智能轮胎状态检测装置及基于其的车辆控制方法、设备与流程

本发明涉及智能轮胎检测、环境感知技术领域，具体为一种智能轮胎状态检测装置及基于其的车辆控制方法、设备。

背景技术：

随着人工智能和智能交通系统的发展，智能车辆作为缓解交通拥堵、提高交通效率、预防事故发生和改善乘客的舒适性的方案已经取得了重大突破，未来智能化出行趋势不可阻挡，所以作为车辆动力学重要组成部分轮胎，获取轮胎的工作环境数据变得尤其重要。

智能轮胎不再是单一被动的执行机构，安全舒适的乘坐体验是开发智能轮胎作为主动传感器的首要原因，它能够提供有用的信息，以增强如防抱死制动系统abs、牵引控制系统tcs、电子稳定控制esc和悬架控制系统scs等不同控制系统的功能。但是轮胎的载荷传递、切向力、轮胎状况、道路状况或摩擦系数等状态数据很难测量。

轮胎附着力的大小与车重、轮胎的材质、类型、花纹、胎压、地面种类、干燥情况、温度和车速有关。现有的智能轮胎技术主要包括轮胎的温度、磨损程度、速度、压力、负荷检测，还无法感知路面不平度、轮胎震动以及路面的潮湿情况。且现有的智能轮胎检测系统大多数是依靠微型电池或者无线、光能供电技术，轮胎工作条件恶劣，布置空间有限，直接影响了整个系统的检测可靠性和准确性。因此，为了满足智能车辆对智能轮胎的要求，有必要设计一种新型智能轮胎状态检测装置及基于其的车辆控制方法。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种智能轮胎状态检测装置及基于其的车辆控制方法、设备，能够实时监控轮胎本体和道路的状况，并发送给智能车辆决策系统以做出相应的决策控制，提高智能车辆安全性和舒适性。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种智能轮胎状态检测装置，包括：轮胎本体状态感知模块、轮胎环境状态感知模块、供能模块和数据交互模块；

所述轮胎本体状态感知模块，用于采集轮胎在车辆行驶过程中自身的状态参数；

所述轮胎环境状态感知模块，用于采集轮胎在车辆行驶过程中所处环境的状态参数；

所述数据交互模块，用于将轮胎本体状态感知模块和轮胎环境状态感知模块采集到的数据发送给车辆ecu进行车辆控制；

所述供能模块，用于为轮胎本体状态感知模块、轮胎环境状态感知模块以及数据交互模块提供工作电源。

进一步的，所述轮胎本体状态感知模块包括：温度检测单元、胎压检测单元、磨损检测单元和负荷检测单元。

进一步的，所述温度检测单元、胎压检测单元、磨损检测单元和负荷检测单元，集成一体安装在轮胎胎面。

进一步的，所述轮胎环境状态感知模块包括：路面湿度检测单元和路面不平度检测单元；所述路面湿度检测单元采用微波雷达传感器构成，所述路面不平度检测单元采用三轴向加速度传感器构成。

进一步的，所述轮胎本体状态感知模块和轮胎环境状态感知模块，均至少设置有2个。

进一步的，所述供能模块包括多个发电装置和对应的储能装置，所述发电装置采用摩擦纳米发电装置；每个路面湿度检测单元、路面不平度检测单元、轮胎本体状态感知模块，均对应集成一个摩擦纳米发电装置和储能装置并一体安装在轮胎上。

本发明还提供一种基于上述任一种技术方案所述智能轮胎状态检测装置的车辆控制方法，包括以下步骤：

步骤1，从所述新型智能轮胎状态检测装置获取轮胎在车辆行驶过程中本体的温度、压力、磨损度、负荷，所处路面的不平度和潮湿度，另外还获取车辆的当前行驶速度；

步骤2，基于神经网络结构的轮胎工作等级识别模型，根据步骤1得到的轮胎所处路面的不平度对路面等级进行识别；然后根据识别到的路面等级和车辆当前行驶速度，设置有关于路面等级和车辆当前行驶速度的乘客舒适度约束条件；

