CN115218772B - 一种球头和汽车底盘高度的实时在途检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种球头，属于汽车电子技术领域，其包括球头本体和球头座，所述球头座能够容置球头本体，并使球头本体能够以其球心为中心进行多角度转动，所述球头座连接有连杆，球头本体上连接有连接柱，其特征在于：所述球头本体在连接柱相对的另一侧设有凹孔，所述凹孔内放置有永磁体，所述球头座上布置有至少两个霍尔传感器，其中一个霍尔传感器布置在永磁体的直线对应处，其他一个或多个霍尔传感器布置在前者的外侧。本发明同时公开了一种汽车底盘高度的实时在途检测系统。采用本方案，可以实现对车辆车轮的高度进行实时的精准获取。
Description
技术领域
本发明涉及汽车电子技术领域，特别涉及一种球头和汽车底盘高度的实时在途检测系统。
背景技术
近些年来，高强度气体放电灯(HID)在汽车上的应用越来越流行。相比传统的卤素车灯，采用HID技术的汽车大灯具有亮度高、寿命长、耗电少的一系列优点。但是由于HID的亮度过高，在不采取其他辅助措施的情况下，会造成会车时对面驾驶员的炫目，从而存在严重安全隐患。因此，国内外一些国家和地区针对HID等高亮度车灯都制定或修订了相关的法规，避免由于采用HID大灯所带来的负面影响。其中，欧盟针对HID灯具修订了ECE R48法规。中国也对原法规进行了修订，并颁布了《GB4785-2007 汽车及挂车外部照明和光信号装置的安装规定》。《GB4785-2007》中规定：“如果近光灯使用光通量超过2000lm的光源，必须配备前照灯清洗装置，并且4.3.2.6.2定义的手动前照灯调光机构不适用”。因此，如果使用2000lm以上的气体放电灯，必须至少配备大灯水平自动调节装置。另外，汽车底盘高度对车辆的通过性以及车辆状态维护具有重要的指导意义，是车辆悬架调教的重要影响因素。
目前，市场上大部分车辆底盘的高度测量主要是在静止状态完成的，并不能有效的检测汽车的实时运行状态，对于车辆行驶过程的车身的检测与控制带来了诸多不便；随着汽车智能化系统的逐步推广以及用户对车辆驾驶舒适性要求的日益提高，车身状态监控已成为目前车辆标定的重要参考依据。于此同时，新型传感器的应用、汽车电气水平的提高也为底盘高度的实时监控提供了良好的应用基础。
基于模拟信号以及数字信号的汽车底盘高度检测传感器已经有了较多的应用，也极大的推进了车身状态的监控工作，为汽车主动悬架以及空气悬架的推广提供了技术支持。但是，当前的悬架高度检测方法通常采用光电式传感器的技术方案；传感器主体安装在车身端，通过控制连杆将悬架的上下运动变换为磁盘槽的旋转运动，利用光折断器输出的变化检测车高，并将它转换成电信号输入控制装置。但是大部分底盘高度传感器的应用场景是在汽车静止状态，用于汽车底盘维修或保养。对于空气悬挂车辆，其底盘高度传感器采用的连杆式光电传感器，存在结构复杂，成本高，质量大等缺点，不利于产品的市场推广。而随着智能化汽车的逐渐推广，低成本、轻量化、可实时监测的底盘高度传感器成为目前市场需求的热点，而现有的底盘高度传感器已经不能满足市场的强劲需求。
