CN106840521A - 一种轮胎动平衡监测系统及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮胎动平衡监测系统，其包括：监测模块，安装于轮胎上，用于检测车辆行驶中轮胎的振动幅值，并在所述振动幅值大于设定幅值时，发出轮胎不平衡信号；接收模块，所述接收模块用于接收所述轮胎不平衡信号。本发明还公开了一种轮胎动平衡监测方法，其包括以下步骤：步骤1、检测车辆行驶过程中的轮胎振动幅值；步骤2、在振动幅值大于设定幅值时发出轮胎不平衡信号。本发明可实时监测轮胎是否处于动平衡状态，并在不平衡时发送报警信号，提高车辆的行驶安全，保证生命和财产安全。

Description

一种轮胎动平衡监测系统及其监测方法

技术领域

本发明涉及车轮动平衡检测技术领域，尤其涉及一种轮胎动平衡监测系统和方法。

背景技术

随着我国汽车行业的飞速发展和汽车技术水平的提高，汽车可行驶速度越来越高，车轮不平衡对汽车安全性能的影响也越来越大。车轮不平衡产生的不平衡力的大小和方向在不断变化，一是整车有上下跳动的趋势，引起垂直方向的振动，影响汽车行驶平稳性;二是引起转向轮横向摆动，影响汽车操纵稳定性和行驶安全。更严重的还会造成轮胎、转向及传动系统零部件的冲击和磨损，缩短使用寿命。因此，汽车使用一段时间后，一定要对车轮进行动平衡检测。

因轮胎动平衡直接关系到车辆的行驶安全，为了保证广大人民群众的生命财产安全，《计量法》特意明确了对轮胎动平衡的测量要求，要求对各汽修企业以及4S在用的车轮动平衡机依法进行校准，由此可见轮胎动平衡对行车安全的重要性。

目前的车轮动平衡检测主要利用动平衡机检测，平衡机分为就车式与离车式，但是鉴于其工作原理，均不能在车辆行驶过程中对轮胎动平衡进行检测。需要车主在使用一段时间后主动到维修点去做检测，但是检测费时且需付费，所以很多车主在不更换轮胎的情况下都不会主动去检测动平衡。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种轮胎动平衡监测系统，可实时监测轮胎是否处于动平衡状态，并在不平衡时发送报警信号，提高车辆的行驶安全，保证生命和财产安全。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种轮胎动平衡监测系统，其包括：

监测模块，安装于轮胎上，用于检测车辆行驶中轮胎的振动幅值，并在振动幅值大于设定幅值时，发出轮胎不平衡信号；

接收模块，所述接收模块用于接收所述轮胎不平衡信号。

优选地，所述监测模块包括震动感应器、第二主控单元以及RF发射单元，所述震动感应器采集轮胎的振动信号，第二主控单元接收所述振动信号，并根据振动信号计算振动幅值，在所述振动幅值并在振动幅值大于设定幅值时，第二主控单元通过RF发射单元向接收模块发送轮胎不平衡信号。

优选地，所述震动感应器为震动开关、X轴加速度传感器、Z轴加速度传感器以及三轴加速度传感器中的任一种或多种。

优选地，所述监测模块还包括压力传感器，所述压力传感器用于采集轮胎的胎压信号，所述第二主控单元接收所述胎压信号并通过RF发射单元发送至接收模块。

优选地，所述监测模块为FXTH87系列TPMS集成传感器。

优选地，所述接收模块包括第一主控单元、RF接收单元以及报警单元，所述RF接收单元与RF发射单元相匹配，用于接收所述轮胎不平衡信号并将所述轮胎不平衡信号发送给第一主控单元，所述第一主控单元在收到轮胎不平衡信号后驱动报警单元进行报警。

