CN106198058A - 一种基于胎压监测的竖向车轮冲击力实时测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于胎压监测的竖向车轮冲击力实时测量方法，主要由胎压解旋转预处理、胎压‑车轮力系统识别、标定校准方法和胎压‑车轮力测量的一体化设备四大模块组成。通过一体化设备采集实时胎压数据，经过解旋转预处理和胎压‑车轮力系统识别获得对应的竖向车轮冲击力，并可根据标定方法进行校准。本发明从理论和设备两个层次提供了一种高效、准确和适应性强的车轮力测量解决方案，满足了广大桥梁健康状况快速评估的要求，同时在道路安全诊断、汽车性能设计等领域也有巨大潜力。

Description

一种基于胎压监测的竖向车轮冲击力实时测量方法

技术领域

本发明涉及轮胎性能监测领域，具体涉及一种基于胎压监测的竖向车轮冲击力实时测量方法。

背景技术

桥梁作为交通基础设施的组成部分，在社会经济发展中发挥着不可忽视的作用。以美国为例，全美有现役桥梁超60万座，其平均年龄逾40年，病害桥梁约占25％。2007年，美国明尼阿波利斯I-35桥的倒塌造成了2亿美元的经济损失。目前，我国正逐渐走出基础设施建设的黄金期，超过75万座现役桥梁中有相当一部分正面临着老龄化问题，调查显示我国四、五类危桥数量超过9万座。为了保障社会经济的正常发展，广大现役桥梁亟待得到切实有效的维护管理。车辆荷载作为桥梁服役期间主要的荷载形式，在结构性能退化过程中扮演着重要角色；同时车辆超重对桥面铺装和桥梁结构的安全威胁日益明显。为了更好地对进行桥梁维护管理以及为工程设计提供有价值的参考，车桥耦合问题成为了桥梁工程领域重大的研究课题。

由于条件限制，人们一直难以测量真实的动态车辆荷载，往往只能考虑车辆的静态质量，而忽略了增益的竖向车轮冲击力，这严重影响了结构识别等对桥梁健康状态的评估；如果采用考虑路面不平度等复杂算法，则不仅还需要知道准确的路面信息，还会增加计算难度。一旦能获得车辆在桥梁行驶时的准确车轮力，而不仅仅是简单的车辆静态质量，就可以在提高结果识别准确度的同时降低计算难度，显著提升对桥梁健康状态的评估效果。

目前，存在一些测量车轮力的方法与技术，但是仍存在各种各样的缺陷。动态称重系统是检查高速公路网络中车辆超重的成熟技术，但是它只能获得狭小范围和短暂时间内的车轮力，如车辆经过桥头时刻，而不能获得车辆在经过整座桥梁时的车轮力。基于轮毂应变的车轮六分力测量系统能够获得车轮三个方向的受力信息，但是严格意义上这些六分力是针对轮毂变形而言，与真实的轮胎与地面的接触力不同，因此该技术应用于桥梁健康状态评估时必将带来误差。此外，这种系统构造过于复杂、提供的信息过多且成本高昂，故在桥梁工程领域没有得到广泛应用。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于胎压监测的竖向车轮冲击力实时测量方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的一种基于胎压监测的竖向车轮冲击力实时测量方法，采用一体化设备采集实时胎压数据，经过胎压解旋转预处理和胎压-车轮力系统识别获得对应的车轮力，并根据标定校准方法进行校准。包括胎压解旋转预处理、胎压-车轮力系统识别、标定校准方法和胎压-车轮力测量的一体化设备。

具体地，所述胎压解旋转预处理，是通过滤波方法排除轮胎旋转时的气压不均匀分布所带来的周期性干扰，使预处理后的胎压数据直接反映竖向车轮冲击力影响。

具体地，所述胎压-车轮力系统识别，是根据轮胎振动特征建立胎压与竖向车轮冲击力的关系模型，通过标定试验中获得的准确胎压数据和准确车轮力数据识别关系模型中的具体参数，从而在后续正式测试中仅知胎压的情况下计算出对应的车轮力。

