CN112078311B - 一种基于激光雷达的智能轮胎结构及分析方法 - Google Patents

一种基于激光雷达的智能轮胎结构及分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种智能轮胎技术领域，具体为一种基于激光雷达的智能轮胎结构及分析方法，可以实时检测智能轮胎的纵向力Fx、侧向力Fy、回正力矩Mz、纵向滑移率Sx、侧向滑移率Sy以及滚动阻力Fr，胎压Pt和轮胎的实际转向角度θt等关键测量参数；包括轮胎基体、胎体变形测试模块、胎面变形测试模块；所述胎体变形测试模块包括激光雷达和被测目标体，所述激光雷达包括用于发射激光和接收激光信号的激光椭圆体和激光信号处理模块，所述激光椭圆体设在激光信号处理模块上且与激光信号处理模块电连接；所述被测目标体包括被测标记和被测体支架。

Description

一种基于激光雷达的智能轮胎结构及分析方法
技术领域
本发明涉及一种智能轮胎技术领域，具体为一种基于激光雷达的智能轮胎结构及分析方法。
背景技术
轮胎作为汽车与地面之间唯一的接触媒介，对汽车的动力性、舒适性和安全性有非常重要影响，尤其安全性。
随着计算机通讯技术和微机械系统的发展，近几年轮胎测试设备不断涌现，可以通过各种精密传感器测量轮胎各种运动参数，智能轮胎的概念营运而生，但功能比较单一。
目前如专利US7203603：轮胎力分析和回正力矩的分析方法；专利US7546764：轮胎动态状态估计和装置以及传感器系统；专利US7707876：滚动轮胎的轮胎力估计方法；专利US8626454：一种预测滚动轮胎摩擦力的方法和系统和专利US8833151：轮胎充气压力估计方法和系统；专利US8847386：一个摩托车轮胎滚动力的确定方法和系统。
这些估计轮胎力的方法都比较单一，系统性不强，仅有一个或两个轮胎参数的输出，缺乏轮胎力系统的表述，同时它们的假设条件比较理想化，与轮胎实际运行工况有一定差距，这样会导致输出结果的偏差，影响系统精度。
轮胎在滚动过程中有众多参数要输出，如纵向力、侧向力、垂向力、滑移率、胎压等，但现阶段的智能轮胎测试系统和方法无法全面系统得给出答案。
发明内容
本发明要解决的技术问题克服现有的缺陷，提供一种基于激光雷达的智能轮胎结构及分析方法，可以实时检测智能轮胎的纵向力Fx、侧向力Fy、回正力矩Mz、纵向滑移率Sx、侧向滑移率Sy，以及滚动阻力Fr，胎压Pt和轮胎的实际转向角度θt等关键测量参数。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：一种基于激光雷达的智能轮胎结构，包括轮胎基体、胎体变形测试模块和胎面变形测试模块；
所述轮胎基体包括轮毂、胎体和胎面，所述胎面依次包括橡胶层、帘布层和钢丝层，所述钢丝层位于胎面的内侧，所述帘布层分别位于胎面和胎体中；
所述胎面变形测试模块包括侧向位移测试片、纵向位移测试片和胎面信号处理模块；
所述侧向位移测试片包括压电片体一和压电片体二，所述压电片体一和压电片体二均设在胎面的橡胶层中且在竖直方向呈对称排列；所述纵向位移测试片包括压电片体三和压电片体四，所述压电片体三和压电片体四均设在胎面的橡胶层中且在水平方向呈对称排列；所述压电片体一、压电片体二、压电片体三和压电片体四均与胎面信号处理模块电连接；
所述胎体变形测试模块包括激光雷达和被测目标体，所述激光雷达包括用于发射激光和接收激光信号的激光椭圆体和激光信号处理模块，所述激光椭圆体设在激光信号处理模块上且与激光信号处理模块连接；所述被测目标体包括被测标记和被测体支架，被测标记通过被测体支架固定于胎面内侧。
作为优选，所述被测体支架还与钢丝层连接。
作为优选，所述胎面信号处理模块设在胎面内侧且位于胎面与被测体支架之间。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：基于激光雷达的智能轮胎结构的分析方法，包括如下步骤：步骤一：胎体变形时被测目标体会发生x轴、y轴、z轴方向的平移，通过激光椭圆体发射激光，被测标记反射激光给激光信号处理模块，激光信号处理模块通过分析发射激光束与反射激光束的角度和时间变化，分析被测标记所处的x轴、y轴、z轴位置变化情况，进而分析胎体的x轴、y轴、z轴位移情况，进而分析胎体的x轴、y轴、z轴变形情况；