本发明的目的之二在于提供一种轮胎动平衡监测方法，可实时监测轮胎是否处于动平衡状态，并在不平衡时发送报警信号，提高车辆的行驶安全，保证生命和财产安全

一种轮胎动平衡监测方法，其包括以下步骤：

步骤1、检测车辆行驶过程中的轮胎振动幅值；

步骤2、在振动幅值大于设定幅值时发出轮胎不平衡信号。

优选地，所述步骤1之前还包括以下步骤：

检测车辆当前车速，如果当前车速大于设定车速，则执行步骤1，否则，结束或等待下一次监测，所述当前车速通过Z轴加速度传感器采集的数据计算得到：

其中，其中V为车辆速度（m/s），A _z 为Z轴加速度传感器采集的加速度值，g为重力加速度，R ₁ 为轮胎外圈半径，R ₂ 为Z轴加速度传感器到轮胎中心位置的距离。

优选地，所述步骤1包括以下步骤：

步骤11、通过加速度传感器以一定间隔时间t采集n次车辆行驶过程中的加速度值，其中，n * t>T，T=2πR₁/V，T为轮胎转一圈所花的时间；

步骤12、通过统计分析法确定加速度值对应的振动幅值，所述统计分析法为全距法、百分位差法、四分位差法、方差法、标准差法、差异系数法、平均差法中的任一种。

优选地，述加速度传感器为一个或两个，当加速度传感器为两个时，步骤2中，判断发出轮胎不平衡信号的方法为以下两种方式中的任一种：

任意一加速度传感器检测得到的振动幅值大于其对应的设定幅值；

两个加速度传感器检测得到的振动幅值均大于其对应的设定幅值。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

1、提供了一种可实时监测轮胎动平衡的系统和方法，能在车辆行驶过程中检测轮胎的动平衡，一旦发现轮胎的平衡性有问题即可即时报警，用户可以再去维修点进行专业的测试与平衡调整，能提高车辆的行驶安全，保证广大人民群众的生命财产安全；

2、将轮胎动平衡融合到TPMS监测系统中，扩展了TPMS监测模块的功能，或者直接在现有TPMS监测模块上进行改进，用垂直和横向的两颗加速度传感器同时对轮胎在垂直或/和横向的振动进行监测，达到实时监测轮胎动平衡的功能，提高监测模块的价值，增加用户体验。

附图说明

图1为本发明轮胎动平衡监测系统的结构框图；

图2为监测模块的安装示意图；

图3为监测模块的电路原理框图；

图4为图3中第二主控单元的电路原理图；

图5为图3中RF发射单元的电路原理图；

图6为图3中第二电源单元的电路原理图；

图7为接收模块的原理框图；

图8为图7中第一主控单元的电路原理图；

图9为图7中第一电源单元的电路原理图；

图10为LCD驱动电路的电路原理图；

图11为图7中报警单元的电路原理图；

图12为图7中RF接收单元的电路原理图；

图13为轮胎动平衡监测方法的流程图。

其中：10、接收模块；11、第一主控单元；12、第一电源单元；13、显示单元；14、RF接收单元；15、报警单元；20、监测模块；21、X轴加速度传感器；22、Z轴加速度传感器；23、压力传感器；24、第二主控单元；25、RF发射单元；26、第二电源单元；30、轮胎。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

请参照图1和2所示，一种轮胎动平衡监测系统，其包括：监测模块20，安装于轮胎30上，用于检测车辆行驶中轮胎的振动幅值，并在振动幅值大于设定幅值时，发出轮胎不平衡信号；接收模块10，所述接收模块用于接收所述轮胎不平衡信号。监测模块20根据需要被监测的轮胎数量可以设置为一个或多个。

请参照图3所示，监测模块20包括震动感应器、第二主控单元24、RF发射单元25和第二电源单元26，所述震动感应器采集轮胎的振动信号，第二主控单元24接收所述振动信号，并根据振动信号计算振动幅值，在所述振动幅值并在振动幅值大于设定幅值时，第二主控单元通过RF发射单元向接收模块发送轮胎不平衡信号，第二电源单元26为第二主控单元24和RF发射单元25供电。所述震动感应器为震动开关、X轴加速度传感器、Z轴加速度传感器以及三轴加速度传感器中的任一种或多种，在本发明较佳的实施例中，采用了X轴加速度传感器21、Z轴加速度传感器22相结合的方案，同时，该监测模块20还包括压力传感器23（也可以同时包括温度传感器），所述压力传感器23用于采集轮胎的胎压信号，所述第二主控单元24接收所述胎压信号并通过RF发射单元25发送至接收模块，即将现有的TMPS胎压监测模块与震动感应器结合在一起，提高监测模块的价值和用户体验。

