CN103269885B - 确定安装在卡扣充气阀上的轮单元的枢转角的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及确定安装到卡扣充气阀（10）上的轮单元（12）的枢转角（α）的方法。所述方法包括如下三个阶段：通过以大于车轮的假定旋转速度ω的取样频率F_s对重力曲线进行频谱分析来观察曲线，所述曲线表示在感测轴线Y’上重力对车辆车轮的径向加速度A_mes的影响，所述感测轴线Y’与轮单元有关且与车轮的旋转轴线不平行；推算出车轮的实际旋转速度ω；以及根据如下公式确定枢转角α：，其中，ω是从观察曲线推算出的实际角速度，是校正径向加速度的平均值，以及R是车轮的标准化半径。

Description

确定安装在卡扣充气阀上的轮单元的枢转角的方法

技术领域

本发明涉及确定属于轮胎压力监测系统的轮单元的枢转角的方法。更具体地，该轮单元固定到安装于机动车辆上的卡扣充气阀中。

背景技术

存在在车辆移动期间监测车辆轮胎内的压力的已知方法。为此目的，尤其是包含压力测量传感器的轮单元放置在轮胎内，中央单元放置在车辆中。轮单元和中央单元通过无线手段使用射频收发器彼此互动。

存在将轮单元紧固到车辆轮圈的不同方法。一些轮单元通过螺纹连接紧固到金属充气阀上。其它通过压配合紧固到橡胶卡扣充气阀上。另外的在轮胎内紧固到轮圈或者紧固到轮胎本身的橡胶上。

本发明更具体地涉及卡扣充气阀。这些阀当插入轮圈中为此目的设置的开口中时通过其构成橡胶的强制变形而紧固到轮圈。这些充气阀（本身已知）适合于允许轮胎充气。在轮胎压力监测系统的情况下，这些阀还适合于支撑轮单元，轮单元尤其包括至少温度和压力传感器、加速计（和/或撞击传感器）、微处理器、存储器、蓄电池、RF（射频）发射装置和LF（低频）接收装置。

通常发现，固定到卡扣阀的这种轮单元是令人满意的。然而，当车辆以高速移动时，紧固到卡扣阀的端部上的这些轮单元的重量往往使得轮单元围绕轮圈中的开口的轴线枢转。几何约束使得该行为不可避免。这是因为阀起初不可能安装在稳定位置。这不会引起空气朝向轮胎外的任何泄漏，但是枢转使得容纳在轮单元中的加速计的测量轴线移动与轮胎的径向方向不对齐。轮单元最初定位使得容纳在其中的加速计（或撞击传感器）可以测量轮胎的径向加速度。因而，在轮单元枢转时由加速计（和/或撞击传感器）进行的测量不再是车轮的径向加速度的直接测量，而仅仅是该径向加速度在测量轴线上的投影的测量。在一些情况下（如果轮单元相对于其初始位置枢转经过90度），加速计甚至变得不能测量加速度，且不再能够检测车辆是否移动。

此外，当已经进行的加速度测量用于确定车轮的角速度时，该旋转速度的确定是错误的。这是因为知道轮单元呈现的枢转角是必要的，以便测量该速度。当前，没有测量该枢转角的手段。此外，该枢转角是可变的（尽管在某一行驶时段之后其趋于呈现稳定值，该值不立即达到）。因而，车辆一开始移动或者在发生突然加速时需要能够测量该枢转角。实际上，是这种突然加速易于引起轮单元枢转。问题仍在于不可能预测在轮单元将枢转时的准确动量或者其枢转程度。一切都取决于轮单元经受的加速度，还取决于卡扣阀本体在轮圈开口中的紧密度以及在放置在轮圈开口中时可以在阀本体上使用的润滑剂的质量和数量。

由于轮单元的枢转，如果后者需要在处于一个或多个特定角位置时发射射频消息，不再可能确保发射实际上在预定位置发生。这是因为知道车轮的旋转速度是必要的以便确定以固定角度发射的位置。然而，当轮单元围绕轮圈开口的轴线枢转时，该角速度不能用所需精度确定。轮单元用固定角度的该发射更具体地用于通过已知为同步定位（LocSync）的方法定位车辆上的轮单元。这种方法更具体地在专利DE19734323和DE19921413中描述。

