CN117295621A - 轮胎磨损预测系统 - Google Patents

Abstract

一种轮胎系统，用于安装在一车辆的一车轮上的一轮胎，所述轮胎系统包括一底盘、一光源、一光传感器、一数据传输单元及一处理单元。所述底盘连接到所述轮胎的内侧，所述光源及所述光传感器连接到所述底盘，以当所述光源照射在所述轮胎的所述内侧上的一特定区域时，所述光传感器检测到返回光，所述光传感器基于检测到的光强度的变化产生一信号，以反映出所述轮胎的振动的频率及振幅或所述轮胎的弯曲。基于所述信号，所述处理单元检测所述轮胎与所述路面的接触区域的特性、所述车辆行驶的所述路面的一类型、所述轮胎的一磨损程度或所述车轮上的一负载大小。

Description

轮胎磨损预测系统

技术领域

本专利申请涉及一种方法，用于估计轮胎特性如轮胎与地面的接触印痕的特性、轮胎磨损、一轮胎上的负载及路面粗糙度，以及利用一胎内传感器测量轮胎振动。所述专利还提及利用多个手段，例如光学传感及电磁传感等，感测多个轮胎模态。

背景技术

汽车正在经历从燃料驱动到电力驱动、从人类控制到机器控制的重大变革。未来几年，越来越多的自动驾驶及电动汽车将在道路上行驶，其效率及先进性也将不断提高。

另一方面，尽管物质条件在逐步改善，但轮胎的性能却基本保持不变。胎压监测系统(Tire Pressure Monitoring System,TPMS)是唯一可用的胎内传感器，这主要是因为轮胎是一个封闭的环境，一次性电池是为胎内传感器供电的唯一方式。实际上，电池的使用寿命控制着它支持TPMS的平均耗电量。增加平均耗电量可能会提高数据传输速率，或增加胎内传感器数量，但这会导致电池寿命缩短，以至于需要快速更换电池，从而使这一概念变得不切实际。

轮胎是车辆与路面的接口。虽然轮胎通常会逐渐磨损，但有时也会因轮胎异常或路面坑洞造成致命缺陷而突然爆炸，导致轮胎快速耗尽甚至爆炸。轮胎可能在光滑或崎岖的路面上滚动，也可能在潮湿、积雪或结冰的路面上滚动，每种情况的制动时间都不同，如果知道这些情况，车辆ADAS系统就会大幅地受益。轮胎负载也是一个重要特性。不仅对于按照欧盟法规要求每10分钟传输一次负载的卡车来说重要，对于在制动或转弯时调整ADAS参数也很重要。此外，通过测量车辆重量，电动汽车可以实时估计出需要充电前的剩余时间。此外，轮胎状况会影响车辆油耗及车队车辆(如卡车及租赁车辆)的停机时间，从而影响车队的盈利能力。

如果能集成足够的电源来支持胎内传感器，智能轮胎就能在车辆实时控制及维护方面发挥关键作用。克服这一问题的方法之一是通过车辆底盘上的传感器对上述特性进行估计。然而，这种估计不如直接从轮胎行为中测量轮胎及路面特性来得准确及快速。

图1A参考专利申请US9050864B2，其描述不同胎面深度下轮胎的第一径向模态，显示振动的峰值及频率随胎面深度而变化。此专利要求保护基于轮胎充气压力数据、垂直模态频率数据及轮胎特定频率模态系数估计轮胎磨损状态的轮胎磨损估计方法。

专利公开号US9290069A是基于轮胎内衬的系统，用于估计一车辆参数，包括：支撑车辆的至少一个轮胎，所述轮胎具有轮胎侧壁及一胎冠，支撑一轮胎内衬限定一轮胎气腔；安装在所述轮胎上的至少一个轮胎压力传感器，用于检测一测量轮胎气腔压力；安装在所述轮胎上的至少一个车辆速度传感器，用于提供一测量车辆速度；安装在所述轮胎上的至少一个轮胎识别装置，用于提供一轮胎识别；安装在所述轮胎上的至少一个轮胎内衬偏转传感器，用于提供一加载内衬半径测量值；估计装置，用于根据测量轮胎气腔压力及加载内衬半径测量值计算一车辆参数估计估计轮胎参数；其中所述至少一个轮胎内衬偏转传感器是从激光测距传感器、涡流传感器、磁感应传感器、电容传感器的传感器群组中选取的一传感器。

图1B描述激光测距传感器(2001)，其固定在安装轮胎的轮辋上，测量轮辋及轮胎之间的距离。激光测距传感器测量的轮辋及轮胎之间的距离与轮胎空腔的压力一起用于计算轮胎的负载。通常情况下，一乘用车轮胎轮辋与轮胎内侧之间的距离约为30公分，卡车轮胎可达70公分。固定在轮辋上并面向轮胎的发光二极管(LED)等普通光源会产生较大的光散射，从轮胎的一宽广区域反射回光传感器，从而导致印痕长度估计不准确。为了对印痕长度进行正确的光学测量，需要使用聚焦光源或激光二极管，以限制光线从轮胎内侧足够窄的区域反射。事实上，专利公开号US9290069A使用的激光测距传感器是一种昂贵的光源。此外，胎内光学传感器若要实用，就不能使用电池供电，因为电池会在较短时间内耗尽，因此并不实用。这种传感器必须由能量收集器(如动能收集器)支持，动能收集器可将轮胎的弯曲或振动转换为电能。将光学传感器固定在轮辋上，将动能收集器固定在轮胎上，会产生复杂的方法或系统。

此外，使用加速度计的轮胎传感器也是一种已知技术。加速度计安装在轮胎内侧，当车轮转动时，加速度计会感应到加速度在进入及离开接触印痕时的变化。通过测量接触印痕长度，可以估计出轮胎的负载。由于高布朗噪声，加速度计的信噪比(Singal to NoiseRatio,SNR)相对较大。这种噪声会限制接触印痕长度测量的准确性，从而限制负载估计的准确性。

