CN106706096A - 轮胎接地面的压力分布检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种轮胎接地面的压力分布检测方法及系统，其中，方法包括：获取感应装置的应变区的系数矩阵；在车轮碾压应变区的过程中，采集感应装置中的应变传感器的示数，并按照应变传感器的排列及采集的时间顺序将采集的示数存储到第一示数矩阵中，同时获取车轮通过应变区时的速度；根据系数矩阵、应变传感器的示数和车轮通过应变区时的速度，将第一示数矩阵转换为第二示数矩阵；构建系数矩阵、第二示数矩阵和压力矩阵的线性方程组，并求解出压力矩阵中的每个分压力，进而获得轮胎接地面的压力分布。本发明可以实现通过安装在道路上的设备精确检测车胎接地面的压力分布情况。

Description

轮胎接地面的压力分布检测方法及系统

技术领域

本发明涉及智能交通技术领域，尤其涉及一种轮胎接地面的压力分布检测方法及系统。

背景技术

智能交通系统(Intelligent Transportation System，简称ITS)是未来交通系统的发展方向。在ITS领域，行驶中的车辆的轮胎接地面的压力分布情况是一个很重要的物理参量。轮胎接地面的压力的总和就是轮重，路政部门可以据此来监控道路上的车辆超载情况；另外，轮胎接地面的压力分布出现异常，很有可能是爆胎进而引发交通事故的前兆，对于车主来说，可以将轮胎接地面的压力分布出现异常作为一个预警信号。

目前，车胎胎压主要通过安装在轮胎内的压力传感器进行检测，每个轮胎都需要安装一个压力传感器且不能精确检测轮胎接地面的压力分布情况。而安装在道路上进行车胎接地面的压力分布情况的检测设备是很稀缺的。

鉴于此，如何通过安装在道路上的设备精确检测车胎接地面的压力分布情况成为目前需要解决的技术问题。

发明内容

为解决上述的技术问题，本发明提供一种轮胎接地面的压力分布检测方法及系统，可以通过安装在道路上的设备精确检测车胎接地面的压力分布情况。

第一方面，本发明提供一种轮胎接地面的压力分布检测方法，包括：

获取感应装置的应变区的系数矩阵，所述系数矩阵是指将所述感应装置的应变区划分为多个单元后，每个单元上作用的力与应变片示数间的比例系数组成的矩阵；

在车轮碾压应变区的过程中，采集所述感应装置中的应变传感器的示数，并按照所述应变传感器的排列及采集的时间顺序将采集的示数存储到第一示数矩阵中，同时获取车轮通过应变区时的速度；

根据所述系数矩阵、所述应变传感器的示数、所述车轮通过应变区时的速度，将第一示数矩阵转换为第二示数矩阵；

构建所述系数矩阵、所述第二示数矩阵和压力矩阵的线性方程组，并求解出压力矩阵中的每个分压力，进而获得轮胎接地面的压力分布，所述压力矩阵是按照所述应变区划分单元的几何尺寸划分轮胎接地面的压力，其所有分压力组成的矩阵；

其中，所述感应装置包括：设置在道路上的多个应变区；每个应变区的上表面与道路路面平行，每个应变区均设置有预设排数的应变传感器，所述应变传感器用于获取车辆的各个轮胎碾压应变区时产生的应变数据。

可选地，所述应变区为矩形应变区，所述多个单元为m×n个矩形单元，m和n均为正整数。

可选地，所述获取感应装置的应变区的系数矩阵，包括：

采用标定方法获取感应装置的矩形应变区的系数矩阵，包括：

将所述感应装置的矩形应变区划分为m×n个矩形单元后，在每个矩形单元分别作用预设大小的力f，针对任一矩形单元，在作用力f时获取所有应变传感器的示数，第x个应变传感器在第i行第j排个矩形单元作用力f时对应的系数a_x,i,j为：

a_x,i,j＝S_x,i,j/f，

其中，x的取值从1取到Ny，Ny为每个矩形应变区的应变传感器的数量，i的取值从1取到m，j的取值从1取到n，m为矩形应变区划分的矩形单元的行数，n为矩形应变区划分的矩形单元的列数，S_x,i,j为在第i行第j排个矩形单元作用力f时第x个应变传感器的示数；

所述第x个应变传感器对应的系数矩阵A_x为：

或者，

采用理论分析，通过矩形应变区使用的材料的弹性参数以及矩形应变区的三维几何结构，计算出感应装置的矩形应变区的系数矩阵中的每一个系数；

或者，

采用数值仿真，通过有限元分析软件进行数值分析，计算出感应装置的矩形应变区的系数矩阵中的每一个系数。

可选地，在车轮碾压矩形应变区的过程中，以采样频率Fz采集所述感应装置中的应变传感器的示数，并按照所述应变传感器的排列和采集的时间顺序将采集的示数存储到第一示数矩阵中：第x个应变传感器的第t个示数为s'_t,x，将s'_t,x存放在第一示数矩阵S'的第t行第x列，则所述第一示数矩阵S′为：

其中，t＝1，2，…，Nc，Nc为Ny个应变传感器在车轮碾压矩形应变区的过程中从示数不为零到示数全为零的过程中的采样点数，Ny为每个矩形应变区的应变传感器的数量。