具体地，所述胎压-车轮力系统识别包括灰盒模型和黑盒模型两种计算方法。可相互校正，优化结果。

具体地，所述灰盒模型计算方法如下：

首先，使用单自由度质量-弹簧-阻尼模型描述轮胎竖向变形和竖向车轮冲击力之间的关系，公式为

$c\stackrel{\·}{x}+kx=F_{tire}$

其中，c为轮胎竖向阻尼；k为轮胎的竖向刚度；x为动荷载下的轮胎竖向变形，为其对时间的一阶微分；F_tire为竖向车轮冲击力；

其次，由理想气体方程建立胎压与轮胎竖向变形之间的关系，公式为

$x=\frac{p_0{V}_0}{aA(p_0+\mathrm{\Δ}p)}(1-\frac{p_0}{p_0+\mathrm{\Δ}p})$

$\stackrel{\·}{x}=-\frac{p_0\stackrel{\·}{\mathrm{\Δ}p}{V}_0}{aA{(p_0+\mathrm{\Δ}p)}^2}\×(1-\frac{2p_0}{p_0+\mathrm{\Δ}p})$

其中，p₀为轮胎初始压强；Δp为动荷载作用下的轮胎气压变化，且需要经过本发明提出的解旋转预处理；为Δp对时间的一阶微分；V₀为轮胎静载作用下内腔初始体积；A为静载作用下的轮胎接触面积，轮胎变形对接触面积的影响表现为

由此，得到胎压与竖向车轮冲击力之间的关系，公式为

$F_{tire}=\frac{{\mathrm{cp}}_0{V}_0(p_0-\mathrm{\Δ}p)}{aA{(p_0+\mathrm{\Δ}p)}^3}\×\stackrel{\·}{\mathrm{\Δ}p}+\frac{{\mathrm{kp}}_0{V}_0\mathrm{\Δ}p}{aA{(p_0+\mathrm{\Δ}p)}^2}$

最后，借助标定试验获得的准确胎压数据和准确车轮力数据，由卡尔曼滤波识别胎压-竖向车轮冲击力公式中的未知参数；令待识别参数为输出为输入为u＝F_tire，则状态变量为

$\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\\ x_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}y\\ \mathrm{\α}\\ \mathrm{\β}\end{array}\right]$

状态方程为

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x_1}\\ \stackrel{\·}{x_2}\\ \stackrel{\·}{x_3}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{y}\\ 0\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{u}{x_2}-x_1{x}_3\\ 0\\ 0\end{array}\right]$

观测方程为

$y=\[1,0,0\]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\\ x_3\end{array}\right]$

由此，可以获得完整的胎压-车轮力公式，在仅知胎压数据的情况下可以获得对应的车轮力数据。

所述黑盒模型计算方法如下：假设轮胎气压变化和竖向车轮冲击力之间满足线性卷积关系，则在频域内有

F_tire(w)＝Δp(w)H(w)

其中，H(w)为频响函数；F_tire(w)和Δp(w)分别是时程数据F_tire(t)和Δp(t)的傅里叶变换。

使用标定试验获得的准确胎压数据和准确车轮力数据，识别频响函数。由此，可以在仅知胎压数据的情况下可以获得对应的车轮力数据。

具体地，所述胎压-竖向车轮冲击力测量的一体化设备，包括轮胎气压传感系统、中央信号控制系统和数据分析系统；所述轮胎气压传感系统通过轮胎气压传感器采集轮胎内腔气压变化数据，采用有线或无线控制方式，通过局部信号控制器与中央信号控制系统交流指令和数据；所述中央信号控制系统向数据分析系统传输采集的数据；所述数据分析系统利用内嵌的实时竖向车轮冲击力计算程序，对数据进行自动化分析，输出车轮力的可视化评估结果。

