王鋒 潘夢鷂 郇銳鐵 林藝展

摘 要：基于機動車數(shù)量的日益增多及日益嚴(yán)峻的交通安全形勢，文章設(shè)計了一種自發(fā)電機動車車輪狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。論文分析了機動車車輪狀態(tài)監(jiān)測的相關(guān)參數(shù)及其作用，提出了自發(fā)電機動車車輪狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)方案，并分析了系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計了一種車輪自發(fā)電裝置用于給旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的車輪監(jiān)測模塊供電。論文簡單分析了車輪狀態(tài)監(jiān)測相關(guān)參數(shù)的計算及獲取方法，并根據(jù)自發(fā)電車輪狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)方案搭建了系統(tǒng)硬件模型，實現(xiàn)了車輪狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和遠(yuǎn)程傳送及接收。

關(guān)鍵詞：自發(fā)電裝置;車輪狀態(tài)監(jiān)測;遠(yuǎn)程傳送

中圖分類號：U469.72 ?文獻標(biāo)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(jīng)濟社會持續(xù)快速發(fā)展，機動車保有量繼續(xù)保持快速增長態(tài)勢。據(jù)公安部統(tǒng)計，2019年全國新注冊登記機動車3214萬輛，機動車保有量達(dá)3.48億輛，其中新注冊登記汽車2578萬輛，機動車駕駛?cè)诉_(dá)4.35億人^[1]。機動車數(shù)量快速增長的同時也造成道路交通安全形勢日益嚴(yán)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(tài)監(jiān)測是機動車運行安全檢測技術(shù)發(fā)展的趨勢，機動車運行安全狀態(tài)監(jiān)測及控制技術(shù)受到越來越廣泛的關(guān)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(dān)整車載荷、驅(qū)動、制動、轉(zhuǎn)向等功能，因此，實時監(jiān)測機動車車輪運行狀態(tài)顯得尤為重要。車輪狀態(tài)監(jiān)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(tài)信息。車輪狀態(tài)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(tài)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(fēng)險，輕則導(dǎo)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(shè)計了一種自發(fā)電機動車車輪狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

1 自發(fā)電車輪狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)方案及工作原理

1.1 車輪狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)

車輪狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)除了傳統(tǒng)的胎壓、胎溫，還有車輪i的（i=1～4）姿態(tài)角（γ_wi，θ_wi，β_wi）、輪轂速度（V_STi，V_SSi，V_SCi）、輪轂加速度（a_STi，a_SSi，a_SCi）和轉(zhuǎn)動參量（ω_wi，ε_wi）它隨時間t發(fā)生變化。其中，γ_wi為車輪外傾角、θ_Wi為車輪側(cè)偏角、β_Wi為車輪橫擺角;V_STi為車輪切向速度、V_SSi為車輪側(cè)向速度、V_SCi為車輪徑向速度;a_STi為車輪切向加速度、a_SSi為車輪側(cè)向加速度、a_SCi為車輪徑向加速度;ω_Wi為車輪角速度、ε_Wi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(tài)角反映車輪承載位置、磨損、甩脫、側(cè)向移動、方向偏離狀態(tài);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(zhuǎn)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(tài)參數(shù)是動態(tài)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(nèi)的指標(biāo)偏離不易引起注意，從而未能及時采取相應(yīng)的預(yù)防措施，而一旦參數(shù)偏離安全指標(biāo)，甚至喪失承載功能時，車輛在行駛過程中隨時可能發(fā)生危及生命安全的交通事故。監(jiān)測車輪運行狀態(tài)參數(shù)能夠?qū)崟r、動態(tài)地反映車輛在行駛過程中車輪的運行狀態(tài)，進而衡量車輛的運行安全狀態(tài)，因此，實時監(jiān)測機動車車輪狀態(tài)參數(shù)具有重要的現(xiàn)實意義。

1.2 自發(fā)電車輪狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)方案及工作原理

自發(fā)電車輪狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要分為車輪模塊和中控及遠(yuǎn)程模塊兩個部分，其原理圖如下圖1、圖2所示。

