感知车辆行驶状态参数的轮胎电子皮肤及状态显示方法

技术领域

本发明属于纳米新能源技术领域，特别涉及一种感知车辆行驶状态参数的轮胎电子皮肤及状态显示方法。

背景技术

在车辆行驶状态变量中，路面附着条件、车速、滑移率的准确估计直接影响着驾驶员行车安全和控制策略的有效施行。现有的车辆动力学控制器中，滑移率估计依赖于车速估计，车速估计依赖GPS，当车辆所处的地区GPS信号不佳时，车速依赖于轮速传感器和相应的车速估计算法，不同的路面附着条件对估计值偏差影响较大；此外，滑移率估计又继续依赖估计好的车速和滑移率估计算法中的模型的准确性，误差进一步扩大，影响行车安全。智能轮胎相关的传感器往往安装于轮胎里面，供电难度大，无线传输可靠性低，需要经常更换电池。同时对于检测路面附着条件和车速及滑移率的轮胎传感器应用并不完善。

电致变色是指在外加电压下，材料颜色发生可逆变化的现象。目前大多数的电致变色器件需要外部供电，且不能呈现多样的图案。摩擦纳米发电机依靠摩擦点电势的充电泵效应，两层聚合物薄膜之间产生电荷分离形成电势差，通过外部电路形成电流，将摩擦纳米发电机与电致变色器件连接即可形成自供能的电致变色器件。

智能轮胎相关的传感器往往安装于轮胎里面，供电难度大，无线传输可靠性低，需要经常更换电池。同时现阶段没有根据轮胎与地面接触压力来推测路面附着条件的纳米发电机应用。

发明内容

发明目的：提供了一种感知车辆行驶状态参数的轮胎电子皮肤及状态显示方法，将纳米发电机与轮胎结合，结构简单，工作可靠，能够实现自供电；同时提供一种能够将行驶状态进行数字化并显示出来的方法。

技术方案：一种感知车辆行驶状态参数的轮胎电子皮肤，包括电连接的复合型纳米发电机组件和电致变色器件，所述复合型纳米发电机组件与电致变色器件之间安装有控制系统，所述复合型纳米发电机组件包括电连接的摩擦纳米发电机、压电纳米发电机和同轴安装在车轮轴上的电能采集器，所述摩擦纳米发电机和压电纳米发电机嵌入式成组均布在轮胎内胎面上，所述电能采集器与车轮轴通过轴承连接，所述电能采集器设置有重物端。

本发明通过将压电纳米发电机采集的电信号转换成车轮和地面的接触压力，同时收集摩擦纳米发电机采集的电能并计算出有效发电面积，预估路面附着条件；摩擦纳米发电机和压电纳米发电机成组的嵌入安装在轮胎内台面上且分布均匀，实现了数据获取更加准确，采集数据间隔均匀，便于系统识别判断路面状态，设置重物端，使电能采集器输入端口始终向下，仅与最下端复合纳米发电机接通并传输数据，实现高效的数据采集。

优选项，为了使摩擦纳米发电机具备高效的发电能力，所述摩擦纳米发电机包括至少一组摩擦发电组件，所述摩擦发电组件包括由轮胎向内依次排布的摩擦层、Ag浆布线以及摩擦纳米发电机输出端口。

摩擦层可以有效地增强摩擦纳米发电机的发电性能，Ag具有优异的导电性能，进一步提升摩擦发电机的发电效率。

优选项，为了实现压电纳米发电机与轮胎之间安装更加契合，并拥有较好的发电能力，所述压电纳米发电机包括至少一组压电发电组件，所述压电发电组件包括由轮胎向内依次排布的橡胶支撑体、氧化锌层、石墨烯层以及压电纳米发电机输出端口。