专利公开号JP4165320B2描述一种轮胎状况检测装置，如图1C所示，该装置使用嵌入轮胎内部的应变片(2003、2004)。专利公开号EP2085253B1描述一种带有传感器的轮胎，以及使用固定在轮胎内侧的应变片测量轮胎应变的方法。

使用应变计及加速度计的缺点是这些传感器会直接或间接受到应变。固定在轮胎上或嵌入轮胎内部的应变片会受到压缩及拉伸应变，这是应变片在轮胎弯曲时产生电信号的来源。加速度计使用一个由弹簧悬挂的质量块，在轮胎旋转过程中对加速度及减速度做出响应，从而引起质量块振动，并使弹簧承受压缩及拉伸应力。加速度计还可能受到高加速度的影响，导致弹簧弯曲超出其弹性范围。这些装置的使用寿命受限于其可承受的循环次数及最大允许力。

附图说明

图1A：现有技术的示意图，显示轮胎在不同轮胎磨损的第一径向振动模态。

图1B：现有技术的示意图，显示安装在轮胎的轮辋上用于测量轮胎弯曲的一光学距离传感器(2001)。

图1C：现有技术的示意图，显示固定在轮胎内侧用于测量轮胎弯曲的两个应变传感器(2002)及(2003)。

图2A：轮辋(1002)上的轮胎(1001)在地面(1003)上滚动的示意图。

图2B：轮胎弯曲传感器与图2A中所示印痕区域(10041)相交时产生的信号示意图。

图3A及3B：轮胎模型示意图。

图3C：使用图3A所示模型的轮胎示意图。

图4：轮胎径向振动模态示意图。

图5：轮胎侧向振动模态示意图。

图6：轮胎横向振动模态示意图。

图7A及7B：均匀(72)磨损的轮胎示意图。

图8A及8B：趾部(74)磨损的轮胎示意图。

图9A及9B：边缘(671)、(672)磨损的轮胎示意图。

图10A及10B：中心(78)磨损的轮胎示意图。

图11A及11B：径向(80)磨损的轮胎示意图。

图12：印痕(83)磨损的轮胎示意图。

图13：测量轮胎及路面特性的模块(100)示意图。

图14：固定在车辆(1000)的轮胎(30)的内侧(36)上用于测量轮胎及路面特性的模块(100)示意图。

图15：电源(101)的示意图，所述电源(101)是具有电源管理(1012)的动能收集器(1010)及电池(1011)，所述电池(1011)可以是可充电电池或不可充电电池。

图16A：图13中所示的轮胎振动传感器(105)的一实施例的示意图，所述轮胎振动传感器(105)包括光学反射传感器，所述光学反射传感器包括光源(1051)及光检测器(1052)。

图16B：图16A中所示光学反射传感器的示意图，所述光学反射传感器安装在轮胎(30)的内侧(36)上。

图17A及17B：图16A中所示光学反射传感器的变化示意图。

图18：图16A中所示安装在行驶车辆的轮胎内侧的光学反射传感器的信号的光学记录。

图19：185/65R1 88H轮胎在36psi及42km/h车辆速度的轮胎印痕长度与轮胎上的负载的函数图。

图20：不同轮胎负载下光学反射传感器在与印痕区域相交之前(1021)、期间(1022)及之后(1023)的响应。

图21：由图13所示处理器(102)生成的图18所示的信号记录的快速傅立叶变换(FFT)。

图22：不同负载作用在轮胎上时频率为325赫兹左右的轮胎振动。

图23：图6a所示光学反射传感器的示意图，以及轮胎(1611)、(1612)及(1613)在静止时受到不同负载的弯曲。

图24：通过光学反射传感器(1052)在轮胎静止时施加不同负载时测得的光强度的记录。

图25：图16A中所示的轮胎振动传感器(105)的另一实施例的示意图，所述轮胎振动传感器(105)包括磁铁(512)及固定在轮胎上的磁传感器(510)。

图26：图16A中所示的轮胎振动传感器(105)的另一实施例的示意图，所述轮胎振动传感器(105)包括固定在轮胎上的电磁传感器(520)，用于在轮胎振动时感测轮胎钢加固(310)的振动。

图27示意性地描述具有负载测量系统100B的车辆。

具体实施方式

本专利申请涉及用于感测轮胎振动及弯曲的一种非接触式传感器。例如，一光学反射传感器包括一光源及一光传感器，安装在一轮胎上距离轮胎约1毫米，使得光源发出的光从轮胎上的一小点反射回光传感器，使得接收到的光的变化可以测量轮胎局部弯曲的情况。本专利申请中描述的另一种传感装置是固定在轮胎上的一磁铁及附近的一磁传感器，感应轮胎弯曲时磁铁局部移动所引起的磁通量的变化。

图2A描述轮辋(1002)上的轮胎(1001)在地面(1003)上滚动的示意图。印痕是轮胎与地面接触的区域(1004)。印痕(10041)的长度取决于胎压传感器(1006)测量的胎压及轮胎上的负载(1007)。轮胎在点(1004a)处的弯曲是印痕的进入点，轮胎在点(1004b)处的弯曲是印痕的退出点。在现有技术中，固定在轮胎上的一应变仪(1005)会在印痕的进入点及退出点产生信号。图2B中用信号“a”及“b”对此进行示意性描述。时间差dt₁是车轮转完一圈所需的时间，dt₂是机电装置从点(1004a)到点(1004b)与印痕相交所需的时间。因此，假设轮胎周长为L_t，则车辆的速度为V＝L_t/dt₁。在这种情况下，印痕长度L_p＝Vdt₂＝L_tdt₂/dt₁＝2pRdt₂/dt₁。

轮胎上的负载取决于印痕长度、轮胎气压，在一定程度上还取决于轮胎温度、年龄、使用时间及制造商。负载可以通过经验公式、查找表或考虑轮胎及环境的不同特性的机器学习软件计算得出。

