一種車輪運(yùn)動狀態(tài)矢量檢測系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種車輪運(yùn)動狀態(tài)矢量檢測系統(tǒng)，包括力-慣性測量組、信號傳輸組、連接軸；力慣性測量組和信號傳輸組之間通過連接軸連接；所述的信號傳輸組包括固定板、軸承、信號傳輸電路板、光電編碼器、信號傳輸組殼體、殼體蓋板；所述的連接軸貫穿信號傳輸組殼體和殼體蓋板，連接軸通過軸承分別與信號傳輸組殼體和殼體蓋板連接，信號傳輸電路板和光電編碼器設(shè)置于信號傳輸組殼體內(nèi)，固定板設(shè)置于信號傳輸組殼體上，并固定該信號傳輸組殼體。本發(fā)明提供一種具有力-運(yùn)動解耦的車輪狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)與方法，可實(shí)時(shí)測量單個(gè)車輪所受的六維力/力矩，六維速度和六維加速度，共十八維車輪運(yùn)動狀態(tài)信號。
【專利說明】一種車輪運(yùn)動狀態(tài)矢量檢測系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于汽車電子與智能監(jiān)測領(lǐng)域，尤其涉及一種力-運(yùn)動解耦的車輪狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，具體涉及車輪運(yùn)動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與集成設(shè)計(jì)；同時(shí)還涉及多維力-運(yùn)動信號的解耦方法，主要是對汽車行駛中車輪六維力信號的慣性誤差去除，從而精確得到十八個(gè)自由度的車輪力-運(yùn)動信號。
【背景技術(shù)】
[0002]汽車行駛是車輪與路面相互作用的結(jié)果，車輪的力和運(yùn)動由路面輸入，從根本上反映了汽車自身狀態(tài)，在道路試驗(yàn)和智能交通中，具有無可替代的意義。具體來說，車輪在運(yùn)動過程中一共存在十八維狀態(tài)矢量，包括六維力/力矩(縱向力，側(cè)向力，垂直力，側(cè)傾力矩，驅(qū)動/制動扭矩，橫擺力矩，簡稱Fx，F(xiàn)y, Fz, Mx, Mr, Mz)，六維速度/角速度(縱向速度，側(cè)向速度，垂直速度，縱向角速度，側(cè)向角速度，垂直角速度，簡稱Vx，Vy, Vz, Wx, Wy, Wz)，六維加速度/角加速度(縱向加速度，側(cè)向加速度，垂直加速度，縱向角加速度，側(cè)向角加速度，垂直角加速度，簡稱ax，ay，az，α χ, α y，α ζ)。
[0003]早期的車輪傳感器僅對轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量。從20世紀(jì)70年代起，美國通用公司最早進(jìn)行了車輪力/力矩傳感器(Wheel Force Transducer, WFT)的研究，目前美、德、日以及中國均已有類似的產(chǎn)品。但由于WFT安裝在高速旋轉(zhuǎn)的車輪上，車輛進(jìn)行運(yùn)動，傳感器存在滾動和平動兩種方式，因而其測量始終處于一個(gè)運(yùn)動場中。由牛頓慣性定律可知，運(yùn)動場中的加速度矢量將會給WFT傳感器帶來附加的慣性力/力矩，使得實(shí)際測量的車輪力存在慣性分量疊加，導(dǎo)致WFT傳感器的精度降低。因此，要提高車輪力測量準(zhǔn)確性，必須從中剔除慣性力/力矩，即實(shí)現(xiàn)力-運(yùn)動解耦。近年來，伴隨著以MEMS為代表的運(yùn)動傳感器的發(fā)展，國外發(fā)達(dá)國家已經(jīng)研發(fā)出兼具力和運(yùn)動信號組合測量的裝置與解耦技術(shù)，可同時(shí)檢測并分離出車輪的速度，加速度以及力信號。我國在這方面的技術(shù)還處于理論階段，主要在WFT傳感器的開發(fā)，對于實(shí)現(xiàn)力-運(yùn)動解耦的車輪多維監(jiān)測技術(shù)還是空白；在汽車性能測試和道路試驗(yàn)中，往往采用借鑒國外參數(shù)或者經(jīng)驗(yàn)方法，難有定量數(shù)據(jù)分析的設(shè)備和方法，且在實(shí)際中仍存在很多問題:
[0004](I)進(jìn)口設(shè)備的價(jià)格昂貴，不利于降低成本；
[0005](2)采用的標(biāo)準(zhǔn)不同，不適合我國的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；
[0006](3)核心關(guān)鍵解耦技術(shù)實(shí)施封鎖，不利于國產(chǎn)測試設(shè)備和車輛的自主研發(fā)。
[0007]因而，研發(fā)具有自主產(chǎn)權(quán)的系統(tǒng)和設(shè)裝，以滿足汽車公司和試驗(yàn)場對于車輪力-運(yùn)動的測量技術(shù)的需求，對我國的汽車工業(yè)具有重要的意義。
[0008]現(xiàn)有技術(shù)中，ZL200320110714.5專利公開了一種汽車車輪多維力測量裝置，是一種汽車行駛工況下車輪受力狀態(tài)的實(shí)時(shí)測量裝置；ZL200320110713.0公開了一種車輪多維力傳感器，是一種汽車行駛工況檢測系統(tǒng)中的力傳感器；ZL201220102243.2和ZL201210071761.7公開了一種測量車輪六維力的傳感器，由安裝在車輪上的隨著轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)部分和與車輛本身相對靜止的非旋轉(zhuǎn)部分組成，能夠?qū)崟r(shí)測量單個(gè)車輪的六維力信號。然而，上述專利在實(shí)際應(yīng)用還存在非常多的不足:
[0009]1、均為一般性的WFT傳感器，僅是針對車輪所受的多維力測量，自由度最多為六，未涉及車輪速度和加速度等運(yùn)動量測量，未能全面的反映車輪運(yùn)動狀態(tài)。
[0010]2、汽車以及車輪運(yùn)動具有慣性，車輪力傳感器測得的六維力信號中含有非常大的慣性力因素影響，測量輸出中的誤差較大。例如在汽車剎車和制動過程中，由于慣性而產(chǎn)生的動態(tài)力也將反映在其傳感器的測量結(jié)果中，嚴(yán)重影響了測量精度。
[0011]3、WFT傳感器的力信號解耦僅僅依靠車輪一維旋轉(zhuǎn)角度獲得，在實(shí)際的汽車測試中，通常還需結(jié)合其他的外部傳感器如運(yùn)動傳感器，位移傳感器等，未有集成的系統(tǒng)設(shè)備和方法，且此時(shí)的數(shù)據(jù)分析為離線處理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種實(shí)現(xiàn)力-運(yùn)動解耦的車輪狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)與方法，實(shí)時(shí)測量單個(gè)車輪所受的六維力/力矩，六維速度/角速度以及和六維加速度/角加速度，共十八維車輪運(yùn)動狀態(tài)矢量信號。
[0013]技術(shù)方案:本發(fā)明的一種的車輪運(yùn)動狀態(tài)矢量檢測系統(tǒng)，包括力-慣性測量組、信號傳輸組、連接軸；慣性測量組和信號傳輸組之間通過連接軸連接；所述的信號傳輸組包括固定板、軸承、信號傳輸電路板、光電編碼器、信號傳輸組殼體、殼體蓋板；所述的連接軸貫穿信號傳輸組殼體和殼體蓋板，連接軸通過軸承分別與信號傳輸組殼體和殼體蓋板連接，信號傳輸電路板和光電編碼器設(shè)置于信號傳輸組殼體內(nèi)，固定板設(shè)置于信號傳輸組殼體上，并固定該信號傳輸組殼體；所述的力-慣性測量組包括彈性體、慣性傳感器、結(jié)構(gòu)殼體、車輪內(nèi)的改制輪輞、焊接法蘭、內(nèi)法蘭、慣性傳感器和采集電路板，所述的慣性傳感器和采集電路板設(shè)置于結(jié)構(gòu)殼體內(nèi)，所述的彈性體還設(shè)置有剛性外環(huán)、剛性內(nèi)環(huán)和六維車輪力傳感器，所述的剛性內(nèi)環(huán)由內(nèi)法蘭固定至至車輪的驅(qū)動半橋，所述的剛性外環(huán)通過焊接法蘭固定至改制輪輞，所述六維車輪力傳感器通過探測彈性體的形變測量得到六維車輪力；所述的六維車輪力傳感器和慣性傳感器的信號傳送至采集電路板，所述的采集電路板將信號傳送至信號傳輸電路板，所述的光電編碼器的信號傳輸至信號傳輸電路板。
