專利名稱：基于輪載式智能傳感車輪運(yùn)動姿態(tài)監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)動車安全運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測方法及裝置，尤其涉及一種用于監(jiān)測 機(jī)動車在行駛過程中的車輪運(yùn)動姿態(tài)的瞬時狀態(tài)的監(jiān)測方法。
背景技術(shù)：
機(jī)動車運(yùn)行安全狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)是保證機(jī)動車安全行駛的主要手段，也是機(jī) 動車運(yùn)行安全檢測技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。采用機(jī)動車運(yùn)行安全狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)對
機(jī)動車運(yùn)行安全狀態(tài)和運(yùn)行指標(biāo)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)和預(yù)防機(jī)動車故障， 發(fā)展監(jiān)測、控制、管理和決策于一體的安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)體系，對機(jī)動車安全運(yùn)行 具有重要意義；它是關(guān)系到國家和人民生命財產(chǎn)安全的一項重大的社會公益技 術(shù)工作，是保障機(jī)動車輛運(yùn)行安全重要的技術(shù)支撐，是政府管理部門對機(jī)動車 安全運(yùn)行的非常重要的技術(shù)保障；它不僅能提高機(jī)動車安全運(yùn)行的技術(shù)保障能 力和減少交通事故，而且對促進(jìn)機(jī)動車工業(yè)及交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展有重大意 義。
機(jī)動車運(yùn)行安全狀態(tài)監(jiān)測主要包括監(jiān)測機(jī)動車(車身、車輪)運(yùn)動姿態(tài)參 數(shù)、動載荷參數(shù)、制動性能參數(shù)。機(jī)動車在運(yùn)行過程中，會產(chǎn)生制動、加速、 轉(zhuǎn)向直線行駛等工況，車輪是機(jī)動車行駛過程中唯一與地面接觸部件，在機(jī)動 車行駛過程中，輪胎上以穩(wěn)定狀態(tài)和以各種瞬時狀態(tài)滾動的任何點(diǎn)都進(jìn)行一種 運(yùn)動，對車輪每一時刻的運(yùn)動姿態(tài)，上述運(yùn)動都可以用車輪在三個空間方向上 速度前進(jìn)速度、側(cè)向速度、向心速度和車輪姿態(tài)角度外傾角、側(cè)偏角、橫 擺角來代表。包含豐富的機(jī)動車運(yùn)行信息(運(yùn)動姿態(tài)、驅(qū)動力、制動力、動載 荷、轉(zhuǎn)動、沖擊)，通過監(jiān)測車輪的運(yùn)動姿態(tài)可以獲得最直接、最真實(shí)、最豐 富的機(jī)動車安全運(yùn)行信息。車輪運(yùn)動姿態(tài)參數(shù)對車身運(yùn)動姿態(tài)參數(shù)、動載荷參
3數(shù)、制動性能參數(shù)都有決定性的影響，是衡量衡量輪胎不平衡度、松動、飛脫 的狀態(tài)和趨勢。
目前，對車輪運(yùn)動的監(jiān)測只是涉及到輪胎局部加速度曲線的獲得，沒有對 車輪運(yùn)動姿態(tài)進(jìn)行深入分析，從而無法分析車輪運(yùn)動姿態(tài)參數(shù)對車身運(yùn)動姿態(tài) 參數(shù)、動載荷參數(shù)、制動性能參數(shù)的影響。所以需要對機(jī)動車輪胎運(yùn)動姿態(tài)進(jìn) 行監(jiān)測和預(yù)測才能全面反映機(jī)動車運(yùn)行安全狀態(tài)；而且在現(xiàn)有技術(shù)中是將加速 度傳感器安裝在輪胎里面，由于輪胎在與地面的接觸時輪胎里面的傳感器會受 到?jīng)_擊，從而使加速度曲線產(chǎn)生周期變化，而使所測加速度曲線失真，二無法
