CN116215140A - 一种汽车轮胎载荷估计方法与系统 - Google Patents

一种汽车轮胎载荷估计方法与系统 Download PDF

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CN116215140A CN202310008394.4A CN202310008394A CN116215140A CN 116215140 A CN116215140 A CN 116215140A CN 202310008394 A CN202310008394 A CN 202310008394A CN 116215140 A CN116215140 A CN 116215140A
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Abstract

本发明涉及汽车电子技术领域，具体涉及一种汽车轮胎载荷估计方法与系统，本发明利用轮胎模块和中央模块实现汽车轮胎载荷的估计。轮胎模块提取轮胎接地特征和接地周期信号，发送给车内的中央模块。在汽车直线匀速行驶时，利用接收轮胎模块的轮胎压力、接地特征和接地周期进行轮胎载荷的估计。本发明综合考虑轮胎旋转过程中径向加速度和纵向加速度的变化，提取轮胎接地特征和接地周期信号，通过轮胎接地特征、轮胎接地周期、轮胎压力和轮胎磨损程度信息的一次函数、交叉项和二次函数的加权和进行轮胎载荷的估计，充分利用了轮胎压力、接地特征、接地周期和磨损程度的信息，估计结果更加准确，参数辨识容易，估计过程更加简单，具有更好的自适应性。

Description

一种汽车轮胎载荷估计方法与系统
技术领域
本发明涉及汽车电子技术领域，具体涉及一种汽车轮胎载荷估计方法与系统。
背景技术
汽车轮胎是汽车接触地面的唯一部件，汽车的驱动力、制动力和转向力都通过轮胎发挥作用。轮胎载荷是轮胎重要的状态参数，直接影响轮胎的受力情况。通过获取轮胎的载荷信息可以优化发动机控制提高汽车驾驶的经济性，优化轮胎的制动力分配，提高汽车驾驶的安全性和舒适性。
直接进行轮胎载荷的测量难度较大，目前一般通过轮胎内安装的加速度传感器的测量信息估计轮胎载荷的变化。在2006年11月8日公布的申请号为200380110584.8的专利“车辆行驶期间检测轮胎载荷的方法和系统”，通过轮胎旋转一周中径向加速度信号两个峰值之间的距离表示轮胎接地长度，利用接地长度的正切函数或二分之一次幂函数估计载荷的变化。
在这种估计方法中，接地长度采用径向加速度峰值之间的距离表示，存在一定的误差，另外，没有考虑轮胎压力、速度和磨损程度的变化。在2020年11月24日公布的申请号为202010733445.6的专利“一种轮胎实时载荷辨识装置及方法”，考虑轮胎压力和速度的影响，利用轮胎接地长度、速度和压力的非线性函数估计载荷。接地长度仍然采用径向加速度峰值之间的距离表示，存在一定的误差，另外，函数关系比较复杂，参数的准确辨识难度较大，影响估计的精度。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的上述不足，提供了一种汽车轮胎载荷估计方法与系统，充分利用轮胎内安装的径向加速度传感器、纵向加速度传感器和压力传感器测量信息，考虑轮胎压力、速度和磨损程度的影响，通过简单的函数估计轮胎载荷的变化，降低参数辨识的难度，提高汽车轮胎载荷估计的准确性和自适应性。
本发明的目的通过以下技术方案实现：一种汽车轮胎载荷估计方法，包括安装于汽车轮胎的轮胎模块以及安装于汽车内的中央模块；包括以下步骤：
S1、中央模块判断汽车启动之后，汽车内的中央模块向轮胎模块发送唤醒命令，唤醒轮胎模块；
S2、轮胎模块测量轮胎的压力、温度、纵向加速度和径向加速度，进行测量信号的处理和判断，通过平滑滤波去除干扰噪声后提取轮胎的接地特征和接地周期信息；
S3、中央模块通过CAN总线接收汽车的速度、加速度和转向角信息，通过无线方式接收轮胎模块发送的轮胎的压力、温度、接地特征和接地周期信息，根据汽车的速度、加速度和转向角信息判断汽车行驶状态，若汽车是直线匀速行驶状态，进入步骤S4，否则返回步骤S2；
S4、中央模块利用接收到的轮胎的压力、温度、接地特征和接地周期信息进行轮胎载荷估计，根据轮胎载荷估计、轮胎的压力和轮胎的温度进行轮胎安全性判断，若轮胎是安全的，中央模块通过液晶屏显示轮胎的压力、温度、轮胎载荷和安全状态，然后返回步骤S2，否则进入步骤S5；
S5、中央模块向报警显示装置发送报警信息，显示轮胎的压力、温度、轮胎载荷和安全状态信息，提醒驾驶人员注意，进行及时的处理，在处理完成之后，报警信息消失，轮胎危险解除，返回步骤S2；
其中在步骤S2中，轮胎模块利用测量得到的纵向加速度和径向加速度提取轮胎的接地特征和接地周期信息；
