[发明专利]一种车轮运动状态矢量检测系统和方法

说明书

技术领域

本发明属于汽车电子与智能监测领域，尤其涉及一种力-运动解耦的车轮状态监测系统，具体涉及车轮运动状态监测系统的结构组成与集成设计；同时还涉及多维力-运动信号的解耦方法，主要是对汽车行驶中车轮六维力信号的惯性误差去除，从而精确得到十八个自由度的车轮力-运动信号。

背景技术

汽车行驶是车轮与路面相互作用的结果，车轮的力和运动由路面输入，从根本上反映了汽车自身状态，在道路试验和智能交通中，具有无可替代的意义。具体来说，车轮在运动过程中一共存在十八维状态矢量，包括六维力/力矩(纵向力，侧向力，垂直力，侧倾力矩，驱动/制动扭矩，横摆力矩，简称F_x，F_y，F_z，M_x，M_y，M_z)，六维速度/角速度(纵向速度，侧向速度，垂直速度，纵向角速度，侧向角速度，垂直角速度，简称V_x，V_y，V_z，W_x，W_y，W_z)，六维加速度/角加速度(纵向加速度，侧向加速度，垂直加速度，纵向角加速度，侧向角加速度，垂直角加速度，简称a_x，a_y，a_z，α_x，α_y，α_z)。

早期的车轮传感器仅对转速进行测量。从20世纪70年代起，美国通用公司最早进行了车轮力/力矩传感器(Wheel Force Transducer,WFT)的研究，目前美、德、日以及中国均已有类似的产品。但由于WFT安装在高速旋转的车轮上，车辆进行运动，传感器存在滚动和平动两种方式，因而其测量始终处于一个运动场中。由牛顿惯性定律可知，运动场中的加速度矢量将会给WFT传感器带来附加的惯性力/力矩，使得实际测量的车轮力存在惯性分量叠加，导致WFT传感器的精度降低。因此，要提高车轮力测量准确性，必须从中剔除惯性力/力矩，即实现力-运动解耦。近年来，伴随着以MEMS为代表的运动传感器的发展，国外发达国家已经研发出兼具力和运动信号组合测量的装置与解耦技术，可同时检测并分离出车轮的速度，加速度以及力信号。我国在这方面的技术还处于理论阶段，主要在WFT传感器的开发，对于实现力-运动解耦的车轮多维监测技术还是空白；在汽车性能测试和道路试验中，往往采用借鉴国外参数或者经验方法，难有定量数据分析的设备和方法，且在实际中仍存在很多问题：

(1)进口设备的价格昂贵，不利于降低成本；

(2)采用的标准不同，不适合我国的技术标准；

(3)核心关键解耦技术实施封锁，不利于国产测试设备和车辆的自主研发。

因而，研发具有自主产权的系统和设装，以满足汽车公司和试验场对于车轮力-运动的测量技术的需求，对我国的汽车工业具有重要的意义。

现有技术中，ZL200320110714.5专利公开了一种汽车车轮多维力测量装置，是一种汽车行驶工况下车轮受力状态的实时测量装置；ZL200320110713.0公开了一种车轮多维力传感器，是一种汽车行驶工况检测系统中的力传感器；ZL201220102243.2和ZL201210071761.7公开了一种测量车轮六维力的传感器，由安装在车轮上的随着转动的旋转部分和与车辆本身相对静止的非旋转部分组成，能够实时测量单个车轮的六维力信号。然而，上述专利在实际应用还存在非常多的不足：

1、均为一般性的WFT传感器，仅是针对车轮所受的多维力测量，自由度最多为六，未涉及车轮速度和加速度等运动量测量，未能全面的反映车轮运动状态。

2、汽车以及车轮运动具有惯性，车轮力传感器测得的六维力信号中含有非常大的惯性力因素影响，测量输出中的误差较大。例如在汽车刹车和制动过程中，由于惯性而产生的动态力也将反映在其传感器的测量结果中，严重影响了测量精度。

3、WFT传感器的力信号解耦仅仅依靠车轮一维旋转角度获得，在实际的汽车测试中，通常还需结合其他的外部传感器如运动传感器，位移传感器等，未有集成的系统设备和方法，且此时的数据分析为离线处理。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种实现力-运动解耦的车轮状态监测系统与方法，实时测量单个车轮所受的六维力/力矩，六维速度/角速度以及和六维加速度/角加速度，共十八维车轮运动状态矢量信号。