CN114136362B - 一种轮胎载重智能监控方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种轮胎载重智能监控方法与装置，磁力传感器测量车辆每个轮胎上的磁力，转换为电压信号，传感器处理器将电压信号转化为轮胎高度的变化量与电压信号的函数；超声波传感器测量时间数据，温度传感器测量温度数据，传感器处理器对声速进行补偿，利用补偿后的声速和距离数据计算车辆的悬架到地面的距离变化量；传感器处理器根据磁条高度的变化量x和车辆的悬架到地面的距离变化量计算轮胎压力量、每个轮胎所承受的载重量及车辆总载重量；控制单元比较车辆的总载重量与车辆限定载重量，判断车辆是否超重；比较车辆轮胎与轮胎之间的载重量，判断货车是否偏重；提醒驾驶员对货物的分布进行调整或者对轮胎进行补气或者更换。

Description

一种轮胎载重智能监控方法与装置

技术领域

本发明涉及一种轮胎载重智能监控方法与装置。

背景技术

近年来，在汽车的高速行驶中，轮胎故障是发生突发性交通事故的重要原因。统计表明:交通意外增加的主要原因是高速行驶中因轮胎故障引起的爆胎。爆胎的主要原因就是轮胎气压过低或过高。我国道路交通运输车辆超限超重现象极为普遍，在某些地区，货运车辆都会有一定程度的超限超重。

为了抑制车辆超重现象，国内外都对预防轮胎故障和轮胎超重检测技术进行了广泛的研究。研究表明，汽车在行驶过程中保持正常的轮胎气压、温度以及及时发现轮胎欠压、漏气或高压等情况是防止轮胎故障和轮胎超重的关键。于是可以实时监测轮胎载重系统和方法应运而生。

目前最流行的是直接式的对轮胎气压进行实时监测，轮胎气压监测系统主要用于汽车行驶过程中实时监测轮胎气压，并对轮胎漏气和高气压进行自动报警，以保障行车安全。向驾驶员提供轮胎气压和温度信息，并在异常的情况下发出报警信息，提醒驾驶员采取有效措施，防止事故发生。因此，轮胎气压监测系统作为主动型安全装置可以很好的防止汽车高速行驶时发生爆胎。但是现有的轮胎气压监测系统所监测的参数过于单一，噪声过多，造成了监测结果的不精确性和不稳定性；且仅仅是具有单一的监测功能，缺少对监测结果进行自主分析，并根据分析结果实现对轮胎进行调节或者及时告知驾驶员并给出指导参数的反馈功能。

例如现有技术中，专利文献CN107314802A公开了一种用于汽车载重监测的侦测装置，包括至少一个测距仪和至少一个安装板块，测距仪为外部盒状、内部设有超声波测距装置的测距盒体，测距盒体的表面有侦测探头，侦测探头和内部的超声波测距装置连接，超声波测距装置还有测距盒体内的发送器连接。测量大梁与车桥之间的距离，即直接测量悬挂系统的形变量，就可以通过计算得到汽车载重的数值。但是该技术方案没有考虑其他的影响因素，测量数值不够精确。

再例如现有技术中，专利文献CN208315002U公开了一种车辆载重实时监测与监控系统，包括载重检测模块、声光报警模块、无线发送模块、数据存储模块、无线接收模块、控制中心数据处理系统，以及道路拍摄设施。载重检测模块由压力检测装置、单片机控制构件及GPS定位终端子模块构成；无线接收模块内含有无线接收设备和单片机控制构件。车辆载重实时监测与监控系统能让驾驶员能随时掌握车辆载重信息，也能使得交通监管部门实时监控在行车辆的载重状况。但是该技术方案由于达到更全面的考量，从而失去了准确及高效地对车辆载重进行监测与监管的目的。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种轮胎载重智能监控装置，包括传感器单元、传感器处理单元、分析单元和控制单元；