采用橡胶支撑体，与轮胎材料一致可以保护功能材料不受损害。

优选项，为了实现对路面状态的数字化显示，所述电致变色器件包括：电解质层以及设置在电解质层两侧的氧化钨薄膜层组和氧化镍层组，所述氧化钨薄膜层组包括由外层向电解质层依次设置的第一玻璃层、第一ITO层和氧化钨薄膜层，所述氧化镍层组包括由外层向电解质层依次设置的第二玻璃层、第二ITO层和氧化镍层。

对ITO进行图案化处理，使得ITO呈现矩阵阵列的排布，每个ITO的矩阵点都和外电路相连，电致变色器件的工作电极是氧化钨层，对电极是氧化镍层，工作电极和对电极采用和ITO矩阵结构相同的排布方式，相邻层的每个矩阵单元都一一对应。

优选项，所述摩擦纳米发电机输出端口和压电纳米发电机输出端口与电能采集器分别通过安装在汽车轮辋上的导线束独立连接。

线束固定在轮辋上，随着车轮一起转动，线束的信号最终传递给车轮中间的电能采集器，电能采集器的中间通过轴承和车轴相连接，在车轮转动时，电能采集器的重物端始终竖直朝下，这种结构的设计可以保证电能采集器始终可以和车轮最下端的复合型纳米发电机单元的输出相连。

优选项，还包括与电致变色器件并联的蓄电池。

将发电产生的多余电量储存起来，给电致变色器件供电，不用更换电池。

一种感知车辆行驶状态参数的轮胎电子皮肤的状态显示方法，包括以下步骤：

步骤1、建立压电效应模型，将压电纳米发电机采集的电信号转换为车轮与地面的接触压力，并计算出有效发电面积；

步骤2、根据有效发电面积确定路面附着条件；

步骤3、根据确定的路面附着条件以数字的可视化形式呈现在电致变色器件上。

所述步骤1具体如下：

车辆行驶状态判断系统通过压电效应模型将采集的电信号转换成车轮和地面的接触压力；

通过试验校正获取制备的压电纳米发电机的压电系数d，每个压电纳米发电机的电压和所受的压强成正比；当车轮旋转一圈，只有最下端的摩擦纳米发电机和压电纳米发电机处于工作状态，输出的电信号被传输给车辆行驶状态判断系统；车辆行驶状态判断系统对摩擦纳米发电机和压电纳米发电机的有效发电输出口进行累加，计算出摩擦纳米发电机和压电纳米发电机分别的有效发电面积S

车轮接地点和地面之间的压强根据压电纳米发电机的电信号用以下公式计算：

其中，V

有效发电面积通过车载控制系统对电信号直接计数累加获取；

S

其中，i＝1,2，分别表示摩擦纳米发电机和压电纳米发电机，A为微米阵列的面积，n

所述步骤2具体如下：

不同路面附着条件对应着不同的路面粗糙程度，根据发电阵列元分布密度判断路面附着条件，发电阵列元分布密度f由式求取：

式中，n

将计算得出的发电阵列元分布密度f分成n个范围，n的数量根据实际需要进行选择，分别对应n种路面附着条件，并将路面附着条件由1至n赋予代号，路面附着条件的选择分类由路面附着系数决定。

所述步骤3具体如下：

路面附着条件以数字的可视化形式呈现在电致变色器件上，将电致变色器件上ITO的矩阵单元记作1，2，3…15，上述15个矩阵单元对应着控制系统相应的电压输入口和同一个地线，电压输入口同样可以记作1’，2’，3’…15’；所述15个矩阵单元通过颜色呈现透明到深色的变化显示路面附着条件代号n的数值。

有益效果：本发明通过将自供电的轮胎电子皮肤安装于传统的车轮上，和传统控制系统协同工作，提高控制系统的安全性和可靠性，尽可能地使车轮纯滚动，减少行驶阻力和排放，提高燃油经济性，还可以辅助驾驶员判断道路工况，方便做出合理的驾驶策略；同时利用每一个摩擦纳米发电机和压电纳米发电机的输出端口与电致变色器件上的端口一一对应，利用电致变色器件受电颜色发生变化的原理，实现对汽车行驶状态的数字化显示。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明的装置结构示意图。

