CN111976396A - 一种轮胎实时载荷辨识装置及方法 - Google Patents

一种轮胎实时载荷辨识装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一种轮胎实时载荷辨识装置及方法，该装置包括：上位机和下位机；所述下位机固定在轮胎内壁的周向圆柱面母线的中点，所述上位机与所述下位机无线连接；其中，所述下位机用于获取径向加速度信息和胎压信息，并将所述径向加速度信息和胎压信息发送到上位机；其中，所述上位机根据径向加速度信息确定接地长度，并根据所述接地长度和所述胎压信息进行轮胎载荷辨识。通过固定在轮胎内壁的下位机，实时采集轮胎状态，仅需要轮胎内侧加速度和胎压信号就能进行垂向载荷的辨识，无需额外复杂的传感器和设备；为商用车载重监测提供了切实有效的解决方案，也能为车辆控制提供垂向载荷信息，还能用于车辆动力学系统参数辨识。

Description

一种轮胎实时载荷辨识装置及方法
技术领域
本发明涉及汽车工程技术领域，尤其涉及一种轮胎实时载荷辨识装置及方法。
背景技术
由于汽车与地面唯一接触的部件是轮胎，因此轮胎与地面间作用力和力矩为车辆运动提供条件，好的操控性与轮胎密不可分。橡胶轮胎发明一百多年来轮胎的材料结构工艺性能都有了很大提升，但唯一没有改变的是其始终处于一个被动元件的地位，用来实现车辆与地面接触传递力，但真实的工况和力却不可知，仅能靠整车ECU进行一些估算。汽车依靠各种传感器来掌握当前运动的状态，而对于最重要的与地面接触的实际情况却不得而知。如果让轮胎“主动化”，通过轮胎内置的传感器获取与路面接触的信息，可以为ECU提供更好的判断依据，从而提升操控性与舒适性，使汽车更智能。
汽车智能化成为未来的重大趋势，在汽车智能化的背景下智能轮胎也应运而生，它能够为汽车行驶时感知更多来自路面的信息，为操控性和安全性提供更多保障。目前的轮胎已有胎压监控系统(TPMS)的产品，但为了使轮胎获取更多信息还需要更多传感器来采集更多有用的信号才能实现更多功能。
并且由于垂直载荷是轮胎较为重要的六分力之一，而现有技术中尚未出现成熟的可以进行轮胎实时荷载辨识的方案，因此如何更好的实现轮胎实时载荷辨识已经成为业界亟待解决的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种轮胎实时载荷辨识装置及方法，用以解决上述背景技术中提出的技术问题，或至少部分解决上述背景技术中提出的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供一种轮胎实时载荷辨识装置，包括：
上位机和下位机；所述下位机固定在轮胎内壁的周向圆柱面母线的中点，所述上位机与所述下位机无线连接；
其中，所述下位机用于获取径向加速度信息和胎压信息，并将所述径向加速度信息和胎压信息发送到上位机；
其中，所述上位机根据径向加速度信息确定接地长度，并根据所述接地长度和所述胎压信息进行轮胎载荷辨识。
更具体的，所述下位机包括：在同一电路板上集成的处理器、单轴加速度传感器和压力传感器；
其中，单轴加速度传感器用于采集轮胎旋转时的径向加速度，压力传感器用于采集轮胎气压，
其中，处理器用于采集径向加速度信息和轮胎气压并通过无线通讯发送给上位机；
其中，所述单轴加速度传感器方向指向轮心。
更具体的，所述下位机还包括无线充电模块，所述无线充电模块用于为下位机的电源进行无线充电。
更具体的，所述上位机包括：处理器、存储器和显示器；
其中，所述存储器用于保存所述径向加速度信息和所述胎压信息，以供所述处理器分析；
其中，所述处理器用于根据径向加速度信息确定接地长度，并根据所述接地长度和所述胎压信息进行轮胎载荷辨识；
其中，所述显示器用于显示所述胎压信息和轮胎荷载信息。
第二方面，本发明实施例提供一种基于所述第一方面轮胎实时载荷辨识装置的轮胎实时载荷辨识方法，包括：
通过下位机获取径向加速度信息和胎压信息；