可选地，所述获取车轮通过应变区时的速度，包括：

在车轮碾压矩形应变区的过程中，通过第一公式获取车轮通过矩形应变区时的速度v；

所述第一公式为：

v＝L/(t2-t1)

其中，L为所述感应装置中相邻两排矩形应变区的间隔，车轮按照行驶方向依次碾压第1排矩形应变区和第2排矩形应变区，t1为车轮碾压第1排矩形应变区时第1排矩形应变区中的应变传感器有示数变化的时刻，t2为车轮碾压第2排矩形应变区时第2排矩形应变区中的应变传感器有示数变化的时刻。

可选地，所述第二示数矩阵S为：

其中，s_a,x＝s'_「a*Ns」,x，「」表示四舍五入取整，a和x是第二示数矩阵元素的下标，x的取值从1取到Ny，a的取值从1取到k+m-1，k是通过第二公式计算得到的，Ns表示每一个分压力方格对应包含采样点数，Ns是通过第三公式计算得到的，所述第二公式为：

其中，表示上取整，Lj为每一个分压力方格沿车辆行驶方向的长度，Lj是通过第四公式计算得到的，Lt为轮胎接地长度，Lt是通过第五公式计算得到的，所述第四公式为：

Lj＝Ly/m

其中，Ly为每个矩形应变区的长度；

所述第五公式为：

Lt＝(Nc+1)×v/Fz-Ly

其中，Fz为采样频率；

所述第三公式为：

Ns＝Lj/v×Fz。

可选地，由所述系数矩阵、所述第二示数矩阵和压力矩阵构建的线性方程组的求解方法具体包括：

在车辆行驶过程中矩形应变区中每个应变传感器包含(k+m-1)个第二示数矩阵S中的示数，针对其中任一示数，根据不同的应变传感器，获得Ny个线性方程；

从中选取n个方程使得组成的方程组的系数矩阵满秩，求得与该时刻示数对应的n个分压力，以此类推进而求解出压力矩阵中的每个分压力。

可选地，由所述系数矩阵、所述第二示数矩阵和压力矩阵构建的线性方程组的求解方法具体包括：

用矩阵形式来表示由所述系数矩阵、所述第二示数矩阵和压力矩阵构建的线性方程组：

C·[F₍₁₎、F₍₂₎、…F_(k)]^T＝[S₍₁₎、S₍₂₎、…S_(k+m-1)]^T

其中，C为系数矩阵A_x的变形矩阵，是Ny个系数矩阵的综合矩阵，[F₍₁₎、F₍₂₎、…F_(k)]为所有分压力组成的向量，S₍₁₎、S₍₂₎、…S_(k+m-1)为第二示数矩阵中所有示数组成的向量；

令p＝[F₍₁₎、F₍₂₎、…F_(k)]^T，d＝[S₍₁₎、S₍₂₎、…S_(k+m-1)]^T，将所述线性方程组写成第一方程组：C·p＝d，则所述第一方程组的误差函数为：f(p)＝(C·p-d)²；

针对所述误差函数，通过限制条件为p的所有元素大于等于0，求出使得f(p)的值最小的p，p中的所有元素对应压力矩阵中的每个分压力。

第二方面，本发明提供一种轮胎接地面的压力分布检测系统，包括：感应装置和轮胎接地面的压力分布检测装置；

所述感应装置包括：设置在道路上的多个应变区；每个应变区的上表面与道路路面平行，每个应变区均设置有预设排数的应变传感器，所述应变传感器用于获取车辆的各个轮胎碾压应变区时产生的应变数据；

所述轮胎接地面的压力分布检测装置包括：第一获取模块、第二获取模块、转换模块和第三获取模块；其中：

所述第一获取模块，用于获取感应装置的应变区的系数矩阵，所述系数矩阵是指将所述感应装置的应变区划分为多个单元后，每个单元上作用的力与应变片示数间的比例系数组成的矩阵；

所述第二获取模块，用于在车轮碾压应变区的过程中，采集所述感应装置中的应变传感器的示数，并按照所述应变传感器的排列及采集的时间顺序将采集的示数存储到第一示数矩阵中，同时获取车轮通过应变区时的速度；

所述转换模块，用于根据所述系数矩阵、所述应变传感器的示数、所述车轮通过应变区时的速度，将第一示数矩阵转换为第二示数矩阵；

所述第三获取模块，用于构建所述系数矩阵、所述第二示数矩阵和压力矩阵的线性方程组，并求解出压力矩阵中的每个分压力，进而获得轮胎接地面的压力分布，所述压力矩阵是按照所述应变区划分单元的几何尺寸划分轮胎接地面的压力，其所有分压力组成的矩阵。

可选地，所述轮胎接地面的压力分布检测装置还包括：

预警提示模块，用于根据所述第三模块获得的轮胎压力分布和预设轮胎极限参数，判断车辆轮胎压力是否超过安全阈值，进而控制警报开关。

由上述技术方案可知，本发明的轮胎接地面的压力分布检测方法及系统，可以通过安装在道路上的设备检测车胎接地面的压力分布情况，检测结果更精确。本发明实施例无需对被检测车辆进行任何改动，且在车辆正常行驶过程中实现检测，不影响交通，设备均摊成本低廉，自动化程度高。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的轮胎接地面的压力分布检测方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的感应装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的图2中任一矩形应变区的一种结构示意图；

