一種自發電機動車車輪狀態監測系統
2020-06-03 02:41:08王鋒潘夢鷂郇銳鐵林藝展
汽車實用技術 2020年9期
王鋒 潘夢鷂 郇銳鐵 林藝展
摘 要：基于機動車數量的日益增多及日益嚴峻的交通安全形勢，文章設計了一種自發電機動車車輪狀態監測系統。論文分析了機動車車輪狀態監測的相關參數及其作用，提出了自發電機動車車輪狀態監測系統方案，并分析了系統的工作原理，設計了一種車輪自發電裝置用于給旋轉狀態下的車輪監測模塊供電。論文簡單分析了車輪狀態監測相關參數的計算及獲取方法，并根據自發電車輪狀態監測系統方案搭建了系統硬件模型，實現了車輪狀態監測數據的采集和遠程傳送及接收。
關鍵詞：自發電裝置;車輪狀態監測;遠程傳送
中圖分類號：U469.72 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）09-127-04
A Vehicle Wheel Attitude Monitoring System By Self-generating
Wang?Feng1， Pan Mengyao1， Huan Ruitie1， Lin Yizhan2
（1.Guangdong Polytechnic of Industry Commerce， Guangdong Guangzhou?510510;2.Guangdong Red Bay Power Generation Co.， Ltd.， Guangdong?Shanwei 516623 ）
Abstract：?Based on the increasing number of vehicles and serious traffic safety situation， this paper designed a vehicle wheel attitude monitoring system by self-generating. The paper analyzes the related parameters of vehicle wheel attitude monitoring and their effects， proposed a scheme of vehicle wheel attitude monitoring system by self-generating and analyzed the working principle of the system. Designed a self-generating device to supply power for the wheel monitoring module in a rotating state. The paper briefly analyzed the calculation and acquisition methods of wheel attitude monitoring related parameters and built the hardware model according to the scheme of self-generating wheel attitude monitoring system， realized?the data collection and remote transmission and reception of wheel attitude monitoring.
Keywords： Self-generating device; Wheel attitude monitoring; Remote transmission
CLC NO.： U469.72 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）09-127-04
前言
隨著我國經濟社會持續快速發展，機動車保有量繼續保持快速增長態勢。據公安部統計，2019年全國新注冊登記機動車3214萬輛，機動車保有量達3.48億輛，其中新注冊登記汽車2578萬輛，機動車駕駛人達4.35億人[1]。機動車數量快速增長的同時也造成道路交通安全形勢日益嚴峻。目前，國家管理機動車輛的一個重要重要手段是對機動車輛實施強制性定期安全檢測，但定期安全檢測未能實時地反映機動車運行時的真實狀況，存在一定的局限性。開展主動性機動車運行安全狀態監測是機動車運行安全檢測技術發展的趨勢，機動車運行安全狀態監測及控制技術受到越來越廣泛的關注[2-5]。