表示車輪實(shí)際的加速度狀態(tài)；同時，由于加速度測量的不真實(shí)，沒有也無法對
車輪的三維加速度、姿態(tài)角度作進(jìn)一步的分析和計算。所以車輪的運(yùn)動姿態(tài)監(jiān) 測不全面，沒有、也無法建立車輪運(yùn)動姿態(tài)與車身運(yùn)動姿態(tài)的關(guān)系。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述中存在的問題與缺陷，本發(fā)明提供了一種監(jiān)測精度、實(shí)時性好， 數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)的機(jī)動車輪載式車輪運(yùn)動姿態(tài)監(jiān)測方法。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明所涉及的一種基于輪載式智能傳感車輪運(yùn)動姿態(tài)監(jiān)測方法，包括 通過無陀螺捷聯(lián)式微慣性測量單元感知車輪的三維加速度，該加速度包
括切向加速度、側(cè)向加速度和向心加速度；
利用三維加速度參數(shù)中至少一種加速度參數(shù)，并經(jīng)姿態(tài)算法計算獲得車輪
運(yùn)動姿態(tài)中的速度參數(shù)與車輪運(yùn)動姿態(tài)角，所述姿態(tài)中的速度包括前進(jìn)速度和
側(cè)向速度；所述車輪運(yùn)動姿態(tài)角包括外傾角、側(cè)偏角和橫擺角； 通過三維加速度參數(shù)中至少一種參數(shù)獲得車輪的角加速度； 將車輪運(yùn)動姿態(tài)切向加速度、側(cè)向加速度、向心加速度、前進(jìn)速度、側(cè)
向速度、角加速度、外傾角、側(cè)偏角、橫擺角的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合并對其分析獲得
車輪姿態(tài)的變化趨勢。所述無陀螺捷聯(lián)式微慣性測量單元是否正常工作是通過車輪運(yùn)動姿態(tài)參 數(shù)的融合進(jìn)行檢查與判斷。所述輪胎內(nèi)無陀螺捷聯(lián)式微慣性測量單元的溫度測 量用于對車輪運(yùn)動姿態(tài)參數(shù)中的切向加速度、側(cè)向加速度和向心加速度三個參 數(shù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。所述無陀螺捷聯(lián)式微慣性測量單元設(shè)置在車輪輪轂赤道面的 表面上。
本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是
1、 通過應(yīng)用無陀螺捷聯(lián)式微慣性測量技術(shù)測量車輪運(yùn)動姿態(tài)，現(xiàn)實(shí)了對 機(jī)動車車輪運(yùn)動姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測；
2、 通過車輪運(yùn)動姿態(tài)參數(shù)分析其對車身運(yùn)動姿態(tài)參數(shù)、動載荷參數(shù)、制 動性能參數(shù)的影響；
3、 通過分析預(yù)測程序?qū)④囕嗊\(yùn)動姿態(tài)數(shù)據(jù)與其歷史數(shù)據(jù)分析比較，獲得 車輪運(yùn)動姿態(tài)的趨勢，增加對車輪運(yùn)動姿態(tài)的預(yù)測功能，形成一個完整的、相 對獨(dú)立的測量平臺，并能夠提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口模式供有關(guān)政府管理部門加以應(yīng) 用。
4、 在高中低各運(yùn)行速度下對機(jī)動車實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測；
5、 車輪運(yùn)動姿態(tài)參數(shù)能夠衡量輪胎的不平衡度、松動、飛脫的姿態(tài)狀態(tài)
和趨勢。