通过上位机根据径向加速度信息确定接地长度，并根据所述接地长度和所述胎压信息进行轮胎载荷辨识。
第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第二方面所述轮胎实时载荷辨识方法的步骤。
第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第二方面所述轮胎实时载荷辨识方法的步骤。
本发明实施例提供的一种轮胎实时载荷辨识装置及方法，通过固定在轮胎内壁的下位机，可以实时采集轮胎状态，仅需要轮胎内侧加速度和胎压信号就能进行垂向载荷的辨识，无需额外复杂的传感器和设备；为商用车载重监测提供了切实有效的解决方案，也能为车辆控制提供垂向载荷信息，还能用于车辆动力学系统参数辨识。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例中所描述的轮胎实时载荷辨识装置示意图；
图2为本发明一实施例所描述的径向加速度判断接地边缘示意图；
图3为本发明一实施例所描述的轮胎实时载荷辨识方法流程图；
图4为发明一实施例所描述的垂向载荷辨识结果仿真示意图；
图5为本发明另一实施例所描述的轮胎实时载荷辨识流程图；
图6为本发明一实施例所描述的电子设备结构示意图。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明一实施例中所描述的轮胎实时载荷辨识装置示意图，如图1所示，包括：上位机110和下位机120；所述下位机120固定在轮胎内壁的周向圆柱面母线的中点，所述上位机110与所述下位机120无线连接；
其中，所述下位机120用于获取径向加速度信息和胎压信息，并将所述径向加速度信息和胎压信息发送到上位机110；
其中，所述上位机110根据径向加速度信息确定接地长度，并根据所述接地长度和所述胎压信息进行轮胎载荷辨识。
具体的，本发明实施例中所描述的下位机中搭载了MEMS加速度传感器，并且在保证单轴加速度传感器方向指向轮心时，可以有效获取径向加速度。
下位机包括处理器、加速度传感器、压力传感器以及无线充电模块，收集加速度和胎压信号，并通过蓝牙将数据无线传输到上位机。下位机带有橡胶壳，通过特殊胶水连接到轮胎内侧，传感器模块可以进行调整以适用于多种轮胎，无线可充电锂电池模块的使用减少了安装和拆卸的频率。上位机包括处理器、存储器以及显示器，存储器保存数据以供分析，车载显示器显示预测的轮胎力和其他轮胎状况参数。
图2为本发明一实施例所描述的径向加速度判断接地边缘示意图，如图2所示，径向加速度的波形受径向变形的影响，在接地和非接地区域之间的过渡区域中，变形部分的曲率最小，从而导致急剧地变化。这种急剧的变化转化为径向加速度的突然变化，该径向加速度对应于轮胎接地的前缘和后缘的转折位置。因此可以通过径向加速度变化最快的时刻来确定轮胎接地区域的时长，再乘以轮速确定接地长度。
本发明实施例中所描述的轮速的确定可以通过两种不同的方法来实现，其中一种方法是通过径向加速度每重复出现一次接地特征所需时间作为轮胎滚动一周的时间，由轮胎半径计算轮胎周长除以该时间即为轮速。
轮速的确定方法之二是通过与整车CAN信号通讯获得当前车速即轮速。接地长度可以通过径向加速度确定的接地时长和当前轮速来得到，轮胎压力可以通过传感器直接测量。至此，轮胎垂向载荷可以通过下式进行辨识：
Figure BDA0002604151740000051
其中，FZ为轮胎载荷，cl为接地长度、p为当前胎压，v为当前轮速，k1～k6为预设拟合系数。
本发明实施例提供的装置是用于执行上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。
本发明实施例通过固定在轮胎内壁的下位机，可以实时采集轮胎状态，仅需要轮胎内侧加速度和胎压信号就能进行垂向载荷的辨识，无需额外复杂的传感器和设备；为商用车载重监测提供了切实有效的解决方案，也能为车辆控制提供垂向载荷信息，还能用于车辆动力学系统参数辨识。
