CN117759626B - 一种智能球头、应用方法及车辆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了本方案一种智能球头、应用方法及车辆，其中一种路面状况的评价方法，通过在球头关节中布置磁传感器，用来监测球头的转动情况，从而可以分析车辆车轮的运动情况，由于车轮运行至隆起路面或者凹坑路面时，车轮在减震器的作用下，均会发生快速的上行或下行运动，故本方案通过对球头的运动进行数据采集，进入反推路面状况，具有结构合理、运算简单和反馈精准的特点，并在大量的数据记录下，实现多种道路的路况缺陷的标注操作，并可为路政等部门提供维护提醒操作，或者可以为导航地图提供标注点，以对其他路经车辆提供警示或规避操作。

Description

一种智能球头、应用方法及车辆

技术领域

本发明涉及新能源汽车和智能球头技术领域，特别涉及一种智能球头、应用方法及车辆。

背景技术

汽车内部布满各类状态传感器，用以监测车辆状态和辅助车辆驾驶等功能。随着技术的进步，具备自我学习的智能化诊断系统也逐渐应用在汽车产品中，例如发动机、变速箱、智能座舱等等产品都实现的高度的自动诊断与自我反馈机制。汽车底盘系统结构复杂，叠加其开放式的工作环境，目前集成度还有待提升。当前基于角位移传感器的底盘高度监测存在集成度低、结构复杂、成本高等缺点，对汽车智能化水平、制造成本以及轻量化都带来不利影响。

目前我们新能源汽车越来越得到推广，并且出口到国外的数量大量增加，在新能源汽车领域，我们能够以此机会建立更多的标准。通过对车辆的底盘的球头结构改进、运动数据采集和功能整合，可以用来确定四轮的运动状况，能够用于知晓车辆底盘的状态，进而可以用于高阶的车辆底盘控制，如控制主动悬挂配套的主动减震设备，车辆灯光的控制和调节，雷达的测距调整，同时通过球头运动状态的分析，并通过GPS记录位置，可以用于评价路面破损状况的评价，进而为路面工程维护提供基础信息，或者为导航或智能辅助加速提供避让或减速信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能球头、应用方法及车辆，通过对球头运动进行智能监测，为车辆的多种监测和调节功能提供支持。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种智能球头, 包括球头座和球头本体，所述球头座内部设有空腔，其能够容置球头本体，并使球头本体能够以其中心点为中心进行多角度摆动或转动，所述球头座连接有连杆，球头本体上连接有连接柱，所述球头本体嵌入布置有永磁体，所述球头座或连接柱上布置多个磁传感器。

进一步的，所述球头座上布置有多个霍尔传感器。

进一步的，在所述球头座上布置有至少三个霍尔传感器，其中第一霍尔传感器布置在永磁体的直线对应处，第二霍尔传感器和第三霍尔传感器等高布置在永磁体的上方位置，该高度与球头关节垂直方向的最大转动角度位置对应，三个霍尔传感器均向球头本体中心点方向布置。

进一步的，所述连接柱上布置有磁记忆传感器。

进一步的，所述磁记忆传感器布置在连接柱的颈部上端位置，并处于永磁体相对的反面位置。

进一步的，所述球头座与球头本体之间布置有耐磨部，所述耐磨部的材料为POM（聚甲醛树脂）材料。

一种智能球头的应用方法，包括一种路面状况的评价方法，所述一种路面状况的评价方法，包括：

S1在车辆底盘上应处布置上述智能球头，通过第二霍尔传感器和第二霍尔传感器获取球头本体的水平方向转动角度信号，并结合第一霍尔传感器获取垂直方向转动角度信号；

S2通过垂直方向转动角度信号，并依据连杆长度，获取该车轮的实时高度值；

S3将实时高度值置入时间轴，绘制车轮的高度时间轴参考图；

S4对高度时间轴参考图进行处理，获取垂直方向的加速度值；

S5依据加速度值，当加速度值的变化特征与预设特征相匹配时，判断路面存在缺陷；

S6通过定位系统记录路面缺陷的位置点。

进一步的，在步骤S5中，依据加速度值的变化特征，当车轮高度存在快速上行特征时，判断路面为隆起缺陷，当车轮高度存在快速下行特征时，判断路面为凹坑缺陷，当车轮高度存在连续快速上行和下行特征时，判断路面为连续破损缺陷。