在另一个方面，随着科技的发展，车辆的ECU（电子控制单元）能够通过所掌握的实时的车辆底盘高度数据，来延伸出多种实用功能，比如前文所述的控制灯光的照射角度和范围，在一些情况下，如车辆检测到强劲的侧风，则可以通过控制将车身向迎风面适当倾斜，故可以减少车辆侧翻的风险，在如一些情况下，在不平整路面，可是适当控制车速以提高车辆运行的舒适性等，这些实施这些功能时，均需要ECU实时精准地掌握车身底盘高度情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种球头和汽车底盘高度的实时在途检测系统，以实现对车辆车轮的高度进行实时的精准获取。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种球头，包括球头本体和球头座，所述球头座能够容置球头本体，并使球头本体能够以其球心为中心进行多角度转动，所述球头座连接有连杆，球头本体上连接有连接柱，所述球头本体在连接柱相对的另一侧设有凹孔，所述凹孔内放置有永磁体，所述球头座上布置有至少两个霍尔传感器，其中一个霍尔传感器布置在永磁体的直线对应处，其他一个或多个霍尔传感器布置在前者的外侧。
进一步的，所述霍尔传感器的数量为二个，分别为第一霍尔传感器和第二霍尔传感器，该两者均指向球头本体的球心方向布置。
进一步的，所述第一霍尔传感器和第二霍尔传感器与球头本体的球心间的距离相等。
进一步的，所述第一霍尔传感器和第二霍尔传感器的中心点的连线与连杆转轴的轴心线呈垂直布置状态。
进一步的，所述第二霍尔传感器布置在与球头转动的最大角度处对应，并处在远离连杆转轴的一侧。
汽车底盘高度的实时在途检测系统，包括：
采集模块，在车辆底盘上所有车轮的对应处布置所述球头，通过所有的霍尔传感器获取初始信号数据，所述初始信号数据包括初始角度值和实时角度值；
前处理模块，接受初始信号数据，并将所述初始信号数据进行滤波处理操作；
处理模块，实时接受前处理模块的数据，通过各个轮胎对应的连杆长度、初始角度值和实时角度值，计算获取各个轮胎的实时高度值。
进一步的，所述滤波处理操作包括但不限于带通滤波、维纳滤波以及自适用滤波。
进一步的，所述处理模块在计算各轮胎的实时高度值时，依据第一霍尔传感器和第二霍尔传感器的实时角度值，选择第一霍尔传感器或第二霍尔传感器的实时角度值为当前实时角度值。
进一步的，所述处理模块在计算各轮胎的实时高度值时，依据第一霍尔传感器和第二霍尔传感器的实时角度值，确定当前永磁体的磁性变动情况。
进一步的，所述处理模块计算获取各个轮胎的实时高度值后，将该实时高度值发送至车辆的电子控制单元（ECU）。
采用本方案，对比现有技术，具有以下好处：
本方案一种球头，通过在球头本体上布置永磁体，在球头座上布置多个霍尔传感器，首先永磁体和霍尔传感器的体型均为微小结构，故不会影响球头原有的结构和使用功能，同时永磁体和霍尔传感器之间通过对磁场的感应而获取转动角度数据，其不存在机械连接结构，故也不影响球头原有的结构和使用功能；
作为本方案的优选方案，在球头座上布置两个霍尔传感器，其中第一霍尔传感器以中心位置布置，第二霍尔传感器以偏移角度的方式布置，通过两个角度偏移的霍尔传感器可以大大提高偏转角度测量的准确度，特别是针对小角度和大角度的区分测量，可以提高球头的全部转动空间的角度测量操作，并提高测量的精准度；
同时采用两个霍尔传感器可以作为彼此的校验，比如在永磁体使用一定时间后磁性有一定的下降后，通过比对两个霍尔传感器的初始值，可以确保在永磁体出现一定的衰减后，还能够获取准确的实时角度值，并降低球头的维护成本；
本方案汽车底盘高度的实时在途检测系统，通过处理模块利用各个轮胎对应的连杆长度、初始角度值和实时角度值，计算获取各个轮胎的实时高度值，具有算法简洁高效的特点，并且计算获得的数据精确，能够胜任大动态和高频次的计算处理能力，为车辆ECU实时获取各个轮胎的高度和运动情况，并可以针对这些情况实施延展的调整和功能支持，故具有计算精度高、计算效率高、实时反馈精确和延展应用丰富的特点。