在上述实施例的基础上，所述下位机包括：在同一电路板上集成的处理器、单轴加速度传感器和压力传感器；
其中，单轴加速度传感器用于采集轮胎旋转时的径向加速度，压力传感器用于采集轮胎气压，
其中，处理器用于采集径向加速度信息和轮胎气压并通过无线通讯发送给上位机；
其中，所述单轴加速度传感器方向指向轮心。
所述下位机还包括无线充电模块，所述无线充电模块用于为下位机的电源进行无线充电。
具体的，本发明实施例中的下位机应易于安装而无需修改轮胎或轮毂，其可靠性和坚固性足以承受轮胎的恶劣工作环境，并且可用无源无线方法和能量收集。本发明实施例采用了MEMS加速度传感器。传感器尺寸为3毫米×3.25毫米×1.06毫米，重0.3克，可轻松装入轮胎而不会改变轮胎性能。此外，MEMS加速度传感器是一种高度可靠且坚固的仪器，能够承受由加速度传感器遇到并离开地面引起的脉冲。
在上述实施例的基础上，所述上位机包括：处理器、存储器和显示器；
其中，所述存储器用于保存所述径向加速度信息和所述胎压信息，以供所述处理器分析；
其中，所述处理器用于根据径向加速度信息确定接地长度，并根据所述接地长度和所述胎压信息进行轮胎载荷辨识；
更具体的，上位机安装在车身上靠近轮胎的位置。其中处理器用于接收下位机通过无线通讯发送的径向加速度和胎压信号，并通过其中的数学模型计算当前载荷，存储器用于存储该信号，显示器用于在车内显示当前轮胎状态，包括胎压和载荷等信息。
本发明实施例通过固定在轮胎内壁的下位机，可以实时采集轮胎状态，仅需要轮胎内侧加速度和胎压信号就能进行垂向载荷的辨识，无需额外复杂的传感器和设备；为商用车载重监测提供了切实有效的解决方案，也能为车辆控制提供垂向载荷信息，还能用于车辆动力学系统参数辨识。
图3为本发明一实施例所描述的轮胎实时载荷辨识方法流程图，如图3所示，包括：
S1：通过下位机获取径向加速度信息和胎压信息；
S2：通过上位机根据径向加速度信息确定接地长度，并根据所述接地长度和所述胎压信息进行轮胎载荷辨识。
更具体的，本发明实施例中径向加速度的波形受径向变形的影响，在接地和非接地区域之间的过渡区域中，变形部分的曲率最小，从而导致急剧地变化。这种急剧的变化转化为径向加速度的突然变化，该径向加速度对应于轮胎接地的前缘和后缘的转折位置。因此可以通过径向加速度变化最快的时刻来确定轮胎接地区域的时长，再乘以轮速确定接地长度。
接地长度与轮胎压力和垂直力有关。随着垂向载荷的增加和轮胎压力的减小，接地长度增加。同样，根据提出的接地长度辨识方法，轮胎滚动接地长度会因速度和重量的变化而改变。
由轮速，轮胎压力和垂向载荷对轮胎滚动接地长度的影响给出的半经验公式为：
Figure BDA0002604151740000071
其中，cl表示接地长度，FZ表示垂直力，p表示轮胎压力，v表示轮速，qra1-qra5为拟合系数。
接地长度可以通过径向加速度确定的接地时长和与轮速的乘积得到，轮胎压力可以通过传感器直接测量。至此，轮胎垂向载荷可以通过下式进行辨识：
Figure BDA0002604151740000081
其中k1～k6是拟合系数。拟合系数需要通过实验数据拟合确定，进行实车实验或台架实验，要求能够施加不同的轮胎载荷，并改变胎压和轮速。
实验目的在于获取在不同工况(载荷、胎压、轮速)下轮胎匀速滚动时，胎内衬中央位置处传感器测量的径向加速度。利用径向加速度辨识轮胎的接地印痕长度，从而搭建轮胎垂向力与接地印痕长度、胎压、载荷之间的函数关系。因此实验矩阵需要考虑：
①轮胎使用时的气压，包括漏气及高温造成的高压情况；
②车辆正常行驶时的速度范围，包括低速、中速、高速；
③被测轮胎所能承受的垂向力范围，需要考虑到过载工况；
④暂不考虑轮胎侧偏角及外倾角的影响。
以205/55R16型号轮胎为例，根据上述的要求拟定测试矩阵，如表1所示：
表1实验所需变量测试矩阵
Figure BDA0002604151740000082