[0014]所述的力-慣性測量組件為六維WFT傳感器和慣性傳感器構(gòu)成的組合式測量方法，用于測量車輪所受的十二維力-運(yùn)動信號，實(shí)現(xiàn)信號的采集，調(diào)理和發(fā)送。整個(gè)結(jié)構(gòu)組件主要由六維WFT車輪力傳感器，三維MEMS陀螺儀，三維MEMS加速度計(jì)，采集電路板以及內(nèi)置電源組成，固定于一個(gè)結(jié)構(gòu)殼體內(nèi)，可隨車輪一起旋轉(zhuǎn)。其中，WFT傳感器用于測量車輪所受的六維力/力矩信號(Fx，F(xiàn)y, Fz, Mx, Mr, Mz)，當(dāng)汽車行駛時(shí)，地面-車輪的力加載到WFT的應(yīng)變梁上并使之變形，粘貼在應(yīng)變梁上的電阻應(yīng)變片感受這種變形而產(chǎn)生阻值變化，再由組橋電路將其轉(zhuǎn)變?yōu)槿醯牟顒与妷盒盘?，通過采集板卡上的信號調(diào)理電路將該模擬電壓信號濾波、放大，并經(jīng)采集板卡上的微型控制器(Micro Control Unit, MCU)的A/D接口轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號緩存。與此同時(shí)，包含MEMS陀螺儀和MEMS加速度的慣性傳感器，用于檢測車輪的六維運(yùn)動信號——三維角速度(Wx，Wy, Wz)和三維加速度(ax，ay，az)，該單元精確的安裝于采集板卡所處的輪心位置處，可對車輪運(yùn)動進(jìn)行測量，并直接輸出六維運(yùn)動的數(shù)字信號。
[0015]在本發(fā)明一個(gè)較佳的實(shí)例中，采用由應(yīng)變梁，剛性內(nèi)環(huán)和剛性外環(huán)組成的輪輻對稱式WFT彈性體(如圖4)，該結(jié)構(gòu)由彈性合金材料制成的一體式結(jié)構(gòu)，其材料抗拉強(qiáng)度不小于980Mpa，屈服強(qiáng)度不小于840MPa，經(jīng)表面熱處理后,可承受很大的載荷又在彈性變形范圍內(nèi)；
[0016]在本發(fā)明一個(gè)較佳的實(shí)例中，采用美國InvenSense公司的MPU-6050慣性測量單元，該單元集成了三軸MEMS陀螺儀，三軸MEMS加速度計(jì)，以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動處理器，芯片尺寸小(4mmX4mmX0.9mm)方便集成,采用無引線方形封裝,可承受最大IOOOOg的沖擊，寄存器之間通信采用400kHz的I2C接口，且讀取和中斷可用20MHz的SPI，以滿足需要高速傳輸?shù)膽?yīng)用。該傳感器還存在可控測量范圍，陀螺儀為±250，±500，±1000，±2000° /秒(dps)，加速度計(jì)為±2，±4，±8，±16g，能夠精確跟蹤快速和慢速的運(yùn)動，通過陀螺儀和加速度計(jì)各自的16位ADC，可將測量的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，完全滿足汽車行駛工況下車輪力信號的精度補(bǔ)償。
[0017]在本發(fā)明一個(gè)較佳的實(shí)例中，力-慣性測量組件的采集電路板設(shè)計(jì)為便于安裝的環(huán)形結(jié)構(gòu)，主要集成了一塊具有高速處理能力和低功耗要求的微型控制器(單片機(jī)，MCU)，以及一個(gè)用于對十二維信號進(jìn)行發(fā)射和接收的一體式無線數(shù)字芯片，通過MCU的總線接口實(shí)現(xiàn)對無線傳輸芯片的驅(qū)動，將十二維的數(shù)字信號發(fā)送出去。選用美國Silicon Labs公司的C8051F021單片機(jī)，該單片機(jī)采用流水線指令結(jié)構(gòu)，8位ADC的可編程轉(zhuǎn)換速率達(dá)500ksps,內(nèi)核速度達(dá)25MIPS，22個(gè)矢量中斷源，3.3V低電壓工作，滿足對力-運(yùn)動信號的高速處理，選用美國Nodic公司的無線數(shù)字傳輸芯片nRF2401，工作于2.4GHz?2.5GHz的全球免申請(ISM)頻率，具有250Kbps、IMbps高速數(shù)據(jù)傳輸速率。整個(gè)力-慣性測量組的電氣元件由一組內(nèi)置電源供電，固定安裝于采集模塊殼體內(nèi)部。