附图说明
图1为优选实施例球头连接结构示意图。
图2为球头分解结构示意图。
图3为球头内部结构示意图。
图4为汽车底盘高度的实时在途检测系统结构简图。
图5为球头转动结构简图。
图6为电压-角度反馈曲线图。
图7为永磁体衰减后对比图。
具体实施方式
本方案的初衷是设计一种改良的球头结构，加以传感器，以实时获取对应轮胎以底盘之间的高度值，在设计时，需要结构简单稳定，使用寿命长久并便于维护，相对成本较低并且测量精度可靠，同时还包括一个检测系统，能够实时将传感器汇报的角度数据进行分析处理，并将实时动态数据发送至车辆的ECU处，以实现车辆的对应功能的应用。
参考图1图2图3，一种球头，具体的说是布置在汽车底盘与车轮安装件之间的球头，其包括球头本体1和球头座2，球头座2的内腔能够容置球头本体1，并使球头本体1能够以其球心为中心进行多角度转动，球头座2的一侧连接有连杆3，一些球头座2通过螺栓结构与连杆3固定连接，以便于单独更换球头部件，连杆3的后端通过连杆转轴与车身底盘连接，故连杆3能够以连杆转轴的轴心线31为中心进行转动；
球头本体1连接有连接柱11，按照安装结构的差异，连接柱11可以为朝下布置或者朝上布置，本方案以朝上布置来说明，连接柱11上设有螺纹，连接柱11通过螺纹结构和车轮的车轮安装件固定连接，当然该车轮安装件上通常还连接有减震器和螺旋弹簧等部件，来实现轮胎的安装和使用。
在通常情况下，在连接柱11与球头座2之间布置有柔性的防尘罩12，以减少灰尘等杂物进入球头座2的内部，在球头座2的底部布置有封盖23，在球头生产安装时，球头本体1从封盖21对应处置入，后通过封盖21将球头座2封闭，在球头座2内部，通常也布置有润滑部件、限位部件或润滑油液等部件，起到润滑和限位的作用。
球头本体1在连接柱11相对的另一侧设有凹孔，凹孔内刚好放置有永磁体13，并使永磁体13稳固安装，为了提高磁通量，永磁体13可以为汝铁硼材料，永磁体13的外表面刚好球头本体1的外表面齐平，故不会干涉球头本体1的转动，在初始状态下，永磁体13采用直立布置方式，其S或N极呈垂直朝下布置；
在封盖23上布置两个霍尔传感器，分别为第一霍尔传感器21和第二霍尔传感器22，在初始状态下，第一霍尔传感器21布置在永磁体13中心线的对应处，第二霍尔传感器22布置在第一霍尔传感器21的外侧；
更具体的说，第一霍尔传感器21和第二霍尔传感器22均指向球头本体1的球心方向布置，并且该两者与球头本体1的球心间的距离是相等的，为了提高灵敏度，第一霍尔传感器21和第二霍尔传感器22都是贴着球头本体1的外壁布置，但第一霍尔传感器21和第二霍尔传感器22和球头本体1之间留有间隙，故他们之间并不接触或产生摩擦。
为了更好地测量球头本体1与球头座2之间相对的转动角度，第一霍尔传感器21和第二霍尔传感器22的中心点的连线与连杆转轴的中心线呈垂直布置状态。
为了便于理解和描述，对以下名词说明如下：
转动平面：指垂直于连杆转轴的中心线，且球头本体1的中心点处于该平面上的平面；
球头转动角度：以球头本体1的中心点为中心点，并在转动平面上转动产生的角度；
连杆长度：至球头本体1中心点与连杆转轴中心线的垂直距离，匹配连杆长度的线段在转动平面上。
具体的说，永磁体13的中心线也处于该转动平面上，第一霍尔传感器21和第二霍尔传感器22的中心点也处于该转动平面上。
在实际中，当车轮上下位移时，球头本体1的转动角度可以理解为连杆3及球头座2以连杆转轴中心线的上下摆动角度，第二霍尔传感器22布置在与球头转动的最大角度处对应，并处在靠近连杆转轴的一侧。