参数调整顺序依次为：气压——速度——负载，测试工况一共为72组，每组工况测试时间为5分钟；考虑到台架或车辆的启动停止，从而保证了至少3分钟的稳定采样时间。每次测试前需要预热1分钟，保证气压处于稳定的状态，避免由于长时间滚动发热造成胎压的增高。最终的测试流程如下所示：
Figure BDA0002604151740000091
本发明实施例中所描述的拟合系数是通过多组不同的实验数据代入上述载荷辨识公式，然后进行参数拟合，通过最小二乘法拟合得到k1～k6拟合系数，最终得到垂向载荷与胎压和接地长度的关系，此处所说的多组不同的实验数据可以包括不同尺寸的轮胎。对轮胎施加不同力，设定不同的轮胎压力和不同的轮速。轮胎的垂向载荷通过所述方法进行辨识，实际的垂向载荷通过地磅测量获得。通过在车辆后备箱增减负重来调整垂向载荷。
本发明实施例通过固定在轮胎内壁的下位机，可以实时采集轮胎状态，仅需要轮胎内侧加速度和胎压信号就能进行垂向载荷的辨识，无需额外复杂的传感器和设备；为商用车载重监测提供了切实有效的解决方案，也能为车辆控制提供垂向载荷信息，还能用于车辆动力学系统参数辨识。
在上述实施例的基础上，所述根据径向加速度信息确定接地长度的步骤，具体包括：
对所述径向加速度信息进行滤波，找到径向加速度信息波形中极小值的加速度梯度绝对值最大的两个时刻，得到接地时长信息；
根据所述接地时长与轮速乘积得到接地长度。
具体的，本发明实施例中所描述的径向加速度信息波形中极小值的加速度梯度绝对值最大的两个时刻具体是指向加速度信息波形中极小值的加速度变化最快的两个时刻，其中梯度最小的为轮胎开始接地的时刻，梯度最大的为轮胎离地的时刻。由轮胎接地和离地的时刻确定接地时长，再结合当前轮速确定接地长度。
在上述实施例的基础上，所述根据所述接地长度和所述胎压信息进行轮胎载荷辨识具体为：
将所述接地长度和所述胎压信息和轮速代入载荷辨识公式，所述载荷辨识公式具体为：
Figure BDA0002604151740000101
其中，FZ为轮胎载荷，cl为接地长度、p为当前胎压，v为当前轮速，k1～k6为预设拟合系数。
图4为发明一实施例所描述的垂向载荷辨识结果仿真示意图，如图4所示，在2600N的垂向载荷下，辨识每次滚动时的轮胎垂向载荷，辨识误差在5％以下。因此通过径向加速度和胎压进行垂向载荷辨识的方法精度很高。
图5为本发明另一实施例所描述的轮胎实时载荷辨识流程图，如图5所示，首先在轮胎内壁安装加速度和压力传感器，搭建智能轮胎硬件系统，然后安装智能轮胎进行可以改变荷载的实车或者台架实验，记录径向加速度和胎压信息，以径向加速度梯度的绝对值最大的时刻作为轮胎接地的依据，并确定接地长度，再将实验数据进行拟合，得到轮胎荷载与接地长度和胎压的关系模型，最后将模型导入上位机，可通过下位机实时采集的加速度和胎压信息实时进行轮胎荷载识别。
本发明实施例通过固定在轮胎内壁的下位机，可以实时采集轮胎状态，仅需要轮胎内侧加速度和胎压信号就能进行垂向载荷的辨识，无需额外复杂的传感器和设备；为商用车载重监测提供了切实有效的解决方案，也能为车辆控制提供垂向载荷信息，还能用于车辆动力学系统参数辨识。
图6为本发明一实施例所描述的电子设备结构示意图，如图6所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)610、通信接口(Communications Interface)620、存储器(memory)630和通信总线640，其中，处理器610，通信接口620，存储器630通过通信总线640完成相互间的通信。处理器610可以调用存储器630中的逻辑指令，以执行如下方法：通过下位机获取径向加速度信息和胎压信息；通过上位机根据径向加速度信息确定接地长度，并根据所述接地长度和所述胎压信息进行轮胎载荷辨识。
此外，上述的存储器630中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本发明实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：通过下位机获取径向加速度信息和胎压信息；通过上位机根据径向加速度信息确定接地长度，并根据所述接地长度和所述胎压信息进行轮胎载荷辨识。