所述传感器单元包括多个磁力传感器、超声波探测器及温度传感器；所述多个磁力传感器用于监测轮胎的高度变化量，超声波探测器用于测量超声波由发射到被地面返回的时间数据，温度传感器用于测量车辆底部温度数据；

所述传感器处理单元包括存储器装置、温度补偿模块、胎压处理模块和距离处理模块；存储器装置用于对接收到的探测信息进行存储，温度补偿模块利用所述温度数据对超声波声速进行补偿，距离处理模块利用时间数据以及补偿后的声速数据计算车辆的悬架到地面的距离变化量；胎压处理模块利用距离处理模块输出的距离变化量和磁力传感器测得的磁条高度变化量，计算轮胎压力变化量；

所述分析单元将传感器处理单元输出的轮胎压力变化量计算每个轮胎所承受的载重量及车辆总载重量；

所述控制单元通过比较车辆总载重量与车辆限定载重量来判断车辆是否超重，通过比较车辆各轮胎之间的载重量来判断货车是否偏重。

进一步地，胎压处理模块通过下式(1)进行计算轮胎压力变化量，P代表轮胎压力变化量，x代表磁条高度的变化量，a代表不同轮胎的弹性系数，P₀代表初始胎压，x’代表车辆的悬架到地面的距离变化量，S为轮胎对地接触面积。

P＝a(x-x’)/S (1)。

进一步地，所述分析单元根据每个轮胎的压力变化量P计算该轮胎所承受的载重量，计算函数表达式如下:

其中P₀为轮胎的初始压力，P代表轮胎压力变化值，R为轮胎外圆半径，r为轮胎内圆半径，T₀为车辆底部的初始温度，T为温度的变化，g为重力加速度，b为轮胎长度；设货车有n个规格一致的轮胎，那么货车总载重量为n个轮胎载重质量之和:

进一步地，所述控制单元包括轮胎建模单元、转向建模单元和动力系统建模单元；

所述轮胎建模单元在控制面板上显示胎压过高的车轮或者多个轮胎分别承受的重量，提醒驾驶员对货物的分布进行调整或者对轮胎进行补气或者更换；

所述转向建模单元根据轮胎建模单元对偏重程度的判断，结合转向角和转向扭矩，显示车辆转向时最大可以执行的车轮转向角；

动力系统建模单元根据轮胎建模单元对车辆总载重量的判断，显示车辆维持动力时所需的最小马力值以及车辆能通过的承重桥的极限值。

进一步地，所述超声波探测器及温度传感器安装在车辆底部的悬架上，通电后超声波传感器不断的向地面发送超声波信号，再检测地面返回的超声波信号，超声波探测器通过内部的定时器测量该信号的脉宽，得到超声波由发射到返回的时间数据；温度传感器采集车底温度数据，分析单元中的温度补偿模块利用温度数据对超声波声速进行补偿，声速与温度的关系满足：声速＝332+0.607*温度。

进一步地，所述磁力传感器包括垂杆、一对磁条及压电薄膜，垂杆一端固定在车体对应轮胎的部分，另一端悬出车体，并悬于轮胎外侧，并通过压电薄膜与固定磁条一固定连接，磁条二设置在轮胎边缘，随着轮胎的转动而转动，两个磁条的相同磁极或者不同磁极相对设置。