图3A描述一简化的轮胎模型，包括两个拉伸压缩弹簧(13)、(14)及两个阻尼器(15)、(16)。此简化模型允许轮胎在一个弹簧绷紧、另一个弹簧压缩时弯曲。所述模型还允许轮胎在两个弹簧绷紧时拉伸。轮胎的不同部位具有不同的特性，明显地，两个弹簧的弹簧常数及两个阻尼器的阻尼常数的值是位置的函数。图3B描述图3A中的模型，并将在本专利申请中用于描述轮胎的局部特性。图3C描述使用图3A及图3B所述模型的轮胎(30)。

图4至图6描述轮胎的一些径向、侧向及横向模态。图4描述径向模态(40)。第一径向模态开始于大约90赫兹，更高的模态可高达800赫兹，伴随逐渐减小的振幅。图5描述侧向模态(50)。第一侧向模态的频率为30至60赫兹，更高的模态可高达120赫兹，伴随逐渐减小的振幅。图6描述一未负载轮胎的沿轮胎宽度的三个对称横向模态(601)及三个非对称横向模态(602)。(C,0)是对称模态，而(C,1)是非对称模态，其中“c”是模态的第一个指数。第一对称横向模态开始于大约150赫兹，更高的横向模态可高达300赫兹，伴随逐渐减小的振幅。图4至图6中描述的振动模态适用于未负载轮胎。由于轮胎与地面的接触印痕增大，导致振动质量降低，因此模态频率升高，因此增加轮胎上的轮胎负载会将模态频率移至更高的频率。需要注意的是，不同尺寸、材料、年龄及压力的轮胎的实际模态频率可能会有所不同。

特定的轮胎振动模态可由振动频率相似的轮胎持续振动或撞击激发。轮胎振动模态可能由车辆与路面相互作用产生的振动、路面产生的冲击或车辆的操纵(如加速、减速及转弯)激发。此外，部分由轮胎与地面接触方式决定的边界条件可能会使特定模态优于其他模态。

图7至图12描述不同状态下的轮胎。图7A描述与一轮胎铰链(301)连接并承受一负载F(71)的一轮胎(30)。轮胎与地面均匀接触，形成具有宽度(721)及长度(722)的一接触印痕(72)，所述接触印痕沿所述轮胎的圆周均匀磨损。图7B示意性地描述所述轮胎(301)及所述负载F，所述负载F被分为施加在所述轮胎左侧(3011)的F1(711)及施加在轮胎右侧(3012)的F2(712)。F1+F2＝F，在与地面均匀接触的情况下，它们实际上是彼此相等的。当与地面接触的轮胎磨损后，轮胎的特性会发生变化，并可能改变图4A中以(1,0)标记的第一径向模态(73)的振幅及频率。这种情况在专利号EP14171347NWB1中有所提及，如本专利申请的图1B所述。

图8A描述与一轮胎铰链(301)连接并承受一负载(71)的一轮胎(30)。轮胎的一侧与地面接触，形成具有宽度(741)及长度(742)的一接触印痕(74)。图8B示意性地描述所述轮胎(301)。由于只有左侧与地面接触，因此轮胎上的负载是通过轮胎左侧(3011)施加的。由于轮胎由左侧(3011)支撑，因此径向模态的振幅可能会增大，侧向模态(如图5中描述的模态)也可能会被激发。此外，沿所述长度(743)的横向模态也可能被激发。

图9A描述与一轮胎铰链(301)连接并承受一负载(71)的一轮胎(30)。轮胎两侧与地面接触，形成具有宽度(7611)及(7621)以及长度(763)的两个接触印痕(761)及(762)。图9B示意性地描述轮胎(301)及负载F，且所述负载F被分为施加在轮胎左侧(3011)的F1(711)及施加在轮胎右侧(3012)的F2(712)。F1+F2＝F，且F1及F2之间的比率取决于接触区域(761)及(762)之间的比率。当所述轮胎从两侧支撑时，径向模态的振幅可能会增大，且横向模态也可能被激发。沿所述长度(763)的两个印痕之间可能会产生更多的高振动模态。

图10A描述与一轮胎铰链(301)连接并承受一负载(71)的一轮胎(30)。轮胎与地面接触，形成具有宽度(781)及长度(782)的一接触印痕(78)。图10B示意性地描述轮胎(301)及负载F，且所述负载F被分为施加在轮胎左侧(3011)的F1(711)及施加在轮胎右侧(3012)的F2(712)。F1+F2＝F，且F1及F2之间的比率取决于向宽度(781)的左侧延伸的长度(7811)及向接触宽度(781)右侧延伸的长度(7812)之间的比率。如果这两个延伸长度互不相同，可能激发侧向模态(792)，如图5中描述的模态。

图11A描述与一轮胎铰链(301)连接的一轮胎(30)。轮胎的右侧(80)有径向磨损。所述轮胎在负载(71)的作用下与地面(81)接触。在这种情况下，假定轮胎与地面形成具有宽度(811)及长度(812)的均匀接触印痕(81)。例如，这种磨损可能是轮胎与人行道摩擦造成的。图11B示意性地描述轮胎左侧(3011)及轮胎右侧(3012)。F1+F2＝F，但由于轮胎侧面(3011)及(3012)之间不对称，F1可能与F2有一点差异。这种类型的轮胎磨损可能会改变轮胎右侧(3012)相对于轮胎左侧(3011)的弹簧及阻尼常数，并可能导致轮胎侧向振动模态(82)，例如图5中描述的侧向模态。此外，这种局部磨损可能会产生与轮胎转速相同的振动。当车轮转动一接触印痕时，围绕轮胎圆周发生变化。对于一直径为0.6米的轮胎，在时速为200公里/小时的时候，转速约为30赫兹，而如图4至图6所述，轮胎振动模态的频率通常要高得多。由于在任何给定的时间内，都会有一印痕与地面接触，而轮胎的其他部分可以自由振动，因此在这种较高的频率下，可能会产生这些振动模态。然而，随着转速的增加，接触印痕可能会抑制振动的发展，包括轮胎沿圆周的位移，其中印痕位于圆周上，并支撑例如频率较高的横向模态，远离接触印痕。

图12描述与一轮胎铰链(301)连接并承受一负载(71)的一轮胎(30)。轮胎圆周上的印痕磨损(83)可能会改变轮胎的振动及振幅模态，这取决于特定印痕磨损的位置及形状。此外，这种局部磨损可能会产生与轮胎转速相同的振动。