圖1為自發(fā)電機動車車輪狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)車輪模塊原理框圖，圖中僅展示一個車輪的系統(tǒng)配置，四個車輪采用相同結(jié)構(gòu)。自發(fā)電裝置產(chǎn)生的三相交流電經(jīng)三相全橋整流，再經(jīng)DC/DC電路濾波、穩(wěn)壓后，為胎溫監(jiān)測模塊、胎壓監(jiān)測模塊、車輪傳感模塊（內(nèi)含三軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸磁感應(yīng)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(jīng)無線射頻發(fā)射器送車內(nèi)中控模塊。

圖2為自發(fā)電機動車車輪狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中控及遠(yuǎn)程模塊原理框圖，無線射頻接收器用于接收四個車輪發(fā)出的無線射頻信號，經(jīng)中控MCU，其中胎溫、胎壓等直觀信號直接送報警顯示模塊，當(dāng)測量值偏離設(shè)定值時發(fā)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(jīng)中控CPU，通過串口，再經(jīng)4G無線遠(yuǎn)程模塊上傳至互聯(lián)網(wǎng)，在后臺遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，通過數(shù)據(jù)透傳云平臺實時接收互聯(lián)傳輸過來的信號數(shù)據(jù)，并通過虛擬串口將數(shù)據(jù)送至后臺分析軟件，分析軟件在后臺進行數(shù)據(jù)融合計算獲得車輪運動狀態(tài)參數(shù)，分析獲得車輪安全性能的變化趨勢，若運動狀態(tài)參數(shù)或變化趨勢超過預(yù)警值，則經(jīng)4G互聯(lián)網(wǎng)向車內(nèi)CPU返回預(yù)警信號，向駕駛員發(fā)出預(yù)警信息。

1.3 自發(fā)電裝置工作原理

自發(fā)電裝置安裝于汽車輪轂中心（車標(biāo)位置），采用特殊結(jié)構(gòu)，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(fā)電裝置外殼，8為連接自發(fā)電裝置與輪轂的連接件。

自發(fā)電裝置中心永磁體磁軸采用特殊偏心結(jié)構(gòu)，磁軸兩端裝設(shè)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(fā)電裝置電樞繞組采用九極三相結(jié)構(gòu)，電樞固定在外殼上，隨輪轂一起做圓周運動，當(dāng)電樞繞組與輪轂一起旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組切割永磁體磁感線，產(chǎn)生三相交流電，其主要電氣設(shè)計參數(shù)為車輪0-1300轉(zhuǎn)對應(yīng)0-24VAC。自發(fā)電裝置電樞隨車輪旋轉(zhuǎn)但其與車輪狀態(tài)檢測模塊相對靜止，因此當(dāng)汽車行駛速度大于25km/h時，自發(fā)電裝置可以給處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的車輪狀態(tài)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(fā)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(jiān)測模塊，安裝于氣門芯;6為胎溫監(jiān)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(nèi);8為無線遠(yuǎn)程模塊，安裝于車內(nèi);9為報警顯示裝置，安裝于車內(nèi)駕駛員前方。

2 車輪狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)的計算與獲取

2.1 車輪參考坐標(biāo)系

輪轂坐標(biāo)系（即S_i系）：以車輪傳感模塊中心為坐標(biāo)原點O_Si，坐標(biāo)系與車輪固聯(lián)，隨車輪一起平移和旋轉(zhuǎn)。在車輪中心平面內(nèi)，沿輪轂圓周切線方向作為X_Si軸方向，沿輪轂半徑方向作為Z_Si軸方向，Y_Si軸垂直于X_Si軸和Z_Si軸，構(gòu)成右手坐標(biāo)系，如圖5所示。

輪心坐標(biāo)系（即W_i系）：以車輪軸心為坐標(biāo)原點O_Wi，坐標(biāo)系與車輪固聯(lián)，隨車輪一起平移和旋轉(zhuǎn)。在車輪中心平面內(nèi)，沿車輪旋轉(zhuǎn)軸指向車輪左側(cè)方向作為Y_Wi軸方向，沿車輪半徑指向車輪傳感模塊原點方向作為Z_Wi軸方向，X_Wi軸垂直于Y_Wi軸和Z_Wi軸，構(gòu)成右手坐標(biāo)系，如圖6所示。

