一种轮胎接地过程中无源化三向应变求解系统及方法

技术领域

本发明涉及无源定位及声表面波领域，尤其涉及一种轮胎接地过程中无源化三向应变求解系统及方法。

背景技术

随着信息技术以及电子技术的进步，智能化的技术逐渐普及，智能轮胎也逐渐成为一种发展趋势。智能轮胎的领域涉及到传感器、通信、网络、模式识别、信号处理、人工费智能算法等技术。其需要对轮胎的状态实现实时监测，然后根据监测结果执行相应的操作,在此情况下汽车能达到更好的安全性、舒适性和节能性。

其中轮胎滚动变形是轮胎力学特性的重要组成部分。准确地测量和表达滚动轮胎的变形特征对整车稳定性控制、智能驾驶等方面的研究具有重要意义。

目前，对滚动轮胎变形的测量和表达方法主要有：基于模型预测、基于图像处理和基于胎内传感器。

基于模型预测的轮胎滚动变形建模方法有一些局限性，比如Unitire轮胎模型和“Magic Formula”轮胎模型主要应用于滚动轮胎操作稳定性研究，对于轮胎滚动变形分布特征和变化规律的表达发展尚不完善。由于轮胎橡胶材料力学特性难于准确表达，轮胎与路面之间相互作用关系复杂多变，导致轮胎环模型在表达轮胎滚动变形特征和变化规律上依然存在不足之处。

基于图像识别的观测方法是最近几年内较为新颖的研究方向。其大都是通过在轮胎内表面粘附小方块，用轮辋上的相机观测方块的运动位置变化；或者是在轮胎内表面喷涂散斑图案，通过标定区域前后位置来估算轮胎应变。这类已有的方法都没能很好的解决轮胎力耦合对测得的应变带来的误差，同时对图像识别的后期算法要求较高，且实用性和实时的反应能力较差。

基于胎内传感器的方法应用最为普遍，技术也相对较为成熟，但也存在如：传感器安装工艺难、车辆行驶中胎内环境恶劣导致传感器寿命短暂、胎内信号及电能交互困难、部分传感器费用昂贵等问题。同时基于现有的计算瓶颈，获取的轮胎滚动变形信号存在多向耦合问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的不足，本申请提出了一种轮胎接地过程中无源化三向应变求解系统及方法，通过无源定位技术观测信号发射端在轮胎接地过程中的位置从而解决三向应变问题。

本发明所采用的技术方案如下：

一种轮胎接地过程中无源化三向应变求解系统，包括胎内监测器、胎外信号接收器、胎外信号修正单元和三向应变计算单元；

所述胎内监测器贴壁设于轮胎内部，胎内监测器包括叉指换能器、反射器、匹配电路和换能器发射端；

胎外信号接收器设于轮胎外，所述胎外信号接收器至少设置4个，每个胎外信号接收器接收胎内监测器发出的信号；

胎外信号修正单元获取胎外的温度、湿度信息；

三向应变计算单元信号连接胎外信号接收器和胎外信号修正单元，三向应变计算单元所接收的信息求解三向应变。

进一步，叉指换能器、反射器集成在基片上，基片与轮胎内壁面贴合；叉指换能器与匹配电路、换能器发射端并联；在一个周期中胎内监测器发射两遍信号，第一个信号为接地瞬间发射，第二个信号经由反射器反射后发射；第一个信号的传播时间用于计算胎内监测器位置，根据2个信号之间的时间差获得胎内温度，进而用来修正胎内空气传播速度。

进一步，胎内设置有多个胎内监测器。

进一步，每个胎内监测器的采取不同频率范围的换能器发射端，通过不同的发射源频率，区分每个胎内监测器。

进一步，胎外信号接收器设置在轮胎的外部可供能区域。

进一步，通过仿真确定不同车型上胎外信号接收器的安装位置。

进一步，胎外信号修正单元包括设置在胎外的温度传感器、湿度传感器。

进一步，三向应变计算单元与胎外信号接收器、胎外信号修正单元之间通过CAN总线进行信息传输，或通过无线的方式进行信息传输。

进一步，三向应变计算单元内置车载ECU内以完成三向应变求解。

一种轮胎接地过程中无源化三向应变求解方法，包括如下步骤：

步骤1、分别在胎内设置胎内监测器，在胎外设置胎外信号接收器，胎外信号接收器接收胎内监测器发出的声波信号；胎外信号修正单元轮胎外部环境中的温度和湿度信息，将获取的声波信号及胎外温度、湿度信息均输入三向应变计算单元；