图2为本发明的复合型纳米发电机与车轮安装示意图。

图3为本发明摩擦纳米发电机和压电纳米发电机结构图。

图4为本发明电致变色器件结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1和2所示，一种感知车辆行驶状态参数的轮胎电子皮肤，包括电连接的复合型纳米发电机组件1和电致变色器件2，与电致变色器件2并联的蓄电池5，所述复合型纳米发电机组件1与电致变色器件2之间安装有控制系统3，其特征在于：所述复合型纳米发电机组件1包括电连接的摩擦纳米发电机11、压电纳米发电机12和同轴安装在车轮轴上的电能采集器13，所述摩擦纳米发电机11和压电纳米发电机12嵌入式成组均布在轮胎内胎面上，所述电能采集器13与车轮轴通过轴承连接，所述电能采集器13设置有重物端131；所述摩擦纳米发电机输出端口113和压电纳米发电机输出端口124与电能采集器13分别通过安装在汽车轮辋上的导线束4独立连接。

本发明通过将压电纳米发电机采集的电信号转换成车轮和地面的接触压力，同时收集摩擦纳米发电机采集的电能并计算出有效发电面积，预估路面附着条件；摩擦纳米发电机和压电纳米发电机成组的嵌入安装在轮胎内台面上且分布均匀，实现了数据获取更加准确，采集数据间隔均匀，便于系统识别判断路面状态，设置重物端，使电能采集器输入端口始终向下，仅与最下端复合纳米发电机接通并传输数据，实现高效的数据采集，以及电能贮备，解决电池更换难的问题。

单个摩擦纳米发电机和单个压电纳米发电机为一个组合，一共采用8个这样的组合均匀得排布在轮胎胎面上，8个组合的线束固定在轮辋上，随着车轮一起转动，线束的信号最终传递给车轮中间的电能采集器，电能采集器的中间通过轴承和车轴相连接，在车轮转动时，电能采集器的重物端始终竖直朝下，这种结构的设计可以保证电能采集器始终可以和车轮最下端的纳米发电机单元的输出相连。

如图3所示，所述摩擦纳米发电机11包括至少一组摩擦发电组件，所述摩擦发电组件包括由轮胎向内依次排布的摩擦层111、Ag浆布线112以及摩擦纳米发电机输出端口113。所述压电纳米发电机12包括至少一组压电发电组件，所述压电发电组件包括由轮胎向内依次排布的橡胶支撑体121、氧化锌层122、石墨烯层123以及压电纳米发电机输出端口124。

将ZnO纳米棒和PVDF纳米粉末、天然橡胶、PVDF、树脂以1：5：3：3的比例混合于丙酮和DMSO混合溶剂中，加热搅拌后采用静电纺丝机制备出增强型纳米发电机的摩擦材料，材料可以有效地增强PDMS基摩擦纳米发电机的发电性能，天然橡胶既可以提高材料的韧性和耐磨性，又可以使得制备的摩擦材料的动态特性高度吻合车轮轮胎，由于Ag的电导率高，所以采用Ag浆布线。压电纳米发电机采用橡胶、ZnO、石墨烯的结构，采用化学气相沉积法加工；橡胶采用和车轮相同的材料，可以保护功能材料不受损害。增强型纳米发电机和压电纳米发电机的每个矩阵单元采用飞秒激光技术加工，电能输出都采取单独走线的方式。

图3中的空白部分是整个复合型纳米发电机的支撑体，采用和车轮胎面材料相同的橡胶，摩擦纳米发电机和压电纳米发电机最终嵌入车轮的胎面。摩擦纳米发电机输出口共N个，分别为O-1-1，O-1-2,…,O-1-N，压电纳米发电机输出口共M个，分别为O-2-1，O-2-2,…,O-2-M，独立走线的方式可以用来计算增强型纳米发电机和压电纳米发电机有效发电面积，为后续车辆状态量的估计做准备，输出的电能传输给车辆控制系统。