具体地，所述标定校准方法，是利用一套试验设备和一种计算方法获得准确的车轮力数据，对提出的基于胎压监测的竖向车轮冲击力实时测量系统进行标定校准。

标定校准的试验设备集数据采集、信号传输和结果分析为一体，主要包括引桥轨道，主桥轨道，轨道加速度传感系统，轨道支座力传感系统，中央信号控制系统和数据分析系统；当轮胎在主桥轨道上滚动时，由采集的轨道振动信息获得车轮力。轮胎由引桥轨道进入主桥轨道，其中主桥轨道只通过支座与地面接触；由轨道加速度传感系统采集轨道的竖向加速度并采用有线或无线方式，与中央信号控制系统交换指令和数据；由轨道支座力传感系统采集轨道的支座力并采用有线或无线方式，与中央信号控制系统交换指令和数据；中央信号控制系统除了和两个传感系统交流数据和指令外，还向数据分析系统提供数据；数据分析系统利用内嵌算法程序，对数据进行分析并输出标定车轮力的可视化评估结果。

力标定校准的计算方法如下，当轮胎在主桥轨道上滚动时，车轮力和轨道的结构响应之间满足如下公式

F_tire+G_tire＝∑F_bearing+∑ma

其中，F_tire是竖向车轮冲击力；G_tire是轮胎的静态载重；∑F_bearing是排除了主桥轨道自重后的各支座合力，即仅受到车轮影响；∑ma是主桥轨道各单元惯性合力。

使用时，本发明的实施步骤如下：完成设备安装与调试；通过标定试验，获得准确的胎压数据和车轮力数据；胎压解旋转预处理；由灰盒模型或黑盒模型的系统识别获得胎压-车轮力之间的关系；在正式测试中由胎压-车轮力测量一体化设备获得胎压数据；胎压解旋转预处理；由胎压-车轮力之间的关系计算车轮力。

本发明适用于桥梁工程、道路工程和车辆工程中与车轮力有关的一切科学研究和工程活动，不应该将本专利的受保护权利限于桥梁工程领域内。

发明原理：

1.胎压-竖向车轮冲击力测量的一体化设备可以实现数据采集、信号传输和结果分析等功能，完成从轮胎气压采集到实时车轮力可视化结果显示等一系列环节。

A.轮胎气压传感系统

轮胎气压传感系统通过轮胎气压传感器采集轮胎内腔气压变化数据，采用有线或无线控制方式，通过局部信号控制器与中央信号控制系统交流指令和传输数据。

B.中央信号控制系统

中央信号控制系统能够与轮胎气压传感系统、数据分析系统交流指令和传输数据。

C.数据分析系统

数据分析系统利用内嵌的实时竖向车轮冲击力计算程序，对中央信号控制系统传输的数据进行自动化分析，输出可视化评估结果。

2.所提出的标定校准方法可以获得准确的竖向车轮冲击力，方便识别胎压和车轮力关系方程中的未知参数，从而可以在后续正式测试中由仅有的胎压计算出车轮力。该方法主要包括一套一体化试验设备和一种计算方法。

(1)一体化试验设备

当轮胎在主桥轨道上滚动时，由采集的轨道振动信息获得竖向车轮冲击力。该设备集数据采集、信号传输和结果分析为一体。

A.引桥轨道

轮胎通过引桥轨道进入主桥轨道。引桥轨道不与主桥轨道直接连接，保证主桥轨道受力的独立性。引桥轨道主要发挥过渡作用，使轮胎得以从静止状态进入理想的工况状态。

B.主桥轨道

轮胎在主桥轨道行驶时，是标定试验的关键阶段。安装在主桥轨道上的轨道加速度传感系统和轨道支座力传感系统记录车轮力作用下的结构响应，为计算标定车轮力提供基础数据。主桥轨道通过支座与地面接触，每个支座上布置了力传感器。主梁轨道按照计算精度划分为多个单元，在每个单元上布置竖向加速度传感器。主桥轨道可以按照工况需要设置不同路面情况。