进一步地，传感器单元还包括唤醒单元，由传感器处理单元定时通过唤醒单元对磁力传感器、超声波探测器及温度传感器主动发起通信。

本发明还提出了一种轮胎载重智能监控方法，通过上述智能监控装置实现，包括如下步骤：

S01:多个磁力传感器测量车辆每个轮胎上的磁极排斥力，转换为电压信号，并发送给传感器处理器。

S02：传感器处理器将电压信号转化为位于轮胎上的磁条转动的最高点的高度变化量x与轮胎压力变化的函数。

S03：超声波传感器测量的超声波一次往返的时间数据，温度传感器测量车辆底部温度数据，并发送给传感器处理器；

S04：传感器处理器利用温度数据对超声波声速进行补偿，利用补偿后的声速和超声波传感器测得的距离数据计算车辆的悬架到地面的距离变化量x’；

S05：传感器处理器根据磁条转动的最高点的高度变化量x和车辆的悬架到地面的距离变化量x’计算轮胎压力变化量；

S06：分析单元根据轮胎压力变化量计算每个轮胎所承受的载重量及车辆总载重量；

S07：控制单元比较车辆的总载重量与车辆限定载重量，判断车辆是否超重；比较车辆轮胎与轮胎之间的载重量，判断货车是否偏重；

S08：提醒驾驶员对货物的分布进行调整或者对轮胎进行补气或者更换。

进一步地，步骤S07中，所述控制单元能够显示车辆转向时最大执行的车轮转向角和车辆维持动力时所需的最小马力值以及车辆能够通过的承重桥的极限值。

进一步地，定时通过唤醒单元对磁力传感器、超声波探测器及温度传感器主动发起通信，并采用低频唤醒轮胎ID号来对每个轮胎进行唤醒。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的轮胎载重智能监控装置的结构示意图；

图2为本发明的磁力传感器的结构示意图；

图3为本发明的轮胎载重智能监控方法的流程图；

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述轮胎载重智能监控方法与装置中的各元件的工作原理，表现所述装置中各部分的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能构成对元件或结构内的信号传输方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。

如图1所示，轮胎载重智能监控装置包括传感器单元10、传感器处理单元20、分析单元30和控制单元40。

传感器单元10包括多个磁力传感器11、超声波探测器12及温度传感器13。多个磁力传感器11分别置于车辆每个轮胎上，以监测轮胎的胎压状态；超声波探测器12及温度传感器13安装在车辆的悬架上，超声波探测器12用于测量超声波由发射到被地面返回的时间，温度传感器13用于测量悬架附近的温度数据。

传感器处理单元20、分析单元30和控制单元40集成于驾驶室的控制台，控制单元40位于控制面板上，显示控制参数，并由驾驶员进行操作确认。传感器单元10通过无线链路向传感器处理器20提供探测信息。

传感器处理器20包括用于对接收到的探测信息进行存储的存储器装置以及对数据进行处理的温度补偿模块、胎压处理模块和距离处理模块。温度补偿模块利用温度传感器测得的温度对超声波声速进行补偿；距离处理模块利用温度补偿模块补偿后的声速数据以及超声波传感器测得的距离数据计算车辆的悬架到地面的距离；胎压处理模块利用距离处理模块输出的距离信息对磁力传感器测得的数据进行校正，从而精确计算的胎压数据。

传感器处理单元20连接到分析单元30，分析单元30将传感器处理单元输出的数据进行分析，分析结果发送给控制单元40。

具体地，如图2所示为本发明的磁力传感器的具体结构示意图。磁力传感器11包括垂杆4、一对磁条及压电薄膜3，垂杆4一端固定在车体对应轮胎的部分，另一端悬出车体，并悬于轮胎外侧，并通过压电薄膜3与磁条1固定连接，磁条2设置在轮胎边缘，其随着轮胎的转动而转动，其转动的最高位置取决于胎压的大小，两个磁条的相同磁极或者不同磁极相对设置，在本实施例中，以两个磁条的相同磁极相对设置为例，因此磁条间的最大排斥力随着磁条2转动的最高位置沿垂直路面方向的距离变化而变化。

当轮胎上的磁条2在转动时接近垂杆4上的磁条1时，垂杆4在两个磁极排斥力的作用下，会发生弯曲变形，因而压电薄膜3会产生压电效应，在压电薄膜3的表面产生异种电荷，实现了力-电转换，转换为电压信号，并发送给传感器处理器20的存储器装置进行存储。