图4为本发明一实施例提供的轮胎接地面的压力分布检测系统的结构示意图；

图5为图4中的轮胎接地面的压力分布检测装置的结构示意图；

图6为轮胎碾压矩形应变区过程中的系数、压力、示数间的关系示意图；

图7为图1中任一矩形应变区内系数矩阵的示意图；

图8为本发明另一实施例提供的图1中的感应装置的另一种结构示意图；

附图标记：

0、车轮；1、应变区；2、应变传感器；3、支撑柱；4、车辆；5、固接支撑区；11、感应装置；12、轮胎接地面的压力分布检测装置；12a、第一获取模块；12b、第二获取模块；12c、转换模块；12d、第三获取模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他的实施例，都属于本发明保护的范围。

应说明的是，在物理学与系统理论中，叠加原理(superposition principle)，也叫叠加性质(superposition property)，说的是对任何线性系统“在给定地点与时间，由两个或多个刺激产生的合成反应是由每个刺激单独产生的反应之和。”本发明实施例正是利用叠加原理，对轮胎接地面的压力分布情况进行检测。

图1示出了本发明一实施例提供的轮胎接地面的压力分布检测方法的流程示意图，如图1所示，本实施例的轮胎接地面的压力分布检测方法如下所述。

S1、获取感应装置的应变区的系数矩阵，所述系数矩阵是指将所述感应装置的应变区划分为多个单元后，每个单元上作用的力与应变片示数间的比例系数组成的矩阵。

其中，如图2所示，所述感应装置11包括：设置在道路上的多个应变区1；每个应变区1的上表面与道路路面平行，每个应变区1均设置有预设排数的应变传感器2，所述应变传感器2用于获取车辆4的各个轮胎碾压应变区1时产生的应变数据。

在具体应用中，所述应变传感器2可优选设置装于所述应变区1的下表面。

在具体应用中，所述多个应变区优先以M排N列方式排列，M为大于等于2的整数，N为正整数。举例来说，若车辆4只具有四个车轮0，则N＝2，两列应变区分别用于获取车辆的左右两边的轮胎对其碾压时产生的应变大小的示数。

在具体应用中，如图3所示，所述应变区可以优选为矩形应变区。

进一步地，每个矩形应变区可以通过支撑其边缘的多个支撑柱或设置固结区将其固定在道路上。

在具体应用中，所述多个单元可以优选为m×n个矩形单元，m和n均为正整数。

S2、在车轮碾压应变区的过程中，采集所述感应装置中的应变传感器的示数，并按照所述应变传感器的排列及采集的时间顺序将采集的示数存储到第一示数矩阵中，同时获取车轮通过应变区时的速度。

S3、根据所述系数矩阵、所述应变传感器的示数、所述车轮通过应变区时的速度，将第一示数矩阵转换为第二示数矩阵。

在具体应用中，所述第二示数矩阵为与轮胎压力等效分解的细小程度对应的矩阵。

S4、构建所述系数矩阵、所述第二示数矩阵和压力矩阵的线性方程组，并求解出压力矩阵中的每个分压力，进而获得轮胎接地面的压力分布，所述压力矩阵是按照所述应变区划分单元的几何尺寸划分轮胎接地面的压力，其所有分压力组成的矩阵。

本实施例的轮胎接地面的压力分布检测方法，基于图4所示实施例所述的轮胎接地面的压力分布检测系统，应用于轮胎接地面的压力分布检测装置中，通过获取感应装置的应变区的系数矩阵；在车轮碾压应变区的过程中，采集所述感应装置中的应变传感器的示数，并按照所述应变传感器的排列及采集的时间顺序将采集的示数存储到第一示数矩阵中，同时获取车轮通过应变区时的速度；根据所述系数矩阵、所述应变传感器的示数、所述车轮通过应变区时的速度，将第一示数矩阵转换为第二示数矩阵；构建所述系数矩阵、所述第二示数矩阵和压力矩阵的线性方程组，并求解出压力矩阵中的每个分压力，进而获得轮胎接地面的压力分布。可以通过安装在道路上的设备检测车胎接地面的压力分布情况，检测结果更精确。本发明实施例无需对被检测车辆进行任何改动，且在车辆正常行驶过程中实现检测，不影响交通，设备均摊成本低廉，自动化程度高。

下面以图2所示的感应装置为例对本实施例的轮胎接地面的压力分布检测方法进行更详细的说明。

图2所示的感应装置采用4个矩形应变区以2×2的方式排布，每个应变区的结构如图3所示。所述4个应变区中的两列的矩形应变区分别用于检测车辆的左右两边的轮胎对其碾压时产生的应变大小，前后两排的结构用于计算车轮速度。应变区长度Ly，宽度Wy，两排间距为L，每个矩形应变区的上表面与道路路面平行，每个矩形应变区中均设置有一排应变传感器，其间隔可在3mm到50mm之间，每排包含应变传感器Ny个，应变传感器的采样率为Fz。