C.轨道加速度传感系统

轨道加速度传感系统负责采集主桥轨道的竖向加速度数据，采用有线或无线方式与中央信号控制系统交换指令和数据。加速度传感器应布置于主桥轨道的各个单元上。

D.轨道支座力传感系统

轨道支座力传感系统负责采集主桥轨道的支座力数据，采用有线或无线方式与中央信号控制系统交换指令和数据。

E.中央信号控制系统

中央信号控制系统负责与轨道加速度传感系统和轨道支座力传感系统交换指令与数据，控制数据采集的开始与结束，处理好数据的同步性匹配问题，并向数据分析系统反馈采集的加速度数据和支座力数据。

F.数据分析系统

数据分析系统利用内嵌算法程序处理由中央信号控制系统传递来的加速度数据和支座力数据，并以可视化形式输出标定车轮力的计算结果。

(2)计算方法

当轮胎在主桥轨道上滚动时，车轮力和轨道的结构响应之间满足如下公式

F_tire+G_tire＝∑F_bearing+∑ma

其中，F_tire是竖向车轮冲击力；G_tire是轮胎的静态载重；∑F_bearing是排除了主桥轨道自重后的各支座合力，即仅受到车轮影响；∑ma是主桥轨道各单元惯性合力。

3.胎压解旋转预处理

由于气压传感器相对于轮胎的位置是固定的，因此随着轮胎转动，传感器的空间位置也在不断变化，这对所采集到的轮胎气压数据带来一定干扰。轮胎处于滚动状态时，空腔内的气压会产生稳定的不均匀分布，如图4所示。而气压传感器随着位置转动会观测到这种不均匀现象并在数据中直观地表现为一种周期性趋势变化，如图5所示。这种周期性变化会使胎压数据产生漂移，干扰胎压与车轮力之间的关系。为了消除这种干扰，需要采用滤波方法消除旋转影响。

4.胎压-车轮力系统识别的灰盒模型计算方法

本发明提出一种结合了轮胎竖向振动模型和真实数据的灰盒模型计算方法来描述胎压和竖向车轮冲击力之间的关系。该计算方法分为以下几大内容：轮胎竖向振动模型、气固耦合条件、胎压-竖向车轮冲击力方程和卡尔曼滤波参数识别。

(1)轮胎竖向振动模型

当车辆在路面行驶尤其是在路面较为粗糙或轮胎冲击力较大等情况时，轮胎竖向变形和竖向车轮冲击力之间耦合强烈。因此可以使用如图6所示的单自由度质量-弹簧-阻尼模型来描述轮胎竖向变形和地面竖向接触力之间的运动关系，公式为

$c\stackrel{\·}{x}+kx=F_{tire}$

其中，c为轮胎竖向阻尼；k为轮胎的竖向刚度；x为动荷载下的轮胎竖向变形，为其对时间的一阶微分；F_tire为竖向车轮冲击力。

(2)气固耦合条件

当轮胎与地面接触时，地面竖向接触力会引起轮胎结构变形，挤压内部气体空间，从而引起密闭气体的压强变化。假设轮胎空腔内气体密闭恒温，则满足

p₀V₀＝(p₀+Δp)(V₀+Ax)

其中，p₀为轮胎初始压强；Δp为动荷载作用下的轮胎气压变化，且需要经过本发明提出的解旋转预处理；为Δp对时间的一阶微分；V₀为轮胎静载作用下内腔初始体积；A为静载作用下的轮胎接触面积，轮胎变形对接触面积的影响表现为

(3)胎压-竖向车轮冲击力方程

通过轮胎竖向振动模型和气固耦合条件，可以建立轮胎气压变化与竖向车轮冲击力之间的关系，公式为

$F_{tire}=\frac{{\mathrm{cp}}_0{V}_0(p_0-\mathrm{\Δ}p)}{aA{(p_0+\mathrm{\Δ}p)}^3}\×\stackrel{\·}{\mathrm{\Δ}p}+\frac{{\mathrm{kp}}_0{V}_0\mathrm{\Δ}p}{aA{(p_0+\mathrm{\Δ}p)}^2}$

(4)卡尔曼参数识别

基于系统的输入数据和输出数据，卡尔曼滤波算法可以识别系统中的未知参数。利用这一特点，使用卡尔曼滤波算法识别胎压-竖向车轮冲击力方程中的未知参数。令待识别参数为输出为输入为u＝F_tire，则状态变量为