機動車在行駛過程中，車輪是其與地面接觸的唯一部件，承擔整車載荷、驅動、制動、轉向等功能，因此，實時監測機動車車輪運行狀態顯得尤為重要。車輪狀態監測模塊通常需與車輪一起做同步圓周運動，從而實時感知車輪的運動狀態信息。車輪狀態檢測模塊通常采用干電池或鋰電池供電，干電池有一定的使用壽命，鋰電池同樣需周期性充電，干電池或鋰電池均不適宜作為車輪狀態檢測模塊的長期工作電源;此外，干電池和鋰電隨車輪作高速圓周運動，長期運行存在甩脫風險，輕則導致檢測模塊無法正常工作，重則給車輛運行帶來安全隱患。為解決上述問題，本文設計了一種自發電機動車車輪狀態監測系統。
1 自發電車輪狀態監測系統方案及工作原理
1.1 車輪狀態監測參數
車輪狀態監測參數除了傳統的胎壓、胎溫，還有車輪i的（i=1～4）姿態角（γwi，θwi，βwi）、輪轂速度（VSTi，VSSi，VSCi）、輪轂加速度（aSTi，aSSi，aSCi）和轉動參量（ωwi，εwi）它隨時間t發生變化。其中，γwi為車輪外傾角、θWi為車輪側偏角、βWi為車輪橫擺角;VSTi為車輪切向速度、VSSi為車輪側向速度、VSCi為車輪徑向速度;aSTi為車輪切向加速度、aSSi為車輪側向加速度、aSCi為車輪徑向加速度;ωWi為車輪角速度、εWi為車輪角加速度。
胎壓、胎溫直接反映車輛運行時輪胎壓力、溫度是否正常;車輪運動姿態角反映車輪承載位置、磨損、甩脫、側向移動、方向偏離狀態;車輪速度和加速度反映車輪不平衡度、松動及飛脫的趨勢;車輪轉動參量反映車輪的滑移程度及趨勢。
在車輛行駛過程中，車輪運動狀態參數是動態變化的，會受到各種因素影響，但其變化量卻不得而知，正常范圍內的指標偏離不易引起注意，從而未能及時采取相應的預防措施，而一旦參數偏離安全指標，甚至喪失承載功能時，車輛在行駛過程中隨時可能發生危及生命安全的交通事故。監測車輪運行狀態參數能夠實時、動態地反映車輛在行駛過程中車輪的運行狀態，進而衡量車輛的運行安全狀態，因此，實時監測機動車車輪狀態參數具有重要的現實意義。
1.2 自發電車輪狀態監測系統方案及工作原理
自發電車輪狀態監測系統主要分為車輪模塊和中控及遠程模塊兩個部分，其原理圖如下圖1、圖2所示。
圖1為自發電機動車車輪狀態監測系統車輪模塊原理框圖，圖中僅展示一個車輪的系統配置，四個車輪采用相同結構。自發電裝置產生的三相交流電經三相全橋整流，再經DC/DC電路濾波、穩壓后，為胎溫監測模塊、胎壓監測模塊、車輪傳感模塊（內含三軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸磁感應計）、車輪MCU等提供工作電源。模塊采集的溫度、胎壓、車輪三維加速度、車輪三維角速度及車輪三維地磁強度等信號，經無線射頻發射器送車內中控模塊。
圖2為自發電機動車車輪狀態監測系統中控及遠程模塊原理框圖，無線射頻接收器用于接收四個車輪發出的無線射頻信號，經中控MCU，其中胎溫、胎壓等直觀信號直接送報警顯示模塊，當測量值偏離設定值時發出報警。溫度、胎壓、車輪三維加速度、車輪三維角速度及車輪三維地磁強度等所有信號，經中控CPU，通過串口，再經4G無線遠程模塊上傳至互聯網，在后臺遠程監控中心，通過數據透傳云平臺實時接收互聯傳輸過來的信號數據，并通過虛擬串口將數據送至后臺分析軟件，分析軟件在后臺進行數據融合計算獲得車輪運動狀態參數，分析獲得車輪安全性能的變化趨勢，若運動狀態參數或變化趨勢超過預警值，則經4G互聯網向車內CPU返回預警信號，向駕駛員發出預警信息。
1.3 自發電裝置工作原理
自發電裝置安裝于汽車輪轂中心（車標位置），采用特殊結構，如圖3所示，其中1為輪胎，2為輪轂，3為永磁體磁軸，4為A、B、C三相電樞繞組，5為磁軸偏心鐵塊，6為滾珠支撐軸承，7為自發電裝置外殼，8為連接自發電裝置與輪轂的連接件。
自發電裝置中心永磁體磁軸采用特殊偏心結構，磁軸兩端裝設三角形偏心鐵塊，磁軸兩端由滾珠軸承支撐，兩個軸承分別固定在外殼上，外殼通過連接件固定在輪轂中心。永磁體磁軸在重力作用下自然朝下，不隨車輪做圓周運動，即永磁體磁軸的磁場方向固定不變。自發電裝置電樞繞組采用九極三相結構，電樞固定在外殼上，隨輪轂一起做圓周運動，當電樞繞組與輪轂一起旋轉時，電樞繞組切割永磁體磁感線，產生三相交流電，其主要電氣設計參數為車輪0-1300轉對應0-24VAC。自發電裝置電樞隨車輪旋轉但其與車輪狀態檢測模塊相對靜止，因此當汽車行駛速度大于25km/h時，自發電裝置可以給處于旋轉狀態下的車輪狀態檢測模塊提供可靠的工作電源。