虽然轮胎压力的变化主要是与车辆载重成正比，但是当车辆颠簸时，也会导致胎压的变化，为了去除车辆颠簸的影响，本发明通过超声波传感器对车辆颠簸时车辆与地面的距离变化进行测量，并利用该测量数据对磁力传感器测量的数据进行校正，传感器处理器20的胎压处理模块进一步地在上述计算结果的基础上，过滤掉由于颠簸导致的磁力传感器中的噪声，得到精确的胎压与载重量的关系。

具体地，只要测出车辆底部与地面间的距离变化就可校正车辆胎压数据，因此将超声波探测器12及温度传感器13安装在车辆底部的悬架上，通电后超声波传感器不断的向地面发送超声波信号，再检测地面返回的超声波信号，超声波探测器12通过内部的定时器测量该信号的脉宽，可得到超声波由发射到返回的时间；温度传感器13负责对车底温度进行采集，以便对超声波声速进行温度补偿。

由超声波传感器测得的超声波一次发射至返回的时间数据和由温度传感器测得的温度数据均被传输并存储在传感器处理器20的存储器装置中，分析单元30中的温度补偿模块利用温度数据对超声波声速进行补偿，声速与温度的关系满足：声速＝332+0.607*温度。距离处理模块利用校正后的声速以及超声波传感器测得的时间数据计算车辆的悬架到地面的距离变化量x’。温度传感器的设汁是为了更加准确的得到当前环境下的声速。由于车桥与地面间的距离一般在0.5米至1.5米之间，所以本实施例优选地，采用近距离高精度超声波探头。

传感器处理器20的胎压处理模块读取存储器装置中存储的电压信号，将电压信号转化为位于轮胎上的磁条转动的最高点的高度变化量x与轮胎压力的函数。

具体地，胎压处理模块通过下式(1)进行计算轮胎压力，P代表轮胎压力变化量，x代表位于轮胎上的磁条转动的最高点的高度变化量，a代表不同轮胎的弹性系数，P₀代表初始磁力值，x’代表车辆的悬架到地面的距离变化量，S为轮胎对地接触面积。

P＝a(x-x’)/S (1)；

上述轮胎压力值P存储在存储器装置，并发送给分析单元30。

分析单元30根据每个轮胎的压力变化值P计算该轮胎所承受的载重量，计算函数表达式如下:

其中P₀为轮胎的初始压力，P代表轮胎压力变化值，R为轮胎外圆半径，r为轮胎内圆半径，T₀为车辆底部的初始温度，T为温度的变化，g为重力加速度，b为轮胎长度。

假设货车有n个规格一致的轮胎，那么货车总载重量为n个轮胎载重质量之和:

为了将上述分析结果更加明确地展示给驾驶员，控制单元40集成于驾驶室的控制面板上，接收分析单元30计算得到的各个轮胎承受的载重量M_i以及车辆整体的载重量M′，控制单元40中的轮胎建模单元，比较车辆的总载重量与车辆限定载重量，判断车辆是否超重；比较车辆轮胎与轮胎之间的载重量，判断货车是否偏重。优选地，轮胎建模单元会在控制面板上给出需要注意的胎压过高的车轮，或者直观地给出多个轮胎分别承受的重量，从而提醒驾驶员对货物的分布进行调整或者对轮胎进行补气或者更换。

控制单元40还包括转向建模单元和动力系统建模单元，

转向建模单元，该转向建模单元根据轮胎建模单元对偏重程度的判断，结合转向角和转向扭矩，给出车辆转向时最大可以执行的车轮转向角。

动力系统建模单元，该动力系统建模单元根据轮胎建模单元对车辆整体载重程度的判断，给出车辆维持动力时最小需要的马力值以及直观地给出车辆可通过的承重桥的极限值。

在优选实施例中，传感器单元还包括唤醒单元。由于传感器单元10的多个磁力传感器11、超声波探测器12及温度传感器13对耗电的要求不同，且传感器单元由电池供电，对功耗要求很高，对此在该优选实施例中，增设了设计了唤醒单元，由传感器处理单元20定时通过唤醒单元对磁力传感器11、超声波探测器12及温度传感器13主动发起通信。定时间隔可以改变：在正常情况下，唤醒间隔为2分钟；当压力温度接近标准限制时，唤醒间隔为30秒；当系统进行自动调节时，相应的唤醒间隔为5秒。