$\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\\ x_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}y\\ \mathrm{\α}\\ \mathrm{\β}\end{array}\right]$

状态方程为

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x_1}\\ \stackrel{\·}{x_2}\\ \stackrel{\·}{x_3}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{y}\\ 0\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{u}{x_2}-x_1{x}_3\\ 0\\ 0\end{array}\right]$

观测方程为

$y=\[1,0,0\]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\\ x_3\end{array}\right]$

完成参数识别后，在后续正式测试中就可以仅根据胎压计算出对应的竖向车轮冲击力。

5.胎压-车轮力系统识别的黑盒模型计算方法

在路面较为粗糙或轮胎冲击力较大等情况时，地面振动会引起轮胎结构变形，挤压内部气体空间，从而引起密闭气体的压强变化，假设此时轮胎气压变化与车轮力之间存在短暂的、强烈的线性关系，并满足线性卷积公式，则在频域内有

F_tire(w)＝Δp(w)H(w)

其中，H(w)为频响函数；F_tire(w)和Δp(w)分别是时程数据F_tire(t)和Δp(t)的傅里叶变换。

在标定试验中获取频响函数H(w)后，便可以在正式测试中根据轮胎气压变化Δp(t)算出地面竖向接触力F_tire(t)。

有益效果：本发明通过一体化设备采集胎压信息，结合内嵌的胎压解旋转预处理和胎压-车轮力系统识别算法，可准确测量对应的车轮力，并根据标定试验进行校准，具备以下显著的进步：

A.测量时间长。相比动态称重系统，本发明可以测量车辆在长距离内的竖向车轮冲击力。

B.测量轮胎与地面之间的接触力。相比基于轮毂应变的车轮六分力测量系统，本发明可以获得轮胎与地面之间的接触力，而不是轮毂力，更加严格符合车轮力的定义。

C.传感器简单。与车轮六分力测量系统需要在轮毂上安装复杂的应变传感器相比，本发明只需要在气嘴上安装一个胎压传感器。

D.提供了两种测量方法。本发明提出了灰盒模型计算方法和黑盒模型计算方法供用户选择，两种方法可相互校正，得出可靠度更高的结果。

E.可模拟多种路面的标定方法。与大型轮胎试验机简单的滚轴工况相比，本发明提出的标定方法能模拟复杂逼真的路面平整度，且所测量的车轮力不是车轴力而是地面接触力。

除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的一种基于胎压监测的竖向车轮冲击力实时测量方法所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明的基于胎压监测的竖向车轮冲击力实时测量系统的概念图；

图2是本发明的胎压-车轮力一体化设备图；

图3是本发明的车轮力标定一体化设备图；

图4是本发明的轮胎气压不均匀分布图；

图5是本发明的由不均匀气压分布引起的气压传感器数据周期性变化图；

图6是本发明的轮胎与地面竖向振动关系动力学模型图；

图7是本发明的一种基于胎压监测的竖向车轮冲击力实时测量方法的实施流程图；

图8是本发明的竖向车轮冲击力标定效果图；

图9是本发明的胎压解旋转预处理效果图；

图10是本发明的卡尔曼估计算法参数α识别效果图；

图11是本发明的卡尔曼估计算法参数β识别效果图；

图12是本发明的频响函数幅值识别效果图；

图13是本发明的频响函数相位识别效果图；

图14是本发明经过解旋转预处理的胎压测量值；

图15是灰盒模型的竖向车轮冲击力计算值与真实值对比图；

图16是黑盒模型的竖向车轮冲击力计算值与真实值对比图。

具体实施方式

实施例：

如图7所示，本实施例的基于胎压监测的竖向车轮冲击力实时测量系统的工作流程如下：

步骤1，胎压-竖向车轮冲击力测量的一体化设备安装，可以实现数据采集、信号传输和结果分析等功能，完成从轮胎气压采集到实时车轮力可视化结果显示等一系列环节。整套设备如图2所示。