下面的说明中，说明的是利用本实施例所述方法检测图2中任一矩形应变区的压力分布的方法。

针对图2中任一矩形应变区，本实施例的轮胎接地面的压力分布检测方法，包括步骤P1-P4：

P1、获取感应装置的矩形应变区的系数矩阵，所述系数矩阵是指将所述感应装置的矩形应变区划分为m×n个矩形单元后，每个矩形单元上作用的力与应变片示数间的比例系数组成的矩阵，m和n均为正整数。

可以理解的是，所述系数矩阵是指，根据叠加原理，将轮胎压力的作用效果分解成一系列小的分力单独左右时的作用效果的和成，即应变示数s＝a₁f₁+a₂f₂+…+a_if_i，每一个分力f_i所对应的系数a_i，所有a_i组合起来产生一个系数矩阵。

在具体应用中，获取感应装置的矩形应变区的系数矩阵的方法包括但不限于：

采用理论分析，通过矩形应变区使用的材料的弹性参数以及矩形应变区的三维几何结构，计算出感应装置的矩形应变区的系数矩阵中的每一个系数；

或者，

采用数值仿真，通过有限元分析软件进行数值分析，计算出感应装置的矩形应变区的系数矩阵中的每一个系数；

或者，

采用标定方法获取感应装置的矩形应变区的系数矩阵。

具体地，本实施例可优先采用标定方法获取感应装置的矩形应变区的系数矩阵，可以包括：

将所述感应装置的矩形应变区划分为m×n个矩形单元后，可参考图6，可把每个矩形单元看作一个小面积的力的作用区，在每个矩形单元分别作用预设大小的力f，针对任一矩形单元，在作用力f时获取所有应变传感器的示数，第x个应变传感器在第i行第j排个矩形单元作用力f时对应的系数a_x,i,j为：

a_x,i,j＝S_x,i,j/f (1)

其中，x的取值从1取到Ny，Ny为每个矩形应变区的应变传感器的数量，i的取值从1取到m，j的取值从1取到n，m为矩形应变区划分的矩形单元的行数，n为矩形应变区划分的矩形单元的列数，S_x,i,j为在第i行第j排个矩形单元作用力f时第x个应变传感器Px的示数；

所述第x个应变传感器对应的系数矩阵A_x为：

可以理解的是，依次对矩形应变区的所有矩形单元进行施力标定即可获得系数矩阵中的所有系数。对于第x个应变传感器Px，不同位置的系数组合到一起，会形成一个系数矩阵A_x，Ny个应变传感器对应有Ny个系数矩阵。

P2、在车轮碾压矩形应变区的过程中，采集所述感应装置中的应变传感器的示数，并按照所述应变传感器的排列及采集的时间顺序将采集的示数存储到第一示数矩阵中，同时获取车轮通过矩形应变区时的速度。

可以理解的是，在无车轮碾压矩形应变区时，矩形应变区中的应变传感器的示数为零；当车轮碾压矩形应变区时，应变传感器的示数发生改变。在车轮碾压矩形应变区的过程中，以采样频率Fz采集所述感应装置中的应变传感器的示数，并按照所述应变传感器的排列和采集的时间顺序将采集的示数存储到第一示数矩阵中：第x个应变传感器的第t个示数为s'_t,x，将s'_t,x存放在第一示数矩阵S'的第t行第x列，则所述第一示数矩阵S′为：

其中，t＝1，2，…，Nc，Nc为Ny个应变传感器在车轮碾压矩形应变区的过程中从示数不为零到示数全为零的过程中的采样点数，Ny为每个矩形应变区的应变传感器的数量。

在具体应用中，本实施例以平均速度作为车轮通过矩形应变区时的速度，以两排应变传感器的示数峰值的时间差作为车轮通过两排应变区的时间，这期间的平均速度为两排应变区之间的距离差除以上述时间差，即步骤P2中的“获取车轮通过矩形应变区时的速度”，可以包括：

在车轮碾压矩形应变区的过程中，通过第一公式获取车轮通过矩形应变区时的速度v；

所述第一公式为：

v＝L/(t2-t1) (4)

其中，L为所述感应装置中两排矩形应变区的间隔，车轮按照行驶方向依次碾压第1排矩形应变区和第2排矩形应变区，t1为车轮碾压第1排矩形应变区时第1排矩形应变区中的应变传感器有示数变化的时刻，t2为车轮碾压第2排矩形应变区时第2排矩形应变区中的应变传感器有示数变化的时刻。

P3、根据所述系数矩阵、所述应变传感器的示数、所述车轮通过矩形应变区时的速度，将第一示数矩阵转换为与轮胎压力等效分解的细小程度对应的第二示数矩阵。

可以理解的是，由于采样频率的限制，导致采集到的第一示数矩阵很可能不是和轮胎压力等效分解的细小程度完全对应的，因此需要将第一示数矩阵S'转换为与轮胎压力等效分解的细小程度对应的第二示数矩阵S。

在具体应用中，所述第二示数矩阵S为：

其中，s_a,x＝s'「a*Ns」,x，「」表示四舍五入取整，a和x是第二示数矩阵元素的下标，x的取值从1取到Ny，a的取值从1取到k+m-1，k是通过第二公式计算得到的，所述第二公式为：