步骤二：分析胎体的y轴和z轴方向变形情况，激光从A点发射，经过O点反射回A点，激光传播速度为Vg，时间为tg，胎体侧向y轴偏转角度为γ，角度γ可根据反射激光入射角度直接获得；
AO长度l为
Figure BDA0002648656090000031
胎体2的y轴方向变形量b
b＝lsinγ
胎体2的z轴变形量△h
Δh＝h-h0
h0为O点初始位置z轴坐标，h代表胎体变形后O点的z轴坐标；
步骤三：对压电片体一、压电片体二、压电片体三和压电片体四产生纵向挤压和侧向挤压从而产生电动势，并将电动势信号传递给胎面信号处理模块；
步骤四：防止胎面侧向变形和垂向变形对纵向位移测试片的干扰，设定了纵向位移测试片的摆放位置，且dy0为纵向位移测试片与胎面的橡胶层的侧向间隙，而且满足：
dy0≧dymax
dymax为胎面的橡胶层的最大侧向变形量；
dz0为纵向位移测试片与胎面的橡胶层的垂向间隙，而且满足
dz0≧dzmax
dzmax为胎面的橡胶层的最大垂向变形量；
防止胎面纵向变形和垂向变形对侧向位移测试片的干扰，设定侧向位移测试片的摆放位置，且dx0为侧向位移测试片与胎面的橡胶层的纵向间隙，而且满足：
dx0≧dxmax
dxmax为胎面的橡胶层的最大纵向变形量；
dz0为侧向位移测试片与胎面的橡胶层的垂向间隙，而且满足
dz0≧dzmax
侧向位移测试片的dz0和纵向位移测试片的dz0为同一个参数；
步骤五：定义智能轮胎的纵向力Fx、侧向力Fy、回正力矩Mz、纵向滑移率Sx、侧向滑移率Sy以及滚动阻力Fr、胎压Pt和轮胎的实际转向角度θt；其计算方法如下：
1、纵向力Fx的计算方法：
Figure BDA0002648656090000051
其中，fx为X轴方向上单位长度胎面纵向变形产生的纵向力，
ΔXt为X轴方向上单位长度胎面纵向变形长度，
kx为X轴方向上单位长度胎面纵向变形刚度，
vxt为X轴方向上纵向位移测试片，在t时刻由于变形而产生的电压信号；
2、侧向力Fy的计算方法：
Figure BDA0002648656090000052
其中，
fy为X轴方向上单位长度胎面侧向变形产生的侧向力；
ΔYt为X轴方向上单位长度胎面侧向变形长度；
ky为X轴方向上单位长度胎面侧向变形刚度；
vyt为X轴方向上侧向位移测试片，在t时刻由于变形而产生的电压信号；
3、回正力矩Mz的计算方法：
Figure BDA0002648656090000061
4.、纵向滑移率Sx的计算方法：
Sx＝ΔXt/2πr
其中，r为轮胎的滚动半径；
5、侧向滑移率Sy的计算方法：
Sy＝ΔYt/2πr
6.、复合滑移率Sxy的计算方法：
Figure BDA0002648656090000062
7.、滚动阻力Fr：
Figure BDA0002648656090000071
其中，
fz为X轴方向上单位长度胎面垂向变形产生的垂向力；
ΔZt为X轴方向上单位长度胎面垂向变形长度；
kz为X轴方向上单位长度胎面垂向变形刚度；
lp为纵向位移测试片长度；
α为纵向位移测试片X轴方向偏移角度；
8、轮胎的胎压Pt：
Pt＝f(Fz,Δh)
其中，Fz为轮胎所受的垂向力
9.、轮胎的实际转向角度θt：
Figure BDA0002648656090000072
其中，θth为轮胎理论转向角度。
本发明有益效果：本发明的基于激光雷达的智能轮胎结构及分析方法可实现对轮胎的纵向力Fx、侧向力Fy、回正力矩Mz、纵向滑移率Sx、侧向滑移率Sy，以及滚动阻力Fr，胎压Pt和轮胎的实际转向角度θt等关键测量参数在线实时精确监测，让智能轮胎为智能汽车提供全面准确的实时路面信息，提高智能汽车行驶安全性。
附图说明
图1为本发明的系统整体结构示意图；
图2为本发明的侧向位移测试片和纵向位移测试片的放置位置；
图3为本发明的胎体参数测量原理图；
图4为本发明的纵向位移测试片放置位置要求图；
图5为本发明的侧向位移测试片放置位置要求图；
图6为本发明的轮胎滚动时纵向压电片变形示意图；
图7为本发明的轮胎纵向力原理示意图；
图8为X轴方向上单位长度胎面纵向变形产生的纵向力的变化规律；
图9为X轴方向上单位长度胎面纵向变形长度变化规律图；
图10为侧向压电片变形示意图；
图11侧向压电片变形原理图；