轮胎的接地特征由根据测量的径向加速度提取的峰值接地时间、均值接地时间、左宽、左高、左面积、右宽、右高、右面积、谷底高度和陷面积以及根据测量的纵向加速度提取的极大值、极小值、宽度和面积的部分或全部组成；
所述径向加速度的峰值接地时间是一个周期内径向加速度连续两个峰值之间的距离；
所述径向加速度的均值接地时间是一个周期内达到第一个峰值之后，提取第一次最接近均值的点为第一个均值点，在第一个均值点之后和第二个峰值之前，提取最接近均值的点为第二个均值点，第一个和第二个均值点之间的距离为均值接地时间；
所述径向加速度的左宽是第一个均值点和第一个峰值之间的距离；
所述径向加速度的左高是径向加速度在第一个峰值位置的幅值与径向加速度在第一个均值点位置的幅值的差；
所述径向加速度的左面积是第一个峰值和第一个均值点之间径向加速度幅值与径向加速度均值的幅值之差的累加和；
所述径向加速度的右宽是第二个均值点和第二个峰值之间的距离；
所述径向加速度的右高是径向加速度在第二个峰值位置的幅值与径向加速度在第二个均值点位置的幅值的差；
所述径向加速度的右面积是第二个均值点和第二个峰值之间径向加速度幅值与径向加速度均值的幅值之差的累加和；
所述径向加速度的谷底高度是第一个均值点和第二个均值点之间最低点的径向加速度的幅值和径向加速度均值的幅值的差；
径向加速度的陷面积是第一个均值点和第二个均值点之间的径向加速度幅值和径向加速度均值的幅值的差的累加和。
所述径向加速度的均值是连续采集至少1个周期的径向加速度信号求均值得到；
所述纵向加速度的极大值是纵向加速度在一个周期内的极大值位置的纵向加速度幅值和纵向加速度均值的幅值的差；
所述纵向加速度的极小值是纵向加速度在一个周期内的极小值位置的纵向加速度幅值和纵向加速度均值的幅值的差；
所述纵向加速度的宽度是纵向加速度的极大值和极小值之间的距离；
所述纵向加速度的面积是纵向加速度极大值点和极小值点之间的纵向加速度的幅值和极小值点的纵向加速度幅值的差的累加和；
所述纵向加速度的均值是采集至少1个周期的纵向加速度信号求均值得到；
所述接地周期信息是轮胎径向加速度在连续两个周期内检测到的两个最小值之间的距离。
本发明进一步设置为，所述接地特征为径向加速度和纵向加速度不同特征的加权和：
Figure BDA0004036676720000041
式中F为接地特征，fk为径向加速度和纵向加速度的不同特征，可以从径向加速度峰值接地时间、径向加速度均值接地时间、径向加速度左宽、径向加速度左高、径向加速度左面积、径向加速度右宽、径向加速度右高、径向加速度右面积、径向加速度谷底高度、径向加速度陷面积、纵向加速度极大值、纵向加速度极小值、纵向加速度宽度以及纵向加速度面积中进行选择，ck为选择的径向加速度和纵向加速度特征fk对应的加权系数，加权系数根据不同特征和轮胎载荷之间的相关性通过实验测试获取，m为选择的径向加速度和纵向加速度特征的数量。
本发明进一步设置为，轮胎接地特征为径向加速度和纵向加速度不同特征变换的加权和：
Figure BDA0004036676720000042
式中F为接地特征，
Figure BDA0004036676720000043
为径向加速度和纵向加速度的不同特征变换的结果，可以从径向加速度峰值接地时间/接地周期信息、径向加速度均值接地时间/接地周期信息、径向加速度左宽/接地周期信息、径向加速度左高*接地周期信息、径向加速度左面积*接地周期信息、径向加速度右宽/接地周期信息、径向加速度右高*接地周期信息、径向加速度右面积*接地周期信息、径向加速度谷底高度*接地周期信息、径向加速度陷面积*接地周期信息、纵向加速度极大值*接地周期信息、纵向加速度极小值*接地周期信息、纵向加速度宽度/接地周期信息以及纵向加速度面积*接地周期信息之中进行选择，cl为选择的径向加速度和纵向加速度特征变换结果/>
Figure BDA0004036676720000052
对应的加权系数，加权系数根据不同特征变换结果和轮胎载荷之间的相关性通过实验测试获取，/>
Figure BDA0004036676720000053
为选择的径向加速度和纵向加速度特征变换结果的数量。
本发明进一步设置为，所述中央模块根据接收到的轮胎的压力、接地特征和接地周期信息进行一次函数、交叉项和二次函数的组合进行轮胎载荷估计：
Figure BDA0004036676720000054
式中，Fz为轮胎载荷，x1为轮胎压力，x2为轮胎接地周期信息的倒数，x3为轮胎的接地特征，p1，p2，p3，p4，p5，p6，p7，p8，p9，p10为与轮胎结构和磨损相关的参数。
本发明进一步设置为，在进行轮胎载荷估计时，估计参数pi(i＝1-10)和磨损程度w之间存在非线性关系
Figure BDA0004036676720000051
参数aij可以根据不同磨损程度的轮胎的实验测试数据辨识得出。/>
一种汽车轮胎载荷估计系统，包括设于汽车轮胎的轮胎模块以及设于汽车内的中央模块；所述轮胎模块和中央模块之间采用无线连接；