其中，表示上取整，Lj为每一个分压力方格沿车辆行驶方向的长度，Lj是通过第四公式计算得到的，所述第四公式为：

Lj＝Ly/m (7)

其中，Ly为每个矩形应变区的长度；

Lt为轮胎接地长度，由于S'为Nc乘Ny的矩阵，即每个应变传感器一共有Nc个采样点，则Lt是通过第五公式计算得到的，

所述第五公式为：

Lt＝(Nc+1)×v/Fz-Ly (8)

其中，Fz为采样频率；

Ns表示每一个分压力方格对应包含采样点数，Ns是通过第三公式计算得到的，所述第三公式为：

Ns＝Lj/v×Fz (9)。

P4、构建所述系数矩阵、所述第二示数矩阵和压力矩阵的线性方程组，并求解出压力矩阵中的每个分压力，进而获得轮胎接地面的压力分布，所述压力矩阵是按照所述应变区划分单元的几何尺寸划分轮胎接地面的压力，其所有分压力组成的矩阵。

可以理解的是，对于第x个应变传感器的第1个示数s_1,x，有下式成立：

A_x,m,1×f_1,1+a_x,m,2×f_1,2+…+a_x,m,n×f_1,n＝s_1,x (10)

为了更加清楚地书写和说明这些等式，以下用向量方式来表示它们。以下用A_(x,i)表示向量[a_x,i,1a_x,i,2…a_x,i,n]，其中i从1取到m，用F_(i)表示向量[f_i,1f_i,2…f_i,n]，其中i从1取到k。于是上式可以表示为向量形式：

A_(x,m)·F₍₁₎ ^T＝s_(1,x) (11)

需要注意的是，由于x从1取到Ny，则有上述等式有Ny个。

同样，对于第x个应变传感器的第2个示数s_(2,x)，有下式成立：

A_(x,m-1)·F₍₁₎ ^T+A_(x,m)·F₍₂₎ ^T＝s_(2,x) (12)

因为传感器个数为Ny，则可以得到Ny个这样的方程。

上述方程和轮胎的碾压状态如图6所示。按照上述方式递推，由于S中元素一个共(k+m-1)×Ny个，则有线性方程个数(k+m-1)×Ny个。这些方程的未知数是压力的分力，分力个数k×n个。所有方程构成一个方程组，方程组形式为：C·[F₍₁₎、F₍₂₎、…F_(k)]^T＝[S₍₁₎、S₍₂₎、…S_(k+m-1)]^T，其中C是一个矩阵，[F₍₁₎、F₍₂₎、…F_(k)]是所有分压力组成的向量，[S₍₁₎、S₍₂₎、…S_(k+m-1)]是所有示数组成的向量。

可以理解的是，轮胎的压力分解成分力的个数k是与轮胎的接地长度Lt以及轮胎压力等效分解的细小程度有关的，而方程的个数等于第二示数矩阵S的元素的个数。为了更加精确地求解轮胎接地面压力分布，则需要对胎压进行更加细化的划分，也就增加了未知数的个数。相应地，需要增加应变传感器的个数，达到增加方程的个数，保证求解未知数的可行性。

在具体应用中，在步骤P4中在构建所述系数矩阵、所述第二示数矩阵和压力矩阵的线性方程组后，求解出压力矩阵中的每个分压力可以包括两种方法。

其中，第一种求解方法，可以包括：

在车辆行驶过程中矩形应变区中每个应变传感器包含(k+m-1)个第二示数矩阵S中的示数，针对其中任一示数，根据不同的应变传感器，获得Ny个线性方程；

从获得的Ny个线性方程中选取n个方程使得组成的方程组的系数矩阵满秩，求得与该时刻示数对应的n个分压力，以此类推进而求解出压力矩阵中的每个分压力，具体地，可以包括：

一、求解F₍₁₎：

对于方程：A_(x,m)·F₍₁₎ ^T＝s_(1,x)，x从1取到Ny时，该方程共Ny个。由于系数向量A_(x,m)和右边的s_(1,x)是已知的，未知数F₍₁₎有n个元素，则理论上取前n个方程则可以唯一解出F₍₁₎来，但由于前n个方程组成的方程组的系数矩阵不一定满秩，则并不能唯一确定F₍₁₎。这时，多出来的方程可以用作备用方程，也就是在Ny个方程中找出n个方程使得组成的方程组的系数矩阵满秩，则能唯一确定F₍₁₎。找出这n个方程的方法可以是穷举试错法，一旦找到合适组合就跳出循环。也可以使用其它寻找满秩方程组的方法。

二、求解F₍₂₎：

对于第x个应变传感器的第2个示数s_(2,x),，有方程：

A_(x,m-1)·F₍₁₎ ^T+A_(x,m)·F₍₂₎ ^T＝s_(2,x) (13)

由于F₍₁₎已经在上一步求出了，于是本方程只有未知数F₍₂₎，其中元素共n个。于是上述方程变换成下面这种形式：

A_(x,m)·F₍₂₎ ^T＝s_(2,x)-A_(x,m-1)·F₍₁₎ ^T (14)