进一步的，在步骤S6中，通过GPS定位系统，记录路面缺陷的位置点后，通过车辆的车机系统，将缺陷的位置点和缺陷情况发送至服务器，服务器依据多辆车辆的汇报情况，对指定路面完成缺陷位置点的标注操作。

一种车辆，包括上述一种智能球头。

本方案一种智能球头，在球头内部布置有永磁体和多个磁传感器，用于监测球头的运动情况和使用情况，其中在霍尔传感器，用来监测球头的转动情况，进入用于判断车轮的高低情况，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，并且通过霍尔传感器结构布置，大大提高实时角度值的准确度，提高测量的精准度和采集性能；

通过在连接柱上布置有磁记忆传感器，充分利用了球头金属内部的磁记忆效应，以铁磁性金属构件内部的应力集中区，对微观缺陷和早期失效和损伤等进行诊断，防止突发性的疲劳损伤，用于监测和评估球头的使用状况，并防止发生意外断裂的等情况；

本方案一种路面状况的评价方法，其中一种路面状况的评价方法，通过在球头关节中布置磁传感器，用来监测球头的转动情况，从而可以分析车辆车轮的运动情况，由于车轮运行至隆起路面或者凹坑路面时，车轮在减震器的作用下，均会发生快速的上行或下行运动，故本方案通过对球头的运动进行数据采集，进入反推路面状况，具有结构合理、运算简单和反馈精准的特点，并在大量的数据记录下，实现多种道路的路况缺陷的标注操作，并可为路政等部门提供维护提醒操作，或者为导航或智能辅助加速提供避让或减速信息，以对其他路经车辆提供警示或规避操作，从而实现更大的社会价值。

附图说明

图1为优选实施例球头及连杆结构示意图。

图2为优选实施例球头的内部结构示意图。

图3为球头永磁体及磁传感器的布置结构示意图。

图4为车辆及智能球头的系统构成图。

图5水平角度的电压-角度反馈曲线图。

图6 第一霍尔传感器反馈曲线图。

图7垂直角度的实时反馈曲线图。

图8为车辆运行车轮高度的时间轴参考图。

图9为车辆运行车轮高度的时间轴的取值参考图。

具体实施方式

本方案是提供一种智能球头和该智能球头的使用方法，其中智能球头主要应用在车辆的底盘处，特别是指连接车身底盘与车轮安装件（羊角）之间摆臂的球头，或者是转向连杆的球头，即该球头与车轮安装件连接，而其后端通过摆臂或连杆与车身连接，故当车辆在运行时，随着车轮的上下的运动，摆臂或连杆以后端连接点为圆心对应进行摆动，球头也对应进行转动操作，为了简化说明，本方案以转向连杆的结构来用以说明。

参考图1至图3，一种智能球头，具体的可以参考为车辆的转向连杆总成，其包括球头座1和球头本体2，球头座1内部设有空腔，其能够容置球头本体2，并使球头本体2能够以其中心点（即球心）为中心进行多角度摆动或转动，球头座1连接有连杆部件4，球头本体2上连接有连接柱21。

为了使球头关节磨损更少、运行更加流畅、并提高使用寿命，球头座1与球头本体2之间布置耐磨部12，耐磨部主体可以我POM（聚甲醛树脂）的耐磨材料制作而成，在实际布置时，耐磨部12为可以并将球头本体2包覆贴合在其内部，实现全面的精准贴合布置状态，其内壁与球头本体2贴合配合，外侧与球头座1的空腔固定配合，球头座1的空腔通过底部的盖板14组合为全封闭密封结构，其内部可以填充有润滑油脂，用于减少转动摩擦，并实现免维护使用，在球头座1的顶部布置有胶套15，起到隔离密封作用，防止水或灰尘泥土的侵入。