步骤2、获取胎内监测器发出的2个声波信号到达胎外信号接收器的时间，由第一个声波信号到达胎外信号接收器的时间计算胎内监测器位置，根据2个声波信号间的时差用来计算胎内温度，用于修正胎内空气传播速度；根据胎外温度、湿度信息修正胎外空气传播速度；

步骤3、基于步骤1、2所获取的数据，基于TDOA计算车轮三维空间内信号发射端坐标，再通过比较实时的胎内监测器的位置与静力半径下胎内监测器的位置得出三向应变。

本发明的有益效果：

(1)、本申请首次将无源定位的到达时差(Time Difference Of Arrival,TDOA)技术用于车轮内三向应变求解，实现了对胎内发射源的应变和加速度的实时计算。由于TDOA技术应用在三维空间时其定位结果为三维向量，故无需面对多向耦合的解耦问题。其次无源定位可以对多个发射源同时定位，也就是可以同时监测胎内多点，确保数据准确性的同时，可实现对轮胎不同方位的三相应变单独监测；此外在车轮信号无源定位算法中，传感器位置有其限制，可以通过增加限制条件排除TDOA算法的无效解，从而简化算法。

(2)本申请应变信号接收端设置于胎外的车架和底盘上，其作用是精准的记录胎内信号的接受时间，因为定位精度取决于接受信号的时间差，所以增加接收端数量可以增加时间差数量，从而大幅度的增加定位精度；且在胎内发射端无需供能的基础上胎外接收端的供能和信号交互极为简单，变相解决了应变传感器的供能困难；本申请的接收端位置是定位算法的一部分，较好的接收端位置可以提高算法的定位精度，本申请提供了定位端的优化方法。

(3)本申请中TDOA技术是基于声波实现的，声波信号，容易受到介质、温度、空气湿度的影响，因此考虑到无源定位技术在计算上对于信号的传播速度有精确要求，本申请同时考虑了轮胎橡胶的温度和轮胎外空气的温度和湿度作为计算发射端位置的修正量，提出了信号修正方法，由此能够提供了声表面波传感器与无源定位传感器发射端的集成化设计。

附图说明

图1是本发明轮胎接地过程中无源化三向应变求解系统示意图；

图2是胎内监测器结构示意图；

图3是轮胎内监测点布置示意图；

图4是换能器发射端等效电路图；

图5是叉指换能器压电效应示意图；

图6是TDOA无源定位原理示意图；

图7是胎内信号到胎外接收端传播示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

结合附图1，本申请提出了一种轮胎接地过程中无源化三向应变求解系统，包括胎内监测器、胎外信号接收器、胎外信号修正单元(温度传感器、湿度传感器)和三向应变计算单元。

1、胎内监测器

如图3所示，胎内监测器设置在轮胎内部，贴合轮胎内壁面布置；胎内监测器布置的数量可以按监测需要进行选取，故可以实现胎内多点的同时监测。结合附图2、4和5，胎内监测器包括叉指换能器、反射器、匹配电路和换能器发射端，其中叉指换能器、反射器集成在基片上，基片与轮胎内壁面贴合；叉指换能器与匹配电路、换能器发射端并联。

胎内监测器的工作原理：当轮胎接地产生瞬时应变时，叉指换能器的正负电极间生成电压，电压能够同时供给换能器发射端和用来生成声表面波，声表面波经由基片传递给反射器再反射给叉指换能器，此时叉指换能器正负极间生成电压再次给换能器发射端供电。在一个周期中胎内监测器发射两遍信号，第一个信号为接地瞬间发射，第二遍信号经由反射器反射后发射；由于压电基片受到温度作用时，其长度和声表面波传播速度会发生变化，故声表面波在压电基片的表面传播时间和返回的脉冲相位会发生变化，该变化量即可反应橡胶轮胎当前温度的变化，由此可用来修正轮胎温度带来的到达时差的误差。

在本实施例中，利用橡胶轮胎温度变化修正到达时差误差的原理为：由于轮胎橡胶和胎内空气会影响声音的传播速度，具体而言，声音在橡胶中的传播速度受到橡胶的类型、密度、弹性模量、温度影响，随着温度的升高，橡胶变得更加柔软和灵活，其密度和弹性模量会下降，从而降低声波的传播速度，因此在适配本系统时，可以优先采用超声波测量法或者激光多普勒测速法，测量对应轮胎制品在不同温度下的声音传播速度，供予三向应变计算单元使用；声音在胎内空气中的传播速度受到温度和压力的影响，知晓胎内温度后，其可通过声速方程，和理想气体定律计算出胎内空气中声音的传播速度，供予三向应变计算单元使用。

