的过程中，仅大约为1g的重力加速度对传感器12作用。以附图标记25表示持续时间，在该持续时间期间传感器处于直线运动。从一个直线运动开始至另一直线运动开始的时间间隔，即信号的周期时间，以附图标记24表示。如由图2所看到的一样，变化曲线21或者变化曲线22基本上相当于一PWM信号。该PWM信号具有占空比。该占空比对于信号变化曲线21说明直线运动25部分和周期时间24之间的比例。该等式也适用信号变化曲线22。占空比的绝对变化位于1％至3％之间，优选为2％。由此，对于一个车辆，占空比与轮胎压力、温度和轮胎类型有关地位于大约6％(满载车辆)和大约3％(空车)之间。对于另一车辆，该占空比又可与轮胎压力、温度和轮胎类型有关地位于大约8％(满载车辆)和大约6％(空车)之间。
在优选实施例中，根据本发明的方法在10km/h和100km/h之间的速度区域中实施。如果速度低于预给定的阈值，那么加速度传感器的信噪比变差，也就是说测量信号上的噪声部分太高。另一方面，如果车辆的速度高于另一预给定的阈值，则传感器12变得饱和并且轮胎支承面的区域不再能被探测。
图3示意性示出加速度信号的不同谱。谱31和32涉及大约30km/h的第一速度v1，其中，谱31表示具有5％占空比的加速度信号并且该谱32表示具有7％占空比的加速度信号。相反，谱33和34涉及大约60km/h的第二速度v2，其中，谱33表示具有5％占空比的加速度信号并且谱34表示具有7％占空比的加速度信号。如在图3中看到，轮胎支承长度的增大导致PWM信号的占空比的增大。该占空比的增大又导致基频的加速度分量(Beschleunigungsanteil)的显著升高并且导致该频率的较高倍的强烈下降。相反，支承面的减小导致PWM信号占空比的减小并且因此导致基频加速度信号的下降。
基于在占空比变化时谱的变化，可以关于载荷变化和/或花纹深度变化进行估算。例如可以是，对由传感器12输出的、经历车轮一转或多转的加速度信号进行傅立叶变换或者快速傅立叶变换并且关注低频率范围内的频率离散的加速度分量的变化速率。如果探测到这些加速度分量之间的变化，则发生了载荷变化。如果例如加速度分量的下降朝向较高频率方向变陡，那么发生了充气。相反地有，如果加速度分量的下降朝向较高频率方向较平缓，那么发生了充气减少。在此，变化率的量值能够被考虑用于定性地以及定量地确定载荷变化。
图4示出加速度信号的归一化的谱的示意图。在图3中示出的谱与车轮11的转动速度相关。为了补偿该相关性，在另一构型中将计算出的傅立叶谱标定或者说归一化。例如车轮11的转速或者间接地转速的倒数、即回转周期是与速度成比例的量值。因为在向心加速度和与速度有关的车轮转速之间存在上面所述的二次幂和线性关系，用于加速度信号幅值和加速度信号频率的相应标定因数是有利的。
在图3中示出的谱31、32、33和34中，加速度(横坐标)与回转周期的二次幂相乘并且频率(纵坐标)与轮胎的回转周期相乘。因此，即使在不同的速度下信号的频率变化曲线也上下叠置。谱41相应于具有5％占空比的、标定的谱31或者33，并且谱42相应于具有7％占空比的、标定的谱32或者34。由图4可知，仅占空比的变化，而不是速度的变化，导致曲线走向变化。
轮胎的回转周期能够由径向加速度的时间信号求得。回转周期基本上相当于周期时间24。通过略微高于重力加速度1g的简单的加速度阈值例如能够探测到进入到轮胎支承面的区域中，并且该进入被用于触发时间测量，该重力加速度如上面所述的那样位于支承面的区域中。两个进入点之间的时间相应于轮胎回转时间。
分析处理的另一可能性是频率离散的幅值对比。这或者可以在已标定的频谱中进行，或者可以通过一个或者多个带通滤波器从加速度信号中提取出一个或者多个的单个频率分量。这导致不同的正弦信号，这些正弦信号的幅值在占空比变化时变化。在从幅值变化进行占空比的反推之前，也能够如上面所述随着回转时间借助相应的方法来标定幅值。
一方面加速度信号的基频、车轮转速或回转周期的倒数适合于作为可能的滤波器频率。在此，带通滤波器的滤波器频率必须如此的窄，使得基频的多倍不能通过滤波器。这是必要的，因为基频的多倍的相位强烈地移动。该基频与速度相关并且可以在滤波之前由轮胎信号确定。这里同样可以使用上面所述的用于确定轮胎回转周期的方法。可以如上面所述根据回转时间进行与速度相关的加速度幅值的标定。
对于用于通过频率分析确定轮胎支承长度的所述方法，仅对轮胎支承面区域中的信号变化曲线和这些信号变化曲线的时间顺序(回转时间)感兴趣。在轮胎支承面区域之外，仅向心加速度是重要的。因此，加速度信号的记录(采样)仅在轮胎支承面的区域中是必要的。传感器在轮胎回转时间的10％以下处于该区域中。基于此，相应的电路部分在轮胎支承面之外可以被关断。
由提出的确定回转时间的方法可以导出向心加速度或者与该向心加速度成比例的值。如果使用回转时间用于确定向心加速度，那么不再需要轮胎半径的准确信息。