连杆部件4包括头杆41和拉杆42，拉杆42的前端设有螺纹，并配合设有锁定螺母43，头杆41对应设有内螺纹，当拉杆42通过工具转动时，在螺纹的配合作用下，能调节整个连杆部件4的长度，并在调节完毕后，通过锁定螺母43实现拉杆42与头杆41及球头座1之间的锁定操作，并使其实现稳固的一体结构，调节连杆部件4的长度，可以调节如转向拉杆的长度，进而可以调节车辆车轮的内束角，可以使车辆具有转下性和行驶稳定性。

在拉杆42的后端设有横球头44，该横球头44布置在横球头座45内，并能够实现两者之间的自由转动和摆动操作，横球头座45后端也设有螺杆，用于和固定在车辆底盘处的转向机构固定连接，在计算连杆部件4的长度时，可以以球头本体2的中心点与横球头44中心点之间的距离为准，故该长度也可以视为连杆部件4的转动半径。

球头本体2在水平位置并相对连杆部件4中心处一侧设有凹孔，凹孔内刚好放置有永磁体3，并使永磁体3稳固安装，为了提高磁通量，永磁体3可以为汝铁硼等材料，永磁体3的外表面刚好球头本体2的外表面齐平，或永磁体3外端接近但不超出球头本体2的外表面，故不会干涉球头本体2的转动，在初始状态下，永磁体3采用水平布置方式，其S极与 N极中心点的连线进过球头本体2的中心点。

由于铁等磁性金属零件在加工和运行时，由于受载荷和地磁场共同作用，在应力和变形集中区域会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向和不可逆的重新取向，这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后不仅会保留，还与最大作用应力有关。金属构件表面的这种磁状态“记忆”着微观缺陷或应力集中的位置，即所谓的磁记忆效应。当处于地磁场环境中的铁磁性构件受到外部载荷作用时，在应力集中区域会产生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向和不可逆的重新取向，该部位会出现磁畴的固定节点，产生磁极，形成退磁场，从而使此处铁磁金属的的导磁率最小，在金属表面形成漏磁场。该漏磁场强度的切向分量具有最大值，而法向分量改变符号并具有零值。这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后依然保留“记忆”着应力集中的位置。

故通过该原理，在连接柱21上布置有磁记忆传感器22，并且磁记忆传感器22布置在连接柱的颈部23上端位置，并处于永磁体3相对的反面位置，由于连接柱21与球头本体2之间具有颈部23结构，该结构是在力的承载中处于最大的连接处，同时由于在球头本体2中布置了永磁体3，能够确保球头本体2中磁场的稳定性，当颈部23处出现裂缝等情况时，磁记忆传感器22能够感知其磁场的变化，进入对连接柱21的使用情况进行评价，并通过车载系统能够实现监测、预估、评价和警示作用，并确保连接柱21及整个球头机构的安全使用。

在球头座1的内壁或耐磨部13处（具体处决于耐磨部13的厚度，如耐磨部13薄至小于2毫米，则可以直接布置在球头座1的内壁处，并且耐磨板13为POM材料，其不会影响永磁体3的磁场，为了简化说明，以下以永磁体3布置在球头座的内壁处为例），分别为第一霍尔传感器31、第二霍尔传感器32和第三霍尔传感器33；

更具体的说，第一霍尔传感器31、第二霍尔传感器32和第三霍尔传感器33均指向球头本体2的中心点方向布置，并且该三者与球头本体2的中心点间的距离是相等的，为了提高灵敏度，第一霍尔传感器31、第二霍尔传感器32和第三霍尔传感器33都是贴着球头本体2的外壁布置，但第一霍尔传感器31、第二霍尔传感器32和第三霍尔传感器33和球头本体2之间留有间隙，故他们之间并不接触或产生摩擦；