和求F₍₁₎一样，有应变传感器Ny个，即上述方程Ny个，在其中选取n个方程，组成一个系数矩阵满秩的方程组，可以唯一确定F₍₂₎。

三、求F_(i)：

按照上述方式，依次利用s_(3,x)、s_(4,x)、…s_(k,x)可以依次求出F₍₃₎、F₍₄₎、…F_(k)。

于是，可以求解出将轮胎接地面的压力划分成的所有分压力，进而可以确定轮胎接地面的压力分布。

由于上述对线性方程组的求解方法使用到的仅仅是部分已知方程进行求解，在另一具体应用中，可以采用第二种求解方法确定F(1)、F(2)、…F(21)，其它步骤与实施例1相同，本实施例只说明与上述对线性方程组的求解方法不同的部分，即第二种求解方法，可以包括：

由于第二示数矩阵中的s_(k+1,x)、s_(k+2,x)、…s_(k+m-1,x)并未使用，且每次只使用Ny个方程中的n个；若将这些方程都用到，需要采用计算量更大的优化算法；将这些方程都放到一起，用矩阵形式来表示由所述系数矩阵、所述第二示数矩阵和压力矩阵构建的线性方程组，得到：

C·[F₍₁₎、F₍₂₎、…F_(k)]^T＝[S₍₁₎、S₍₂₎、…S_(k+m-1)]^T (15)

其中，C为系数矩阵A_x的变形矩阵，是Ny个系数矩阵的综合矩阵，可通过上述第一种方法中同样的方式确定；[F₍₁₎、F₍₂₎、…F_(k)]为所有分压力组成的向量，S₍₁₎、S₍₂₎、…S_(k+m-1)为第二示数矩阵中所有示数组成的向量。

用矩阵形式来表示由所述系数矩阵、所述第二示数矩阵和压力矩阵构建的线性方程组，方程的总个数为(k+m-1)×Ny，未知数个数为k×n，在(k+m-1)×Ny大于k×n时，该线性方程组为超定方程组，通常情况下无解，此时可利用最优化方法求其最小二乘解：

令p＝[F₍₁₎、F₍₂₎、…F_(k)]^T，d＝[S₍₁₎、S₍₂₎、…S_(k+m-1)]^T，将所述线性方程组写成第一方程组：C·p＝d，令第一方程组的误差函数为每个方程的误差的平方和，则所述第一方程组的误差函数为：

f(p)＝(C·p-d)² (16)

针对所述误差函数(16)，求出使得f(p)的值最小的p，p中的所有元素对应压力矩阵中的每个分压力。

可以理解的是，由于轮胎力为压力，不会有拉力，通过p的限制条件为p的所有元素大于等于0，可将该问题转换成一个有约束线性最小二乘问题，该问题可以求得符合约束条件的最优值p。在最优化算法领域有成熟的求解方法，具体步骤不在此赘述，所求得的p就是F所有元素的值，也就求得了轮胎的胎压分布。

本实施例的轮胎接地面的压力分布检测方法，可以实现通过安装在道路上的设备检测车胎接地面的压力分布情况，检测结果更精确。本发明实施例无需对被检测车辆进行任何改动，且在车辆正常行驶过程中实现检测，不影响交通，设备均摊成本低廉，自动化程度高。

本实施例利用叠加原理，将轮胎接地面压力视为多个分压力的组合，以应变传感器示数、车轮速度、应变区长度、采样频率、应变区系数矩阵，生成一个以轮胎接地面分压力为未知数的线性方程组，可灵活运用多种方法求解分压力，从而实现压力分布的精确检测。

图4示出了本发明一实施例提供的轮胎接地面的压力分布检测系统的结构示意图，如图4所示，本实施例的轮胎接地面的压力分布检测系统，包括：感应装置11和轮胎接地面的压力分布检测装置12；

如图2所示，所述感应装置11可以包括：设置在道路上的多个应变区1；每个应变区1的上表面与道路路面平行，每个应变区1均设置有预设排数的应变传感器2，所述应变传感器2用于获取车辆4的各个轮胎碾压应变区1时产生的应变数据；

如图5所示，所述轮胎接地面的压力分布检测装置12包括：第一获取模块12a、第二获取模块12b、转换模块12c和第三获取模块12d；其中：

第一获取模块12a，用于获取感应装置的应变区的系数矩阵，所述系数矩阵是指将所述感应装置的应变区划分为多个单元后，每个单元上作用的力与应变片示数间的比例系数组成的矩阵；

第二获取模块12b，用于在车轮碾压应变区的过程中，采集所述感应装置中的应变传感器的示数，并按照所述应变传感器的排列及采集的时间顺序将采集的示数存储到第一示数矩阵中，同时获取车轮通过应变区时的速度；

转换模块12c，用于根据所述系数矩阵、所述应变传感器的示数、所述车轮通过应变区时的速度，将第一示数矩阵转换为第二示数矩阵；

第三获取模块12d，用于构建所述系数矩阵、所述第二示数矩阵和压力矩阵的线性方程组，并求解出压力矩阵中的每个分压力，进而获得轮胎接地面的压力分布，所述压力矩阵是按照所述应变区划分单元的几何尺寸划分轮胎接地面的压力，其所有分压力组成的矩阵。