需要注意的是，图5中描述的任何轮胎磨损组合都有可能导致轮胎振动模态发生更为复杂的变化。此外，随着轮胎的老化及磨损，轮胎的弹簧及阻尼常数可能会发生变化，这也会改变轮胎在整个使用寿命期间的振动模态。

在图8至图10及图12中描述的示例中，力F施加在轮胎与地面(74)、(761)、(762)、(78)及(83)的一较小接触区域上，因此轮胎在这些接触区域的压力高于正常条件下的压力，导致轮胎磨损率增加。此外，由于这些情况下的接触区域较小，车辆操纵可能会有所不同。例如，制动距离较小，制动或操纵过程中施加在车辆上的力不平衡，因此可能无法预测车辆的行为。

图13描述一模块(100)。如图14所述，所述模块固定在安装在一车辆(1000)的一车轮(31)上的一轮胎(30)的内侧(36)。所述模块包括一能量源(101)、一压力传感器(103)及用于测量轮胎特性的至少一轮胎传感器(105)。所述模块还可以包括一轮胎温度传感器(104)。所述模块还包括一传输模块(106)及一处理器(102)，用于处理所述模块活动，例如为传感器采样计时、接收来自传感器的数据以及将数据传输到所述车辆外的一数据处理单元(107)。在大多数实际应用中，所述数据处理单元可以使用机器学习等方法对信息进行处理。这种机器学习不仅可以从特定车辆(1000)收集的数据中学习，还可以通过从云(110)接收的数据从其他车辆的轮胎学习。然而，可以理解的是，数据处理或部分数据处理也可以由所述处理器进行，且如果所有处理都由所述处理器进行，那么所述数据处理单元只是连接所述车辆计算机的一个桥梁。

图13中描述的模块(100)还可以用于利用轮胎传感器在其与印痕区域相交时产生的信号计算轮胎的负载。所述模块可考虑到轮胎年龄、轮胎磨损、轮胎制造商及轮胎尺寸(如轮胎半径、轮胎宽度及长宽比)，因为这些特性也会影响印痕的特性。

图13中描述的模块(100)还可用于计算路面粗糙度。所述模块还可以预测车辆何时在非道路上行驶，因为与普通道路相比，非道路上的车辆振动较大。路面粗糙度测量及路面类型识别可能需要了解轮胎压力、轮胎温度及轮胎转速。

图13中描述的数据处理单元(107)可包括一机器学习(ML)软件，除了轮胎振动频率及振幅以及轮胎接触印痕特性外，所述机器学习还可考虑轮胎的轮胎压力、轮胎尺寸、轮胎温度、轮胎温度历史记录、轮胎负载历史记录、轮胎年龄、道路粗糙度、轮胎道路粗糙度历史记录以及轮胎材料及制造商。

在某些分析中，数据处理单元(107)可以将振动频率及振幅或轮胎与地面的接触印痕特性与保存在一数据库中的轮胎特性进行比较。所述数据库可以包括特定轮胎的历史记录以及由其他车辆测量并保存在云中的轮胎历史记录。

所述数据处理单元(107)可以通过驾驶员仪表板上的一显示器(108)向驾驶员及一车队管理(109)发送与轮胎状态及轮胎与路面牵引力状态相关的警报。所述数据处理单元(107)还可以将信息发送到车辆自主支持系统，如车辆高级驾驶员辅助系统(AdvancedDriver-Assistance System,ADAS)，其中考虑到轮胎与路面接触的特性及路面状况，以便调整车辆自主参数，例如停止时间、每一个车轮的制动参数、制动或转弯时的车辆行为。

所述能量源(101)可以是一电池，也可以是图15中描述的能量收集器(1010)，例如可以从车轮转动中收集动能。这种能量收集器可以是电磁、压电或静电能量收集器，也可以是这些动能收集器的任意组合。所述能量收集器可以从热或一射频源收集能量。在图15中，示出一能量收集器由一电源管理电路(1012)及一电池(1012)支持，其中所述电源管理电路负责管理收集器产生的电能，所述电池可以是一不可充电电池，当能量收集器收集的电能不足以为模块供电时，电池为模块供电。所述电池可以是一可充电电池，通过电源管理使用普通方法充电，以便可充电电池在需要时支持所述模块。所述电源管理管理能量收集器产生的电能及电池中的电能，并取决于优选的电源方案为传感器、传输器及处理器供电。

轮胎振动传感器(103)可以是一加速度计或一应变仪。需要注意的是，高频模态的振幅通常较低。因此，为了检测它们，传感器应具有较低的信噪比(SNR)。由于布朗噪声，加速度计具有一相对较大的信噪比。应变仪是一种连接到轮胎上的传感器，可感应轮胎的弯曲及振动，其信噪比通常较加速度计为佳。加速度计及应变计两者都要经过弯曲才能感应到振动，因此它们的使用寿命取决于振动程度及弯曲周期的次数。

图16A描述用于感应轮胎振动及弯曲的一种反射式光学传感器(105)，包括一光源(1051)及光传感器(1052)。如图16B所示，传感器安装在固定在一轮胎(36)的内侧的一底盘(1053)上，使得部分光线从光源发出(10511)，并从轮胎(361)反射(10512)回光传感器。当车轮转动时，通过光传感器接收到的光的强度的变化来感测轮胎的振动。轮胎上可以形成一反射器(1614)，将光线反射回光学传感器。图16A中显示的是一反射式光学传感器，但可以理解的是，可以在不同位置使用多个此类传感器，以感测轮胎的不同振动模态或弯曲。

图17A是图16A中描述的轮胎振动传感器(105)的另一实施例，其中光源(1051)及光传感器(1052)是平铺的，使得光线从轮胎反射到底盘(1053)的区域之外。所述底盘可以是一柔性材料，可以完全密封光的路径，以防止污染。一反射器(3611)可以固定在轮胎上，以增强反射回光传感器的光(10512)的强度。