测试前，在轮胎上安装轮胎气压传感系统，由胎压传感器1.1和局部信号控制器1.2组成，分别负责信号采集和信号传输。可以在车辆内布置中央信号控制系统2和数据分析系统3，分别负责总体信号传输和控制、数据分析工作。设备安装完毕后，一次完整的测试流程应当包括：数据分析系统3控制测试开始；中央信号控制系统2向轮胎气压传感系统发送数据采集命令；轮胎气压传感系统开始采集轮胎气压数据，采集完毕后将数据反馈到中央信号控制系统2；最后数据汇总到数据分析系统3，结合内嵌实时胎压-竖向车轮冲击力计算程序，对所采集的数据进行自动化分析，输出可视化评估结果。为了保证测量结果的准确性，可以在轮胎内部充入氮气等低热传导性气体，并在轮胎使用前后测量气体温度，确保使用前后气体温度的稳定。

步骤2，标定校准试验。

首先，需要安装调试相关的一体化试验设备，如图3所示，选择合适位置摆放两条平行的轨道，由引桥轨道4和主桥轨道5组成，需要放置两条平行的轨道以方便两个车轮在上面行驶。引桥轨道4和主桥轨道5不能接触。在主桥轨道上5上分隔合适数量的单元，每个单元下表面的正中位置安装竖向加速度传感器，组成轨道加速度传感系统6。主桥轨道5通过支座与地面固定，每个支座上安装竖向支座力传感器，组成轨道支座力传感系统7。选择试验室的合适位置安装中央信号控制系统8和数据分析系统9。

设备安装完毕后，一次完整的标定流程应当包括：数据分析系统9控制测试开始；中央信号控制系统8向轨道加速度传感系统6和轨道支座力传感系统7发送数据采集命令；轨道加速度传感系统6和轨道支座力传感系统7同时开始采集数据；轮胎从引桥轨道4进入主桥轨道5，再由引桥轨道4下桥；轮胎下桥后，数据采集完毕，轨道加速度传感系统6和轨道支座力传感系统7将数据反馈到中央信号控制系统8；中央信号控制系统8将数据传输到数据分析系统9，结合内嵌计算程序，自动化输出标定的竖向车轮冲击力可视化结果，效果如图8所示。

胎压数据的采集应该与竖向车轮冲击力数据的采集同步，获得轮胎在引桥轨道4和主桥轨道5上全程对应时刻的胎压信息。

采集的数据长度和样本数量必须足够丰富且准确，满足轮胎系统识别计算的要求。工况条件必须与后期竖向车轮冲击力正式测量时(仅有采集胎压数据)的相似，一般由轮胎承载重量、转速、初始充气压力和路面平整程度等因素控制决定。

步骤3，胎压解旋转预处理

由于气压传感器相对于轮胎的位置是固定的，因此随着轮胎转动，传感器的空间位置也在不断变化，这对所采集到的轮胎气压数据带来一定干扰。轮胎处于滚动状态时，空腔内的气压会产生稳定的不均匀分布，如图4所示。而气压传感器随着位置转动会观测到这种不均匀现象并在数据中直观地表现为一种周期性趋势变化，如图5所示。这种周期性变化会使胎压数据产生漂移，干扰胎压与车轮力之间的关系。为了消除这种干扰，需要采用滤波方法消除旋转影响。

胎压解旋转预处理，使得气压数据直接反映轮胎的振动。可以通过滤波方法消除周期性趋势线，消除不均匀气压分布的影响，处理效果如图9所示。

步骤4，胎压-竖向车轮冲击力系统识别

通过灰盒模型或黑盒模型，建立胎压与竖向车轮冲击力之间的关系；结合标定校准获得的准确的胎压数据和车轮力数据，识别胎压-车轮力关系公式中的未知参数。在获得了胎压-车轮力的完整关系后，就可以只由胎压数据计算相应的车轮力数据。