请参照图7所示，接收模块10包括第一主控单元11、RF接收单元14、显示单元13、报警单元15和第一电源单元12，所述RF接收单元14与RF发射单元25相匹配，用于接收所述轮胎不平衡信号并将所述轮胎不平衡信号发送给第一主控单元11，所述第一主控单元11在收到轮胎不平衡信号后驱动报警单元15进行报警。显示单元13用于实时显示轮胎的胎压信号，第一电源单元12为第一主控单元11、RF接收单元14和显示单元13供电。接收模块也可以将预警信号通过手机、原车仪表或其他设备显示或报警。

这里需要说明的是：

1、第二主控单元24可以只接收振动信号，然后将振动信号发送给第一主控单元11，第一主控单元11对振动信号进行计算处理后得到振动幅值，在振动幅值大于设定幅值时，通知报警单元15报警，通过显示单元13实时显示振动幅值；

2、第二主控单元24可以是接收振动信号并对振动信号进行计算处理后得到振动幅值，然后将振动幅值发送给第一主控单元11，第一主控单元11对振动幅值进行判断，在振动幅值大于设定幅值时，通知报警单元15报警，也可以通过显示单元13实时显示振动幅值。

为了公开充分，在本发明较佳的实施例中，公开了监测模块20和接收模块10的具体电路，但是并不意味着本发明监测模块20和接收模块10只能通过该公开的具体电路实现，任何满足上述原理的电路均在本发明的保护范围内。

监测模块20整体采用飞思卡尔FXTH87系列TPMS集成传感器，当然也可以采用其他SOC的芯片方案、或者采用分立元件的方案来实现同样的功能。该飞思卡尔FXTH87系列TPMS集成传感器在第二主控单元24（图4所示的芯片U1及其外围电路）的基础上集成有温度传感器、压力传感器、X轴加速度传感器以及Z轴加速度传感器（未示出，这些传感器集成在芯片U1的内部），同时，将RF发射单元25（图5所示）也集成在该第二主控单元24（RF发射单元25的输出端连接于芯片U1的第11端口）上。

RF发射单元25主要包括偏置电路、第一滤波电路、隔直电路和发射天线，其中，隔直电路包括电容C11和电容C14，第一滤波电路为由电感L3、电容C12和电容C13组成的π型滤波电路，偏置电路包括电阻R1和由电感L2和电容C10组成的第二滤波电路组成，芯片U1的第11端口依次通过电容C11、电感L3、电容C14连接到发射天线，电容C12和电容C13的一端分别连接于电感L3的两端，二者的另一端均接地，第二电源单元26的输出端通过电阻R1和电感L2后连接于芯片U1的第11端口和电容C11之间，电容C10一端接地，另一端连接于电阻R1和电感L2之间。

请参照图6所示，第二电源单元26主要由电池B100经过电容C17、电容C2和电容C3组成的多级滤波电路构成，产生电源电压，由于飞思卡尔FXTH87系列TPMS集成传感器最高供电电压是3.6V，则该电源电压一般控制在3.6V以下，例如可以通过两节干电池串联形成3.0V的电源，电池B100和电容C17、电容C2和电容C3并联关系。

第一主控单元11主要由芯片U4及其外围电路组成，请参照图8所示，芯片U4可以采用一般单片机，例如STM8L052C8T6等。第一电源单元12如图9所示，主要由第一滤波电路、稳压电路U19和第二滤波电路组成，其中，车载电源经过开关S4（拨动开关）连接到稳压电路U19（例如三态稳压电路），然后经稳压电路U19输出电源信号VCC为显示单元13、第一主控单元11和RF接收单元14供电。第一滤波电路由并联的电容C32和电容C18组成，二者并联后的一端连接于开关S4和稳压电路U19的输入端之间，另一端接地；而第二滤波电路由并联的电解电容C20和电容C19组成，二者并联后的一端连接于稳压电路U19的输出端，另一端接地。