图17B是图16A中描述的轮胎振动传感器(105)的另一实施例，其中光源(1051)及光传感器(1052)是平铺的，固定在对光源发出的光透明的一柔性底盘上，使得光源及光传感器是完全密封的，以防止污染覆盖光源或光传感器以及反射区域。

图18描述图16A中所描述的反射式光学传感器感测的光强度的记录。时间“T”为旋转一圈的时间，“t”为光点与印痕相交的时间。

图19显示根据时间“t”的测量结果计算出的印痕长度线图，适用于的轮胎上的不同负载(160公斤、200公斤、240公斤、280公斤、320公斤、360公斤、400公斤)。这些测量是在185/65R1 88H轮胎上进行的，速度为42公里/小时(km/h)，胎压为36psi。图20显示传感器在不同负载下与印痕区域相交之前(1021)、期间(1022)及之后(1023)的响应。尽管如图19所述，印痕长度与轮胎上的负载之间存在线性关系，但应注意到响应的形状彼此不同。更具体地，每个信号的基准线都不同，并且与重量相关。这意味着光信号对轮胎上不同负载的响应不仅带有关于与印痕相交的重量信息，还包含印痕区域外的关于重量的信息。除了印痕长度或没有印痕长度之外，机器学习(ML)软件可以使用这些信息来提取一更高精度的轮胎负载测量值。这种ML软件还可以考虑轮胎尺寸、年龄、制造日期及制造商、特定轮胎的历史以及其他类似或不同轮胎的数据。

图21是图18中记录的快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)，显示轮胎的不同振动模态。随着车轮的转动，时间T不断重复，因此也可以通过快速傅立叶变换计算出转速及车速。

图22描述在轮胎上施加不同负载时轮胎振动的快速傅立叶变换。快速傅立叶变换侧重于325赫兹附近的频率响应。应注意的是，快速傅立叶变换信号的振幅随着负载的增加而增大。此外，如虚线所指示，峰值向更高频率略有移动。

图23描述系统所在的轮胎的一近景，其中轮胎上施加不同的负载。随着负载的增加，印痕面积也随之增加，从而使轮胎在其他地方径向扩张。因此，不同的负载会导致轮胎不同的弯曲，从而使光学传感器感测到的光强度不同。在图23中，点(1611)、(1612)及(1613)示意性地描述轮胎的三种径向扩张，其中点(1611)代表轮胎在负载低于点(1612)时的扩张，点(1612)代表轮胎在负载低于点(1613)时的扩张。从点(1611)反射回光学传感器的光强高于点(1612)的光强，从点(1612)反射回光学传感器的光强高于点(1613)的光强。这样一来，即使轮胎没有滚动，也能计算出负载。

图24是当反射式光学传感器正对着印痕且离开印痕时，在一静态轮胎上施加不同重量时的反射式光学传感器感测到的光强度的测量结果。这些结果显示，因为在不同的负载下，轮胎的弯曲程度是不同的，所以不同的重量会产生不同的光信号。此外，还显示，当传感器正对印痕时，大负载下的强度较高，而随着负载的减小，强度会较小。另一方面，在离开印痕区域，顺序是相反的。

图25描述轮胎振动传感器(105)的另一实施例。在本实施例中，传感器(105)包括安装在一底盘(511)上的位置(511a)的一磁传感器(510)及安装在轮胎上的位置(512a)的一磁铁(512)，使位置(511a)靠近位置(512a)。轮胎振动转化为磁铁(512)相对磁传感器(510)的振动，并由磁传感器记录。磁铁(512)可以是任意优选方向的一简单磁铁，也可以是磁铁的一些组合，使得轮胎的振动导致磁传感器信号的高变化。

图26描述轮胎振动传感器(105)的另一实施例。在本实施例中，传感器(105)包括安装在一底盘(512)上的一电磁传感器(520)，使电磁传感器对嵌入轮胎内部的钢网(310)的距离(53)的变化敏感，从而使电磁传感器感测到轮胎振动。例如，电磁传感器(520)可以包括一磁铁(5201)及一线圈(5202)，使得钢网的移动会改变磁铁周围的磁通量，从而引起线圈的两端之间的电压压降。

图25及图26所示的振动传感器固定在作为模块(100)一部分的底盘(511)及(512)上。这些传感器也可以直接固定在轮胎上。

从上述解释中可以了解到，本发明公开了一种系统，用于一轮胎，所述轮胎设计成安装在道路上行驶的车辆的车轮上。所述系统包括一底盘、一光源、一光传感器、一数据传输单元、一处理单元及为系统供电的一电源。底盘设计成连接到轮胎内侧，光源及光传感器以这样的方式连接到底盘：当光源照射在轮胎内侧的特定区域时，光传感器可以检测到返回光。光传感器的设计成基于检测到的光强度的变化产生一光信号，这些变化可以反映轮胎的振动频率及振幅，或当特定区域与轮胎与路面的接触印痕相交时轮胎的弯曲，或两者皆有。基于所述信号，处理单元可检测轮胎与路面的接触区域的特性，检测车辆行驶的路面的类型，检测轮胎的磨损程度，或检测车轮上的负载大小。所述系统可以包括一磁传感器及一磁铁(代替光源及光传感器)，在这种情况下，磁传感器及磁铁以磁传感器可以检测磁铁磁场的方式连接到轮胎内侧。磁传感器可根据检测到的磁铁磁场强度变化产生信号，这些变化可反映轮胎振动的频率及振幅，或当磁铁与轮胎与路面的接触印痕相交时的轮胎的弯曲，或两者皆有。在此，所述处理单元也可基于信号检测轮胎与路面的接触区域的特性，检测车辆行驶的路面的类型，检测轮胎的磨损程度，或检测车轮的负载大小。

该系统可包括一电磁传感器(代替光源及光传感器，或代替磁铁及磁传感器)，在这种情况下，电磁传感器设计成连接到由一钢网加固的轮胎的内侧，这样电磁传感器就能检测到钢网的磁场。电磁传感器可根据检测到的钢网磁场强度变化产生信号，这些变化可反映轮胎的振动频率及振幅，或当电磁传感器与轮胎与路面的接触印痕相交时的轮胎的弯曲，或两者皆有。在此，所述处理单元也是基于信号来检测轮胎与路面的接触区域的特性、检测车辆行驶道路的类型，检测轮胎的磨损程度，或检测车轮上的负载大小。