轮胎模块可以接收中央模块发送的唤醒信号，在唤醒之后，轮胎模块测量轮胎的压力、温度、纵向加速度和径向加速度，进行测量信息的数据处理和判断，提取轮胎的接地特征和接地周期信息，将获取的轮胎压力、温度、接地特征和接地周期信息通过无线方式传递到中央模块；
中央模块接收轮胎模块发送的信息，中央模块通过CAN总线接收汽车的速度、加速度和转向角信息，根据接收的信息判断汽车是否是匀速直线行驶状态；当汽车处于匀速直线行驶状态时，中央模块利用轮胎模块发送的轮胎的压力、接地特征和接地周期信息进行轮胎载荷的估计。
本发明进一步设置为，所述轮胎模块粘贴在汽车轮胎的内壁中心线位置；
所述轮胎模块包括轮胎压力传感器、轮胎温度传感器、轮胎加速度传感器、第一微控制器、存储器、电池、唤醒电路、射频收发器和天线；
所述轮胎压力传感器测量轮胎的压力变化，轮胎温度传感器测量轮胎的温度变化，轮胎加速度传感器测量轮胎纵向加速度和径向加速度变化；
所述存储器存储轮胎压力传感器测量信息、轮胎温度传感器测量信息、轮胎加速度传感器测量信息、轮胎测量信息的处理和判断程序、轮胎接地特征提取程序以及轮胎接地周期提取程序；
所述射频收发器接收中央模块发射的唤醒脉冲，发送轮胎的压力、温度、接地特征和接地周期信息；
所述电池与第一微控制器相连，唤醒电路与第一微控制器相连，所述唤醒电路在中央模块发送的唤醒脉冲作用下产生唤醒信号用于唤醒第一微控制器，所述天线与射频收发器相连；
轮胎压力传感器、轮胎温度传感器、轮胎加速度传感器、射频收发器和存储器与第一微控制器的输入输出接口相连，射频收发器接收的信息、存储器存储的信息、轮胎压力传感器测量的轮胎压力、轮胎温度传感器测量的轮胎温度、轮胎加速度传感器测量的径向加速度和纵向加速度通过第一微控制器的输入输出口送给第一微控制器，第一微控制器进行传感器测量信息的处理和判断，进行轮胎接地特征的提取和接地周期的提取，第一微控制器通过输入输出口向存储器发送存储或读取命令进行信息的存或取，向射频收发器发送接收或发射命令控制射频收发器接收或发射的工作状态，向轮胎压力传感器、轮胎温度传感器和轮胎加速度传感器发送测量与读取命令对轮胎状态进行测量与读取。
本发明进一步设置为，所述中央模块安装在汽车驾驶室内，所述中央模块包括小键盘、第二微控制器、存储器、显示报警装置、电源、CAN收发器、射频收发器和天线；
所述小键盘用于人机交互，存储器存储轮胎压力测量信息、轮胎温度测量信息、轮胎接地特征信息、轮胎接地周期信息、轮胎载荷估计程序和估计结果、轮胎安全状态判断程序、轮胎安全状态判断结果、汽车行驶状态判断程序和汽车行驶状态判断结果。
所述显示报警装置显示轮胎的压力、温度、载荷和安全状态并在轮胎状态异常时发出报警信息；
所述CAN收发器接收汽车的汽车速度、加速度和转向角信息；
所述射频收发器接收轮胎模块发射的轮胎压力、温度、接地特征和接地周期信息，发射低频唤醒脉冲信号；
所述电源与第二微控制器相连，天线与射频收发器相连，小键盘、存储器、显示报警装置、CAN收发器和射频收发器分别与第二微控制器的输入输出接口相连，小键盘输入的信息、存储器存储的信息、CAN收发器接收的信息和射频收发器接收的信息都通过第二微控制器的输入输出口送给第二微控制器，第二微控制器通过输入输出口向存储器发送存储或读取命令进行信息的存取，第二微控制器顺序执行汽车行驶状态判断程序、轮胎载荷估计程序和轮胎安全状态判断程序，根据估计和判断的结果，第二微控制器向显示报警装置发送显示报警的命令和内容，第二微控制器向CAN收发器发送接收或发送命令控制CAN总线信号的接收或发送，第二微控制器向射频收发器发送接收或发射命令控制射频收发器接收或发射的工作状态。
本发明的有益效果：本发明利用轮胎内安装的传感器检测轮胎的压力、温度、纵向加速度和径向加速度，综合考虑轮胎旋转过程中径向加速度和纵向加速度的变化，提取轮胎接地特征和接地周期信号，通过轮胎接地特征、轮胎接地周期、轮胎压力和轮胎磨损程度信息的一次函数、交叉项和二次函数的加权和进行轮胎载荷的估计，这种估计方法，充分利用了轮胎压力、接地特征、接地周期和磨损程度的信息，估计结果更加准确，参数辨识容易，估计过程更加简单，具有更好的自适应性。
附图说明
利用附图对发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明汽车轮胎载荷估计方法的流程图；
图2是本发明轮胎径向加速度接地特征的提取示意图；
图3是本发明轮胎纵向加速度接地特征的提取示意图；
图4是本发明轮胎径向加速度接地周期特征的提取示意图；
图5是本发明轮胎载荷估计值与实际值的对比示意图；
图6是本发明轮胎载荷估计结果偏差相对于实际载荷的比例；
图7是本发明汽车轮胎载荷估计系统的结构示意图；
图8是本发明汽车轮胎载荷估计系统的轮胎模块的结构示意图；
图9是本发明汽车轮胎载荷估计系统的中央模块的结构示意图。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
