一種自發(fā)電機(jī)動(dòng)車車輪狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

王鋒 潘夢(mèng)鷂 郇銳鐵 林藝展

摘 要：基于機(jī)動(dòng)車數(shù)量的日益增多及日益嚴(yán)峻的交通安全形勢(shì)，文章設(shè)計(jì)了一種自發(fā)電機(jī)動(dòng)車車輪狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。論文分析了機(jī)動(dòng)車車輪狀態(tài)監(jiān)測(cè)的相關(guān)參數(shù)及其作用，提出了自發(fā)電機(jī)動(dòng)車車輪狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，并分析了系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計(jì)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(cè)模塊供電。論文簡(jiǎn)單分析了車輪狀態(tài)監(jiān)測(cè)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算及獲取方法，并根據(jù)自發(fā)電車輪狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案搭建了系統(tǒng)硬件模型，實(shí)現(xiàn)了車輪狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(cè);遠(yuǎn)程傳送

中圖分類號(hào)：U469.72 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：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(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)快速發(fā)展，機(jī)動(dòng)車保有量繼續(xù)保持快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)，2019年全國(guó)新注冊(cè)登記機(jī)動(dòng)車3214萬輛，機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.48億輛，其中新注冊(cè)登記汽車2578萬輛，機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)诉_(dá)4.35億人^[1]。機(jī)動(dòng)車數(shù)量快速增長(zhǎng)的同時(shí)也造成道路交通安全形勢(shì)日益嚴(yán)峻。目前，國(guó)家管理機(jī)動(dòng)車輛的一個(gè)重要重要手段是對(duì)機(jī)動(dòng)車輛實(shí)施強(qiáng)制性定期安全檢測(cè)，但定期安全檢測(cè)未能實(shí)時(shí)地反映機(jī)動(dòng)車運(yùn)行時(shí)的真實(shí)狀況，存在一定的局限性。開展主動(dòng)性機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)是機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)及控制技術(shù)受到越來越廣泛的關(guān)注^[2-5]。

機(jī)動(dòng)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(dòng)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等功能，因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)動(dòng)車車輪運(yùn)行狀態(tài)顯得尤為重要。車輪狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊通常需與車輪一起做同步圓周運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)時(shí)感知車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息。車輪狀態(tài)檢測(cè)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(cè)模塊的長(zhǎng)期工作電源;此外，干電池和鋰電隨車輪作高速圓周運(yùn)動(dòng)，長(zhǎng)期運(yùn)行存在甩脫風(fēng)險(xiǎn)，輕則導(dǎo)致檢測(cè)模塊無法正常工作，重則給車輛運(yùn)行帶來安全隱患。為解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種自發(fā)電機(jī)動(dòng)車車輪狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

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

1.1 車輪狀態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)

車輪狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(dòng)參量（ω_wi，ε_wi）它隨時(shí)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(yùn)行時(shí)輪胎壓力、溫度是否正常;車輪運(yùn)動(dòng)姿態(tài)角反映車輪承載位置、磨損、甩脫、側(cè)向移動(dòng)、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(dòng)及飛脫的趨勢(shì);車輪轉(zhuǎn)動(dòng)參量反映車輪的滑移程度及趨勢(shì)。

在車輛行駛過程中，車輪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)是動(dòng)態(tài)變化的，會(huì)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(shí)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(shí)，車輛在行駛過程中隨時(shí)可能發(fā)生危及生命安全的交通事故。監(jiān)測(cè)車輪運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)能夠?qū)崟r(shí)、動(dòng)態(tài)地反映車輛在行駛過程中車輪的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而衡量車輛的運(yùn)行安全狀態(tài)，因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)動(dòng)車車輪狀態(tài)參數(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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