本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储服务器指令，该计算机指令使计算机执行上述各实施例提供的方法，例如包括：通过下位机获取径向加速度信息和胎压信息；通过上位机根据径向加速度信息确定接地长度，并根据所述接地长度和所述胎压信息进行轮胎载荷辨识。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (10)

1.一种轮胎实时载荷辨识装置，其特征在于，包括：上位机和下位机；所述下位机固定在轮胎内壁的周向圆柱面母线的中点，所述上位机与所述下位机无线连接；
其中，所述下位机用于获取径向加速度信息和胎压信息，并将所述径向加速度信息和胎压信息发送到上位机；
其中，所述上位机根据径向加速度信息确定接地长度，并根据所述接地长度和所述胎压信息进行轮胎载荷辨识。
2.根据权利要求1所述轮胎实时载荷辨识装置，其特征在于，所述下位机包括：在同一电路板上集成的处理器、单轴加速度传感器和压力传感器；
其中，单轴加速度传感器用于采集轮胎旋转时的径向加速度，压力传感器用于采集轮胎气压，
其中，处理器用于采集径向加速度信息和轮胎气压并通过无线通讯发送给上位机；
其中，所述单轴加速度传感器方向指向轮心。
3.根据权利要求2所述轮胎实时载荷辨识装置，其特征在于，所述下位机还包括无线充电模块，所述无线充电模块用于为下位机的电源进行无线充电。
4.根据权利要求1所述轮胎实时载荷辨识装置，其特征在于，所述上位机包括：处理器、存储器和显示器；
其中，所述存储器用于保存所述径向加速度信息和所述胎压信息，以供所述处理器分析；
其中，所述处理器用于根据径向加速度信息确定接地长度，并根据所述接地长度和所述胎压信息进行轮胎载荷辨识；
其中，所述显示器用于显示所述胎压信息和轮胎荷载信息。
5.一种基于权利要求1-4任一所述轮胎实时载荷辨识装置的轮胎实时载荷辨识方法，其特征在于，包括：
通过下位机获取径向加速度信息和胎压信息；
通过上位机根据径向加速度信息确定接地长度，并根据所述接地长度和所述胎压信息进行轮胎载荷辨识。
6.根据权利要求5所述轮胎实时载荷辨识方法，其特征在于，所述根据径向加速度信息确定接地长度的步骤，具体包括：
对所述径向加速度信息进行滤波，找到径向加速度信息波形中极小值前后的加速度梯度绝对值最大的两个时刻，得到接地时长信息；
根据所述接地时长与轮速确定接地长度。
7.根据权利要求5所述轮胎实时载荷辨识方法，其特征在于，所述根据所述接地长度和所述胎压信息进行轮胎载荷辨识具体为：
将所述接地长度、所述胎压信息和轮速代入载荷辨识公式，所述载荷辨识公式具体为：
Figure FDA0002604151730000021
其中，FZ为轮胎载荷，cl为接地长度、p为当前胎压，v为当前轮速，k1～k6为预设拟合系数。
8.根据权利要求7所述的根据接地长度和胎压信息进行载荷辨识的关系式，其特征在于，所述预设拟合系数确定方法为：
获取多组实验参数信息，并确定每组实验参数对应的接地长度；
将每组实验参数和每组实验参数对应的接地长度代入荷载辨识公式，然后进行参数拟合，通过最小二乘法拟合得到预设拟合系数；
其中，所述实验参数信息包括：胎压信息、轮速信息和载重信息中的至少一种。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求5至8任一项所述轮胎实时载荷辨识方法的步骤。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求5至8任一项所述轮胎实时载荷辨识方法的步骤。
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