由图1可知，本实施例所述的一种汽车轮胎载荷估计方法，车内的中央模块通过无线方式接收轮胎模块发送的轮胎压力、温度、接地特征和接地周期信息，通过CAN总线接收汽车的速度、加速度和转向角信息，判断汽车是否处于直线匀速行驶状态，在汽车直线匀速行驶时，利用接收轮胎模块的轮胎压力、接地特征和接地周期，进行轮胎载荷的估计，包括以下步骤：
S1、中央模块判断汽车启动之后，汽车内的中央模块向轮胎模块发送唤醒命令，唤醒轮胎模块；
S2、轮胎模块测量轮胎的压力、温度、纵向加速度和径向加速度，进行测量信号的处理和判断，通过平滑滤波去除干扰噪声后提取轮胎的接地特征和接地周期信息；
S3、中央模块通过CAN总线接收汽车的速度、加速度和转向角信息，通过无线方式接收轮胎模块发送的轮胎压力、温度、接地特征和接地周期信息，判断汽车行驶状态，如果汽车是直线匀速行驶状态，进入步骤S4，否则返回步骤S2；
S4、中央模块利用接收到的轮胎的压力、温度、接地特征和接地周期信息进行轮胎载荷估计，根据轮胎载荷估计、轮胎的压力和轮胎的温度进行轮胎安全性判断，若轮胎是安全的，中央模块通过液晶屏显示轮胎的压力、温度、轮胎载荷和安全状态，然后返回步骤S2，否则进入步骤S5；
S5、中央模块向报警显示装置发送报警信息，通过液晶屏显示不同轮胎的压力、温度、载荷和安全状态信息，通过数码管显示具体报警信息，例如：压力过高、压力过低、温度过高、超载等，同时通过二极管闪烁，报警喇叭发出报警声音，提醒驾驶人员注意，进行及时的处理，在处理完成之后，报警信息消失，轮胎危险解除，返回步骤S2；
其中在步骤S2中，轮胎模块利用测量得到的纵向加速度和径向加速度提取轮胎的接地特征和接地周期信息；
轮胎的接地特征由根据测量的径向加速度提取的峰值接地时间、均值接地时间、左宽、左高、左面积、右宽、右高、右面积、谷底高度和陷面积以及根据测量的纵向加速度提取的极大值、极小值、宽度和面积的部分或全部组成。
如图2所示，所述径向加速度的峰值接地时间是一个周期内径向加速度连续两个峰值之间的距离；
所述径向加速度的均值接地时间是一个周期内达到第一个峰值之后，提取第一次最接近均值的点为第一个均值点，在第一个均值点之后和第二个峰值之前，提取最接近均值的点为第二个均值点，第一个和第二个均值点之间的距离为均值接地时间；
所述径向加速度的左宽是第一个均值点和第一个峰值之间的距离；
所述径向加速度的左高是径向加速度在第一个峰值位置的幅值与径向加速度在第一个均值点位置的幅值的差；
所述径向加速度的左面积是第一个峰值和第一个均值点之间径向加速度幅值与径向加速度均值的幅值之差的累加和；
所述径向加速度的右宽是第二个均值点和第二个峰值之间的距离；
所述径向加速度的右高是径向加速度在第二个峰值位置的幅值与径向加速度在第二个均值点位置的幅值的差；
所述径向加速度的右面积是第二个均值点和第二个峰值之间径向加速度幅值与径向加速度均值的幅值之差的累加和；
所述径向加速度的谷底高度是第一个均值点和第二个均值点之间最低点的径向加速度的幅值和径向加速度均值的幅值的差；
径向加速度的陷面积是第一个均值点和第二个均值点之间的径向加速度幅值和径向加速度均值的幅值的差的累加和。
所述径向加速度的均值是连续采集至少1个周期的径向加速度信号求均值得到；
如图3所示，所述纵向加速度的极大值是纵向加速度在一个周期内的极大值位置的纵向加速度幅值和纵向加速度均值的幅值的差；
所述纵向加速度的极小值是纵向加速度在一个周期内的极小值位置的纵向加速度幅值和纵向加速度均值的幅值的差；
所述纵向加速度的宽度是纵向加速度的极大值和极小值之间的距离；
所述纵向加速度的面积是纵向加速度极大值点和极小值点之间的纵向加速度的幅值和极小值点的纵向加速度幅值的差的累加和；
所述纵向加速度的均值是采集至少1个周期的纵向加速度信号求均值得到；
如图4所示，所述接地周期信息是轮胎径向加速度在连续两个周期内检测到的两个最小值之间的距离。
本实施例所述的一种汽车轮胎载荷估计方法，所述接地特征为径向加速度和纵向加速度不同特征的加权和：
Figure BDA0004036676720000111
式中F为接地特征，fk为径向加速度和纵向加速度的不同特征，可以从径向加速度峰值接地时间、径向加速度均值接地时间、径向加速度左宽、径向加速度左高、径向加速度左面积、径向加速度右宽、径向加速度右高、径向加速度右面积、径向加速度谷底高度、径向加速度陷面积、纵向加速度极大值、纵向加速度极小值、纵向加速度宽度以及纵向加速度面积中进行选择，ck为选择的径向加速度和纵向加速度特征fk对应的加权系数，加权系数根据不同特征和轮胎载荷之间的相关性通过实验测试获取，m为选择的径向加速度和纵向加速度特征的数量。
本实施例所述的一种汽车轮胎载荷估计方法，轮胎接地特征为径向加速度和纵向加速度不同特征变换的加权和：
Figure BDA0004036676720000112