在具体应用中，所述应变传感器2可优选设置装于所述应变区1的下表面。

在具体应用中，所述多个应变区优先以M排N列方式排列，M为大于等于2的整数，N为正整数。举例来说，若车辆4只具有四个车轮0，则N＝2，两列应变区分别用于获取车辆的左右两边的轮胎对其碾压时产生的应变大小的示数。

在具体应用中，如图3所示，所述应变区可以优选为矩形应变区。

进一步地，每个矩形应变区可以通过支撑其边缘的多个支撑柱或设置固结区将其固定在道路上。

在具体应用中，所述多个单元可以优选为m×n个矩形单元，m和n均为正整数。

本实施例中的轮胎接地面的压力分布检测装置12，可以用于执行前述方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，可参考上述方法实施例，此处不再赘述。

在具体应用中，所述轮胎接地面的压力分布检测装置12还可以包括图中未示出的：

预警提示模块，用于根据所述第三模块获得的轮胎压力分布和预设轮胎极限参数，判断车辆轮胎压力是否超过安全阈值，进而控制警报开关。

本实施例的轮胎接地面的压力分布检测系统，通过轮胎接地面的压力分布检测装置获取所述感应装置获取的数据，并根据所述感应装置获取的数据，得到轮胎接地面的压力分布，可以实现通过安装在道路上的设备检测车胎接地面的压力分布情况，检测结果更精确。本发明实施例无需对被检测车辆进行任何改动，且在车辆正常行驶过程中实现检测，不影响交通，设备均摊成本低廉，自动化程度高。

图8示出另本发明另一实施例提供的图5中的感应装置的另一种结构示意图，如图8所示，该感应装置包含一个矩形应变区，上表面与路面保持水平，用于承受轮胎压力，并产生形变；两个固接支撑区，位于应变区前后两端，用于固定和支撑应变区；三排应变传感器，设置于矩形应变区中，用于采集应变区固定位置的应变大小。所述应变传感器可优选设置装于矩形应变区下表面，其轮胎接地面压力分布的计算方式与图1所示实施例所述方法相同，此处不再赘述。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而能够理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释呈反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明并不局限于任何单一的方面，也不局限于任何单一的实施例，也不局限于这些方面和/或实施例的任意组合和/或置换。而且，可以单独使用本发明的每个方面和/或实施例或者与一个或更多其他方面和/或其实施例结合使用。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种轮胎接地面的压力分布检测方法，其特征在于，包括：

获取感应装置的应变区的系数矩阵，所述系数矩阵是指将所述感应装置的应变区划分为多个单元后，每个单元上作用的力与应变片示数间的比例系数组成的矩阵；

在车轮碾压应变区的过程中，采集所述感应装置中的应变传感器的示数，并按照所述应变传感器的排列及采集的时间顺序将采集的示数存储到第一示数矩阵中，同时获取车轮通过应变区时的速度；

根据所述系数矩阵、所述应变传感器的示数、所述车轮通过应变区时的速度，将第一示数矩阵转换为第二示数矩阵；

构建所述系数矩阵、所述第二示数矩阵和压力矩阵的线性方程组，并求解出压力矩阵中的每个分压力，进而获得轮胎接地面的压力分布，所述压力矩阵是按照所述应变区划分单元的几何尺寸划分轮胎接地面的压力，其所有分压力组成的矩阵；

其中，所述感应装置包括：设置在道路上的多个应变区；每个应变区的上表面与道路路面平行，每个应变区均设置有预设排数的应变传感器，所述应变传感器用于获取车辆的各个轮胎碾压应变区时产生的应变数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述应变区为矩形应变区，所述多个单元为m×n个矩形单元，m和n均为正整数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取感应装置的应变区的系数矩阵，包括：

采用标定方法获取感应装置的矩形应变区的系数矩阵，包括：

将所述感应装置的矩形应变区划分为m×n个矩形单元后，在每个矩形单元分别作用预设大小的力f，针对任一矩形单元，在作用力f时获取所有应变传感器的示数，第x个应变传感器在第i行第j排个矩形单元作用力f时对应的系数a_x,i,j为：

a_x,i,j＝S_x,i,j/f，

其中，x的取值从1取到Ny，Ny为每个矩形应变区的应变传感器的数量，i的取值从1取到m，j的取值从1取到n，m为矩形应变区划分的矩形单元的行数，n为矩形应变区划分的矩形单元的列数，S_x,i,j为在第i行第j排个矩形单元作用力f时第x个应变传感器的示数；

所述第x个应变传感器对应的系数矩阵A_x为：

或者，

采用理论分析，通过矩形应变区使用的材料的弹性参数以及矩形应变区的三维几何结构，计算出感应装置的矩形应变区的系数矩阵中的每一个系数；

或者，

采用数值仿真，通过有限元分析软件进行数值分析，计算出感应装置的矩形应变区的系数矩阵中的每一个系数。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在车轮碾压矩形应变区的过程中，以采样频率Fz采集所述感应装置中的应变传感器的示数，并按照所述应变传感器的排列和采集的时间顺序将采集的示数存储到第一示数矩阵中：第x个应变传感器的第t个示数为s'_t,x，将s'_t,x存放在第一示数矩阵S'的第t行第x列，则所述第一示数矩阵S′为：