圖1是本發(fā)明所述基于輪載式智能傳感車輪運(yùn)動姿態(tài)監(jiān)測方法流程圖； 圖2本發(fā)明所涉及輪載式智能傳感車輪運(yùn)動姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)整體布置圖； 圖3本發(fā)明所涉及輪載式智能傳感車輪運(yùn)動姿態(tài)測量模塊安裝示意圖； 圖4是本發(fā)明機(jī)所述基于輪載式智能傳感車輪運(yùn)動姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié) 構(gòu)示意圖5分別示出利用圖4的智能傳感模塊監(jiān)測的一個輪胎其中一個規(guī)定點(diǎn)的 向心、切向和側(cè)向加速度的曲線。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明 實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述
本實(shí)施例提供了一種基于輪載式智能傳感車輪運(yùn)動姿態(tài)監(jiān)測方法，其中， 參見圖l，該方法包括以下步驟
步驟IOI通過無陀螺慣性測量單元用于感知車輪的三維加速度；
三維加速度包括切向加速度、側(cè)向加速度和向心加速度。
步驟102利用三維加速度參數(shù)中至少一種加速度參數(shù)，并經(jīng)姿態(tài)算法計算
獲得車輪運(yùn)動姿態(tài)中的速度參數(shù)與車輪運(yùn)動姿態(tài)角；
所述姿態(tài)中的速度包括前進(jìn)速度和側(cè)向速度；所述車輪運(yùn)動姿態(tài)角包括外
傾角、側(cè)偏角和橫擺角。
步驟103通過三維加速度參數(shù)中至少一種參數(shù)獲得車輪的角加速度。 步驟104將車輪運(yùn)動姿態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合并對其分析獲得車輪姿態(tài)的變
化趨勢；
車輪運(yùn)動姿態(tài)包括切向加速度、側(cè)向加速度、向心加速度、前進(jìn)速度、側(cè) 向速度、角加速度、外傾角、側(cè)偏角、橫擺角。
參見圖2，為基于輪載式智能傳感車輪運(yùn)動姿態(tài)監(jiān)測方法所采用的系統(tǒng)整 體布局圖，包括機(jī)動車l、車輪2及車輪姿態(tài)測量模塊3 ，其中車輪姿態(tài)測量 模塊包含有多個，并且每個車輪姿態(tài)測量模塊3分別安裝于各個車輪的輪轂赤 道表面上，車輪姿態(tài)測量模塊3還與安裝車內(nèi)的中央控制模塊通過無線射頻實(shí) 現(xiàn)雙向通訊。
參見圖3，車輪制動性能智能傳感模塊安裝于車輪輪轂赤道面的表面上， 車輪智能傳感模塊的安裝要求加速度傳感器的三個敏感軸X軸、Y軸、Z軸分 別指向輪轂切線方向、輪轂的側(cè)向、輪轂的軸心的方向；坐標(biāo)系Oxyz是正交的 右手坐標(biāo)系。
6參見圖4，本發(fā)明涉及的基于輪載式車輪制動性能監(jiān)測方法的硬件系統(tǒng)，
包括安裝于各個車輪內(nèi)的車輪姿態(tài)測量模塊2和安裝于車內(nèi)的車內(nèi)中央控制模 塊3; (1)車輪姿態(tài)測量模塊2包含第一無陀螺慣性測量單元2a、調(diào)理單元2b、 無線單片機(jī)2c和第一電源2d;該第一無陀螺慣性測量單元2a包括一個三軸加速 度傳感器21a和溫度傳感器21b;三軸加速度傳感器21a和溫度傳感器21b輸出模 擬信號，該第一無陀螺慣性測量單元2a與調(diào)理單元2b電氣連接；調(diào)理單元2b用 于對輸入的加速度和溫度信號進(jìn)行濾波和調(diào)壓，該調(diào)理單元2b與無線單片機(jī)2c 相互連接，該信號為模擬信號；無線單片機(jī)2c的自檢信號與三軸加速度傳感器 連接，用于檢查三軸加速度傳感器21a工作是否正常；無線單片機(jī)2c片上集成無 線收發(fā)電路和單片機(jī)，用于進(jìn)行傳感采集、運(yùn)算并實(shí)現(xiàn)與車內(nèi)中央控制模塊3 的雙向通信功能；第一電源4d是為第一無陀螺慣性測量單元2a、調(diào)理單元2b和 無線單片機(jī)2c提供直流電源；其中，第一無陀螺慣性測量單元2a的三軸加速度 傳感器21a采用一個兩軸加速度傳感器ADXL323和一個單軸加速度傳感器 