为了克服该缺陷，在可能以高速移动的车辆中避免紧固到卡扣阀的轮单元的安装。因而，在这些车辆中使用金属阀，其制造贵很多。

克服该缺陷的另一方法是提供带有翅片或防止其本身在轮圈开口中枢转的装置的轮单元，通过锁定其以防旋转。然而，所有这些附加锁定装置是昂贵的且难以生产。此外，当轮胎拆卸时，很可能将破坏这些锁定装置，使之需要在每次轮胎更换时更换压力监测系统的轮单元。

本发明的目的是通过提出一种确定安装到卡扣充气阀上的轮单元的枢转角的方法而克服所有这些缺陷。

发明内容

根据本发明，该方法包括如下阶段：

阶段1：

通过以大于车轮的假定旋转速度ω的取样频率F_s对重力曲线进行频谱分析来观察曲线，所述曲线表示在感测轴线上重力对车辆车轮的径向加速度A_mes的影响，所述感测轴线与轮单元有关且与车轮的旋转轴线不平行；

阶段2：

推算出车轮的实际角速度ω，以及

阶段3：

根据如下公式确定枢转角α：

，

其中，ω是从观察曲线推算出的实际角速度，是测量径向加速度的平均值，以及R是车轮的标准化半径。

因而，重力曲线的频谱分析可以用于确定车轮的旋转速度且根据其通过相对简单的公式推算出枢转角。

有利地，频谱分析已知为曲线C（假定为正弦）的“动态”（on the fly）频谱分析，通过在加速度值的离散取样和所述曲线的形式表达式之间进行识别（换句话说，通过假定曲线相同），连续调节取样频率。实施该调节，使得取样曲线和形式曲线之间的识别保持可能（换句话说，通过以使得误差保持小且朝向车轮的实际旋转速度获得收敛的方式进行）。

实际上，本文使用的计算原理基于（样本类型的总和的）信号的离散积分和认为拟合信号的公式的连续积分的表达式之间的识别。在恒定旋转（以恒定车辆速度）期间，重力在加速计轴线上的投影假定为符合正弦。正弦的形式积分展现其脉动ω。然后，必须通过确定表面面积比率（例如）来隔离该脉动ω。

然而，该识别仅仅在取样频率相对于ω保持高时有效。这导致根据所获得的每个值ω连续地更新该取样频率的想法。

该适应性反馈提供算法的收敛，同时还限制识别所产生的近似误差。该频率调节还允许小微控制器，例如在轮胎压力传感器中使用的，来主管算法。如果频率过低，将不会实现收敛，而如果过高，动态性能将不再足够：时间或信号的过小增量将导致过大的离散化误差。

更具体地，该方法包括如下步骤：

1a）以预定取样频率来测量车轮的径向加速度A_mes，其中，是车轮的假定旋转速度，

1b）通过消除噪音和使得曲线在原点对中，滤波和确定第一正弦曲线，所述第一正弦曲线表示根据车轮旋转而变的步骤1a）中取样的径向加速度的变化，

1c）确定该第一正弦曲线的表面面积S₁和表示第一正弦曲线的积分的第二正弦曲线的表面面积S₂，

2a）通过根据公式来得到这两个表面面积的比率，确定车轮的旋转速度ω₁，

2b）验证以该方式确定的旋转速度ω₁确实与步骤1a）的取样频率F_s匹配，以及：

3a）如果情况如此，在根据如下关系式确定径向加速度的平均值之后，确定枢转角α：

，

其中，是径向加速度的平均值，ω₁是步骤2a中确定的车轮的实际旋转速度，以及R是车轮的标准化半径，或者

3b）如果情况不是如此，重复步骤1a）至2b）。

因而，本发明可以用于独立于轮单元的枢转角来确定车轮的旋转速度ω。该确定允许加速度测量随后以合适取样频率进行，因而允许通过应用公式来确定角度α。

还应当注意的是，在取样频率F_s时与加速计测量有关的噪音可以通过使用Batterworth带通滤波器对中和消除。

第一正弦曲线和第二正弦曲线的表面面积比率可以用于直接确定旋转速度ω，这两个曲线中的一个从另一个推算出。该表面面积比率实际上等于第一正弦曲线的积分与同一曲线的二重积分的比率。

因而，本发明可以用于确定（以相对简单的方式且尤其是不需要高功率计算机处理器）轮单元相对于其初始位置的枢转角。

有利地，本发明仅仅在车辆先前已经以足以引起200 g或更大的径向加速度的速度移动（这易于引起轮单元相对于轮圈开口轴线旋转）时使用。

确定枢转角α所需的径向加速度的平均值仅仅在车辆以50和130 km/h之间的稳定速度移动时确定。因而，枢转角仅仅在合适时间确定，而不是连续地确定，因而使得轮单元的蓄电池的使用经济化。要清楚的是，如果不需要能量经济化，枢转角的该确定可以定期地或连续地进行。