显示单元13由LCD、LCD驱动电路以及背光电路组成，其中，LCD驱动电路连接于第一主控单元11和LCD之间，LCD驱动电路如图10所示，其主要有芯片U28及其外围电路组成，芯片U28通过串行数据线和时钟线与芯片U4连接，然后芯片U28通过数据线连接于LCD上，背光电路直接与芯片U4的使能端相连，通过芯片U4对背光电路进行控制。

报警单元15可以采用声/光报警，在本发明较佳的实施例中，采用蜂鸣器实现声音报警，请参照图11所示，其主要由作为开关管的三极管Q8和蜂鸣器B1组成，其中，三极管Q8的基极连接于芯片U4的报警控制输出端（第20端口），三极管Q8的集电极通过蜂鸣器B1连接于一外接电源（可以是5V车载电源），三极管Q8的发射极接地，当有轮胎不平衡信号被芯片U4接收时，芯片U4的报警控制输出端输出高电平，三极管Q8导通，蜂鸣器B1报警。

RF接收单元14主要由RF接收芯片U3、其外围电路以及滤波电路、放大电路和接收天线组成，其中，接收天线采用螺旋天线，接收天线接收发射天线处传送的信号后经过滤波（包括隔直）、放大、滤波（包括隔直）后发送给RF接收芯片U3，由RF接收芯片U3连接至芯片U4的串行外设接口。

请参照图13所示，上述轮胎动平衡监测系统实现监测轮胎动平衡的方法包括以下步骤：

步骤1、通过Z轴加速度传感器实时采集轮胎在Z轴（垂直方向，如图2所示，即轮胎的径向）的加速度值A _z ，由于Z轴方向是车轮离心力方向，所以可以利用Z轴加速度值计算车辆的当前速度V：

其中，其中V为车辆速度（m/s），A _z 为Z轴加速度传感器采集的加速度值，g为重力加速度，R ₁ 为轮胎外圈半径，R ₂ 为Z轴加速度传感器到轮胎中心位置的距离；

步骤2、因车轮在低速行驶时轮胎振动不明显，且检测需要消耗监测模块的电量，因此需要设定一个车速的阈值V_m（为设定车速值），仅当车速V≥V_m时才开始检测，因此，在当前车速小于阈值V_m时，等待下一次检测信号的到来（从步骤1开始重新检测），在当前车速不小于阈值V_m时，执行步骤3；

步骤3、计算Z轴振动幅值，其方法是：

利用Z轴加速度传感器监测轮胎在垂直方向的振动，当轮胎在垂直方向抖动时会影响Z轴加速度值的大小，考虑到Z轴的加速度值会随着车速增大而增大，且Z轴加速度传感器在轮胎旋转过程中还有一个方向带来的±1g，通过对应的算法将Z轴加速度值变化转化为垂直方向的振动等级。

具体是：依照检测间隔t来测量n个Z轴加速度值，Z₁，Z₂，Z₃……Z_n，然后利用统计分析方法计算出n个值的差异程度，以确定轮胎在Z轴的振动幅度:ΔZ。具体统计分析方法可以是全距、百分位差、四分位差、方差、标准差、差异系数、平均差等。

需要说明的是：

选择n与t时需要满足以下条件：

1)n * t>T，因至少需要测量轮胎转动一圈的振动；

为保证能测量到轮胎转到每个角度的振动，一般选取12*t<T，T:轮胎转一圈所花的时间，公式：T=2πR₁/V。

步骤4、通过X轴加速度传感器实时采集轮胎在X轴（横向，如图2所示，即轮胎的轴向）的加速度值，并计算X轴振动幅值。

利用X轴加速度传感器监测轮胎在横向的振动，当轮胎在横向方向抖动时会在X轴正负两个方向出现加速度值，X轴的加速度值变化转化为横向振动等级。

具体方法是：依照检测间隔t来测量n个X轴加速度值，X₁，X₂，X₃……X_n，然后利用统计分析方法计算出n个值的差异程度，以确定轮胎在X轴的振动幅度：ΔX。具体计算方法可以利用全距、百分位差、四分位差、方差、标准差、差异系数、平均差等方法。