本发明还涉及一种方法，用于检测安装在一行驶车辆的一车轮上的一轮胎与一路面的一接触区域的特性、检测所述路面的一类型、检测所述轮胎的一磨损程度、检测所述轮胎的一定位程度或检测所述车轮的一负载大小。所述方法包括以下步骤：(a)产生一信号，该信号反映车辆行驶时轮胎振动的频率及振幅，或反映轮胎与路面的接触印痕处的弯曲，或两者皆有；以及(b)提供一处理单元，所述处理单元设计成检测轮胎与路面的接触区域的特性、检测车辆行驶的路面的类型、检测轮胎的磨损程度、检测轮胎的定位程度或检测车轮上的负载大小。

处理单元可以设计成将检测到的轮胎与路面的接触区域的特性、检测到的路面类型、检测到的轮胎磨损程度、检测到的轮胎定位程度或检测到的车轮上的负载大小等信息传送到车辆中的一指示装置，所述指示装置对于车辆的驾驶员、车队管理中心或车辆的自动驾驶系统是可见的，以使这些信息可用于调整车辆的驾驶参数。所述电源可以是电池，也可以是将动能转换为电能的能量收集器。电源可以包括用于将动能转换为电能的一能量收集器、一可充电电池以及用于管理收集的电能及为可充电电池充电的电源管理电路。

从上述解释及附图中可以清楚地看出，本发明公开一种用于一轮胎(30)的一轮胎系统(100)(图13)，所述轮胎系统设计成安装在车辆(1000)的车轮(31)的内侧(36)上，包括一轮胎传感器(105)、一数据传输单元(106)、一处理单元(107)及用于供电给系统的一电源(101)。

在本发明的一实施例中(图16)，所述轮胎传感器包括安装在一底盘(1053)上的一光源(1051)及一光传感器(1052)。所述底盘设计成连接到所述轮胎的所述内侧(36)上，且所述光源及所述光传感器通过以下方式连接到所述底盘：当所述光源照射在所述轮胎的所述内侧上的一特定区域(361)时，所述光传感器检测到一返回光。

所述光传感器设计成基于检测到的光强度的变化产生一光信号，这些变化反映出轮胎振动的频率及振幅，或者当所述特定区域与轮胎与路面的接触印痕相交时以及当所述特定区域在所述接触印痕外(810)滚动时的轮胎的弯曲。基于所述光信号，处理单元设计成检测所述轮胎与所述路面的接触区域的特性、检测所述车辆行驶的所述路面的一类型、检测所述轮胎的一磨损程度或检测所述车轮上的一负载大小。电源是电池或将动能转换为电能的能量收集器。电源可以是设计成将动能转换为电能的一能量收集器、一可充电电池以及用于管理收集的电能及为可充电电池充电的电源管理电路。

所述光传感器还用于检测所述特定区域何时进入所述接触印痕及何时离开所述接触印痕，所述数据传输单元设计成在所述特定区域进入及离开所述接触印痕时向所述处理单元发送多个时间信号，所述处理单元还使用所述多个时间信号(它们之间的间隔)来计算及检测上述参数。

所述处理单元可将关于轮胎与路面的接触区域的检测到的特性的信息传送至车辆中的一指示装置，以引起车辆驾驶员的注意，或传送至车队管理中心，或传送至车辆的自动驾驶系统，以便将这些信息用于调整车辆的驾驶参数。

在另一实施例中(图25)，所述轮胎系统可以包括一磁传感器(511)及一磁铁(512)，而不是光传感器及光源。在这种系统中，所述磁传感器及所述磁铁通过以下方式连接到所轮胎的一内侧：所述磁传感器设计成检测所述磁铁的一磁场，其中所述磁传感器设计成基于所述磁铁的检测到的磁场强度的变化产生一信号，其中当所述磁铁与所述轮胎与路面的一接触印痕相交时，所述变化反映出所述轮胎的振动的频率及振幅或所述轮胎的弯曲，并且其中基于所述信号，处理单元检测轮胎的接触区域的特性、路面的类型、轮胎的磨损程度或车轮上的负载大小。

在另一实施例中(图26)，系统可以包括一电磁传感器(520)，而不是光传感器及光源。在这种系统中，电磁传感器设计成连接到由钢网(310)加固的轮胎内侧，使得电磁传感器能够检测到钢网的磁场，并根据检测到的钢网磁场强度的变化产生信号，用于处理单元的上述计算及检测。所述电磁传感器可包括一磁铁及一线圈，使得所述钢网的振动改变所述线圈中的一磁场，所述磁场在所述线圈的两端之间感应出电压。

所述轮胎系统(100)可进一步包括用于测量轮胎压力的一压力传感器(103)及用于测量轮胎温度的一温度传感器(104)。所述数据传输单元设计成将关于检测到的轮胎压力或温度的信息传输到所述处理单元，所述处理单元设计成基于光信号及检测到的轮胎压力或检测到的温度，检测轮胎与路面的接触区域的特性、检测车辆行驶的路面的类型、检测轮胎的磨损程度，或检测车轮上的负载大小。

本发明还涉及一种方法，用于检测安装在一行驶车辆的一车轮上的一轮胎与一路面的一接触区域的特性、检测所述路面的一类型、检测所述轮胎的一磨损程度、检测所述轮胎的一定位程度或检测所述车轮的一负载大小，所述方法包括以下步骤：

(a)产生一信号，反映出车辆行驶时所述轮胎的振动的频率及振幅，或反映出所述轮胎在与所述路面的一接触印痕以及在所述接触印痕外的弯曲；以及

(b)提供一处理单元，所述处理单元设计成检测所述轮胎与所述路面的所述接触区域的特性及所述接触印痕外的所述轮胎的所述弯曲的特性、检测所述车辆行驶的所述路面的所述类型，检测所述轮胎的所述磨损程度，检测所述轮胎的所述定位程度，或检测所述车轮上的所述负载大小。