1.4 測點及模塊安裝示意圖
圖4為測點及模塊安裝位置示意圖，其中1為車輪，2為DC/DC電路模塊，安裝于輪轂中心;3為自發電裝置，安裝于輪轂中心;4為車輪傳感模塊，安裝于輪轂中心圓周;5為胎壓監測模塊，安裝于氣門芯;6為胎溫監測測點，沿車輪圓周方向布置，每隔60度安裝一個;7為中控模塊，安裝于車內;8為無線遠程模塊，安裝于車內;9為報警顯示裝置，安裝于車內駕駛員前方。
2 車輪狀態監測參數的計算與獲取
2.1 車輪參考坐標系
輪轂坐標系（即Si系）：以車輪傳感模塊中心為坐標原點OSi，坐標系與車輪固聯，隨車輪一起平移和旋轉。在車輪中心平面內，沿輪轂圓周切線方向作為XSi軸方向，沿輪轂半徑方向作為ZSi軸方向，YSi軸垂直于XSi軸和ZSi軸，構成右手坐標系，如圖5所示。
輪心坐標系（即Wi系）：以車輪軸心為坐標原點OWi，坐標系與車輪固聯，隨車輪一起平移和旋轉。在車輪中心平面內，沿車輪旋轉軸指向車輪左側方向作為YWi軸方向，沿車輪半徑指向車輪傳感模塊原點方向作為ZWi軸方向，XWi軸垂直于YWi軸和ZWi軸，構成右手坐標系，如圖6所示。
地心慣性坐標系（即i系）：以地球質心為坐標原點Oi，坐標系不參與地球自轉。指向春分點方向作為Xi軸方向，沿地球自轉軸指向北極方向作為Zi軸方向，Yi軸垂直于Xi軸和Zi軸，構成右手坐標系，如圖7所示。
2.2 車輪姿態角度計算
由地心慣性坐標系下車輪傳感模塊測得的切向、側向、徑向加速度（aiSix，aiSiy，aiSiZ）輸出方程進行周期變化量等式運算，可得到輪心坐標系下車輪姿態角（γwi，θwi，βwi）?[6]。
其中，
式中，g為重力加速度常數;ωwyi（t）為輪心坐標下車輪輪心側向角速度，可由陀螺儀所測角速度經坐標變換獲得;aBx、aBy、aBz為車身前向、側向、垂向加速度，直接由車身傳感模塊獲得;
、
、
為輪心坐標系下角速度的函數，可由地心慣性坐標系下所測角速度的正弦、余弦函數獲得。
2.3 輪轂速度、加速度計算
輪轂坐標系下，車輪輪轂切向、側向、徑向加速度（aSTi，aSSi，aSCi）為輪轂坐標系相對輪心坐標系之間絕對運動加速度值，基于無陀螺捷聯慣性導航原理求解，輪轂加速度（aSTi，aSSi，aSCi）等于（aiSix，aiSiy，aiSiZ）減去車輪輪心加速度
的值，而輪轂速度（VSTi，VSSi，VSCi）可由（aSTi，aSSi，aSCi）積分得到[6]。
其中，
2.4 車輪轉動參量計算
車輪轉動參量（ωwi，εwi）為輪心坐標系的角速度、角加速度，可由地心慣性坐標系下車輪傳感模塊陀螺儀測得的切向、側向、徑向角速度（ωiSix，ωiSiy，aiSiZ）計算得到。
2.5 胎壓、胎溫參數的獲取
胎壓、胎溫直接從相應監測模塊獲取，經信號處理后送車內顯示模塊及遠程后臺監控中心。
3 自發電車輪狀態監測系統硬件模型
基于上述監測原理，搭建自發電車輪狀態監測系統模型，模型由胎壓監測模塊、胎溫監測模塊、車輪傳感模塊、中央控制模塊、無線遠程通信模塊等組成。系統以帶Zigbee無線通信功能的微處理器CC2530作為車輪模塊和中央控制模塊的控制器，實現車輪模塊和中央控制模塊間的無線數據傳送。中央控制模塊經串口并利用眾山科技的ZSD3410無線遠程通信模塊將數據通過4G無線網絡發往遠程后臺。在遠程后臺，利用眾山物聯云平臺并通過虛擬串口接收前方無線遠程通信模塊傳送過來的數據。下圖8為車輪狀態監測系統的車輪傳感模塊，圖9為中控及遠程通信模塊，圖10為眾山物聯云遠程數據接收平臺。
4 結語
本文設計了一種自發電機動車車輪狀態監測系統，提出了自發電機動車車輪狀態監測系統方案，并根據方案搭建了硬件模型，實現了車輪狀態監測數據的采集和遠程傳送及后臺接收，但未對數據進行進一步分析，論文下一步的目標是搭建后臺軟件分析平臺，對數據進行分析和處理，并將分析結果送回車內中控模塊，實現預警。
參考文獻
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