如图4所示，所述电致变色器件2包括：电解质层21以及设置在电解质层21两侧的氧化钨薄膜层组22和氧化镍层组23，所述氧化钨薄膜层组22包括由外层向电解质层21依次设置的第一玻璃层221、第一ITO层222和氧化钨薄膜层223，所述氧化镍层组23包括由外层向电解质层21依次设置的第二玻璃层231、第二ITO层232和氧化镍层233。

对ITO进行图案化处理，使得ITO呈现矩阵阵列的排布，每个ITO的矩阵点都和外电路相连，电致变色器件的工作电极是氧化钨层，对电极是氧化镍层，工作电极和对电极采用和ITO矩阵结构相同的排布方式，相邻层的每个矩阵单元都一一对应。

一种感知车辆行驶状态参数的轮胎电子皮肤的状态显示方法，包括以下步骤：

步骤1、建立压电效应模型，将压电纳米发电机12采集的电信号转换为车轮与地面的接触压力，并计算出有效发电面积；

步骤2、根据有效发电面积确定路面附着条件；

步骤3、根据确定的路面附着条件以数字的可视化形式呈现在电致变色器件2上。

所述步骤1具体如下：

车辆行驶状态判断系统通过压电效应模型将采集的电信号转换成车轮和地面的接触压力；

通过试验校正获取制备的压电纳米发电机12的压电系数d，每个压电纳米发电机12的电压和所受的压强成正比；当车轮旋转一圈，只有最下端的摩擦纳米发电机11和压电纳米发电机12处于工作状态，输出的电信号被传输给车辆行驶状态判断系统；车辆行驶状态判断系统对摩擦纳米发电机11和压电纳米发电机12的有效发电输出口进行累加，计算出摩擦纳米发电机11和压电纳米发电机12分别的有效发电面积S

车轮接地点和地面之间的压强根据压电纳米发电机12的电信号用以下公式计算：

其中，V

有效发电面积通过车载控制系统对电信号直接计数累加获取；

S

其中，i＝1,2，分别表示摩擦纳米发电机11和压电纳米发电机12，A为微米阵列的面积，n

所述步骤2具体如下：

不同路面附着条件对应着不同的路面粗糙程度，根据发电阵列元分布密度判断路面附着条件，发电阵列元分布密度f由式3求取：

式中，n

将计算得出的发电阵列元分布密度f分成n个范围，n的数量根据实际需要进行选择，分别对应n种路面附着条件，并将路面附着条件由1至n赋予代号，路面附着条件的选择分类由路面附着系数决定。

在本实施例中，发电阵列元分布密度的分为3个范围，分别对应着3种路面附着条件，分别是附着系数大的路面(代号1)，附着系数中等的路面(代号2)，附着系数小的路面(代号3)，具体关系可以参考表1。驾驶员根据电致变色器件显示的附着条件代号，做出合理的驾驶策略。如当代号为1时，驾驶员可以采取加速超车等激进的驾驶方式，当代号为3时，建议驾驶员采取跟车行驶等保守的驾驶方式，代号2表示驾驶策略建议适中。

表1发电阵列元分布密度和路面附着条件代号的关系

所述步骤3具体如下：

路面附着条件以数字的可视化形式呈现在电致变色器件上。图1中，ITO的矩阵单元可以记作1，2，3…15，上述15个矩阵单元对应着控制系统相应的电压输入口和同一个地线，电压输入口同样可以记作1’，2’，3’…15’。

需要进一步指出的是，15个矩阵单元可以显示路面附着条件代号，结合表1，以代号1，3为例，对应关系可以如表2所示，为标出的矩阵单元为透明态。

表2矩阵单元着色态和路面附着条件代号的对应关系(以1，3为例)

在电致变色器件显示的路面附着条件代号时，颜色会呈现透明到深色的变化。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。