通常来说，轮胎的上下位移行程收到多个约束，为了说明使本文描述更加简洁，本方案以较为公允的方式将连杆3的转动角度被约束在﹢45度和﹣45度之间，连杆3的转动角度，球头本体1的中心点的运动轨迹始终处在转动平面上，在初始状态下（车辆静止处于平整的路面上，并且刚好处于整备质量的负载情况下）连杆长度对应的线段刚好处于水平位置，同时球头本体1则处于垂直位置状态。
霍尔传感器主要应用了霍尔效应，其从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场。在洛仑兹力的作用下，电子流在通过霍尔半导体时向一侧偏移，使该片在横向方向上产生电位差，这就是所谓的霍尔电压。霍尔电压随磁场强度的变化而变化，磁场越强，电压越高，磁场越弱，电压越低，霍尔电压值很小，通常只有几个毫伏，但经集成电路中的放大器放大，就能使该电压放大到足以输出较强的信号，若使霍尔集成电路起传感作用，需要用机械的方法来改变磁感应强度。
在本方案中，永磁体13产生磁场，当第一霍尔传感器21和第二霍尔传感器22因其与永磁体13的距离的改变而输出对应的电压值，进而能够反馈第一霍尔传感器21和第二霍尔传感器22与永磁体13的距离（角度）关系。
在一些实施例中，第一霍尔传感器21和第二霍尔传感器22为同型号类型的传感器，在另一些实施例中，由于第二霍尔传感器22通常处于相对远离永磁体13的位置，其感应能力可以比第一霍尔传感器21稍大，其工作方式也原理均为一种，故为了说明的便利，本文以两者为同型号的方式予以说明。
参考图4，本发明的另一个技术方案为汽车底盘高度的实时在途检测系统，其包括：
采集模块，在车辆底盘上所有车轮的对应处布置所述球头，如果车辆为四轮结构，则在在该车辆的四个轮胎的悬挂上均布置上述球头，通过所有的霍尔传感器获取初始信号数据，所述初始信号数据包括初始角度值和实时角度值，其中初始角度值为车辆在初始状态下（车辆静止处于平整的路面上，并且刚好处于整备质量的负载情况下）连杆长度对应的线段刚好处于水平位置，同时球头本体1则处于垂直位置状态，即球头的转动角度为0°；
前处理模块，接受初始信号数据，并将所述初始信号数据进行滤波处理操作，一个是进行滤波实现降噪的功能，第二是对数据进行放大和数字化处理，以便处理模块能够准确高效地处理，其中该滤波处理操作包括但不限于带通滤波、维纳滤波以及自适用滤波；
处理模块，实时接受前处理模块的数据，通过各个轮胎对应的连杆长度、初始角度值和实时角度值，计算获取各个轮胎的实时高度值。
参考图5图6，具体的说，系统在初始时，先确定连杆长度值（对于指定的车辆，其对于车轮的连杆长度是一个固定值），并确定霍尔传感器的反馈曲线，反馈曲线具体在球头上来说就是第一霍尔传感器21和第二霍尔传感器22在与永磁体13转动角度下反馈出的电压值坐标曲线；
本方案的原理是依据第一霍尔传感器21和第二霍尔传感器22反馈的电压值，并置入坐标，并比对反馈曲线，从而来反推转动角度值，并依据转动角度值，来计算车轮的上下位移值。
由于磁场强度并没有角度的区分，如果只设立第一霍尔传感器21，依据其电压反馈值，不能够正确地区分连杆3处于上行转动状态（角度为正）或下行转动状态（角度为负）；此时，配合比对第二霍尔传感器22的电压反馈值，则可以清晰判断，第二个情况是，当转动角度处于相对较大的区间时，由于反馈曲线的末端往往是相对平缓的曲线，故其计算的误差将会被放大，此时准确性将大大下降，而配合第二霍尔传感器22则可以提高准确性；