步骤3，根据步骤1得到的轮胎本体的温度、压力、磨损度、负荷以及轮胎所在路面的湿度，设置有关于路面湿度、轮胎负荷和车辆当前行驶速度的轮胎工作约束条件；

步骤4，建立有关于乘客舒适度以及车辆行驶安全的目标函数，并基于设置的道路约束条件和轮胎工作约束条件构建的变量约束集合，对目标函数进行优化求解，得到目标驾驶速度；

步骤5，由驾驶员根据步骤4得到的目标安全驾驶速度进行车辆驾驶。

进一步的，步骤4采用帕累托优化方法对目标函数进行优化求解。

进一步的，步骤2中，在步骤1获取到轮胎在车辆行驶过程中自身和所处环境的状态参数后，先对这些状态参数进行卡尔曼滤波除噪处理，然后再根据处理后的状态参数对轮胎的工作等级进行识别。

本发明还提供一种设备，包括处理器和存储器；其中：所述存储器用于存储计算机指令；所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机指令，具体执行上述任一所述的车辆控制方法。

有益效果

本发明能够准确感知轮胎在车辆行驶过程中自身和所处环境的状态参数，以便车辆利用该准确的状态参数进行数据处理，以乘客舒适性和安全性为目标函数求解车辆的安全驾驶速度，提高车辆的安全性和舒适性；其次，感知模块集成化可以提高产品寿命，无线供电模块节省了布置空间。

与本领域现有技术相比，本明的优点包括：

1、能够采集轮胎自身和所处环境的状态参数，从而便于智能车辆能够根据状态参数调整油门和制动信号，从而保证车辆和乘员的安全舒适性，同时能提高车上的货物或者零部件的寿命；

2、供能模块采用摩擦纳米发电装置，且与感知模块集成一体安装，不仅充分利用了轮胎在震动的能量，而且省去了导线连接可以避免在恶劣工作环境下的失效；

3、轮胎本体状态感知模块集成化，有利于节省布置空间，提高部件的耐用性；

4、轮胎本体状态感知模块和轮胎环境状态感知模块，均至少设置有2个，即所有传感器均采用冗余设计，可避免传感器失效而失去信息来源以及安装在轮胎内部的更换困难。

附图说明

为了更清楚系统地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，特别说明，附图中的图的大小不受比例限制。

图1为本发明实施例所述智能轮胎状态检测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所述智能轮胎状态检测装置中各传感器在轮胎的安装位置；

图3为本发明实施例所述车辆控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将具体实施例结合附图对本发明进行详细描述，下面详细描述本发明的实施方式，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本实施例提供一种智能轮胎状态检测装置，如图1所示，包括：轮胎本体状态感知模块、轮胎环境状态感知模块、供能模块1/4和数据交互模块3/5。

所述轮胎本体状态感知模块包括温度检测单元、胎压检测单元、磨损检测单元和负荷检测单元，用于采集轮胎在车辆行驶过程中自身的状态参数，用来判断轮胎是否工作正常，以确保车辆安全行驶。所述温度检测单元、胎压检测单元、磨损检测单元和负荷检测单元，分别由温度传感器、压力传感器、应变传感器和负荷传感器构成，分别检测轮胎本体的温度、压力、磨损度、负荷，且四种传感器集成一体安装在轮胎的气密层，减小对轮胎狭小布置空间的占用空间，提高寿命，方便管理。

所述轮胎环境状态感知模块包括路面湿度检测单元和路面不平度检测单元，用于采集轮胎在车辆行驶过程中所处环境的状态参数。

所述路面湿度检测单元采用微波雷达传感器2构成，如图2所示，安装在轮胎的气密层上，主要是利用雷达传感器天线发射出特定调制的频率信号，经路面介质反射后，雷达接收回波信号，由于回波信号受路面含水量的影响而能量损耗，故比较两信号的能量损失，通过标准的水分标定表(模板)刻度，就可以得到路面的潮湿度或者含水量。

所述路面不平度检测单元采用三轴向加速度传感器6构成，如图2所示，相对于安装在车辆悬架或车身等位置而导致其振动信号经过悬架减震系统而被削弱进而影响测量精度、以及不能准确测量每个轮胎位置的路面不平度而言，本实施例将三轴向加速度传感器安装在车轮的轮辋上任意位置，从而提高轮胎所处位置的路面不平度检测的精度，得到每个轮胎准确的工作环境。三轴加速度传感器测量路面不平度的原理为：测量地面振动信号，经过模数转换为二进制数据，然后通过两次积分得到位移信号，从而作为测量的路面不平度信号使用。