式中F为接地特征，
Figure BDA0004036676720000113
为径向加速度和纵向加速度的不同特征变换的结果，可以从径向加速度峰值接地时间/接地周期信息、径向加速度均值接地时间/接地周期信息、径向加速度左宽/接地周期信息、径向加速度左高*接地周期信息、径向加速度左面积*接地周期信息、径向加速度右宽/接地周期信息、径向加速度右高*接地周期信息、径向加速度右面积*接地周期信息、径向加速度谷底高度*接地周期信息、径向加速度陷面积*接地周期信息、纵向加速度极大值*接地周期信息、纵向加速度极小值*接地周期信息、纵向加速度宽度/接地周期信息以及纵向加速度面积*接地周期信息之中进行选择，cl为选择的径向加速度和纵向加速度特征变换结果/>
Figure BDA0004036676720000121
对应的加权系数，加权系数根据不同特征变换结果和轮胎载荷之间的相关性通过实验测试获取，/>
Figure BDA0004036676720000122
为选择的径向加速度和纵向加速度特征变换结果的数量。
本实施例所述的一种汽车轮胎载荷估计方法，所述中央模块根据接收到的轮胎的压力、接地特征和接地周期信息进行一次函数、交叉项和二次函数的组合进行轮胎载荷估计：
Figure BDA0004036676720000123
式中，Fz为轮胎载荷，x1为轮胎压力，x2为轮胎接地周期信息的倒数，x3为轮胎的接地特征，p1，p2，p3，p4，p5，p6，p7，p8，p9，p10为与轮胎结构和磨损相关的参数；在进行轮胎载荷估计时，估计参数pi(i＝1-10)和磨损程度w之间存在非线性关系
Figure BDA0004036676720000124
参数aij可以根据不同磨损程度的轮胎的实验测试数据辨识得出。
在本实施例中，选择一种275/80R22.5型号的半磨损轮胎进行实验测试，轮胎速度选择20km/h、30km/h、40km/h、50km/h和60km/h，轮胎压力选择冷态700MPa、800MPa、900MPa、1000MPa和1100MPa，轮胎实际施加的载荷选择700kg、900kg、1100kg、1300kg、1500kg、1700kg、1900kg、2100kg、2300kg、2500kg、2700kg、2900kg、3100kg、3300kg、3500kg和3700kg，利用安装在轮胎内的压力传感器和加速度传感器测量获得轮胎的压力、纵向加速度和径向加速度，通过提取轮胎接地特征和接地周期，利用拟合公式进行轮胎载荷的估计。
接地特征的选择不同，拟合的参数不同，根据实际实验测试结果，分析纵向加速度和径向加速度的特征与载荷之间的相关性，根据相关性大小，确定加权系数，从而通过加权组合形成需要的接地特征。在本实施例中，根据实际实验测试结果，选择和轮胎载荷相关性较大的径向加速度峰值接地时间tm、径向加速度均值接地时间tv、径向加速度左宽tlw、径向加速度右宽trw进行加权求和作为接地特征，即
x3＝0.25tm+0.4tv+0.2tlw+0.15trw；
加权系数的选择利用实验测试数据拟合得到。
在接地特征确定之后，利用轮胎在不同压力、速度和载荷下的实验测试数据，基于前面的载荷估计方法，可以辨识出相关的参数结果如下：
p1＝1408.0022；p2＝-1.3337；p3＝-445541.7749；p4＝-0.0103；p5＝204.1；
p6＝1.6398e-05；p7＝1.0211；p8＝1.2307e-4；p9＝63850876.8549；p10＝2.1099e-08。
根据实验测试数据和辨识的参数，利用拟合公式进行轮胎载荷的估计，估计载荷结果如图5所示，可以看出，估计载荷在实际值上下波动，估计偏差相对实际载荷的比例如图6所示，可以看出，大部分估计偏差在10％以内，估计结果的准确性很好。
本实施例一种汽车轮胎载荷估计系统，如图7所示，包括设于汽车轮胎的轮胎模块以及设于汽车内的中央模块；所述轮胎模块和中央模块之间采用无线连接；
轮胎模块可以接收中央模块发送的唤醒信号，在唤醒之后，轮胎模块测量轮胎的压力、温度、纵向加速度和径向加速度，进行测量信息的数据处理和判断，提取轮胎的接地特征和接地周期信息，将获取的轮胎压力、温度、接地特征和接地周期信息通过无线方式传递到中央模块；
中央模块接收轮胎模块发送的信息，中央模块通过CAN总线接收汽车的速度、加速度和转向角信息，根据接收的信息判断汽车是否是匀速直线行驶状态；当汽车处于匀速直线行驶状态时，中央模块利用轮胎模块发送的轮胎的压力、接地特征和接地周期信息进行轮胎载荷的估计。中央模块通过CAN总线接收汽车的速度、加速度和转向角信息，当汽车速度超过20km/h，加速度小于0.01m/s2，转向角小于2度，判定汽车处于匀速直线行驶状态，中央模块利用轮胎模块发送的轮胎压力、接地特征和接地周期信息进行轮胎载荷的估计。