在初始状态下，永磁体3可以指向横球头44中心点的方向，第一霍尔传感器31布置在永磁体3中心线的对应处，第二霍尔传感器32和第三霍尔传感器33等高布置在第一霍尔传感器31的上方，该高度与球头关节垂直方向的最大转动角度位置对应，并且三个霍尔传感器均向球头本体2的中心点方向布置。

第二霍尔传感器32和第三霍尔传感器33与球头本体2圆心的夹角，与球头关节最大的转动角度向匹配，虽然不同的球头关节其设计的最大转动角度有一定的差异，本实施例以最大转动角度为±30°为说明；在实际设计时，可以设计为在初始状态下（车辆静止处于平整的路面上，并且处于整备质量的负载情况下）永磁体31与第一霍尔传感器31刚好直线对应，并处于水平布置状态。

在本方案中，通过布置第二霍尔传感器32和第三霍尔传感器33主要用于获取球头本体1的水平方向转动角度，而再通过第一霍尔传感器31来获取球头本体1的垂直方向转动角度，在对应转向连杆的球头结构时，水平方向的转动角度可以视为与车辆的转向角度相对应，而垂直方向转动角度可以视为与车辆车辆的高低相对应。

为了更好地测量球头本体2与球头座1之间相对的水平转动角度和垂直转动角度，第一霍尔传感器31的中心点处在连杆部件4的转动平面上，而第二霍尔传感器32和第三霍尔传感器33则垂直与该连线方向布置，且刚好布置在球头本体2两侧的位置。故通过这三点布局的方式，在可以简化计算量的同时，确保整体数据更加真实可控。

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，故使用霍尔传感器的结构是一种简单高效和低功耗的传感设备。

参考图4，本方案一种智能球头，通过在车辆上布置本智能球头，更进一步的是在车辆的四轮对应处布置本智能球头，该第一霍尔传感器31、第二霍尔传感器32、第三霍尔传感器33和磁记忆传感器22通过线束和车辆的总线与车辆的电子控制单元（ECU）或车机系统进行连接和数据交换，从而实现底盘高度处传感和控制的操作，可以在机车系统的操作下，实现车辆的自适应控制等功能，并实现多种高阶的功能扩展操作。

本发明的另一个技术方案是一种智能球头的应用方法，包括一种路面状况的评价方法，该一种路面状况的评价方法，包括：

S1在车辆底盘上应处布置上述智能球头，通过第二霍尔传感器和第二霍尔传感器获取球头本体的水平方向转动角度信号，并结合第一霍尔传感器获取垂直方向转动角度信号；

S2通过垂直方向转动角度信号，并依据连杆长度，获取该车轮的实时高度值；

S3将实时高度值置入时间轴，绘制车轮的高度时间轴参考图；

S4对高度时间轴参考图进行处理，获取垂直方向的加速度值；

S5依据加速度值，当加速度值的变化特征与预设特征相匹配时，判断路面存在缺陷；

S6通过定位系统记录路面缺陷的位置点。

当车辆行驶时，车轮在悬挂件（如弹簧、空气弹簧和阻尼减震器）的作用下，能够起到减震和缓冲冲击力的作用，提高人员的舒适感，车轮在遇到不平整的路面时，在悬挂件的约束下，会发生上下的运动，这些运动主体是表现了路面的平整度情况（当然车轮的上下运动还和车辆的工作情况相关，比如急加速或急减速操作等）。

在实际应用时，在步骤S1和S2中，解决是通过第一霍尔传感器31、第二霍尔传感器32、第三霍尔传感器33来判断球头本体2及永磁体3在球头座1处的转动情况，具体可以分为水平方向的转动（代表车轮的转向），和垂直方向的转动（代表车轮的高低）；