因而，确定轮单元的枢转角允许定位车辆的轮单元，同时允许轮单元以固定角度朝向与轮单元有关的中央单元发射消息。

还有利地，本发明允许任何车辆配备卡扣充气阀（其轮单元装配到卡扣充气阀上），而与车辆能够移动的速度无关。这允许减少轮胎压力监测系统的成本。

附图说明

本发明的其它目的、优势和特性还将通过以非限制性示例的方式提供的以下说明参考附图而变得更清楚，其中：

图1是示出了处于正确操作位置的安装在卡扣充气阀上的轮单元的示意图，

图2是示出了与已经围绕轮圈开口的轴线枢转的轮单元有关的卡扣阀的示意图，

图3是示出了根据本发明的方法的各个步骤的简图，和

图4是示出了根据时间而变的车轮径向加速度的变化的示意图。

具体实施方式

在图1和2所示的实施例中，已知为卡扣型的充气阀10与轮单元12相连。以本文未详细描述的已知方式，该充气阀设计成放置在车辆车轮（未示出）的轮圈（未示出）中，从而允许与该轮圈有关的轮胎（未示出）的充气和/或放气。

充气阀10由弹性材料（例如，橡胶）制成，且具有大致圆柱形本体13，包括两个端部，称为外端部14和内端部15。

内端部15（旨在位于轮胎内）具有头部19，轮单元12紧固在所述头部19上。以这种方式安装的轮单元固定到充气阀10以防旋转。

阀的外端部14（旨在从轮胎外可接近）支承帽17，用于密封从充气阀的本体的一端延伸到另一端的充气通道（具有已知类型，未示出）。

卡扣阀以已知方式放置在轮圈开口内，通过将阀本体压配合到轮圈开口中。形成充气阀的本体的橡胶适合于在经过轮圈开口（以已知方式）时拉伸且在轮圈开口的周边装配到设置在阀本体及其内端部15之间的凹槽18中时恢复其初始形状。当以这种方式定位时，充气阀允许轮胎充气和/或放气（在去除其帽17之后）。显然，单向阀系统（具有已知类型，未示出）防止空气朝向轮胎外的任何泄漏。

应当注意的是，为了利于阀10定位在轮圈开口中，阀本体通常（但不必须）在定位之前润滑。

轮单元12是大致平行六面体形状的外壳，包含多个电子部件。因而，该轮单元至少包括：

温度和压力传感器，

加速计（和/或撞击传感器），

微处理器，

存储器，

蓄电池，

RF（射频）发射器装置，和

LF（低频）接收器装置。

未图示这些元件，因为它们具有已知类型，且其图示对于理解本发明来说不是必要的。

轮单元旨在监测轮胎内的至少压力和温度，且朝向安装在车轮中的中央单元（未示出）发射警示消息，以提醒驾驶员车辆轮胎中检测的任何异常。

中央单元和轮单元形成已知类型的轮胎压力监测系统。

安装阀的轮圈开口的轴线在附图中由X表示。

当使得安装轮单元的车轮以高速旋转（因而使得车轮经受大约200 g或更大的加速度）时，轮单元的重量使得充气阀围绕轴线X旋转。实际上，阀通常不进行多转，而是在锁定在稳定位置之前围绕轴线X枢转。已经发现，轮单元的枢转可以以顺时针或逆时针方向进行。此外，枢转角未严格限定，因为每个轮单元可以达到其自己的稳定位置。

然而，如图1所示，安装在轮单元中的加速计具有测量轴线Y，在轮单元初始到位（没有枢转，如图1所示）时，允许其直接测量车轮的径向加速度A_mes。

当轮单元围绕轴线X以箭头P（例如）的方向枢转时（图2），那么安装在该轮单元中的加速计随其一起枢转且加速计的新测量方向Y’不再是车轮的径向方向Y，而是从其偏离角度α的方向。因而，在轴线Y’的加速度A_mes测量（由于轮单元枢转经过角度α）仅仅是径向加速度在轴线Y’上的投影，而不是径向加速度的直接测量。因而，进行的测量必须校正以允许枢转。然而，为了对其校正，必须已知枢转角α的值。

当前，不存在以自动方式确定该角度的方法。本发明提出一种自动确定该角度α的方案。

确定枢转角的方法仅仅在车辆以50和130 km/h之间的稳定速度移动时使用，而在进行测量的周期（通常车轮四转）内没有速度的任何显著变化。这允许枢转角仅仅在该角度稳定在一个位置时确定；否则，确定将没有价值。