(a)灰盒模型计算方法

利用卡尔曼滤波算法，由标定试验中获得的竖向车轮冲击力数据和经解旋转预处理后胎压数据，识别胎压-竖向车轮冲击力方程中的未知参数和，效果如图10和图11所示。

(b)黑盒模型计算方法

由标定试验中获得的竖向车轮冲击力数据和经解旋转预处理后胎压数据，识别频响函数，效果如图12和图13所示。

步骤5，正式测试

在获得了完整的胎压与竖向车轮冲击力关系后，即可根据正式测试中采集的胎压数据计算相应的竖向车轮冲击力。灰盒模型算法可以根据每时刻的胎压数据得出实时的车轮力数据；而黑盒模型算法则可以根据一定时间段内的胎压数据得出对应时段内的车轮力数据。这两种方法相互验证，提高了计算结果的可靠性；也可以将两种结果进行平均，得出优化的地面竖向接触力。为了说明结果的准确性，将本发明所提出方法的计算结果与标定真值进行对比，如图14、图15和图16所示。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于胎压监测的竖向车轮冲击力实时测量方法，其特征在于：采用一体化设备采集实时胎压数据，经过胎压解旋转预处理和胎压-车轮力系统识别获得对应的车轮力，并根据标定校准方法进行校准。

2.根据权利要求1所述的一种基于胎压监测的竖向车轮冲击力实时测量方法，其特征在于：所述胎压解旋转预处理是通过滤波方法排除轮胎旋转时的气压不均匀分布所带来的周期性干扰，使预处理后的胎压数据直接反映竖向车轮冲击力影响。

3.根据权利要求1所述的一种基于胎压监测的竖向车轮冲击力实时测量方法，其特征在于：所述胎压-车轮力系统识别，是根据轮胎振动特征建立胎压与竖向车轮冲击力的关系模型，通过标定试验中获得的准确胎压数据和准确车轮力数据识别关系模型中的具体参数，从而在后续正式测试中仅知胎压的情况下计算出对应的车轮力。

4.根据权利要求1所述的一种基于胎压监测的竖向车轮冲击力实时测量方法，其特征在于：所述胎压-车轮力系统识别包括灰盒模型和黑盒模型两种计算方法，

所述灰盒模型计算方法如下：

首先，使用单自由度质量-弹簧-阻尼模型描述轮胎竖向变形和竖向车轮冲击力之间的关系，公式为

$c\stackrel{\·}{x}+kx=F_{tire}$

其中，c为轮胎竖向阻尼；k为轮胎的竖向刚度；x为动荷载下的轮胎竖向变形，为其对时间的一阶微分；F_tire为竖向车轮冲击力；

其次，由理想气体方程建立胎压与轮胎竖向变形之间的关系，公式为

$x=\frac{p_0{V}_0}{aA(p_0+\mathrm{\Δ}p)}(1-\frac{p_0}{p_0+\mathrm{\Δ}p})$

$\stackrel{\·}{x}=-\frac{p_0\stackrel{\·}{\mathrm{\Δ}p}{V}_0}{aA{(p_0+\mathrm{\Δ}p)}^2}\×(1-\frac{2p_0}{p_0+\mathrm{\Δ}p})$

其中，p₀为轮胎初始压强；Δp为动荷载作用下的轮胎气压变化，且需要经过本发明提出的解旋转预处理；为Δp对时间的一阶微分；V₀为轮胎静载作用下内腔初始体积；A为静载作用下的轮胎接触面积，轮胎变形对接触面积的影响表现为

由此，得到胎压与竖向车轮冲击力之间的关系，公式为

$F_{tire}=\frac{{\mathrm{cp}}_0{V}_0(p_0-\mathrm{\Δ}p)}{aA{(p_0+\mathrm{\Δ}p)}^3}\×\stackrel{\·}{\mathrm{\Δ}p}+\frac{{\mathrm{kp}}_0{V}_0\mathrm{\Δ}p}{aA{(p_0+\mathrm{\Δ}p)}^2}$