[0018]所述的信號傳輸組用于將十二維數(shù)字信號進(jìn)行接收，編碼，打包并通過總線上傳至上位機(jī)，主要包括光電編碼器，信號傳輸電路板，連接軸及其軸承組成，該組件通過連接軸一端固定于力-慣性測量模塊結(jié)構(gòu)殼體，另一端經(jīng)過兩對軸承可貫穿于傳輸模塊內(nèi)部，整個(gè)模塊組由一塊固定板連接于車身上的支座，即相對于車身靜止。同樣地，信號傳輸電路板的上也集成了一塊MCU和一體式無線數(shù)字芯片，通過MCU控制和驅(qū)動無線芯片進(jìn)行接收，并實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，將編碼同步的數(shù)字信號回傳給上位機(jī)。
[0019]在本發(fā)明一個(gè)較佳的實(shí)例中，采用12位單圈絕對式光電編碼器作為轉(zhuǎn)角位置反饋元件，可將車輪的轉(zhuǎn)角以脈沖的形式輸出，轉(zhuǎn)速正比于脈沖頻率，轉(zhuǎn)角值正比于脈沖個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)十二維力-運(yùn)動信號的實(shí)時(shí)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和信號同步編碼，該車體-車輪坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系與ZL201210077400相同；采用的MCU和無線芯片與力-慣性測量組采集電路板相配套；組塊內(nèi)部的電氣件同樣由一塊內(nèi)置電源供電，固定安裝于傳輸殼體內(nèi)表面。
[0020]進(jìn)一步地，彈性體(5)上設(shè)置有應(yīng)變梁，所述的六維車輪力傳感器為設(shè)置在應(yīng)變梁上的若干個(gè)電阻應(yīng)變片，所述慣性傳感器(10)包括MEMS三軸陀螺儀和MEMS三周加速度傳感器。
[0021]進(jìn)一步地，所述的上位機(jī)系統(tǒng)主要由車載采集機(jī)硬件與力-運(yùn)動解耦程序組成，用于對信號模塊發(fā)送的十二維信號依次進(jìn)行接收和數(shù)字濾波，信號補(bǔ)償，多維解耦，最后實(shí)時(shí)輸出結(jié)果顯示。車載采集機(jī)為插卡式結(jié)構(gòu)，采用一主多從的分布式架構(gòu)，各個(gè)從模塊獨(dú)立、并行的對十二維力-運(yùn)動信號接收，通過內(nèi)置的卡爾曼濾波器進(jìn)行簡單降噪處理，數(shù)據(jù)匯總到主模塊存貯；力-運(yùn)動解耦程序主要包括信號補(bǔ)償算法和力-運(yùn)動解耦算法，先通過信號補(bǔ)償算法將測得的十二維力-運(yùn)動信號補(bǔ)償為十八維力-運(yùn)動信號，再由力-運(yùn)動解耦算法剔除慣性力/力矩的分量耦合，最后存貯并精確輸出顯示十八維力-運(yùn)動信號。
[0022]進(jìn)一步地，采集電路板上設(shè)置有無線數(shù)字芯片，所述的采集電路板將無線信號傳輸至信號傳輸電路板；所述的車輪運(yùn)動狀態(tài)矢量檢測系統(tǒng)還包括上位機(jī)，所述的信號傳輸電路板上設(shè)置有無線數(shù)字芯片，信號傳輸電路板將無線信號傳輸至上位機(jī)。
[0023]進(jìn)一步地，上位機(jī)采用如下方法處理接收到的信號:
[0024](I)讀取上位機(jī)主存貯模塊接收的十二維力-運(yùn)動信號——六維力/力矩Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz,三維角速度Wx、%、Wz和三維加速度ax、ay、az ；。