现以图6中的电压反馈值坐标来反推转动角度，做一个实例说明：
第一霍尔传感器21反馈电压为V4，第二霍尔传感器22反馈电压为V4，则反推转动角度为A1；
第一霍尔传感器21反馈电压为V6，第二霍尔传感器22反馈电压为V3，则反推转动角度为A2；
第一霍尔传感器21反馈电压为V5，第二霍尔传感器22反馈电压为V2，则反推转动角度为A3；
故根据A1、A2和A3在角度轴上的刻度，即可以比对计算获取对应的角度值，故根据实时的角度值，通过三角函数计算公式，即可以获取实时的车轮的实时高度值，处理模块将该实时高度值发送至车辆的ECU，在ECU的控制下，实现依据四个车轮的实时高度值，而实施的各种延伸功能，并且可以对这些延伸功能进行实时的车轮高度的反馈，使功能操作更加精准到位。
本方案通过第一霍尔传感器21和第二霍尔传感器22的配置结构，可以充分利用两个霍尔传感器的互补作用，来提升测量数据的精准性，众所周知，反馈曲线在波峰附近区间较为陡峭，而越往两侧延伸则越来越平缓，在陡峭区间内取值，测量的精度可以被提升，由于车辆在负载和运行过程中，其车轮大部分时间均处在0°至﹢45°之间，参考图6故在该区间内，将0°至﹢22.5°的范围内由第一霍尔传感器21来确定反馈电压值，并用来计算转动角度，而将﹢22.5°至﹢45°的范围内由第二霍尔传感器21来确定反馈电压值，故可以提高测量的精准度。
参考图7， 在一些情况下，如永磁体13在长久使用后，或者受外界磁场干扰或者环境影响后，其磁性通常会下降，如果永磁体13的磁性下降，那么霍尔传感器的反馈电压就会降低，如果只使用一个霍尔传感器来实施测量操作，则对应的就是计算的车轮高度值区间范围比实际范围要小，测量的精准性将大大降低；
由于本本方案通过第一霍尔传感器21和第二霍尔传感器22的配置结构，可以修正永磁体13的衰减误差，就是处理模块在计算各轮胎的实时高度值时，依据第一霍尔传感器21和第二霍尔传感器22的实时角度值，可以确定当前永磁体13的磁性变动情况，并可以通过修正的方式，来确保测量的结果的准确性；
具体的说，在图7中，由于永磁体13磁性衰减，反馈曲线被向下压缩，如果球头转动角度实际在A4位置，第一霍尔传感器21反馈为V7的电压值，而第二霍尔传感器22反馈为V8的电压值，但在处理模块中，以V7的电压值计算获取为A5的角度值，而以V8的电压值计算获取为A6的角度值，即计算的结果出现偏差，此时处理模块应当依据原有记载的衰减曲线比对数据，将V7的值修正为V7’，而将V8的值修正为V8’，故依旧可以计算获取准确的A4球头转动角度值，从而保证测量的精准度。
综上所述，本方案一种球头，通过在球头本体上布置永磁体，创新性在球头座上布置第一霍尔传感器21和第二霍尔传感器22，来实现球头的转动角度测量，进而能够高效实时的测量所有车轮的高度情况，具有结构简单、测量精准和维护便捷的特点；
同时永磁体12和霍尔传感器的体型均为微小结构，故不会影响球头原有的结构和使用功能，同时永磁体和霍尔传感器之间通过对磁力线的感应而获取转动角度数据，其不存在机械连接结构，故也不影响球头原有的结构和使用功能；
在球头座上布置两个霍尔传感器，其中第一霍尔传感器21以中心位置布置，第二霍尔传感器22以偏移角度布置，通过两个角度偏移的霍尔传感器可以大大提高偏转角度测量的准确度，特别是针对小角度和大角度的区分测量，可以提高球头的全部转动空间的角度测量操作，并提高测量的精准度；
同时采用两个霍尔传感器可以作为彼此的校验，比如在永磁体13使用一定时间后磁性有一定的下降后，通过比对两个霍尔传感器的初始值，可以确保在永磁体衰减后，还能够获取准确的实时角度值，并降低球头的维护成本；