如图8所示，本实施例一种汽车轮胎载荷估计系统，所述轮胎模块粘贴在汽车轮胎的内壁中心线位置；所述轮胎模块包括轮胎压力传感器、轮胎温度传感器、轮胎加速度传感器、第一微控制器、存储器、电池、唤醒电路、射频收发器和天线；本实施例的轮胎压力传感器和轮胎温度传感器采用集成的HIWAY800传感器，进行轮胎压力和温度的测量，轮胎加速度传感器采用ADXL372传感器测量轮胎运动过程的径向加速度和纵向加速度变化。微控制器采用HIWAY800集成的微控制器，存储器采用HIWAY800自带的FLASH，可以存储轮胎压力传感器测量信息、轮胎温度传感器测量信息、轮胎加速度传感器测量信息、轮胎测量信息的处理和判断程序、轮胎接地特征提取程序、轮胎接地周期提取程序。电池与第一微控制器相连，为第一微控制器提供电源。唤醒电路与第一微控制器相连，用于在外部的唤醒脉冲作用下产生唤醒信号唤醒第一微控制器。射频收发器为nRF905，射频收发器接收中央模块发送的唤醒脉冲，发射轮胎压力、温度、接地特征和接地周期信息。天线与射频收发器相连。轮胎压力传感器、轮胎温度传感器、轮胎加速度传感器、射频收发器和存储器与第一微控制器的输入输出接口相连，射频收发器接收的信息、存储器存储的信息、轮胎压力传感器测量的轮胎压力、轮胎温度传感器测量的轮胎温度、轮胎加速度传感器测量的径向加速度和纵向加速度通过第一微控制器的输入输出口送给第一微控制器，第一微控制器进行传感器测量信息的处理和判断，进行轮胎接地特征的提取和接地周期的提取，第一微控制器通过输入输出口向存储器发送存储或读取命令进行信息的存或取，向射频收发器发送接收或发射命令控制射频收发器接收或发射的工作状态，向轮胎压力传感器、轮胎温度传感器和轮胎加速度传感器发送测量与读取命令对轮胎状态进行测量与读取。
本实施例所述的一种汽车轮胎载荷估计系统，如附图9所示所述中央模块安装在汽车驾驶室内，所述中央模块包括小键盘、第二微控制器、存储器、显示报警装置、电源、CAN收发器、射频收发器和天线；
小键盘用于人机交互，微控制器为PIC16F877，存储器为微控制器自带的FLASH，可以存储轮胎压力和温度测量信息、轮胎接地特征信息、轮胎接地周期信息、轮胎载荷估计程序和估计结果、轮胎安全状态判断程序和判断结果、汽车行驶状态判断程序和判断结果。显示报警装置包括液晶屏、数码管、发光二极管、闪光灯、喇叭和报警器等，液晶屏显示轮胎的压力、温度、载荷和安全状态，数码管和发光二极管显示轮胎压力过高、压力过低、温度过高、超载等危险状态信号，闪光灯、喇叭和报警器进行报警，提醒驾驶人员注意。CAN收发器为SCM3425ASA，连接第二微控制器和汽车其他控制模块，相互之间通过CAN总线传递信息，第二微控制器通过CAN总线获取汽车的速度、加速度和转向角信息。电源与第二微控制器相连，可以为电池或汽车电源，为中央模块供电。射频收发器为nRF905，工作频率为433MHz，天线与射频收发器相连，射频收发器和天线实现中央模块与轮胎模块之间的无线信息传递，射频收发器接收轮胎模块发射的轮胎压力、温度、接地特征和接地周期信息，向轮胎模块发射唤醒脉冲信号。天线与射频收发器相连，小键盘、存储器、显示报警装置、CAN收发器和射频收发器分别与第二微控制器的输入输出接口相连，小键盘输入的信息、存储器存储的信息、CAN收发器接收的信息和射频收发器接收的信息都通过第二微控制器的输入输出口送给第二微控制器，第二微控制器通过输入输出口向存储器发送存储或读取命令进行信息的存或取，第二微控制器顺序执行汽车行驶状态判断程序、轮胎载荷估计程序和轮胎安全状态判断程序，根据估计和判断的结果，向显示报警装置发送显示报警的命令和内容，向CAN收发器发送接收或发送命令控制CAN总线信号的接收或发送，向射频收发器发送接收或发射命令控制射频收发器接收或发射的工作状态。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种汽车轮胎载荷估计方法，其特征在于：包括安装于汽车轮胎的轮胎模块以及安装于汽车内的中央模块；包括以下步骤：
S1、中央模块判断汽车启动之后，汽车内的中央模块向轮胎模块发送唤醒命令，唤醒轮胎模块；
S2、轮胎模块测量轮胎的压力、温度、纵向加速度和径向加速度，进行测量信号的处理和判断，通过平滑滤波去除干扰噪声后提取轮胎的接地特征和接地周期信息；
S3、中央模块通过CAN总线接收汽车的速度、加速度和转向角信息，通过无线方式接收轮胎模块发送的轮胎的压力、温度、接地特征和接地周期信息，根据汽车的速度、加速度和转向角信息判断汽车行驶状态，若汽车是直线匀速行驶状态，进入步骤S4，否则返回步骤S2；
S4、中央模块利用接收到的轮胎的压力、温度、接地特征和接地周期信息进行轮胎载荷估计，根据轮胎载荷估计、轮胎的压力和轮胎的温度进行轮胎安全性判断，若轮胎是安全的，中央模块通过液晶屏显示轮胎的压力、温度、轮胎载荷和安全状态，然后返回步骤S2，否则进入步骤S5；