本发明还涉及带有一负载测量系统(100B)的一车辆(1000)，所述负载测量系统用于在车辆行驶时测量所述车辆上的一负载大小。在此情况下，所述车辆包括一中央处理器(107B)及多个车轮(31)，其中车辆的每个车轮上都安装有一轮胎(30)。车辆的每一个轮胎包括一轮胎系统(100)，如上文所解释的，所述轮胎系统设计成当一特定区域(361)与各自的所述轮胎与路面的一接触印痕(81)相交以及当所述特定区域在所述接触印痕外(810)滚动时，基于各自的所述轮胎的振动的频率及振幅或各自的所述轮胎的弯曲产生一信号，并且轮胎系统还将多个所述信号传输到所述中央处理器。中央处理器设计成基于从车辆所有轮胎同时接收到的这些信号，在很短的时间间隔内计算出车辆的负载大小。图27示意性地描绘带有所述负载测量系统(100B)的车辆(1000)。

Claims (20)

1.一种轮胎系统，其特征在于，用于一轮胎，所述轮胎设计成安装在一车辆的一车轮上，所述轮胎系统包括一底盘、一光源、一光传感器、一数据传输单元、一处理单元及用于供电给所述系统的一电源；

其中，所述底盘设计成连接到所述轮胎的一内侧，其中所述光源及所述光传感器通过以下方式连接到所述底盘：当所述光源照射在所述轮胎的所述内侧上的一特定区域时，所述光传感器检测到一返回光；

其中，所述光传感器设计成基于检测到的光强度的变化产生一光信号；

其中，当所述特定区域与所述轮胎与路面的一接触印痕相交以及当所述特定区域在所述接触印痕外滚动时，所述变化反映出所述轮胎的振动的频率及振幅或所述轮胎的弯曲；以及

其中，基于所述光信号，所述处理单元设计成检测所述轮胎与所述路面的接触区域的特性、检测所述车辆行驶的所述路面的一类型、检测所述轮胎的一磨损程度或检测所述车轮上的一负载大小。

2.如权利要求1所述的轮胎系统，其特征在于，所述轮胎系统还包括一压力传感器，设计成测量所述轮胎的一压力，其中所述数据传输单元设计成将关于一检测轮胎压力的信息传输到所述处理单元，并且其中所述处理单元设计成基于所述光信号及所述检测轮胎压力，检测所述轮胎与所述路面的所述接触区域的所述特性、检测所述车辆行驶的所述路面的所述类型、检测所述轮胎的所述磨损程度或检测所述车轮上的所述负载大小。

3.如权利要求1所述的轮胎系统，其特征在于，所述轮胎系统还包括一温度传感器，设计成测量所述轮胎的一温度，其中所述数据传输单元设计成将关于一检测轮胎温度的信息传输到所述处理单元，并且其中所述处理单元设计成基于所述光信号及所述检测轮胎温度，检测所述轮胎与所述路面的所述接触区域的所述特性、检测所述车辆行驶的所述路面的所述类型、检测所述轮胎的所述磨损程度或检测所述车轮上的所述负载大小。

4.如权利要求1所述的轮胎系统，其特征在于，所述光传感器设计成检测所述特定区域何时进入所述接触印痕以及所述特定区域何时离开所述接触印痕，并且其中所述数据传输单元设计成在所述特定区域进入及离开所述接触印痕时向所述处理单元发送多个时间信号，并且其中所述处理单元设计成基于所述光信号及所述多个时间信号，检测所述轮胎与所述路面的所述接触区域的所述特性、检测所述车辆行驶的所述路面的所述类型、检测所述轮胎的所述磨损程度或检测所述车轮上的所述负载大小。

5.如权利要求1所述的轮胎系统，其特征在于，所述处理单元还设计成将关于所述轮胎与所述路面的所述接触区域的检测特性的信息传输到所述车辆中的一指示装置，所述指示装置设计成引起所述车辆的一驾驶员、一车队管理中心或所述车辆的一自动驾驶系统的注意，以使所述信息能够用于调整车辆驾驶参数。

6.如权利要求1所述的轮胎系统，其特征在于，所述电源是一电池或将动能转换为电能的一能量收集器。

7.如权利要求1所述的轮胎系统，其特征在于，所述电源包括一能量收集器、一可充电电池及一电源管理电路，所述能量收集器设计成将动能转换为电能，所述电源管理电路用于管理收集电能及为所述可充电电池充电。

8.一种轮胎系统，其特征在于，用于一轮胎，所述轮胎设计成安装在一车辆的一车轮上，所述轮胎系统包括一磁传感器、一磁铁、一数据传输单元、一处理单元及用于供电给所述系统的一电源，其中所述磁传感器及所述磁铁通过以下方式连接到所轮胎的一内侧：所述磁传感器设计成检测所述磁铁的一磁场；其中所述磁传感器设计成基于所述磁铁的检测到的磁场强度的变化产生一信号，其中当所述磁铁与所述轮胎与路面的一接触印痕相交时，所述变化反映出所述轮胎的振动的频率及振幅或所述轮胎的弯曲，并且其中基于所述信号，所述处理单元设计成检测所述轮胎与所述路面的接触区域的特性、检测所述车辆行驶的所述路面的一类型、检测所述轮胎的一磨损程度或检测所述车轮上的一负载大小。

9.如权利要求8所述的轮胎系统，其特征在于，所述轮胎系统还包括一压力传感器，设计成测量所述轮胎的一压力，其中所述数据传输单元设计成将关于一检测轮胎压力的信息传输到所述处理单元，并且其中所述处理单元设计成基于所述信号及所述检测轮胎压力，检测所述轮胎与所述路面的所述接触区域的所述特性、检测所述车辆行驶的所述路面的所述类型、检测所述轮胎的所述磨损程度或检测所述车轮上的所述负载大小。