磁力传感器11、超声波探测器12及温度传感器13一般处于掉电模式，在被传感器处理单元20唤醒后进入正常工作模式，采集数据并发送给传感器处理单元20的存储器装置。本方案采用低频唤醒和轮胎ID号来对每个轮胎进行唤醒，在进行换胎时可以激活更改轮胎ID完成新轮胎信息的读取，这样一次只唤醒一个轮胎，可以防止一个汽车的各个轮胎之间的干扰，而进一步采用轮胎ID号可以防止汽车之间的轮胎数据冲突。

如图3所示，为本发明的利用上述轮胎载重智能监控装置的监控方法的流程图，具体包括如下步骤：

S01:多个磁力传感器测量车辆每个轮胎上的磁极排斥力，转换为电压信号，并发送给传感器处理器。

S02：传感器处理器将电压信号转化为磁条转动的最高点的高度变化量x与轮胎压力变化的函数。

S03：超声波传感器测量的超声波一次往返的时间数据，温度传感器测量车辆底部温度数据，并发送给传感器处理器；

S04：传感器处理器利用温度数据对超声波声速进行补偿，利用补偿后的声速和超声波传感器测得的距离数据计算车辆的悬架到地面的距离变化量x’；

S05：传感器处理器根据磁条转动的最高点的高度变化量x和车辆的悬架到地面的距离变化量x’计算轮胎压力变化量；

S06：分析单元根据轮胎压力变化量计算每个轮胎所承受的载重量及车辆总载重量；

S07：控制单元比较车辆的总载重量与车辆限定载重量，判断车辆是否超重；比较车辆轮胎与轮胎之间的载重量，判断货车是否偏重；

S08：提醒驾驶员对货物的分布进行调整或者对轮胎进行补气或者更换。

在优选实施例中，控制单元还可以给出车辆转向时最大可以执行的车轮转向角和车辆维持动力时最小需要的马力值以及直观地给出车辆可通过的承重桥的极限值。

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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种轮胎载重智能监控装置，其特征在于，包括传感器单元、传感器处理器、分析单元和控制单元；

所述传感器单元包括多个磁力传感器、超声波探测器及温度传感器；所述多个磁力传感器用于监测轮胎的高度变化量，超声波探测器用于测量超声波由发射到被地面返回的时间数据，温度传感器用于测量车辆底部温度数据；

所述传感器处理器包括存储器装置、温度补偿模块、胎压处理模块和距离处理模块；存储器装置用于对接收到的探测信息进行存储，温度补偿模块利用所述温度数据对超声波声速进行补偿，距离处理模块利用所述时间数据以及补偿后的声速数据计算车辆的悬架到地面的距离变化量；胎压处理模块利用距离处理模块输出的距离变化量和磁力传感器测得的磁条高度变化量，计算轮胎压力变化量；

胎压处理模块通过下式(1)进行计算轮胎压力变化量，P代表轮胎压力变化量，x代表位于轮胎上的磁条转动的最高点的高度变化量，a代表不同轮胎的弹性系数，P₀代表初始胎压，x’代表车辆的悬架到地面的距离变化量，S为轮胎对地接触面积，

P＝a(x-x’)/S (1)；

所述分析单元根据传感器处理器输出的轮胎压力变化量计算每个轮胎所承受的载重量及车辆总载重量；

所述控制单元通过比较车辆总载重量与车辆限定载重量来判断车辆是否超重，通过比较车辆各轮胎之间的载重量来判断货车是否偏重。

2.根据权利要求1所述的智能监控装置，其特征在于，所述分析单元根据每个轮胎的压力变化量P计算该轮胎所承受的载重量，计算函数表达式如下:

其中P₀为轮胎的初始压力，P代表轮胎压力变化量，R为轮胎外圆半径，r为轮胎内圆半径，T₀为车辆底部的初始温度，T为温度的变化量，g为重力加速度，b为轮胎长度；设货车有n个规格一致的轮胎，那么货车总载重量为n个轮胎载重质量之和:

3.根据权利要求1所述的智能监控装置，其特征在于，所述控制单元包括轮胎建模单元、转向建模单元和动力系统建模单元；

所述轮胎建模单元在控制面板上显示胎压过高的车轮或者多个轮胎分别承受的载重量，提醒驾驶员对货物的分布进行调整或者对轮胎进行补气或者更换；

所述转向建模单元根据轮胎建模单元对偏重程度的判断，结合转向角和转向扭矩，显示车辆转向时最大能够执行的车轮转向角；

动力系统建模单元根据轮胎建模单元对车辆总载重量的判断，显示车辆维持动力时所需的最小马力值以及车辆能通过的承重桥的极限值。

4.根据权利要求1所述的智能监控装置，其特征在于，所述超声波探测器及温度传感器安装在车辆底部的悬架上，通电后超声波探测器不断的向地面发送超声波信号，再检测地面返回的超声波信号，得到超声波由发射到返回的时间数据；温度传感器采集车底温度数据，分析单元中的温度补偿模块利用温度数据对超声波声速进行补偿，声速与温度的关系满足：声速＝332+0.607*温度。

5.根据权利要求1所述的智能监控装置，其特征在于，所述磁力传感器包括垂杆、一对磁条及压电薄膜，垂杆一端固定在车体对应轮胎的部分，另一端悬出车体，并悬于轮胎外侧，并通过压电薄膜与磁条一固定连接，磁条二设置在轮胎边缘，随着轮胎的转动而转动，两个磁条的相同磁极或者不同磁极相对设置。

6.根据权利要求1所述的智能监控装置，其特征在于，传感器单元还包括唤醒单元，由传感器处理器定时通过唤醒单元对磁力传感器、超声波探测器及温度传感器主动发起通信。

7.一种轮胎载重智能监控方法，通过权利要求1至6中任意一项所述的智能监控装置实现，其特征在于，包括如下步骤：

S01:多个磁力传感器测量车辆每个轮胎上的磁极排斥力，转换为电压信号，并发送给传感器处理器；

S02：传感器处理器将电压信号转化为位于轮胎上的磁条转动的最高点的高度变化量x与轮胎压力变化的函数；

S03：超声波探测器测量超声波一次往返的时间数据，温度传感器测量车辆底部温度数据，并发送给传感器处理器；

S04：传感器处理器利用温度数据对超声波声速进行补偿，利用补偿后的声速和超声波探测器测得的距离数据计算车辆的悬架到地面的距离变化量x’；

S05：传感器处理器根据磁条转动的最高点的高度变化量x和车辆的悬架到地面的距离变化量x’计算轮胎压力变化量；

S06：分析单元根据轮胎压力变化量计算每个轮胎所承受的载重量及车辆总载重量；

S07：控制单元比较车辆的总载重量与车辆限定载重量，判断车辆是否超重；比较车辆轮胎与轮胎之间的载重量，判断货车是否偏重；

S08：提醒驾驶员对货物的分布进行调整或者对轮胎进行补气或者更换。

8.根据权利要求7所述的智能监控方法，其特征在于，步骤S07中，所述控制单元能够显示车辆转向时最大执行的车轮转向角和车辆维持动力时所需的最小马力值以及车辆能够通过的承重桥的极限值。

9.根据权利要求7所述的智能监控方法，其特征在于，定时通过唤醒单元对磁力传感器、超声波探测器及温度传感器主动发起通信，并采用低频唤醒轮胎ID号来对每个轮胎进行唤醒。

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