[0025](2)預(yù)先存儲的車輪半徑數(shù)據(jù)R，根據(jù)接收到的力-運(yùn)動信號由以下兩式計(jì)算得到三維速度1、\、1和三維角加速度αχ、ay、αζ，，并將力-運(yùn)動信號、三維速度^、\和三維角加速度α χ、α y、α ζ，定義為輸入信號S ；
[0026]Vi = Rffi ；
[0027]Bi = R a j ； [0028](3)讀取預(yù)先存儲的標(biāo)定矩陣G和根據(jù)有限元分析計(jì)算得到的材料屬性及應(yīng)變梁相關(guān)系數(shù)λ，計(jì)算得到修正矩陣K = G-λ AF/S ;
[0029](4)根據(jù)計(jì)算得到的修正矩陣K計(jì)算得到真實(shí)車輪力Fk = K.S。
[0030]該方法即為信號補(bǔ)償算法，其步驟原理為:
[0031](I).讀取上位機(jī)主存貯模塊接收的十二維力-運(yùn)動信號——六維力/力矩(Fx，F(xiàn)y, Fz, Mx, Mr, Mz)，三維角速度(Wx，Wy, Wz)和三維加速度(ax，ay，az)。
[0032](2).實(shí)時(shí)補(bǔ)償計(jì)算出剩余六維運(yùn)動信號——三維速度(Vx，Vy, Vz)和三維角加速度(αχ，ay, a J0根據(jù)理論力學(xué)的剛體定軸轉(zhuǎn)動公式可知，轉(zhuǎn)動剛體上任一點(diǎn)的線矢量與該點(diǎn)的角矢量成正比，即
[0033]V1 = Rffi (I)
[0034]Bi = R a j (2)式中，i = X，y, ζ為相應(yīng)的坐標(biāo)方向。當(dāng)已知車輪的三維角速度Wi和三維加速度ai;給定的車輪滾動半徑R，即可補(bǔ)償計(jì)算出剩余三維速度Vi和三維加速度a i，例如某輕型小汽車采用型號的175/65-R14輪胎，其正常胎壓下滾動半徑為由標(biāo)準(zhǔn)手冊可查到為284mm。
[0035](3).將補(bǔ)償?shù)玫降牧S運(yùn)動信號與原十二維力-運(yùn)動信號共同打包，即對十八維力-運(yùn)動信號進(jìn)行緩存，以供后續(xù)處理。
[0036]所述的力-運(yùn)動解耦算法為利用運(yùn)動信號(加速度信號Bi和補(bǔ)償?shù)慕羌铀俣萢 j)來對慣性耦合分量進(jìn)行計(jì)算和估計(jì)，并在WFT測量的六維力信號中將該部分剔除。其具體原理和實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0037](I).各單維慣性力/力矩分量的等效計(jì)算。
[0038]根據(jù)牛頓定律和轉(zhuǎn)動慣量等效定律，車輪所受的各個(gè)六維慣性力遵從公式:
[0039]Δ Fi = Iiiai (3)
[0040]AMi = Jiai (4)式中，ΛFi為i方向慣性力，ΛMi為i方向慣性力矩，m和Ji分別為車輪的質(zhì)量和繞i軸的轉(zhuǎn)動慣量(已知常量)。顯然，由加速度信號％和角加速度信號Cii，可計(jì)算各方向上的慣性力/力矩AFi和ΛΜρ因而，算法程序中第一步為實(shí)時(shí)讀取上位機(jī)緩存的三維加速度和三維角加速度，由式(3-4)計(jì)算相應(yīng)方向的慣性力/力矩并暫存。
[0041](2).慣性耦合分量引起的誤差剔除(即傳遞系數(shù)的修正)。
[0042]由多維傳感器的基本原理，輸出信號與敏感元件存在關(guān)系
[0043]F0 = G-S (5)由傳感器上的敏感元件(應(yīng)變片)感受外部作用(力/力矩)而產(chǎn)生輸入信號S，經(jīng)由一個(gè)傳遞矩陣G解耦和放大，可得到六維信號輸出匕。當(dāng)輸入S中疊加進(jìn)一個(gè)誤差分量AS(由慣性力/力矩引起)時(shí)，將導(dǎo)致輸出信號F。含有放大的誤差分量Λ匕，可設(shè)修正后的傳遞矩陣為K，則可得
[0044]Fe = K.S = F0- δ F = G.S- δ F (6)式中，F(xiàn)k為六維力/力矩的真值，F(xiàn)0為六維力/力矩的輸出值，S F為有效慣性載荷誤差。
