CN113264053B - 汽车四轮轮速信号的监测平台及降低启动胎耗的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种汽车四轮轮速信号的监测平台及降低启动胎耗的方法,属于汽车技术领域。通过对汽车四轮轮速信号的采集,并且通过对采集到的数据进行数据处理从而实现对汽车滑移率的实时监测。本发明的具体内容为使用FPGA嵌入式系统,使用FPGA进行数据采集的逻辑编写,开发板内在Linux系统下接收轮速信号的时间戳以及将数据写入文件。充分利用了FPGA并行计算的特点和Linux系统稳定性的特点,通过胎耗降低算法降低汽车启动时,打滑造成的汽车轮胎损耗。
Description
技术领域
本发明属于汽车技术领域,更具体地,涉及一种汽车四轮轮速信号的监测平台及降低启动胎耗的方法。
背景技术
随着汽车的不断普及,汽车的数量日益剧增,而轮胎作为汽车重要的部分,如何降低轮胎损耗成为不可避免的问题。所以,在汽车行驶过程中对汽车轮胎滑移率的监测显得尤为重要。当车辆启动时,轮胎与地面产生了抓地力。同时车辆本身也受到相关的相对反作用力,也称为惯性。当惯性大于摩擦力时,则轮胎会根据惯性的方向滑动。当车辆急启动时,滑动摩擦将随车速的增加而加大,使胎面磨损加速。针对汽车滑移率的监测,是通过对汽车四轮轮速信号的采集,进行算法计算,从而实现对汽车滑移率的实时监测,并针对性的做出汽车升降扭操作,从而减少汽车行驶过程中的车胎耗损。因此,如何通过胎耗降低方式降低汽车启动时,打滑造成的汽车轮胎损耗是目前亟需解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提出了一种汽车四轮轮速信号的监测平台及降低启动胎耗的方法,通过胎耗降低方法以降低汽车启动时,打滑造成的汽车轮胎损耗。
为实现上述目的,按照本发明的一个方面,提供了一种汽车四轮轮速信号的监测平台,其基于FPGA嵌入式系统实现,包括:电源模块、信号采集模块、通讯模块、系统核心板以及传感器模块;
所述电源模块将输入电压转换为对应的目标电压后,分别给所述系统核心板、所述信号采集模块及所述传感器模块供电;
所述信号采集模块基于FPGA可编程逻辑单元实现,用于采集汽车四轮轮速信号发送至所述系统核心板;
所述传感器模块包括GPS模块,用于采集定位信息发送至所述系统核心板;
所述系统核心板基于Linux系统对从所述信号采集模块和所述传感器模块输入的信号的有效性进行判断并处理后以预设格式进行存储,同时通过所述通讯模块将输入的数据发送至上位机进行实时监控采集进度。
在一些可选的实施方案中,所述信号采集模块包括四路原始轮速信号采集,通过运算放大电路将汽车原始轮速信号放大后得到的四轮轮速信号输入至所述系统核心板。
在一些可选的实施方案中,所述信号采集模块的采集数据逻辑为:在FPGA语言中产生FIFO以设计四路输入的MISO_FIFO IP核,通过四路FIFO数据采集模拟四路轮速信号的产生,FIFO是一种先入先出的双口缓冲器,当采集数据逻辑完成以后设置相应的时钟完成时序仿真验证,最后在Linux系统下将信号采集系统与FPGA嵌入式系统相结合。
在一些可选的实施方案中,所述通讯模块包括串口通信方式和网口通信方式,通过任意一种通信方式对平台中的各硬件进行调试或者获取数据。
在一些可选的实施方案中,所述信号采集模块的四路轮速信号采集中,使用FIFOGenerate产生普通的FIFO,数据暂存用FIFO缓存,当FIFO半满或者达到某个预设数据量的时候将FIFO中的Prog full置高,此时输出四路FIFO中的数据,其中,FIFO数据的采集过程为,首先等待FIFO采集数据,当某一路FIFO的Prog full被置高以后相应的select_reg置1代表着此路FIFO的数据采集完成,当四路FIFO读写数据完成以后以一个输出时钟将四路的数据输出。
在一些可选的实施方案中,所述系统核心板通过Linux系统分为二个线程,分别为接收处理轮速信号时间戳以及将采集数据写入文件,为每个线程设计好延迟,以Linux系统下默认的多线程模式进行调度。
按照本发明的另一方面,提供了一种基于上述任意一项所述的汽车四轮轮速信号的监测平台的降低启动胎耗的方法,包括:
通过信号采集模块采集汽车正常行驶状态中的四轮轮速信号,根据四轮轮速信号得到滑移率;
建立摩擦力与滑移率的关系模型,估计得到最大摩擦力,找出与最大摩擦力对应的最优滑移率,根据最优滑移率设定汽车的滑移率临界值;
在汽车重新启动时,实时采集汽车的轮速信号,计算汽车实时滑移率,通过实时滑移率与设定的滑移率临界值之间的大小关系确定胎耗。
在一些可选的实施方案中,通过实时滑移率与设定的滑移率临界值之间的大小关系确定胎耗,包括:
若启动时的实时滑移率大于设定的滑移率临界值,表明汽车打滑严重,轮胎磨损太大,向车身稳定控制ESC发出降扭信号,降低汽车扭矩;
若启动时的实时滑移率小于等于设定的滑移率临界值,则继续监测实时滑移率。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,能够取得下列有益效果:
本发明基于的平台是FPGA嵌入式系统,使用了其中的FPGA部分实现数据采集逻辑,在FPGA上模拟四路数据传输,在Linux系统下实现对数据的读写操作从而实现整个数据采集的逻辑,基于此技术完成对汽车的轮速信号的采集分析。此功能的完善使用FPGA的优点在于FPGA运行时为并行运行,很大程度上提升了计算能力,同时拥有Linux操作系统的电路板在运行程序时也更加的稳定。在整个平台的设计中,为了获取车辆的定位信息在整个设计平台中加入GPS模块。在监测系统设计中,实现了汽车的滑移率实时监测,通过胎耗降低方法以降低汽车启动时,打滑造成的汽车轮胎损耗。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于FPGA嵌入式系统的汽车四轮轮速信号采集平台的原理框图;
图2是本发明实施例提供的一种在Linux系统下多线程工作原理图;
图3是本发明实施例提供的一种基于汽车四轮轮速信号的路面信息监测系统框图;
图4是本发明实施例提供的一种滑移率和摩擦力关系图;
图5是本发明实施例提供的一种降低启动胎耗方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示,乘用车车胎状态信号采集及监测平台硬件由电源模块、信号采集模块、通讯模块、核心板以及传感器模块构成。电源模块将输入电压转换为合适的电压给系统核心板以及其他模块供电,信号采集模块采集汽车原始轮速信号,经过比较、放大与消除齿圈误差处理后发送至系统核心板,针对乘用车车型还加入了GPS作为外置传感器模块采集车速等信号发送至系统核心板。系统核心板对输入信号的有效性进行判断并按要求进行有效性的筛选后以一定的格式将数据存入SD卡中,同时系统核心板可通过通讯模块将采集到的数据发送至上位机可实时地监控采集进度。
如图2所示,在FPGA嵌入式系统中的Linux系统下多线程的工作原理图,从图2中可以看出,在Linux系统下使用二个线程进行数据采集平台的实现;其中的第一个线程用于接收和处理乘用车的轮速信号的时间戳接收;第二个线程用于将数据写入文件中。在多线程的条件下进行调度。
信号采集模块由四路轮速信号采集组成,该模块通过运算放大电路将乘用车原始轮速信号放大后输入至系统核心板进行下一步处理。本硬件的通讯模块设计有串口通信和网口通信两种方式,可通过任意一种方式对硬件进行调试或者获取数据。为了获取更多的车身运动状态的信息,本硬件中以外设形式添加了GPS模块,采用GPS模块的定位信息来获取运动轨迹。通过串口协议与系统核心板通信。
其中,信号采集模块包括将汽车的四轮轮速信号由电流信号转化为电压信号,通过比较放大电路将电压信号转化为脉冲信号作为数据的输入,在逻辑端对此输入信号进行处理。
本硬件采用的FPGA嵌入式系统包括一个FPGA可编程逻辑单元和一个双核ARMCortexTM-A9处理器。软件部分工作于嵌入式Linux系统下,Linux系统下可更方便的进行文件读写的操作。并且在Linux系统下可充分利用处理器双核的性能优势,可让不同的任务工作在不同的核心中。该软件系统分为二个线程,分别为接收处理轮速信号时间戳以及将数据写入文件,为每个线程设计好延迟,以Linux系统下默认的多线程模式进行调度。
其中,本平台使用的是FPGA嵌入式系统进行开发,但不仅局限于该32位嵌入式系统。