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

圖1為自發(fā)電機(jī)動(dòng)車車輪狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)車輪模塊原理框圖，圖中僅展示一個(gè)車輪的系統(tǒng)配置，四個(gè)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(cè)模塊、胎壓監(jiān)測(cè)模塊、車輪傳感模塊（內(nèi)含三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀、三軸磁感應(yīng)計(jì)）、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(qiáng)度等信號(hào)，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(jī)動(dòng)車車輪狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(gè)車輪發(fā)出的無線射頻信號(hào)，經(jīng)中控MCU，其中胎溫、胎壓等直觀信號(hào)直接送報(bào)警顯示模塊，當(dāng)測(cè)量值偏離設(shè)定值時(shí)發(fā)出報(bào)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(qiáng)度等所有信號(hào)，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(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，通過數(shù)據(jù)透?jìng)髟破脚_(tái)實(shí)時(shí)接收互聯(lián)傳輸過來的信號(hào)數(shù)據(jù)，并通過虛擬串口將數(shù)據(jù)送至后臺(tái)分析軟件，分析軟件在后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合計(jì)算獲得車輪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)，分析獲得車輪安全性能的變化趨勢(shì)，若運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)或變化趨勢(shì)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(hào)，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(gè)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(yùn)動(dòng)，即永磁體磁軸的磁場(chǎng)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(yùn)動(dòng)，當(dāng)電樞繞組與輪轂一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(jì)參數(shù)為車輪0-1300轉(zhuǎn)對(duì)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(cè)模塊相對(duì)靜止，因此當(dāng)汽車行駛速度大于25km/h時(shí)，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(cè)模塊提供可靠的工作電源。

1.4 測(cè)點(diǎn)及模塊安裝示意圖

圖4為測(cè)點(diǎn)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(cè)模塊，安裝于氣門芯;6為胎溫監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)，沿車輪圓周方向布置，每隔60度安裝一個(gè);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(bào)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(cè)參數(shù)的計(jì)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)O_i，坐標(biāo)系不參與地球自轉(zhuǎn)。指向春分點(diǎn)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(jì)算

由地心慣性坐標(biāo)系下車輪傳感模塊測(cè)得的切向、側(cè)向、徑向加速度（a_iSix，a_iSiy，a_iSiZ）輸出方程進(jìn)行周期變化量等式運(yùn)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(cè)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(cè)角速度的正弦、余弦函數(shù)獲得。

2.3 輪轂速度、加速度計(jì)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(duì)輪心坐標(biāo)系之間絕對(duì)運(yùn)動(dòng)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(dòng)參量計(jì)算

車輪轉(zhuǎn)動(dòng)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(cè)得的切向、側(cè)向、徑向角速度（ω_iSix，ω_iSiy，a_iSiZ）計(jì)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(cè)模塊獲取，經(jīng)信號(hào)處理后送車內(nèi)顯示模塊及遠(yuǎn)程后臺(tái)監(jiān)控中心。

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

基于上述監(jiān)測(cè)原理，搭建自發(fā)電車輪狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型，模型由胎壓監(jiān)測(cè)模塊、胎溫監(jiān)測(cè)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(shí)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(tái)。在遠(yuǎn)程后臺(tái)，利用眾山物聯(lián)云平臺(tái)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(cè)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(tái)。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種自發(fā)電機(jī)動(dòng)車車輪狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提出了自發(fā)電機(jī)動(dòng)車車輪狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，并根據(jù)方案搭建了硬件模型，實(shí)現(xiàn)了車輪狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集和遠(yuǎn)程傳送及后臺(tái)接收，但未對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析，論文下一步的目標(biāo)是搭建后臺(tái)軟件分析平臺(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并將分析結(jié)果送回車內(nèi)中控模塊，實(shí)現(xiàn)預(yù)警。

參考文獻(xiàn)

[1] 全國(guó)私家車保有量首次突破2億輛[Z].https：//www.mps.gov.cn/ n2254314/n6409334/c6852472/content.html，2020.

[2] 金智林，嚴(yán)正華.基于二次預(yù)測(cè)型橫向載荷轉(zhuǎn)移率的汽車側(cè)翻預(yù)警研究[J].中國(guó)機(jī)械工程.2019，30（15）： 1790-1795.

[3] 劉定策，茹超超，段錦鵬.基于VLC技術(shù)的車輛安全預(yù)警系統(tǒng)[J]. 自動(dòng)化與儀表.2019， 34（10）： 90-94.

[4] 王濰，袁朝春，何友國(guó).基于μ控制理論的汽車橫向主動(dòng)避撞系統(tǒng)研究[J].電氣與自動(dòng)化.2018，4（42）： 156-160.

[5] 吳俊，向國(guó)梁，楊俊輝等.汽車自動(dòng)緊急制動(dòng)（AEB）行人檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)與測(cè)試[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào). 2018， 9（4）： 401-409.

[6] 潘夢(mèng)鷂.機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)新模式研究[D].廣東：華南理工大學(xué)， 2012.