本方案汽车底盘高度的实时在途检测系统，通过处理模块利用各个轮胎对应的连杆3长度、初始角度值和实时角度值，计算获取各个轮胎的实时高度值，具有算法简洁高效的特点，并且计算获得的数据精确，能够胜任大动态和高频次的计算处理能力，为车辆ECU实时获取各个轮胎的高度和运动情况，并可以针对这些情况实施延展的调整和功能支持，故具有计算精度高、计算效率高、实时反馈精确和延展应用丰富的特点。
Claims (5)
1.汽车底盘高度的实时在途检测系统，包括：
球头，包括球头本体和球头座，所述球头座能够容置球头本体，并使球头本体能够以其球心为中心进行多角度转动，所述球头座连接有连杆，球头本体上连接有连接柱，其特征在于：所述球头本体在连接柱相对的另一侧设有凹孔，所述凹孔内放置有永磁体，所述永磁体呈直立布置状态，所述球头座上布置有两个霍尔传感器，其中第一霍尔传感器布置在永磁体的直线对应处，第二霍尔传感器布置在第一霍尔传感器的外侧，该两者均指向球头本体的球心方向布置，所述第一霍尔传感器和第二霍尔传感器的中心点的连线与连杆转轴的轴心线呈垂直布置状态，所述第二霍尔传感器布置在与球头转动的最大角度处对应，并处在靠近连杆转轴的一侧；
采集模块，在车辆底盘上所有车轮的对应处布置所述球头，通过所有的霍尔传感器获取初始信号数据，所述初始信号数据包括初始角度值和实时角度值；
前处理模块，接受初始信号数据，并将所述初始信号数据进行滤波处理操作；
处理模块，实时接受前处理模块的数据，通过各个轮胎对应的连杆长度、初始角度值和实时角度值，依据第一霍尔传感器和第二霍尔传感器的实时角度值，计算获取各个轮胎的实时高度值，当计算的结果出现偏差时，处理模块依据原有记载的衰减曲线比对数据，对实时角度值进行修正，确定当前永磁体的磁性变动情况，并最终计算获取各个轮胎的实时高度值。
2.根据权利要求1所述的汽车底盘高度的实时在途检测系统，其特征在于：所述第一霍尔传感器和第二霍尔传感器与球头本体的球心间的距离相等。
3.根据权利要求1所述的汽车底盘高度的实时在途检测系统，其特征在于：所述滤波处理操作包括但不限于带通滤波、维纳滤波以及自适用滤波。
4.根据权利要求1所述的汽车底盘高度的实时在途检测系统，其特征在于：所述处理模块在计算各轮胎的实时高度值时，依据第一霍尔传感器和第二霍尔传感器的实时角度值，选择修正后的第一霍尔传感器或第二霍尔传感器的角度值为当前实时角度值。
5.根据权利要求1所述的汽车底盘高度的实时在途检测系统，其特征在于：所述处理模块计算获取各个轮胎的实时高度值后，将该实时高度值发送至车辆的电子控制单元(ECU)。
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Denomination of invention: A real-time in transit detection system for ball head and car chassis height Granted publication date: 20230721 Pledgee: Zhejiang Shaoxing Ruifeng Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Keyan sub branch Pledgor: SOMIC AUTOMOTIVE COMPONENTS Co.,Ltd. Registration number: Y2024980028079 |