ADXL193組合而成，無線單片機(jī)2c采用CC2510F32; (2)車內(nèi)中央控制模塊3 包含無線單片機(jī)3a、第二無陀螺慣性測量單元3b、第二電源3c、 ARM處理器3d 及人機(jī)交互單元3e;該無線單片機(jī)3a實(shí)現(xiàn)與車輪智能傳感模塊通信功能，通過 數(shù)字信號與ARM處理器3d相互連接；第二無陀螺慣性測量單元3b與ARM處理 器3d相互連接，該信號為數(shù)字信號；第二電源3c為無線單片機(jī)3a、第二無陀螺 慣性測量單元3b、 ARM處理器3d及人機(jī)交互單元3e提供直流電源；人機(jī)交互單 元3e由液晶屏31e、觸摸屏32e、蜂鳴器33e、 CAN接口34e組成；液晶屏31e用于 輸出顯示ARM處理器3d的輸出顯示信息，包括車輪動載荷參數(shù)、狀態(tài)等參數(shù)； 觸摸屏32e用于設(shè)置參數(shù)、查詢數(shù)據(jù)；蜂鳴器33e用于出現(xiàn)故障時由ARM處理器 3d驅(qū)動發(fā)出警示；CAN接口34e用于提供其他CAN設(shè)備訪問車內(nèi)中央控制模塊3 的接口；其中，無線單片機(jī)3a (2c)采用CC2510F32。
7其工作過程為無陀螺捷聯(lián)式微慣性測量單元2a輸出的切向加速度、側(cè)向 加速度、向心加速度、溫度模擬信號經(jīng)調(diào)理單元2b信號調(diào)理后，經(jīng)無線單片機(jī)
2c的ADC外設(shè)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以中斷觸發(fā)方式提供給無線單片機(jī)2c的CPU訪 問；無線單片機(jī)2c在必要的時候可以通過驅(qū)動自檢信號對加速度傳感器進(jìn)行自 檢；無線單片機(jī)中的微處理器對信號進(jìn)行數(shù)字濾波、補(bǔ)償計算得出車輪運(yùn)動姿 態(tài)中的三維加速度，包括切向加速度、側(cè)向加速度、向心加速度，表征車輪 任何瞬時三維加速度的狀態(tài)，由智能傳感模塊監(jiān)測的一個輪胎其中一個規(guī)定點(diǎn) 的向心、切向和側(cè)向加速度的曲線(參見圖5);通過無線單片機(jī)2c內(nèi)部的無 線收發(fā)電路將數(shù)據(jù)發(fā)射輸出到車內(nèi)中央處理模塊3的無線單片機(jī)3a，同時通過 該無線單片機(jī)2c內(nèi)部的無線收發(fā)電路也可接收來車內(nèi)中央處理模塊3通過無線 單片機(jī)發(fā)送過來的命令；車內(nèi)中央處理模塊3的任務(wù)①接收來自車身智能慣 性測量單元3b的車身姿態(tài)信息；②通過無線單片機(jī)3a接收來自內(nèi)中央控制模塊 2的數(shù)據(jù)，必要時候通過無線單片機(jī)向車輪智能傳感模塊發(fā)送命令；無線單片 機(jī)3a中的微處理器對接收到的車輪運(yùn)動姿態(tài)中的三維加速度，包括切向加速 度、側(cè)向加速度、向心加速度進(jìn)行信號速度計算得出車輪的前進(jìn)速度、側(cè)向速 度，表征車輪任何瞬時速度的狀態(tài)；③對接收到的來自無線單片機(jī)3a和無陀螺 慣性測量單元3b發(fā)送過來的加速度、速度數(shù)據(jù)，經(jīng)姿態(tài)計算、制動計算得出車 輪的制動性能參數(shù)，該參數(shù)包括車輪滑移率、車輪路面附著系數(shù)、車輪制動 力、車輪制動減速度； 對上述車輪制動性能數(shù)據(jù)進(jìn)行主動安全評價及趨勢預(yù) 測；⑤對車輪制動性能數(shù)據(jù)與車身制動性能數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合及分析以便對車 輪智能傳感模塊是否正常工作作出判斷，并預(yù)測車輪制動性能的變化趨勢； 通過控制液晶屏31e輸出顯示車輪制動性能信息、評價等級、趨勢預(yù)測信息等； ⑦處理觸摸屏32e觸發(fā)的中斷并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及歷史査詢等操作；⑧當(dāng)出現(xiàn)異 常時用數(shù)字信號驅(qū)動蜂鳴器33e作出蜂鳴警示；(D建立用于存儲相關(guān)制動性能數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)的電子數(shù)據(jù)表格以供其他CAN總線外部設(shè)備通過CAN接口34e 訪問。