针对何获取水平方向转动角度值，参考图5的水平角度的电压-角度反馈曲线图，通过第二霍尔传感器32和第三霍尔传感器33的反馈电压值图可知，在球头本体2表面的任意一点都可以获取第二霍尔传感器32和第三霍尔传感器33的两个实时反馈电压V2和V3，故通过预设的反馈曲线表,可以确定转动角度在A1处（﹣41°），同时由于球头本体2始终以连接柱21为中心线进行摆动或转动操作，实际摆动的范围始终在±30范围内，故其反馈的电压始终在V0-V1区间内，而该区间内的第二霍尔传感器32和第三霍尔传感器33的反馈曲线始终为较为陡峭的形式存在，故可以提高反馈电压的识别的精准度，从而提供水平方向转动角度信号的灵敏度和准确性。

针对如何获取垂直方向转动角度值，参考图6图7，依据第一霍尔传感器31、第二霍尔传感器32和第三霍尔传感器33在球头关节上的布置结构，以及霍尔传感器自身反馈特点，其中第二霍尔传感器32和第三霍尔传感器33以类似于抛物线方式的存在，在角度轴上，两个抛物线的定点处于-90°和+90°位置处，而第一霍尔传感器31则处于0°的C0位置处，其反馈的电压以类似于同心圆（半径逐渐增大）的形式来表示，图7中表达了从C0至C6至C9的电压反馈曲线，其代表着以永磁体3在不同距离于第一霍尔传感器31时反馈电压组逐渐降低，反之，依据第一传感器31的反馈电压，并根据预设的结构图，可以反推第一霍尔传感器31与永磁体3的角度（距离）关系；

为提高计算效能，并简化计算量，以图7为例，进行一个简短的计算表达，当球头本体2（永磁体3）转动一定的角度后（包括水平和垂直方向的转动），反馈第一霍尔传感器反馈电压为P7，第二霍尔传感器32反馈电压为V3，第三霍尔传感器33反馈电压为V2，故确定A1为球头本体2的水平转动角度，连接C0-A线，并对其延长线至C7，过C7点水平线至0°垂直线，确定C点，从而确定C点在0°垂直线位置关系，从而确定取垂直方向转动角度值。

本方案研究的是以通过分析球头垂直方向转动角度值，来确定球头关节的运动情况，并针对其运动情况反馈车轮的实时高度的变化情况，进而用来分析路面状况。

故根据C点在0°垂直线位置关系，即可以比对计算获取对应的实时垂直转动角度值，依据实时垂直转动角度值，并依据连杆部件4长度（即球头本体2的中心点与横球头44中心点之间的距离），利用三角函数，我们计算获取车轮相对于车身的实时高度值，我们将实时高度值布置在时间轴坐标中，可以得到如图8所示的车辆运行车轮高度的时间轴参考图；

本方案的核心是对时间轴参考图进行分析，通过车轮高度的变化，进而反推路面情况。

现在以典型的车辆运行车轮高度的时间轴参考图（图8）为例来说明，在垂直高度方向H1和H4分别代表车轮运行的最高和最低值，即在悬挂结构限制下，减震弹簧能够被压缩的极限值和被释放的极限值，这个值通常由对应的阻尼垫块或限位块所固定，而图中的H2和H3代表着车轮高度的参考值，具体可以设定为总行程的2/3至4/5之间的范围，意味着车轮的高度已经与常规的路面舒适行程高度发生了偏离，并可能对车身产生一定的冲击作用。

在水平方向，以时间轴方向，划分有T1区间、T2区间、T3区间和T4区间，在图中可以看到T1区间中曲线平缓，可以视为平整的在平整路面行驶状态；在T2区间中曲线被快速上行，在T3区间中曲线被快速下行第二区间，在T4区间中曲线被密集的多次上行和下行；