S5、中央模块向报警显示装置发送报警信息，显示轮胎的压力、温度、轮胎载荷和安全状态信息，提醒驾驶人员注意，进行及时的处理，在处理完成之后，报警信息消失，轮胎危险解除，返回步骤S2；
其中在步骤S2中，轮胎模块利用测量得到的纵向加速度和径向加速度提取轮胎的接地特征和接地周期信息；
轮胎的接地特征由根据测量的径向加速度提取的峰值接地时间、均值接地时间、左宽、左高、左面积、右宽、右高、右面积、谷底高度和陷面积以及根据测量的纵向加速度提取的极大值、极小值、宽度和面积的部分或全部组成；
所述径向加速度的峰值接地时间是一个周期内径向加速度连续两个峰值之间的距离；
所述径向加速度的均值接地时间是一个周期内达到第一个峰值之后，提取第一次最接近均值的点为第一个均值点，在第一个均值点之后和第二个峰值之前，提取最接近均值的点为第二个均值点，第一个和第二个均值点之间的距离为均值接地时间；
所述径向加速度的左宽是第一个均值点和第一个峰值之间的距离；
所述径向加速度的左高是径向加速度在第一个峰值位置的幅值与径向加速度在第一个均值点位置的幅值的差；
所述径向加速度的左面积是第一个峰值和第一个均值点之间径向加速度幅值与径向加速度均值的幅值之差的累加和；
所述径向加速度的右宽是第二个均值点和第二个峰值之间的距离；
所述径向加速度的右高是径向加速度在第二个峰值位置的幅值与径向加速度在第二个均值点位置的幅值的差；
所述径向加速度的右面积是第二个均值点和第二个峰值之间径向加速度幅值与径向加速度均值的幅值之差的累加和；
所述径向加速度的谷底高度是第一个均值点和第二个均值点之间最低点的径向加速度的幅值和径向加速度均值的幅值的差；
径向加速度的陷面积是第一个均值点和第二个均值点之间的径向加速度幅值和径向加速度均值的幅值的差的累加和。
所述径向加速度的均值是连续采集至少1个周期的径向加速度信号求均值得到；
所述纵向加速度的极大值是纵向加速度在一个周期内的极大值位置的纵向加速度幅值和纵向加速度均值的幅值的差；
所述纵向加速度的极小值是纵向加速度在一个周期内的极小值位置的纵向加速度幅值和纵向加速度均值的幅值的差；
所述纵向加速度的宽度是纵向加速度的极大值和极小值之间的距离；
所述纵向加速度的面积是纵向加速度极大值点和极小值点之间的纵向加速度的幅值和极小值点的纵向加速度幅值的差的累加和；
所述纵向加速度的均值是采集至少1个周期的纵向加速度信号求均值得到；
所述接地周期信息是轮胎径向加速度在连续两个周期内检测到的两个最小值之间的距离。
2.根据权利要求1所述的一种汽车轮胎载荷估计方法，其特征在于：所述接地特征为径向加速度和纵向加速度不同特征的加权和：
Figure FDA0004036676710000031
式中F为接地特征，fk为径向加速度和纵向加速度的不同特征，可以从径向加速度峰值接地时间、径向加速度均值接地时间、径向加速度左宽、径向加速度左高、径向加速度左面积、径向加速度右宽、径向加速度右高、径向加速度右面积、径向加速度谷底高度、径向加速度陷面积、纵向加速度极大值、纵向加速度极小值、纵向加速度宽度以及纵向加速度面积中进行选择，ck为选择的径向加速度和纵向加速度特征fk对应的加权系数，加权系数根据不同特征和轮胎载荷之间的相关性通过实验测试获取，m为选择的径向加速度和纵向加速度特征的数量。
3.根据权利要求1所述的一种汽车轮胎载荷估计方法，其特征在于：所述轮胎接地特征为径向加速度和纵向加速度不同特征变换的加权和：
Figure FDA0004036676710000032
式中F为接地特征，/>
Figure FDA0004036676710000033
为径向加速度和纵向加速度的不同特征变换的结果，可以从径向加速度峰值接地时间/接地周期信息、径向加速度均值接地时间/接地周期信息、径向加速度左宽/接地周期信息、径向加速度左高*接地周期信息、径向加速度左面积*接地周期信息、径向加速度右宽/接地周期信息、径向加速度右高*接地周期信息、径向加速度右面积*接地周期信息、径向加速度谷底高度*接地周期信息、径向加速度陷面积*接地周期信息、纵向加速度极大值*接地周期信息、纵向加速度极小值*接地周期信息、纵向加速度宽度/接地周期信息以及纵向加速度面积*接地周期信息中进行选择，cl为选择的径向加速度和纵向加速度特征变换结果/>
Figure FDA0004036676710000041
对应的加权系数，加权系数根据不同特征变换结果和轮胎载荷之间的相关性通过实验测试获取，/>
Figure FDA0004036676710000042
为选择的径向加速度和纵向加速度特征变换结果的数量。/>
4.根据权利要求1所述的一种汽车轮胎载荷估计方法，其特征在于：所述中央模块根据接收到的轮胎的压力、接地特征和接地周期信息进行一次函数、交叉项和二次函数的组合进行轮胎载荷估计：
Figure FDA0004036676710000043