声速方程，即胎内空气传播速度表示为：

其中，v是声音的速度，m/s；γ是比热容比，对于干燥空气约为1.4；P是空气压力，帕斯卡；ρ是空气密度，千克/立方米，表示为：

R是空气的特定气体常数，约为287J/(kg·K)；T是绝对温度，开尔文。

在本实施例中，由于胎内设置有多个胎内监测器，为了能够识别出各个胎内监测器，故每个胎内监测器的采取不同频率范围的换能器发射端，通过不同的发射源频率，可对每个胎内监测器进行区分，最终能够实现各监测点处三相应变的单独监测。

2、胎外信号接收器

胎外信号接收器设置在轮胎的外部，胎外信号接收器接收胎内监测器发出的声波信号，将胎内监测器发射的声信号转换为电信号。

在本实施例中，胎外信号接收器至少设置4个。

在本实施例中，胎外信号接收器设置在轮胎的外部可供能区域，例如车架或底盘。

在本实施例中，相同的发射端信号误差下，接收端的位置对于程差的数值计算影响较大，而具体的接收端位置往往受到车型限制，故本申请通过仿真确定不同车型上胎外信号接收器的安装位置。具体过程如下：

S1、在Simulink或其他编程软件中实现三向应变计算单元的计算模块，在ANSYSAcoustics中创建/输入待仿真的车型、该车型对应的轮胎、车架、底盘的相关空间位置信息和对应的密度，弹性模量，泊松比等材料参数；

S2、在ANSYS Acoustics中，随机模拟胎内监测器发射出的信号，随机模拟出的信号对应的发射位置需要符合轮胎应变范围；

记录此时信号对应的发射位置，供予S4步骤，用于比较模拟发射位置与计算出的发射位置的误差；

S3、胎外信号接收器位置作为仿真的变量，且胎外信号接收器位置的取值空间范围受到不同车型的限制。在ANSYS Acoustics中设置大量的接收点，且接收点符合取值空间范围，获取所有接收点获得的声源信号，并将接收到的声源信号的相位加以符合正态分布的误差，来模拟现实情况的信号监测器误差和传播时材料属性变动带来的误差，即收到信号的时间有略微的延迟或者前置；

S4、选取ANSYS Acoustics中不同接收点进行组合，来模拟不同位置的接收端组合，每个接收端组合中有4个接收点；同时，以均方根误差(RMSE)作为衡量标准(每一个接收端组合只有一个RMSE)；不断变更发射端位置并进行声音信号发出的模拟，将组合中4个接收点收到的包含误差的声源信号供予三向应变计算模块计算出发射位置；由此每一个接收端组合都会获得大量的仿真发射位置，和一一对应的计算出的发射位置，选取所有接收端组合中RMSE最小的，作为胎外信号接收器的安装方案，由此可完成不同车型胎外信号接收器的安装位置确定。

此外，本申请也考虑到当对应变的精度要求极高时，可以考虑增加接收端的数量，使得每个接收端组合中包含n个接收点，n根据实际需要选择，但是至少为4个，此时非线性方程组数量增加，因而本申请不再使用chan算法，转而使用加权最小二乘法，使得求得的结果不断逼近真实解。

3、胎外信号修正单元

由于声波在空气中传播会受到温度和湿度的影响，从而会影响本申请无源定位结果的准确性；故需要在轮胎外部设置胎外信号修正单元，用于对轮胎外部进行信号修正；胎外信号修正单元具体包括设置在胎外的温度传感器、湿度传感器，利用温度传感器、湿度传感器获取当前轮胎外部环境中的温度数据和湿度数据；根据当前环境中的温度和湿度，可以确定当前轮胎外部声波传递的速度。

其中，c

4、三向应变计算单元

三向应变计算单元设于轮胎外部，且与胎外信号接收器和胎外信号修正单元之间信号连接，由此接收胎外信号接收器、胎外信号修正单元发出的信号；三向应变计算单元基于所接收的信息求解三向应变。具体如下：

首先，基于TDOA无源定位方法，信号在发射端和各个接收端之间呈现直线传播，第i个观测点接收到的信号可以表示为：

u

其中，s(t)为胎内监测器发射的信号，t

t

t

其中，

其中，c

声音在橡胶中的传播速度受到多个因素的影响，包括橡胶的类型、密度、弹性模量、温度等，因此不同规格的轮胎需要单独测定。

第i个接收器到一号接收器之间的距离为：

r

由此联立如下方程组：

其中，(x，y，z)为胎内监测器的位置坐标，(x

在本实施例中，三向应变计算单元与胎外信号接收器和胎外信号修正单元之间可以通过CAN总线进行信息传输；也可以通过无线的方式进行信息传输。

在本实施例中，三向应变计算单元中的计算方法在车载ECU内以实现该功能，并将求解结果实时显示。

基于上述系统，本申请还提出了一种轮胎接地过程中无源化三向应变求解方法：

步骤1、分别在胎内设置胎内监测器，在胎外设置胎外信号接收器，胎外信号接收器接收胎内监测器发出的声波信号；胎外信号修正单元轮胎外部环境中的温度和湿度信息，将获取的声波信号及胎外温度、湿度信息均输入三向应变计算单元；