步骤5、平衡度判断，判断方法为以下任一种：

1、当ΔX≥X_err（X轴的不平衡阈值）时；

2、当ΔZ≥Z_err（Z轴的不平衡阈值）时；

3、当ΔX≥X_err（X轴的不平衡阈值）且ΔZ≥Z_err（Z轴的不平衡阈值）时。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种轮胎动平衡监测系统，其特征在于，其包括：

监测模块，安装于轮胎上，用于检测车辆行驶中轮胎的振动幅值，并在所述振动幅值大于设定幅值时，发出轮胎不平衡信号；

接收模块，所述接收模块用于接收所述轮胎不平衡信号。

2.如权利要求1所述的轮胎动平衡监测系统，其特征在于，所述监测模块包括震动感应器、第二主控单元以及RF发射单元，所述震动感应器采集轮胎的振动信号，第二主控单元接收所述振动信号，并根据振动信号计算振动幅值，在所述振动幅值并在振动幅值大于设定幅值时，第二主控单元通过RF发射单元向接收模块发送轮胎不平衡信号。

3.如权利要求2所述的轮胎动平衡监测系统，其特征在于，所述震动感应器为震动开关、X轴加速度传感器、Z轴加速度传感器以及三轴加速度传感器中的任一种或多种。

4.如权利要求2或3所述的轮胎动平衡监测系统，其特征在于，所述监测模块还包括压力传感器，所述压力传感器用于采集轮胎的胎压信号，所述第二主控单元接收所述胎压信号并通过RF发射单元发送至接收模块。

5.如权利要求4所述的轮胎动平衡监测系统，其特征在于，所述监测模块为FXTH87系列TPMS集成传感器。

6.如权利要求2所述的轮胎动平衡监测系统，其特征在于，所述接收模块包括第一主控单元、RF接收单元以及报警单元，所述RF接收单元与RF发射单元相匹配，用于接收所述轮胎不平衡信号并将所述轮胎不平衡信号发送给第一主控单元，所述第一主控单元在收到轮胎不平衡信号后驱动报警单元进行报警。

7.一种轮胎动平衡监测方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤1、检测车辆行驶过程中的轮胎振动幅值；

步骤2、在振动幅值大于设定幅值时发出轮胎不平衡信号。

8.如权利要求7所述的轮胎动平衡监测方法，其特征在于，所述步骤1之前还包括以下步骤：

检测车辆当前车速，如果当前车速大于设定车速，则执行步骤1，否则，结束或等待下一次监测，所述当前车速通过Z轴加速度传感器采集的数据计算得到：

其中，其中V为车辆速度（m/s），A _z 为Z轴加速度传感器采集的加速度值，g为重力加速度，R ₁ 为轮胎外圈半径，R ₂ 为Z轴加速度传感器到轮胎中心位置的距离。

9.如权利要求8所述的轮胎动平衡监测系统，其特征在于，所述步骤1包括以下步骤：

步骤11、通过加速度传感器以一定间隔时间t采集n次车辆行驶过程中的加速度值，其中，n * t>T，T=2πR₁/V，T为轮胎转一圈所花的时间；

步骤12、通过统计分析法确定加速度值对应的振动幅值，所述统计分析法为全距法、百分位差法、四分位差法、方差法、标准差法、差异系数法、平均差法中的任一种。

10.如权利要求7-9任一项所述的轮胎动平衡监测系统，其特征在于，所述加速度传感器为一个或两个，当加速度传感器为两个时，步骤2中，判断发出轮胎不平衡信号的方法为以下两种方式中的任一种：

任意一加速度传感器检测得到的振动幅值大于其对应的设定幅值；

两个加速度传感器检测得到的振动幅值均大于其对应的设定幅值。