最后，借助标定试验获得的准确胎压数据和准确车轮力数据，由卡尔曼滤波识别胎压-竖向车轮冲击力公式中的未知参数；令待识别参数为输出为输入为u＝F_tire，则状态变量为

$\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\\ x_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}y\\ \mathrm{\α}\\ \mathrm{\β}\end{array}\right]$

状态方程为

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x_1}\\ \stackrel{\·}{x_2}\\ \stackrel{\·}{x_3}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{y}\\ 0\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{u}{x_2}-x_1{x}_3\\ 0\\ 0\end{array}\right]$

观测方程为

$y=\[1,0,0\]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\\ x_3\end{array}\right];$

所述黑盒模型计算方法如下：假设轮胎气压变化和竖向车轮冲击力之间满足线性卷积关系，则在频域内有

F_tire(w)＝Δp(w)H(w)

其中，H(w)为频响函数；F_tire(w)和Δp(w)分别是时程数据F_tire(t)和Δp(t)的傅里叶变换；

使用标定试验获得的准确胎压数据和准确车轮力数据，识别频响函数；

所述灰盒模型和黑盒模型均为胎压数据与对应的车轮力的函数，用于相互校正。

5.根据权利要求1所述的一种基于胎压监测的竖向车轮冲击力实时测量方法，其特征在于：所述一体化设备包括轮胎气压传感系统、中央信号控制系统和数据分析系统；所述轮胎气压传感系统通过轮胎气压传感器采集轮胎内腔气压变化数据，采用有线或无线控制方式，通过局部信号控制器与中央信号控制系统交流指令和数据；所述中央信号控制系统向数据分析系统传输采集的数据；所述数据分析系统利用内嵌的实时竖向车轮冲击力计算程序，对数据进行自动化分析，输出车轮力的可视化评估结果。

6.根据权利要求1所述的一种基于胎压监测的竖向车轮冲击力实时测量方法，其特征在于：所述标定校准方法，是利用一套试验设备和一种计算方法获得准确的车轮力数据，对提出的基于胎压监测的竖向车轮冲击力实时测量系统进行标定校准。

7.根据权利要求6所述的一种基于胎压监测的竖向车轮冲击力实时测量方法，其特征在于：所述标定校准方法采用集数据采集、信号传输和结果分析为一体的标定校准的试验设备，主要包括引桥轨道，主桥轨道，轨道加速度传感系统，轨道支座力传感系统，中央信号控制系统和数据分析系统；当轮胎在主桥轨道上滚动时，由采集的轨道振动信息获得车轮力；轮胎由引桥轨道进入主桥轨道，其中主桥轨道只通过支座与地面接触；由轨道加速度传感系统采集轨道的竖向加速度并采用有线或无线方式，与中央信号控制系统交换指令和数据；由轨道支座力传感系统采集轨道的支座力并采用有线或无线方式，与中央信号控制系统交换指令和数据；中央信号控制系统除了和两个传感系统交流数据和指令外，还向数据分析系统提供数据；数据分析系统利用内嵌算法程序，对数据进行分析并输出标定车轮力的可视化评估结果。

8.根据权利要求7所述的一种基于胎压监测的竖向车轮冲击力实时测量方法，其特征在于：力标定校准的计算方法如下，当轮胎在主桥轨道上滚动时，车轮力和轨道的结构响应之间满足如下公式

F_tire+G_tire＝∑F_bearing+∑ma

其中，F_tire是竖向车轮冲击力；G_tire是轮胎的静态载重；∑F_bearing是排除了主桥轨道自重后的各支座合力，即仅受到车轮影响；∑ma是主桥轨道各单元惯性合力。

9.根据权利要求1所述的一种基于胎压监测的竖向车轮冲击力实时测量方法，其特征在于包括实施如下步骤：完成设备安装与调试；通过标定试验，获得准确的胎压数据和车轮力数据；胎压解旋转预处理；由灰盒模型或黑盒模型的系统识别获得胎压-车轮力之间的关系；在正式测试中由胎压-车轮力测量一体化设备获得胎压数据；胎压解旋转预处理；由胎压-车轮力之间的关系计算车轮力。