图12为X轴方向上单位长度胎面侧向变形产生的侧向力的变化规律图；
图13为X轴方向上单位长度胎面侧向变形长度变化规律图；
图14为纵向位移测试片的长度结构图。
附图说明：1、轮毂；2、胎体；3、胎面；4、激光雷达；41、激光椭圆体；42、激光信号处理模块；5、被测目标体；6、侧向位移测试片；61、压电片体一；62、压电片体二；63、电极二；64、压电片本体二；7、纵向位移测试片；71、压电片体三；72、压电片体四；73、电极一；74、压电片本体一；8、胎面信号处理模块；31、钢丝层；32、帘布层；33、橡胶层；51、被测标记；52、被测体支架。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
一种基于激光雷达的智能轮胎结构，包括轮胎基体、胎体变形测试模块、胎面变形测试模块以及信号处理方法
所述轮胎基体包括轮毂1、胎体2和胎面3，所述胎面3依次包括橡胶层33、帘布层32和钢丝层31，所述钢丝层31位于胎面3的内侧，所述帘布层32分别位于胎面3和胎体2中；
所述胎体变形测试模块包括激光雷达4和被测目标体5，所述激光雷达4包括用于发射激光和接收激光信号的激光椭圆体41和激光信号处理模块42，所述激光椭圆体41设在激光信号处理模块42上且与激光信号处理模块42电连接；所述被测目标体5包括被测标记51和被测体支架52，被测标记51通过被测体支架52固定于胎面3内侧。
所述被测体支架52还与钢丝层31连接；所述胎面变形测试模块包括侧向位移测试片6、纵向位移测试片7；
所述侧向位移测试片6包括压电片体一61和压电片体二62，所述压电片体一61和压电片体二62均设在胎面3的橡胶层33中且在竖直方向呈对称排列；如图2所示，侧向位移测试片6包括压电片体一61和压电片体二62，所述压电片体一61和压电片体二62均设在胎面3的橡胶层33中且在竖直方向(侧向)呈对称排列；如图5所示，所述压电片体一61包括电极二63和压电片本体二64，所述电极二63为一对且设在压电片本体二64上方；压电片体一61和压电片体二62的结构相同；如图2所示，所述纵向位移测试片7包括压电片体三71和压电片体四72，所述压电片体三71和压电片体四72均设在胎面3的橡胶层33中且在水平方向呈对称排列；如图4所示，所述压电片体三71包括电极一73和压电片本体一74，所述电极一73为一对且设在压电片本体一74上方；所述压电片体三71和压电片体四72的结构相同，所述压电片体一61、压电片体二62、压电片体三71和压电片体四72均与胎面信号处理模块8电连接。所述胎面信号处理模块8设在胎面3内侧且位于胎面3与被测体支架52之间。
一种基于激光雷达的智能轮胎结构的分析方法，包括如下步骤：步骤一：胎体2变形时被测目标体5会发生x轴、y轴、z轴方向的平移，通过激光椭圆体41发射激光，被测标记51反射激光给激光信号处理模块42，激光信号处理模块42通过分析发射激光束与反射激光束的角度和时间变化，分析被测标记51所处的x轴、y轴、z轴位置变化情况，进而分析胎体2的x轴、y轴、z轴位移情况，进而分析胎体2的x轴、y轴、z轴变形情况；
步骤二：分析胎体2的y轴和z轴方向变形情况，激光从A点发射，经过O点反射回A点，激光传播速度为Vg，时间为tg，胎体2侧向y轴偏转角度为γ，角度γ可根据反射激光入射角度直接获得；
AO长度l为
Figure BDA0002648656090000111
胎体2的y轴方向侧向变形量b
b＝lsinγ
胎体2的z轴变形量△h
Δh＝h-h0
h0为O点初始位置z轴坐标，h代表胎体变形后O点的z轴坐标；
步骤三：对压电片体一61、压电片体二62、压电片体三71和压电片体四72产生纵向挤压和侧向挤压从而产生电动势，并将电动势信号传递给胎面信号处理模块8；
步骤四：防止胎面3侧向变形和垂向变形对纵向位移测试片7的干扰，设定了纵向位移测试片7的摆放位置，且dy0为纵向位移测试片7与胎面3的橡胶层33的侧向间隙，而且满足：
dy0≧dymax
dymax为胎面3的橡胶层33的最大侧向变形量；
dz0为纵向位移测试片7与胎面3的橡胶层33的垂向间隙，而且满足
dz0≧dzmax
dzmax为胎面3的橡胶层33的最大垂向变形量；