确定枢转角α的方法还仅仅在车辆先前已经经受超过200 g的加速度力时使用。这是易于引起轮单元围绕轮圈开口的轴线X枢转的加速度类型。如果车辆没有经受这种加速度，确定枢转角没有意义，因为自上一次确定以来该角度很可能不变。

根据本发明，确定安装在卡扣充气阀上的轮单元的枢转角（α）方法，卡扣充气阀安装在具有直径R的机动车辆车轮上，所述方法包括三个主要阶段（图3）。

第一阶段包括：通过以大于车轮的假定旋转速度ω的取样频率F_s对重力曲线进行频谱分析来观察曲线C，所述曲线C表示在感测轴线Y’上重力对车辆车轮的径向加速度A_mes的影响，所述感测轴线Y’与轮单元有关且与车轮的旋转轴线不平行。为此目的（参见图3）：

步骤1a（100）：

以预定取样频率来测量车轮的加速度。在该公式中，ω₀是车轮的（假定）初始旋转速度。该初始旋转速度不是实际速度（少数意外）。更准确地，测量径向加速度是A_mes。因而，该值是实际径向加速度在轴线Y’上的投影。该测量以取样频率F_s（发现大于车轮的假定初始旋转速度）进行。车轮旋转频率预期位于3至30 Hz范围内。因而，初始取样频率F_s优选在3×16至30×16 Hz范围内。径向加速度优选每个周期（即，车轮每一转）测量16次。因而，应用公式，如果取样频率固定，这也将固定第一值作为车轮的假定初始旋转速度。

步骤1b（200）：

然后滤波加速度测量值A_mes，且确定第一正弦曲线C（图4），所述第一正弦曲线C表示根据时间（t）而变的步骤1a）中取样的测量加速度（由于重力）的变化。消除噪音和使得曲线在原点对中。为了消除噪音和对中曲线，尤其是使用Butterworth滤波器（或带通滤波器）。这给予我们曲线C，其关系式为类型，且在图4中示出。该正弦曲线的周期T等于车轮一转。

步骤1c（300）：

然后确定该第一正弦曲线的表面面积S₁，还确定表示第一正弦曲线的积分的第二正弦曲线的表面面积S₂。

因而，我们具有：

其中，a是校正因子，是车轮的假定初始旋转速度，t是时间，α是枢转角。

S₂是第一曲线C的表面面积。换句话说，其是曲线C的二重积分。

因而，我们具有：

根据本发明的方法的第二阶段包括计算车轮的实际角速度ω₁。为此，执行以下步骤：

步骤2a（400）：

通过根据公式来得到这两个表面面积的比率，于是确定车轮的实际旋转速度ω₁，假定积分在整个周期数量上进行，积分时间等于与有利地使用的ω₀相对应的周期，

实际上，

因而，我们可以发现，车轮的旋转速度值ω₁独立于枢转角α。

步骤2b（500）：

步骤1a）中进行的加速度测量计算的实际旋转速度ω₁与缺省固定的假定初始旋转速度ω₀进行比较。

根据本发明的方法的第三阶段包括确定枢转角α。

为此，执行以下步骤：

步骤3a（600）：

如果两个值（ω₀，ω₁）相同（换句话说，如果已经发现车轮的旋转速度的实际值），那么根据如下公式确定角度α：

，

其中，是测量径向加速度的平均值，ω₁是步骤2b中确定的车轮的旋转速度，以及R是该车轮的标准化半径。该标准化平均半径任意地固定在40.64 cm（即，16英寸）的值。

径向加速度的平均值可以通过计算在确定ω₁期间进行的所有测量值的平均值来确定。特别建议在此时在先前4至5个车轮转数期间验证该平均加速度的稳定性，通过检查最小和最大值。因而，如果未实现预期稳定性（取决于驾驶员行为，例如在制动方面），仍然可能使结果无效。