参考图9，车辆的车轮运行时间轴中，在T2区间中，K1曲线被快速上行，其最大加速度的绝对值超过0.4G，并且运行的最高点超出H2的高度，故实际在计算时，将上行加速度大于0.3G，并且运行高度超出H2高度的运行区间可以判定路面隆起缺陷；在T3区间中，K2曲线被快速下行，其最大加速度的决定值超过0.6G，并且运行的最低点超出H3的高度，故实际在计算时，将下行加速度大于0.5G，并且运行高度超出H3的高度的运行区间可以判定为路面凹坑缺陷；在T4区间中，出现了多个类似于K4曲线和K5曲线的上下或下行运动，由于通常的驾驶者对破损路面的观察较为明显，故在驾驶者在K3曲线处进行了减速（刹车）操作，在减速操作时，减震弹簧会被压缩，车轮的高度向上运行，由于车辆的减速，车轮的高度可能只在H2至H3区间内运行，故当上行或下行加速度大于0.3G，并且出现连续4个及以上波峰波谷，则可以判定为路面为连续破损缺陷。

故系统通过GPS定位记录路面缺陷的位置点,当记录路面缺陷的位置点后，可以通过车辆的车机系统，将缺陷的位置点和缺陷情况发送至服务器，服务器依据多辆车辆的汇报情况，对指定路面完成缺陷位置点的标注操作。

需要指明的是，行车所反映出的垂直角度转动的时间轴参考图受车辆运行速度和驾驶者的驾驶习惯的影响较大，故通过该参考图来反馈还具有一定的局限性，如驾驶者采用绕行或者用极低缓的速度通过时，路面的缺陷可能并不能得以表现，即便不够全面，但本图表所表达出来还是准确的情况，也是可供参考的数值，同时采用大数据分析，结合多辆车辆和多个时段的工况情况下，通过本方案的路面状况的评价方法还是具有相当大的参考意义。

综上所述，本方案一种智能球头，在球头内部布置有永磁体和多个磁传感器，用于监测球头的运动情况和使用情况，其中在霍尔传感器，用来监测球头的转动情况，进入用于判断车轮的高低情况，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，并且通过霍尔传感器结构布置，大大提高实时角度值的准确度，提高测量的精准度和采集性能；

通过在连接柱上布置有磁记忆传感器，充分利用了球头金属内部的磁记忆效应，以铁磁性金属构件内部的应力集中区，对微观缺陷和早期失效和损伤等进行诊断，防止突发性的疲劳损伤，用于监测和评估球头的使用状况，并防止发生意外断裂的等情况；

本方案一种路面状况的评价方法，其中一种路面状况的评价方法，通过在球头关节中布置磁传感器，用来监测球头的转动情况，从而可以分析车辆车轮的运动情况，由于车轮运行至隆起路面或者凹坑路面时，车轮在减震器的作用下，均会发生快速的上行或下行运动，故本方案通过对球头的运动进行数据采集，进入反推路面状况，具有结构合理、运算简单和反馈精准的特点，并在大量的数据记录下，实现多种道路的路况缺陷的标注操作，并可为路政等部门提供维护提醒操作，或者可以为导航地图提供标注点，以对其他路经车辆提供警示或规避操作，实现更大的社会价值。

Claims (4)

1.一种智能球头, 包括球头座和球头本体，所述球头座内部设有空腔，其能够容置球头本体，并使球头本体能够以其中心点为中心进行多角度摆动或转动，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：所述球头本体嵌入布置有永磁体，连接柱上布置多个磁传感器，所述连接柱上布置有磁记忆传感器，所述磁记忆传感器布置在连接柱的颈部上端位置，并处于永磁体相对的反面位置。

2.根据权利要求1所述的一种智能球头,其特征在于：所述球头座上布置有多个霍尔传感器。

3.根据权利要求1所述的一种智能球头,其特征在于：所述球头座与球头本体之间布置有耐磨部，所述耐磨部的材料为POM材料。

4.一种车辆，其特征在于：包括权利要求1至3任意一项所述的一种智能球头。