防止胎面3纵向变形和垂向变形对侧向位移测试片6的干扰，设定侧向位移测试片6的摆放位置，且dx0为侧向位移测试片6与胎面3的橡胶层33的纵向间隙，而且满足：
dx0≧dxmax
dxmax为胎面3的橡胶层33的最大纵向变形量；
dz0为侧向位移测试片6与胎面3的橡胶层33的垂向间隙，而且满足
dz0≧dzmax
侧向位移测试片6的dz0和纵向位移测试片7的dz0为同一个参数；
步骤五：定义智能轮胎的纵向力Fx、侧向力Fy、回正力矩Mz、纵向滑移率Sx、侧向滑移率Sy以及滚动阻力Fr、胎压Pt和轮胎的实际转向角度θt；其计算方法如下：
1、纵向力Fx的计算方法：
Figure BDA0002648656090000121
其中，fx为X轴方向上单位长度胎面3纵向变形产生的纵向力，
ΔXt为X轴方向上单位长度胎面3纵向变形长度，
kx为X轴方向上单位长度胎面3纵向变形刚度，
vxt为X轴方向上纵向位移测试片7，在t时刻由于变形而产生的电压信号；
2、侧向力Fy的计算方法：
Figure BDA0002648656090000131
其中，
fy为X轴方向上单位长度胎面3侧向变形产生的侧向力；
ΔYt为X轴方向上单位长度胎面3侧向变形长度；
ky为X轴方向上单位长度胎面3侧向变形刚度；
vyt为X轴方向上侧向位移测试片6，在t时刻由于变形而产生的电压信号；
3、回正力矩Mz的计算方法：
Figure BDA0002648656090000132
4.、纵向滑移率Sx的计算方法：
Sx＝ΔXt/2πr
其中，r为轮胎的滚动半径；
5、侧向滑移率Sy的计算方法：
Sy＝ΔYt/2πr
6.、复合滑移率Sxy的计算方法：
Figure BDA0002648656090000141
7.、滚动阻力Fr：
Figure BDA0002648656090000142
其中，
fz为X轴方向上单位长度胎面3垂向变形产生的垂向力；
ΔZt为X轴方向上单位长度胎面3垂向变形长度；
kz为X轴方向上单位长度胎面3垂向变形刚度；
lp为纵向位移测试片7长度；
α为纵向位移测试片7X轴方向偏移角度；
8、轮胎的胎压Pt：
Pt＝f(Fz,Δh)
其中，Fz为轮胎所受的垂向力
9.、轮胎的实际转向角度θt：
Figure BDA0002648656090000151
其中，θth为轮胎理论转向角度。
以上为本发明较佳的实施方式，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改，因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于激光雷达的智能轮胎结构，其特征在于：包括轮胎基体、胎体变形测试模块和胎面变形测试模块；
所述轮胎基体包括轮毂(1)、胎体(2)和胎面(3)，所述胎面(3)依次包括橡胶层(33)、帘布层(32)和钢丝层(31)，所述钢丝层(31)位于胎面(3)的内侧，所述帘布层(32)分别位于胎面(3)和胎体(2)中；
所述胎面变形测试模块包括侧向位移测试片(6)、纵向位移测试片(7)和胎面信号处理模块(8)；
所述侧向位移测试片(6)包括压电片体一(61)和压电片体二(62)，所述压电片体一(61)和压电片体二(62)均设在胎面(3)的橡胶层(33)中且在竖直方向呈对称排列；所述纵向位移测试片(7)包括压电片体三(71)和压电片体四(72)，所述压电片体三(71)和压电片体四(72)均设在胎面(3)的橡胶层(33)中且在水平方向呈对称排列；所述压电片体一(61)、压电片体二(62)、压电片体三(71)和压电片体四(72)均与胎面信号处理模块(8)电连接；
所述胎体变形测试模块包括激光雷达(4)和被测目标体(5)，所述激光雷达(4)包括用于发射激光和接收激光信号的激光椭圆体(41)和激光信号处理模块(42)，所述激光椭圆体(41)设在激光信号处理模块(42)上且与激光信号处理模块(42)连接；所述被测目标体(5)包括被测标记(51)和被测体支架(52)，被测标记(51)通过被测体支架(52)固定于胎面(3)内侧；
所述被测体支架(52)还与钢丝层(31)连接；
所述胎面信号处理模块(8)设在胎面(3)内侧且位于胎面(3)与被测体支架(52)之间。