本发明中采集数据的逻辑主要由FPGA可编程逻辑单元实现,在基于FPGA的乘用车轮速信号采集逻辑的设计中,在FPGA语言中产生FIFO以设计四路输入的MISO_FIFO IP核,FIFO是一种先入先出的双口缓冲器,即第一个进入其内的数据第一个被移除。并且当逻辑完成以后设置相应的时钟完成时序仿真验证。四路FIFO数据采集模拟四路轮速信号的产生,最后在Linux系统下将采集系统与硬件电路相结合。
本发明的设计中,需要实现四路速率近似,但是时钟不同步,输出也要保证四路的数据不能丢,并且在输出时,输出时钟要比输入时钟快的多。在PL设计逻辑中,使用FIFOGenerate产生普通的FIFO,数据暂存用FIFO缓存,当FIFO半满或者达到某个数据量的时候将FIFO中的Prog full置高,此时输出四路FIFO中的数据。而FIFO数据的采集过程为,首先等待FIFO采集数据,当某一路FIFO的Prog full被置高以后相应的select_reg置1代表着此路FIFO的数据采集完成,当四路FIFO读写数据完成以后以一个很快的时钟将四路的数据输出。实现四路输入的FIFO模拟四路轮速信号,并且输入时钟不同步,通过快速的输出时钟使四路数据输出。
如图3所示,系统核心板即Xilink采集处理系统通过网线、USB串口与上位机相连。使用采集分析平台的PS端在Linux系统下进行对输入的信号数据的处理。将时间、汽车左侧与右侧前后车轮速度、车轮半径作为FPGA嵌入式系统的输入量,在嵌入式系统中实现实时滑移率的监测。
降低轮胎由于急启动而产生的损耗,关键在于确保汽车的惯性力小于或等于摩擦力。但汽车启动时的实时摩擦力很难准确估计,需要使用其他信号量进行代替。比如汽车滑移率,即使是在汽车启动的时候也可以准确实时的估计。而恰好滑移率和摩擦力之间有紧密的联系,如图4所示。显然OA部分近似直线增长,此时基本不打滑;而AB之间开始打滑,曲线就是弧形增长;而到了BC阶段,轮胎基本抱死。最理想的方式就是限制滑移率在直线增长段,此时汽车轮胎磨损最小。但此时摩擦力太小,启动速度会很慢,实际中不一定适合。而正常行驶过程中汽车一般是处于这个状态。最需要避免的是汽车状态进入BC段,轮胎抱死,轮胎损耗最大。所以可将摩擦力的比较转化为滑移率的比较。具体的降低胎耗的方法如图5所示。
本方法的核心在于根据汽车正常行驶状态估计得到最大摩擦力,具体可以通过以下方式实现:
a)首先计算滑移率:滑移率原本定义为车速和轮速的差除以车速,滑移率的计算求取方法只有一种,即通过分别测量轮速和车速,并通过式(1)间接计算得到。但这样的计算略显复杂,可以通过近似,更简便的计算得到滑移率。重新定义为从动轮圆周速度vd及其主动轮速度vw的相对差:
其中,vd为从动轮速度;vw为主动轮速度。各轮速度可以通过ABS的轮速传感器获得。其实是将主动轮速度近似为车速,从动轮速度做轮速,近似计算。
b)之后计算摩擦力:归一化牵引力μ定义为一个驱动轮上的牵引力Ff与法向力N之比,法向力为车身重力G分散在四个车轮上的平均受力:
其中,torque为轮端扭矩,Enginespeed为引擎转速,Wheelspeed为车轮速度,rw为车轮半径。
归一化牵引力与滑移率的关系如图4所示,显示了一个非常显著的特性,μ=μ(s),这取决于轮胎和道路的组合。而实际上,在正常行驶过程中,汽车行驶不打滑的情况下,归一化牵引力和摩擦力是基本相等的,所以图4也可以看作是摩擦力和滑移率的关系图。
根据两者的关系建立数学模型,如式(4)所示,根据采集到OA和部分AB段信号,估计数学模型(4)的参数a、b、c;进而计算得到最大摩擦力,实现估计最大摩擦力的算法。
本方法的具体实现过程是:首先汽车正常行驶一段时间,收集到汽车这段时间的滑移率和摩擦力数据,此时的数据大都处于OA段,少部分处于AB段;根据汽车滑动模型,估计出最大摩擦力μmax,进而找出相应的最优滑移率λd,设定汽车的滑移率临界值。之后,在汽车重新启动时,实时采集汽车的信号,计算汽车实时滑移率,并与设定的滑移率临界值进行对比;一旦启动时的实时滑移率大于汽车滑移率临界值,即表明汽车打滑严重,轮胎磨损太大。此时,可以向车身稳定控制ESC发出降扭信号,降低汽车扭矩,减小汽车滑移率,减轻损耗。实际过程中,滑移率的临界值不一定要设为最优滑移率。因为在AB段接近最优滑移率时,打滑情况已经很严重了。根据需要可以取2/3的最优滑移率为滑移率临界值,或者其它数值;基本是在磨损与启动速度之间取一个平衡值。