除了载荷或者轮胎花纹深度外，轮胎压力和轮胎温度对支承面也有影响。该相关性能够存储在车辆中的传感器模块或者中央分析处理单元中。也有利的是，已知并存储和与压力和温度有关的车轮负荷和花纹深度相关的最小的和最大的允许支承长度。
在图5中示出根据本发明方法的流程图。在步骤51中开始该方法。该方法能够在每次行驶开始时开始和/或在行驶过程中周期性地进行。在该方法开始之后在步骤52中读入初始值。这些值可以是标准值(空载或者满载)或者是先前测量的值，这些值存放在存储器中。如果涉及先前测量的值，那么除了能够定量地确定载荷值外也能够定性地检测载荷变化(较轻-载荷减少，较重-载荷增大)。在步骤53中，由加速度传感器12输出的信号被接收。在步骤54中，该接收的信号被转化成谱。该转化的信号随后在步骤55中与在步骤52中读出的初始值比较。这可以是频率比较或者幅值比较。基于比较的结果，在步骤56中得知载荷变化/充气变化。紧接着步骤56，在步骤57中结束该方法。
图6示意性示出所提出的用于确定轮胎支承面变化的装置60的替换的、基于软件的实施例的框图。该提出的装置包括处理单元PU61，该处理单元可以是具有控制单元的任意处理器或者计算机，其中，该控制单元基于储存在存储器MEM62中的程序的软件程序进行控制。程序指令从存储器62取出并且载入到处理单元61的控制单元中，以便实施上面参考图2a-c所描述的功能的处理步骤。这些处理步骤能够基于输入数据DI实施并且生成输出数据DO，其中，输入数据能够相应于至少一个可以与轮胎旋转对应的加速度信号，并且该输出数据DO能够相应于与轮胎支承面变化相应的信号。
描述了用于基于可以与轮胎旋转对应的、由传感器输出的加速度信号确定轮胎支承面的变化的方法和装置，其中，至少通过下面的步骤进行所述确定：接收至少一个可以与轮胎旋转对应的加速度信号g1；读出储存的、可以与轮胎旋转对应的基准加速度信号g0；由加速度信号g1和基准加速度信号g0构成差值；和/或基于加速度信号的所构成的差值确定轮胎支承面的变化。
指出，提出的解决方案能够相应于上面所述的实施形式作为相应的功能块中的软件模块和/或硬件模块实施。此外指出，本发明不局限于上面所述的实施形式，而也可在其它传感器模块上应用。
由上述可知，示出和描述了优选的和举例的实施形式，但可以不偏离本发明的基本构思地进行不同的变化。相应地，本发明不应当由于对优选的和举例的实施方式的详细描述而局限于这些实施方式。

Claims (12)

1.用于基于可以与轮胎(11)旋转对应的、由传感器(12)输出的信号来确定轮胎(11)的支承面的变化的方法，该信号相应于加速度，其中，通过下面的步骤进行确定：
-接收至少一个可以与轮胎旋转对应的信号，该信号相应于加速度(g1)；
-读出储存的、可以与轮胎旋转对应的信号，该信号相应于基准加速度(g0)；
-由相应于加速度(g1)的信号和相应于基准加速度(g0)的信号构成差值；并且
-基于所构成的差值确定轮胎支承面的变化。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述相应于加速度(g1)的信号借助滤波器被转换成脉冲宽度调制信号。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，借助滤波器从所述相应于加速度(g1)的信号中提取至少一个频率分量。
4.根据权利要求1、2或3的方法，其特征在于，将所述相应于加速度的信号借助变换转换成谱。
5.根据上述权利要求至少一个的方法，其特征在于，所述谱关于加速度和频率被归一化。
6.根据上述权利要求至少一个的方法，其特征在于，接收多个可以与轮胎(11)旋转对应的、相应于加速度(g1)的信号，并且由所述多个信号构成一平均值。
7.根据上述权利要求至少一个的方法，其特征在于，基于轮胎(11)的支承面的变化而进行所述相应于加速度的信号的谱的变化。
8.根据上述权利要求至少一个的方法，其特征在于，所述相应于加速度的信号的变化曲线相应于轮胎(11)支承面与轮胎(11)周长的比例。
9.根据上述权利要求至少一个的方法，其特征在于，所述相应于加速度信号(g1)的信号被作为所述相应于基准加速度(g0)的信号来存储。
10.用于确定轮胎(11)的支承面变化的装置，该装置这样地设置，以便按照根据权利要求1至9之一的方法基于可以与轮胎(11)旋转对应的、由一传感器(12)输出的信号确定轮胎(11)的支承面的变化，该信号相应于加速度。
11.计算机程序，该计算机程序执行根据权利要求1-9之一的方法的所有步骤，如果该程序在计算机中运行。
12.具有程序代码的计算机程序产品，该计算机程序产品储存在机器可读的载体上，用于实施根据权利要求1-9之一的方法，如果该程序在计算机或者控制器上执行。
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