步骤2、由TDOA的测量原理可知，该系统应变测量的准确度取决于发射端信号到达不同接收端的时间差，由于声音在不同温度和湿度情况下传播速度并不相同，所以到达的时间差需要进行实时的修正，本申请同时考虑轮胎外空气处的温度和湿度，和胎内橡胶处的温度。获取胎内监测器发出的2个声波信号到达胎外信号接收器的时间，由第一个声波信号到达胎外信号接收器的时间计算胎内监测器位置，根据2个声波信号间的时差用来计算胎内温度，用于修正胎内空气传播速度；根据胎外温度、湿度信息修正胎外空气传播速度；

步骤3、基于步骤1、2所获取的数据，对轮胎的三向应变进行求解，表示如下：

根据第i个接收器到一号接收器之间的距离r

其中，(x，y，z)为胎内监测器的位置坐标，(x

r

其中，c

本申请采用胎内自供能的高频信号发射端，其体积小、造价低且发射信号无声源精度要求，可应对胎内恶劣环境，且寿命牢靠；相较于电磁波信号，声源信号的传播速度下降了五个数量级，可以在TDOA技术中放大到达时间差，极大的提高了定位精度；输出装置的能量供应，由胎内陶瓷压电完成，对发电的电压电流精度要求较低，与轮胎接地性能的适配性好。在不同的刚度载荷下，轮胎会有不同程度的应变，同时压电片在载荷导致的形变作用下，会在其相对的两个表面出现异号电荷，即压电效应(如图5)。压电效应的电压和电流的生成取决于晶体结构和应力情况，一般情况下，外力与晶体端表面积越大，其电荷越多。在本系统中，压电振子的激励采用冲击自由振动方式，此方式能利用轮胎接地瞬间的大应变瞬间产生大电流，且由于仅考虑轮胎接地范围内的三向应变，所以应该根据不同轮胎在其对应使用场景下的三向应变范围选择压电片的各项参数，其选择参数包含：机电耦合系数、机械品质因数、相对介电常数、弹性常数、压电电压常数和压电振子的振动模式。此时压电片的边界条件为机械自由和电学开路，应力T和电位移D为自变量，应变S和电场强度E为因变量，其对应的压电方程如下：

S＝s

E＝-gT+β

式中：S为应变、s为弹性常数、D为电位移、g为压电电压系数、g

压电陶瓷将机械能转换成电能后，虽然不同工况下电压与电流的输出不同，但是可以进一步利用压电陶瓷换能器将电能转换为固定频率范围内的声信号，其等效电路(如图4)。为了使电信号变成声信号的转换效率更高，可以用不同的电阻、电容、电感实现阻抗匹配。至此本申请考虑使用压电陶换能器。压电陶瓷换能器接收端需考虑不同轮胎使用场景下各个监测点的应变范围确定材料属性，使接地受压过程中能供电。压电陶瓷换能器在不同监测点设置不同的发射频率范围。

本申请应用到了无源定位的到达时差(Time Difference Of Arrival,TDOA)技术，该申请的算法实现了对胎内发射源的应变和加速度的实时计算，TDOA技术应用在三维空间，定位结果为三维向量，无需面对多向耦合的解耦问题；其次无源定位可以对多个发射源同时定位，也就是可以同时监测胎内多点，确保数据准确性的同时，可实现对轮胎不同方位的三相应变单独监测；此外在车轮信号无源定位算法中，传感器位置有其限制，可以通过增加限制条件排除TDOA算法的无效解，从而简化算法。

本申请的信号接收端位于胎外的车架和底盘上，其作用是精准的记录胎内信号的接受时间，因为定位精度取决于接受信号的时间差，所以增加接收端数量可以增加时间差数量，从而大幅度的增加定位精度；且在胎内发射端无需供能的基础上胎外接收端的供能和信号交互极为简单，变相解决了应变传感器的供能困难；本申请的接收端位置是定位算法的一部分，较好的接收端位置可以提高算法的定位精度，本申请提供了定位端的优化方法。

考虑到无源定位技术在计算上对于信号的传播速度有精确要求，而声波信号，容易受到介质、温度、空气湿度的影响，本申请同时考虑了轮胎橡胶的温度和轮胎外空气的温度和湿度作为计算发射端位置的修正量，并提供了声表面波传感器与无源定位传感器发射端的集成化设计。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。