地心慣性坐標(biāo)系（即i系）：以地球質(zhì)心為坐標(biāo)原點O_i，坐標(biāo)系不參與地球自轉(zhuǎn)。指向春分點方向作為X_i軸方向，沿地球自轉(zhuǎn)軸指向北極方向作為Z_i軸方向，Y_i軸垂直于X_i軸和Z_i軸，構(gòu)成右手坐標(biāo)系，如圖7所示。

2.2 車輪姿態(tài)角度計算

由地心慣性坐標(biāo)系下車輪傳感模塊測得的切向、側(cè)向、徑向加速度（a_iSix，a_iSiy，a_iSiZ）輸出方程進行周期變化量等式運算，可得到輪心坐標(biāo)系下車輪姿態(tài)角（γ_wi，θ_wi，β_wi）^?[6]。

其中，

式中，g為重力加速度常數(shù);ω_wyi（t）為輪心坐標(biāo)下車輪輪心側(cè)向角速度，可由陀螺儀所測角速度經(jīng)坐標(biāo)變換獲得;a_Bx、a_By、a_Bz為車身前向、側(cè)向、垂向加速度，直接由車身傳感模塊獲得;、、為輪心坐標(biāo)系下角速度的函數(shù)，可由地心慣性坐標(biāo)系下所測角速度的正弦、余弦函數(shù)獲得。

2.3 輪轂速度、加速度計算

輪轂坐標(biāo)系下，車輪輪轂切向、側(cè)向、徑向加速度（a_STi，a_SSi，a_SCi）為輪轂坐標(biāo)系相對輪心坐標(biāo)系之間絕對運動加速度值，基于無陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航原理求解，輪轂加速度（a_STi，a_SSi，a_SCi）等于（a_iSix，a_iSiy，a_iSiZ）減去車輪輪心加速度的值，而輪轂速度（V_STi，V_SSi，V_SCi）可由（a_STi，a_SSi，a_SCi）積分得到^[6]。

其中，

2.4 車輪轉(zhuǎn)動參量計算

車輪轉(zhuǎn)動參量（ω_wi，ε_wi）為輪心坐標(biāo)系的角速度、角加速度，可由地心慣性坐標(biāo)系下車輪傳感模塊陀螺儀測得的切向、側(cè)向、徑向角速度（ω_iSix，ω_iSiy，a_iSiZ）計算得到。

2.5 胎壓、胎溫參數(shù)的獲取

胎壓、胎溫直接從相應(yīng)監(jiān)測模塊獲取，經(jīng)信號處理后送車內(nèi)顯示模塊及遠(yuǎn)程后臺監(jiān)控中心。

3 自發(fā)電車輪狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)硬件模型

基于上述監(jiān)測原理，搭建自發(fā)電車輪狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)模型，模型由胎壓監(jiān)測模塊、胎溫監(jiān)測模塊、車輪傳感模塊、中央控制模塊、無線遠(yuǎn)程通信模塊等組成。系統(tǒng)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(xiàn)車輪模塊和中央控制模塊間的無線數(shù)據(jù)傳送。中央控制模塊經(jīng)串口并利用眾山科技的ZSD3410無線遠(yuǎn)程通信模塊將數(shù)據(jù)通過4G無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)往遠(yuǎn)程后臺。在遠(yuǎn)程后臺，利用眾山物聯(lián)云平臺并通過虛擬串口接收前方無線遠(yuǎn)程通信模塊傳送過來的數(shù)據(jù)。下圖8為車輪狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的車輪傳感模塊，圖9為中控及遠(yuǎn)程通信模塊，圖10為眾山物聯(lián)云遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)接收平臺。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種自發(fā)電機動車車輪狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，提出了自發(fā)電機動車車輪狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)方案，并根據(jù)方案搭建了硬件模型，實現(xiàn)了車輪狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和遠(yuǎn)程傳送及后臺接收，但未對數(shù)據(jù)進行進一步分析，論文下一步的目標(biāo)是搭建后臺軟件分析平臺，對數(shù)據(jù)進行分析和處理，并將分析結(jié)果送回車內(nèi)中控模塊，實現(xiàn)預(yù)警。

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