10.如权利要求8所述的轮胎系统，其特征在于，所述轮胎系统还包括一温度传感器，设计成测量所述轮胎的一温度，其中所述数据传输单元设计成将关于一检测轮胎温度的信息传输到所述处理单元，并且其中所述处理单元设计成基于所述信号及所述检测轮胎温度，检测所述轮胎与所述路面的所述接触区域的所述特性、检测所述车辆行驶的所述路面的所述类型、检测所述轮胎的所述磨损程度或检测所述车轮上的所述负载大小。

11.如权利要求8所述的轮胎系统，其特征在于，所述磁传感器设计成检测所述特定区域何时进入所述接触印痕以及所述特定区域何时离开所述接触印痕，并且其中所述数据传输单元设计成在所述特定区域进入及离开所述接触印痕时向所述处理单元发送多个时间信号，并且其中所述处理单元设计成基于所述信号及所述多个时间信号，检测所述轮胎与所述路面的所述接触区域的所述特性、检测所述车辆行驶的所述路面的所述类型、检测所述轮胎的所述磨损程度或检测所述车轮上的所述负载大小。

12.如权利要求8所述的轮胎系统，其特征在于，所述处理单元还设计成将关于所述轮胎与所述路面的所述接触区域的检测特性的信息传输到所述车辆中的一指示装置，所述指示装置设计成引起所述车辆的一驾驶员、一车队管理中心或所述车辆的一自动驾驶系统的注意，以使所述信息能够用于调整车辆驾驶参数。

13.一种轮胎系统，其特征在于，用于一轮胎，所述轮胎设计成安装在行驶于一路面的一车辆的一车轮上，所述轮胎系统包括一电磁传感器、一数据传输单元、一处理单元及用于供电给所述系统的一电源，其中所述电磁传感器设计成通过以下方式连接到由一钢网加固的所述轮胎的一内侧：所述电磁传感器能够检测到所述钢网的一磁场；其中所述电磁传感器设计成基于所述钢网的检测到的磁场强度的变化产生一信号，其中当所述电磁传感器与所述轮胎与所述路面的一接触印痕相交时，所述变化能够反映出所述轮胎的振动的频率及振幅或所述轮胎的弯曲，并且其中基于所述信号，所述处理单元设计成检测所述轮胎与所述路面的接触区域的特性、检测所述车辆行驶的所述路面的一类型、检测所述轮胎的一磨损程度或检测所述车轮上的一负载大小。

14.如权利要求13所述的轮胎系统，其特征在于，所述轮胎系统还包括一压力传感器，设计成测量所述轮胎的一压力，其中所述数据传输单元设计成将关于一检测轮胎压力的信息传输到所述处理单元，并且其中所述处理单元设计成基于所述信号及所述检测轮胎压力，检测所述轮胎与所述路面的所述接触区域的所述特性、检测所述车辆行驶的所述路面的所述类型、检测所述轮胎的所述磨损程度或检测所述车轮上的所述负载大小。

15.如权利要求13所述的轮胎系统，其特征在于，所述轮胎系统还包括一温度传感器，设计成测量所述轮胎的一温度，其中所述数据传输单元设计成将关于一检测轮胎温度的信息传输到所述处理单元，并且其中所述处理单元设计成基于所述信号及所述检测轮胎温度，检测所述轮胎与所述路面的所述接触区域的所述特性、检测所述车辆行驶的所述路面的所述类型、检测所述轮胎的所述磨损程度或检测所述车轮上的所述负载大小。

16.如权利要求13所述的轮胎系统，其特征在于，所述电磁传感器设计成检测所述特定区域何时进入所述接触印痕以及所述特定区域何时离开所述接触印痕，并且其中所述数据传输单元设计成在所述特定区域进入及离开所述接触印痕时向所述处理单元发送多个时间信号，并且其中所述处理单元设计成基于所述信号及所述多个时间信号，检测所述轮胎与所述路面的所述接触区域的所述特性、检测所述车辆行驶的所述路面的所述类型、检测所述轮胎的所述磨损程度或检测所述车轮上的所述负载大小。

17.如权利要求13所述的轮胎系统，其特征在于，所述处理单元还设计成将关于所述轮胎与所述路面的所述接触区域的检测特性的信息传输到所述车辆中的一指示装置，所述指示装置设计成引起所述车辆的一驾驶员、一车队管理中心或所述车辆的一自动驾驶系统的注意，以使所述信息能够用于调整车辆驾驶参数。

18.如权利要求13所述的轮胎系统，其特征在于，所述电磁传感器包括一磁铁及一线圈，使得所述钢网的振动改变所述线圈中的一磁场，所述磁场在所述线圈的两端之间感应出电压。

19.一种方法，其特征在于，用于检测安装在一行驶车辆的一车轮上的一轮胎与一路面的一接触区域的特性、检测所述路面的一类型、检测所述轮胎的一磨损程度、检测所述轮胎的一定位程度或检测所述车轮的一负载大小，所述方法包括：

产生一信号，反映出车辆行驶时所述轮胎的振动的频率及振幅，或反映出所述轮胎在与所述路面的一接触印痕以及在所述接触印痕外的弯曲；以及

提供一处理单元，所述处理单元设计成检测所述轮胎与所述路面的所述接触区域的特性及所述接触印痕外的所述轮胎的所述弯曲的特性、检测所述车辆行驶的所述路面的所述类型，检测所述轮胎的所述磨损程度，检测所述轮胎的所述定位程度，或检测所述车轮上的所述负载大小。

20.一种车辆，其特征在于，具有一负载测量系统，所述负载测量系统用于在车辆行驶时测量所述车辆上的一负载大小，所述车辆包括一中央处理器及多个车轮，其中每一个所述车轮上安装一轮胎；

其中，每一个所述轮胎包括一轮胎系统，所述轮胎系统设计成当一特定区域与各自的所述轮胎与路面的一接触印痕相交以及当所述特定区域在所述接触印痕外滚动时，基于各自的所述轮胎的振动的频率及振幅或各自的所述轮胎的弯曲产生一信号，并将多个所述信号传输到所述中央处理器；以及

其中，所述通用处理器设计成基于多个所述信号计算所述车辆上的所述负载大小，其中多个所述信号是同时发出的。