需要指出,根据实施的需要,可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件,也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件,以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于汽车四轮轮速信号的监测平台的降低启动胎耗的方法,其特征在于,所述汽车四轮轮速信号的监测平台基于FPGA嵌入式系统实现,包括:电源模块、信号采集模块、通讯模块、系统核心板以及传感器模块;
所述电源模块将输入电压转换为对应的目标电压后,分别给所述系统核心板、所述信号采集模块及所述传感器模块供电;
所述信号采集模块基于FPGA可编程逻辑单元实现,用于采集汽车四轮轮速信号发送至所述系统核心板;
所述传感器模块包括GPS模块,用于采集定位信息发送至所述系统核心板;
所述系统核心板基于Linux系统对从所述信号采集模块和所述传感器模块输入的信号的有效性进行判断并处理后以预设格式进行存储,同时通过所述通讯模块将输入的数据发送至上位机进行实时监控采集进度;
所述方法包括:
通过信号采集模块采集汽车正常行驶状态中的四轮轮速信号,根据四轮轮速信号得到滑移率;
建立摩擦力与滑移率的关系模型,估计得到最大摩擦力,找出与最大摩擦力对应的最优滑移率,根据最优滑移率设定汽车的滑移率临界值,由建立摩擦力与滑移率的关系模型,其中,a,b,c为系数,s为滑移率,μ为摩擦力,根据采集到的OA段和部分AB段信号,估计参数a,b,c,OA段表示滑移率的直线增长段,AB段表示滑移率的弧形增长段;
在汽车重新启动时,实时采集汽车的轮速信号,计算汽车实时滑移率,通过实时滑移率与设定的滑移率临界值之间的大小关系确定胎耗。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,通过实时滑移率与设定的滑移率临界值之间的大小关系确定胎耗,包括:
若启动时的实时滑移率大于设定的滑移率临界值,表明汽车打滑严重,轮胎磨损太大,向车身稳定控制ESC发出降扭信号,降低汽车扭矩;
若启动时的实时滑移率小于等于设定的滑移率临界值,则继续监测实时滑移率。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述信号采集模块包括四路原始轮速信号采集,通过运算放大电路将汽车原始轮速信号放大后得到的四轮轮速信号输入至所述系统核心板。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述信号采集模块的采集数据逻辑为:在FPGA语言中产生FIFO以设计四路输入的MISO_FIFO IP核,通过四路FIFO数据采集模拟四路轮速信号的产生,FIFO是一种先入先出的双口缓冲器,当采集数据逻辑完成以后设置相应的时钟完成时序仿真验证,最后在Linux系统下将采集系统与硬件电路相结合。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述信号采集模块的四路轮速信号采集中,使用FIFO Generate产生普通的FIFO,数据暂存用FIFO缓存,当FIFO半满或者达到某个预设数据量的时候将FIFO中的Prog full置高,此时输出四路FIFO中的数据,其中,FIFO数据的采集过程为,首先等待FIFO采集数据,当某一路FIFO的Prog full被置高以后相应的select_reg置1代表着此路FIFO的数据采集完成,当四路FIFO读写数据完成以后以一个输出时钟将四路的数据输出。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述系统核心板通过Linux系统分为二个线程,分别为接收处理轮速信号时间戳以及将采集数据写入文件,为每个线程设计好延迟,以Linux系统下默认的多线程模式进行调度。
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