2.根据权利要求1所述的基于激光雷达的智能轮胎结构的分析方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：胎体(2)变形时被测目标体(5)会发生x轴、y轴、z轴方向的平移，通过激光椭圆体(41)发射激光，被测标记(51)反射激光给激光信号处理模块(42)，激光信号处理模块(42)通过分析发射激光束与反射激光束的角度和时间变化，分析被测标记(51)所处的x轴、y轴、z轴位置变化情况，进而分析胎体(2)的x轴、y轴、z轴位移情况，进而分析胎体(2)的x轴、y轴、z轴变形情况；
步骤二：分析胎体(2)的y轴和z轴方向变形情况，激光从A点发射，经过O点反射回A点，激光传播速度为Vg，时间为tg，胎体(2)侧向y轴偏转角度为γ，角度γ可根据反射激光入射角度直接获得；
AO长度l为
Figure FDA0003688259080000021
胎体(2)的y轴方向变形量b
b＝lsinγ
胎体(2)的z轴变形量Δh
Δh＝h-h0
h0为O点初始位置z轴坐标，h代表胎体(2)变形后O点的z轴坐标；
步骤三：对压电片体一(61)、压电片体二(62)、压电片体三(71)和压电片体四(72)产生纵向挤压和侧向挤压从而产生电动势，并将电动势信号传递给胎面信号处理模块(8)；
步骤四：防止胎面(3)侧向变形和垂向变形对纵向位移测试片(7)的干扰，设定了纵向位移测试片(7)的摆放位置，且dy0为纵向位移测试片(7)与胎面(3)的橡胶层(33)的侧向间隙，而且满足：
dy0≧dymax
dymax为胎面(3)的橡胶层(33)的最大侧向变形量；
dz0为纵向位移测试片(7)与胎面(3)的橡胶层(33)的垂向间隙，而且满足
dz0≧dzmax
dzmax为胎面(3)的橡胶层(33)的最大垂向变形量；
防止胎面(3)纵向变形和垂向变形对侧向位移测试片(6)的干扰，设定侧向位移测试片(6)的摆放位置，且dx0为侧向位移测试片(6)与胎面(3)的橡胶层(33)的纵向间隙，而且满足：
dx0≧dxmax
dxmax为胎面(3)的橡胶层(33)的最大纵向变形量；
dz0为侧向位移测试片(6)与胎面(3)的橡胶层(33)的垂向间隙，而且满足
dz0≧dzmax
侧向位移测试片(6)的dz0和纵向位移测试片(7)的dz0为同一个参数；
步骤五：定义智能轮胎的纵向力Fx、侧向力Fy、回正力矩Mz、纵向滑移率Sx、侧向滑移率Sy以及滚动阻力Fr、胎压Pt和轮胎的实际转向角度θt；其计算方法如下：
1、纵向力Fx的计算方法：
Figure FDA0003688259080000041
其中，fx为X轴方向上单位长度胎面(3)纵向变形产生的纵向力，
ΔXt为X轴方向上单位长度胎面(3)纵向变形长度，
kx为X轴方向上单位长度胎面(3)纵向变形刚度，
vxt为X轴方向上纵向位移测试片(7)，在t时刻由于变形而产生的电压信号；
2、侧向力Fy的计算方法：
Figure FDA0003688259080000051
其中，
fy为X轴方向上单位长度胎面(3)侧向变形产生的侧向力；
ΔYt为X轴方向上单位长度胎面(3)侧向变形长度；
ky为X轴方向上单位长度胎面(3)侧向变形刚度；
vyt为X轴方向上侧向位移测试片(6)，在t时刻由于变形而产生的电压信号；
3、回正力矩Mz的计算方法：
Figure FDA0003688259080000052
4、纵向滑移率Sx的计算方法：
Sx＝ΔXt/2πr
其中，r为轮胎的滚动半径；
5、侧向滑移率Sy的计算方法：
Sy＝ΔYt/2πr
6、复合滑移率Sxy的计算方法：
Figure FDA0003688259080000061
7、滚动阻力Fr：
Figure FDA0003688259080000062
其中，
fz为X轴方向上单位长度胎面(3)垂向变形产生的垂向力；ΔZt为X轴方向上单位长度胎面(3)垂向变形长度；
kz为X轴方向上单位长度胎面(3)垂向变形刚度；
lp为纵向位移测试片(7)长度；
α为纵向位移测试片(7)X轴方向偏移角度；
8、轮胎的胎压Pt：
Pt＝f(Fz,Δh)
其中，Fz为轮胎所受的垂向力
9、轮胎的实际转向角度θt：
Figure FDA0003688259080000071
其中，θth为轮胎理论转向角度。
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