由于轮胎工作环境复杂，为了防止传感器失效造成信息缺失，本实施例采用2个路面湿度检测单元和2个路面不平度检测单元，进行对称冗余安装布置。

所述数据交互模块，主要是rfid发射器组成，用于将轮胎本体状态感知模块和轮胎环境状态感知模块采集到的数据发送给车辆ecu进行车辆控制。

所述供能模块，包括多个发电装置和对应的储能装置，用于为轮胎本体状态感知模块、轮胎环境状态感知模块以及数据交互模块提供工作电源。

由于轮胎长期工作在不断变化交变载荷、轮胎变形和机械振动的环境下，拥有丰富的机械能量，因此本实施例中的发电装置通过采用摩擦纳米发电装置，且每个路面湿度检测单元、路面不平度检测单元、轮胎本体状态感知模块，均对应集成一个摩擦纳米发电装置和储能装置并一体安装，一方面可避免导线安装会有断裂失效出现，另一方面可充分利用丰富的机械能，提高能源利用率，降低成本。具体的摩擦纳米发电装置，是将材料的表面形貌制备成微纳米结构或通过化学方法用纳米管、纳米颗粒等来修饰材料表面，由于两种摩擦材料表面的电荷极性相反，所以会形成电势差，进而产生电能，能够实现简单、可靠、高效的能量采集，特别是在低频范围较传统的电磁发电更具优势。而且将供能模块与感知模块集成一体，而非采用电池与导线供电，避免安装在轮胎上的电池更换难题；另外，这种无线供电方式，适用于轮胎复杂的工作环境。

本发明还提供一种基于上述实施例所述智能轮胎状态检测装置的车辆控制方法实施例，如图3所示，包括以下步骤：

步骤1，从所述新型智能轮胎状态检测装置获取轮胎在车辆行驶过程中自身和所处环境的状态参数，包括轮胎本体的温度、压力、磨损度、负荷，以及轮胎所处路面的不平度和潮湿度，另外还获取车辆当前的行驶速度；然后对获取到的状态参数及车辆当前行驶速度进行卡尔曼滤波除噪处理；

步骤2，基于神经网络结构的轮胎工作等级识别模型，根据步骤1得到的轮胎所处路面的不平度对路面等级进行识别；然后根据识别到的路面等级和车辆当前行驶速度，设置有关于路面等级和车辆当前行驶速度的乘客舒适度约束条件；

本实施例中，将道路等级(即轮胎工作等级)按现有的标准分为8个等级，因此，轮胎工作等级识别模型的输入为轮胎所处路面的不平度，输出对轮胎所在的路面等级。

步骤3，根据步骤1得到的轮胎本体的温度、压力、磨损度、负荷以及轮胎所在路面的湿度，设置有关于路面湿度、轮胎负荷和车辆当前行驶速度的轮胎工作约束条件；

步骤4，建立有关于乘客舒适度以及车辆行驶安全的目标函数，并基于设置的道路约束条件和轮胎工作约束条件构建的变量约束集合，采用帕累托优化方法对目标函数进行优化求解，得到目标驾驶速度；

本实施例中构建的目标函数及变量约束条件为：

式中，v为目标驾驶速度，e为路面等级，vt为车辆当前行驶速度，h为路面湿度(即水膜厚度值)，m为轮胎负荷，aw为加权加速度均方根值，α为系数，μ为路面附着系数，vmin和vmax分别车辆的最小和最大限速；β,β1…βn；λ,λ1…λn；p0,p1,…,pn为拟合函数系数。

步骤5，由驾驶员根据步骤4得到的目标驾驶速度进行车辆驾驶。

本发明还提供一种设备，包括处理器和存储器；其中：所述存储器用于存储计算机指令；所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机指令，具体执行上述车辆控制方法实施例所述的方法。

最后应说明的是：以上所述具体实施方式，仅为本发明中的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，在本发明所揭露的技术范围基础上，可以对之作一些修改或改进，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

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