还可以通过在4至5个相继车轮转数期间车轮每一转测量4次径向加速度来确定径向加速度的平均值。

当cosα已知时，角度α的值从其推算出。

步骤3b（500）：

如果在步骤2b）（500）中发现旋转速度（ω₀，ω₁）彼此不同，那么使用ω₁作为新的初始旋转速度重新开始步骤1a）至2b）。

通过多次重新开始确定旋转速度ω₁的该循环，我们最终朝向车轮的实际旋转速度收敛。

应当注意的是，通过以循环执行步骤1a）至2b）重复地确定取样频率F_s，直到该频率F_s等于前一循环的步骤2a）中计算的旋转速度。

由于枢转角已知，轮单元可以通过校正测量加速度值准确地测量所安装的车轮的径向加速度。

实际径向加速度的该知识使之可以例如设置轮单元以朝向中央单元发射消息，同时符合固定发射角，或者通过在车轮速度和车辆速度之间进行校正，自动地发现哪个车轮/传感器组件安装在车轮上。

因而，根据本发明的方法使之可以通过连续迭代来确定车轮的实际速度ω₁，且然后确定枢转角α。

因而，确定安装到卡扣充气阀上的轮单元的枢转角（α）的方法包括如下三个主要阶段：

阶段1：

通过以大于车轮的假定旋转速度ω的取样频率F_s对重力曲线进行频谱分析来观察曲线C，所述曲线C表示在感测轴线Y’上重力对车辆车轮的径向加速度A_mes的影响，所述感测轴线Y’与轮单元有关且与车轮的旋转轴线不平行。

阶段2：

推算出车轮的实际旋转速度ω₁，以及

阶段3：

根据如下公式确定枢转角α：

。

要清楚的是，本发明并不限于图1至4所述和所示的实施例、具体地，用于观察曲线C的频谱分析手段可以与所述不同，而不偏离本发明的范围。

Claims (12)

1.一种确定安装到卡扣充气阀（10）上的轮单元（12）的枢转角（α）的方法，所述阀放置在机动车辆的车轮上，所述方法包括如下阶段：

阶段1：

通过以大于车轮的假定旋转速度的取样频率F_s对重力曲线进行频谱分析来观察曲线C，所述曲线C表示在感测轴线Y’上重力对车辆车轮的径向加速度A_mes的影响，所述感测轴线Y’与轮单元有关且与车轮的旋转轴线不平行；

阶段2：

推算出车轮的实际旋转速度ω；以及

阶段3：

根据如下公式确定枢转角α：

，

其中，ω是从观察曲线推算出的实际旋转速度，是测量径向加速度的平均值，以及R是车轮的标准化半径。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，频谱分析是已知为曲线C的“动态”频谱分析，假定为正弦，通过在加速度值的离散取样和所述曲线C的形式表达式之间进行识别，连续调节取样频率。

3.根据权利要求1或2所述的确定枢转角的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1a）以预定取样频率来测量车轮的径向加速度A_mes，其中，是车轮的假定旋转速度，

1b）通过消除噪音和使得曲线C在原点对中，将曲线C滤波和确定为第一正弦曲线，所述第一正弦曲线表示根据车轮旋转而变的步骤1a）中取样的径向加速度的变化，

1c）确定该第一正弦曲线的表面面积S₁和表示第一正弦曲线的积分的第二正弦曲线的表面面积S₂，

2a）通过根据公式来得到这两个表面面积的比率，将车轮的实际旋转速度ω确定为旋转速度ω₁，

2b）验证以该方式确定的旋转速度ω₁确实与步骤1a）的取样频率F_s匹配，以及：

3a）如果情况如此，在确定径向加速度的平均值之后，根据如下关系式确定枢转角α：

，

其中，是径向加速度的平均值，ω₁是步骤2a中确定的车轮的实际旋转速度，以及R是车轮的标准化半径，以及

3b）如果情况不是如此，重复步骤1a）至2b）。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过以循环执行步骤1a）至2b）重复地确定取样频率F_s，直到该频率F_s等于前一循环的步骤2a）中计算的旋转速度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，初始取样频率F_s在3×16 Hz至30×16 Hz范围内。

6.根据权利要求1，2和5中任一项所述的方法，其特征在于，取样频率F_s被选择使得在每个周期中进行至少16次加速度测量。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1b）借助于带通滤波器执行。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述带通滤波器是Butterworth滤波器。

9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤3a）中，通过在4至5个相继车轮转数期间车轮每一转测量4次径向加速度来确定径向加速度的平均值。

10.根据权利要求1，2和5中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法在车辆以在50km/h和130 km/h之间的稳定速度移动时使用，而在进行测量的周期内没有速度的任何显著变化。

11.根据权利要求1，2和5中任一项所述的方法，其特征在于，枢转角α在车轮先前已经经受200 g或更大的加速度时计算。

12.根据权利要求1，2和5中任一项所述的方法，其特征在于，车轮直径R标准化为40.64cm（16英寸）。