其中，t＝1，2，…，Nc，Nc为Ny个应变传感器在车轮碾压矩形应变区的过程中从示数不为零到示数全为零的过程中的采样点数，Ny为每个矩形应变区的应变传感器的数量。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述获取车轮通过应变区时的速度，包括：

在车轮碾压矩形应变区的过程中，通过第一公式获取车轮通过矩形应变区时的速度v；

所述第一公式为：

v＝L/(t2-t1)

其中，L为所述感应装置中相邻两排矩形应变区的间隔，车轮按照行驶方向依次碾压第1排矩形应变区和第2排矩形应变区，t1为车轮碾压第1排矩形应变区时第1排矩形应变区中的应变传感器有示数变化的时刻，t2为车轮碾压第2排矩形应变区时第2排矩形应变区中的应变传感器有示数变化的时刻。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二示数矩阵S为：

其中，s_a,x＝s'_「a*Ns」,x，「」表示四舍五入取整，a和x是第二示数矩阵元素的下标，x的取值从1取到Ny，a的取值从1取到k+m-1，k是通过第二公式计算得到的，Ns表示每一个分压力方格对应包含采样点数，Ns是通过第三公式计算得到的，所述第二公式为：

其中，表示上取整，Lj为每一个分压力方格沿车辆行驶方向的长度，Lj是通过第四公式计算得到的，Lt为轮胎接地长度，Lt是通过第五公式计算得到的，所述第四公式为：

Lj＝Ly/m

其中，Ly为每个矩形应变区的长度；

所述第五公式为：

Lt＝(Nc+1)×v/Fz-Ly

其中，Fz为采样频率；

所述第三公式为：

Ns＝Lj/v×Fz。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，由所述系数矩阵、所述第二示数矩阵和压力矩阵构建的线性方程组的求解方法具体包括：

在车辆行驶过程中矩形应变区中每个应变传感器包含(k+m-1)个第二示数矩阵S中的示数，针对其中任一示数，根据不同的应变传感器，获得Ny个线性方程；

从中选取n个方程使得组成的方程组的系数矩阵满秩，求得与该时刻示数对应的n个分压力，以此类推进而求解出压力矩阵中的每个分压力。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，由所述系数矩阵、所述第二示数矩阵和压力矩阵构建的线性方程组的求解方法具体包括：

用矩阵形式来表示由所述系数矩阵、所述第二示数矩阵和压力矩阵构建的线性方程组：

C·[F₍₁₎、F₍₂₎、…F_(k)]^T＝[S₍₁₎、S₍₂₎、…S_(k+m-1)]^T

其中，C为系数矩阵A_x的变形矩阵，是Ny个系数矩阵的综合矩阵，[F₍₁₎、F₍₂₎、…F_(k)]为所有分压力组成的向量，S₍₁₎、S₍₂₎、…S_(k+m-1)为第二示数矩阵中所有示数组成的向量；

令p＝[F₍₁₎、F₍₂₎、…F_(k)]^T，d＝[S₍₁₎、S₍₂₎、…S_(k+m-1)]^T，将所述线性方程组写成第一方程组：C·p＝d，则所述第一方程组的误差函数为：f(p)＝(C·p-d)²；

针对所述误差函数，通过限制条件为p的所有元素大于等于0，求出使得f(p)的值最小的p，p中的所有元素对应压力矩阵中的每个分压力。

9.一种轮胎接地面的压力分布检测系统，其特征在于，包括：感应装置和轮胎接地面的压力分布检测装置；

所述感应装置包括：设置在道路上的多个应变区；每个应变区的上表面与道路路面平行，每个应变区均设置有预设排数的应变传感器，所述应变传感器用于获取车辆的各个轮胎碾压应变区时产生的应变数据；

所述轮胎接地面的压力分布检测装置包括：第一获取模块、第二获取模块、转换模块和第三获取模块；其中：

所述第一获取模块，用于获取感应装置的应变区的系数矩阵，所述系数矩阵是指将所述感应装置的应变区划分为多个单元后，每个单元上作用的力与应变片示数间的比例系数组成的矩阵；

所述第二获取模块，用于在车轮碾压应变区的过程中，采集所述感应装置中的应变传感器的示数，并按照所述应变传感器的排列及采集的时间顺序将采集的示数存储到第一示数矩阵中，同时获取车轮通过应变区时的速度；

所述转换模块，用于根据所述系数矩阵、所述应变传感器的示数、所述车轮通过应变区时的速度，将第一示数矩阵转换为第二示数矩阵；

所述第三获取模块，用于构建所述系数矩阵、所述第二示数矩阵和压力矩阵的线性方程组，并求解出压力矩阵中的每个分压力，进而获得轮胎接地面的压力分布，所述压力矩阵是按照所述应变区划分单元的几何尺寸划分轮胎接地面的压力，其所有分压力组成的矩阵。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述轮胎接地面的压力分布检测装置还包括：

预警提示模块，用于根据所述第三模块获得的轮胎压力分布和预设轮胎极限参数，判断车辆轮胎压力是否超过安全阈值，进而控制警报开关。