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局 限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易 想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù) 范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。i
權(quán)利要求
1、基于輪載式智能傳感車輪運(yùn)動姿態(tài)監(jiān)測方法，其特征在于，該方法包括通過無陀螺捷聯(lián)式微慣性測量單元感知車輪的三維加速度，該加速度包括切向加速度、側(cè)向加速度和向心加速度；利用三維加速度參數(shù)中至少一種加速度參數(shù)，并經(jīng)姿態(tài)算法計算獲得車輪運(yùn)動姿態(tài)中的速度參數(shù)與車輪運(yùn)動姿態(tài)角，所述姿態(tài)中的速度包括前進(jìn)速度和側(cè)向速度；所述車輪運(yùn)動姿態(tài)角包括外傾角、側(cè)偏角和橫擺角；通過三維加速度參數(shù)中至少一種參數(shù)獲得車輪的角加速度；將車輪運(yùn)動姿態(tài)切向加速度、側(cè)向加速度、向心加速度、前進(jìn)速度、側(cè)向速度、角加速度、外傾角、側(cè)偏角、橫擺角的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合并對其分析獲得車輪姿態(tài)的變化趨勢。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于輪載式智能傳感車輪運(yùn)動姿態(tài)監(jiān)測方法，其 特征在于，所述無陀螺捷聯(lián)式微慣性測量單元是否正常工作是通過車輪運(yùn)動姿 態(tài)參數(shù)的融合進(jìn)行檢査與判斷。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于輪載式智能傳感車輪運(yùn)動姿態(tài)監(jiān)測方法，其 特征在于，所述輪胎內(nèi)無陀螺捷聯(lián)式微慣性測量單元的溫度測量用于對車輪運(yùn) 動姿態(tài)參數(shù)中的切向加速度、側(cè)向加速度和向心加速度三個參數(shù)進(jìn)行溫度補(bǔ) 償。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于輪載式智能傳感車輪運(yùn)動姿態(tài)監(jiān)測方法，其 特征在于，所述無陀螺捷聯(lián)式微慣性測量單元設(shè)置在車輪輪轂赤道面的表面 上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于輪載式智能傳感車輪運(yùn)動姿態(tài)監(jiān)測方法，該方法包括通過在機(jī)動車各個車輪的輪轂赤道平面上安裝無陀螺微慣性測量單元，傳感信號經(jīng)信號調(diào)理、數(shù)字化、姿態(tài)算法計算獲得車輪的主要運(yùn)動姿態(tài)參數(shù)，該方法所監(jiān)測的車輪的主要運(yùn)動姿態(tài)參數(shù)包括切向加速度、側(cè)向加速度、向心加速度、前進(jìn)速度、側(cè)向速度、角加速度、外傾角、側(cè)偏角、橫擺角等；上述參數(shù)經(jīng)多傳感數(shù)據(jù)融合及分析，能夠監(jiān)測及主動評價車輪運(yùn)動安全狀況，例如衡量車輪不平衡度、松動、飛脫、滑移等狀態(tài)，有利于避免和減少交通事故的發(fā)生。
文檔編號G01M17/013GK101498621SQ20091007847
公開日2009年8月5日 申請日期2009年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月24日
發(fā)明者源 馮, 劉桂雄, 林創(chuàng)魯, 潘夢鷂 申請人:華南理工大學(xué)