式中，Fz为轮胎载荷，x1为轮胎压力，x2为轮胎接地周期信息的倒数，x3为轮胎的接地特征，p1，p2，p3，p4，p5，p6，p7，p8，p9，p10为与轮胎结构和磨损相关的参数。
5.根据权利要求4所述的一种汽车轮胎载荷估计方法，其特征在于：在进行轮胎载荷估计时，估计参数pi(i＝1-10)和磨损程度w之间存在非线性关系
Figure FDA0004036676710000044
参数aij可以根据不同磨损程度的轮胎的实验测试数据辨识得出。
6.一种汽车轮胎载荷估计系统，其特征在于：包括设于汽车轮胎的轮胎模块以及设于汽车内的中央模块；所述轮胎模块和中央模块之间采用无线连接；
轮胎模块可以接收中央模块发送的唤醒信号，在唤醒之后，轮胎模块测量轮胎的压力、温度、纵向加速度和径向加速度，进行测量信息的数据处理和判断，提取轮胎的接地特征和接地周期信息，将获取的轮胎压力、温度、接地特征和接地周期信息通过无线方式传递到中央模块；
中央模块接收轮胎模块发送的信息，中央模块通过CAN总线接收汽车的速度、加速度和转向角信息，根据接收的信息判断汽车是否是匀速直线行驶状态；当汽车处于匀速直线行驶状态时，中央模块利用轮胎模块发送的轮胎的压力、接地特征和接地周期信息进行轮胎载荷的估计。
7.根据权利要求6所述的一种汽车轮胎载荷估计系统，其特征在于：所述轮胎模块粘贴在汽车轮胎的内壁中心线位置；
所述轮胎模块包括轮胎压力传感器、轮胎温度传感器、轮胎加速度传感器、第一微控制器、存储器、电池、唤醒电路、射频收发器和天线；
所述轮胎压力传感器测量轮胎的压力变化，轮胎温度传感器测量轮胎的温度变化，轮胎加速度传感器测量轮胎纵向加速度和径向加速度变化；
所述存储器存储轮胎压力传感器测量信息、轮胎温度传感器测量信息、轮胎加速度传感器测量信息、轮胎测量信息的处理和判断程序、轮胎接地特征提取程序以及轮胎接地周期提取程序；
所述射频收发器接收中央模块发射的唤醒脉冲，发送轮胎的压力、温度、接地特征和接地周期信息；
所述电池与第一微控制器相连，唤醒电路与第一微控制器相连，所述唤醒电路在中央模块发送的唤醒脉冲作用下产生唤醒信号用于唤醒第一微控制器，所述天线与射频收发器相连；
轮胎压力传感器、轮胎温度传感器、轮胎加速度传感器、射频收发器和存储器与第一微控制器的输入输出接口相连，射频收发器接收的信息、存储器存储的信息、轮胎压力传感器测量的轮胎压力、轮胎温度传感器测量的轮胎温度、轮胎加速度传感器测量的径向加速度和纵向加速度通过第一微控制器的输入输出口送给第一微控制器，第一微控制器进行传感器测量信息的处理和判断，进行轮胎接地特征的提取和接地周期的提取，第一微控制器通过输入输出口向存储器发送存储或读取命令进行信息的存或取，向射频收发器发送接收或发射命令控制射频收发器接收或发射的工作状态，向轮胎压力传感器、轮胎温度传感器和轮胎加速度传感器发送测量与读取命令对轮胎状态进行测量与读取。
8.根据权利要求6所述的一种汽车轮胎载荷估计系统，其特征在于：所述中央模块安装在汽车驾驶室内，所述中央模块包括小键盘、第二微控制器、存储器、显示报警装置、电源、CAN收发器、射频收发器和天线；
所述小键盘用于人机交互，存储器存储轮胎压力测量信息、轮胎温度测量信息、轮胎接地特征信息、轮胎接地周期信息、轮胎载荷估计程序和估计结果、轮胎安全状态判断程序、轮胎安全状态判断结果、汽车行驶状态判断程序和汽车行驶状态判断结果。
所述显示报警装置显示轮胎的压力、温度、载荷和安全状态并在轮胎状态异常时发出报警信息；
所述CAN收发器接收汽车的汽车速度、加速度和转向角信息；
所述射频收发器接收轮胎模块发射的轮胎压力、温度、接地特征和接地周期信息，发射低频唤醒脉冲信号；
所述电源与第二微控制器相连，天线与射频收发器相连，小键盘、存储器、显示报警装置、CAN收发器和射频收发器分别与第二微控制器的输入输出接口相连，小键盘输入的信息、存储器存储的信息、CAN收发器接收的信息和射频收发器接收的信息都通过第二微控制器的输入输出口送给第二微控制器，第二微控制器通过输入输出口向存储器发送存储或读取命令进行信息的存取，第二微控制器顺序执行汽车行驶状态判断程序、轮胎载荷估计程序和轮胎安全状态判断程序，根据估计和判断的结果，第二微控制器向显示报警装置发送显示报警的命令和内容，第二微控制器向CAN收发器发送接收或发送命令控制CAN总线信号的接收或发送，第二微控制器向射频收发器发送接收或发射命令控制射频收发器接收或发射的工作状态。
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CN116552174A (zh) * 2023-06-25 2023-08-08 中山市小维自动化设备厂 一种货车轮胎压力检测系统

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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