[0045]由于動態(tài)標(biāo)定的難以實(shí)現(xiàn)，系數(shù)G為靜力標(biāo)定得到，未考慮動態(tài)輸出的慣性因素影響。通過對矩陣G進(jìn)行修正可減小或剔除這個(gè)誤差，從而提高精度，即為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述的慣性解耦。則由式(6)可得修正后的傳遞系數(shù)為
[0046]K = G-S F/S (7)
[0047]顯然，SF與慣性力(AF或AM)的大小和彈性體的載荷分布相關(guān)。即
[0048]δ F = λ.AF
[0049]由材料力學(xué)的變形位移方程，可求得與材料屬性以及應(yīng)變梁尺寸相關(guān)的系數(shù)λ ；而當(dāng)求解復(fù)雜時(shí)，可采用有限元分析，使用ANSYS軟件將該彈性體劃分單元并計(jì)算系數(shù)λ。整理式(6)~(7)得
[0050]K = G-A Λ F/S (8)
[0051]在本發(fā)明一個(gè)較佳的實(shí)例中，如一個(gè)由8個(gè)應(yīng)變梁組成WFT其應(yīng)變片排布組橋與ZL200320110714.5相同，按照上述方法可給出λ值的計(jì)算和傳遞系數(shù)修正。該WFT各通道輸出為:
【權(quán)利要求】
1.一種的車輪運(yùn)動狀態(tài)矢量檢測系統(tǒng)，其特征在于，包括力-慣性測量組(18)、信號傳輸組(19)、連接軸(11);慣性測量組(18)和信號傳輸組(19)之間通過連接軸(11)連接；所述的信號傳輸組(18)包括固定板(13)、軸承(12)、信號傳輸電路板(14)、光電編碼器(15)、信號傳輸組殼體(16)、殼體蓋板(17);所述的連接軸(11)貫穿信號傳輸組殼體(16)和殼體蓋板(17)，連接軸(11)通過軸承(12)分別與信號傳輸組殼體(16)和殼體蓋板(17)連接,信號傳輸電路板(14)和光電編碼器(15)設(shè)置于信號傳輸組殼體(16)內(nèi)，固定板(13)設(shè)置于信號傳輸組殼體(16)上，并固定該信號傳輸組殼體(16);所述的力-慣性測量組(18)包括彈性體(5)、慣性傳感器(10)、結(jié)構(gòu)殼體(7)、車輪內(nèi)的改制輪輞(4)、焊接法蘭(3)、內(nèi)法蘭(6)、慣性傳感器(10)和采集電路板(9)，所述的慣性傳感器和采集電路板(9)設(shè)置于結(jié)構(gòu)殼體(7)內(nèi)，所述的彈性體(5)還設(shè)置有剛性外環(huán)、剛性內(nèi)環(huán)和六維車輪力傳感器，所述的剛性內(nèi)環(huán)由內(nèi)法蘭出)固定至至車輪的驅(qū)動半橋，所述的剛性外環(huán)通過焊接法蘭(3)固定至改制輪輞(4)，所述六維車輪力傳感器通過探測彈性體的形變測量得到六維車輪力；所述的六維車輪力傳感器和慣性傳感器(10)的信號傳送至采集電路板(9)，所述的采集電路板(9)將信號傳送至信號傳輸電路板(14)，所述的光電編碼器(15)的信號傳輸至信號傳輸電路板(14)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車輪運(yùn)動狀態(tài)矢量檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述的彈性體(5)上設(shè)置有應(yīng)變梁，所述的六維車輪力傳感器為設(shè)置在應(yīng)變梁上的若干個(gè)電阻應(yīng)變片，所述慣性傳感器(10)包括MEMS三軸陀螺儀和MEMS三軸加速度傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車輪運(yùn)動狀態(tài)矢量檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述的采集電路板(9)上設(shè)置有無線數(shù)字芯片，所述的采集電路板(9)將無線信號傳輸至信號傳輸電路板(14);所述的車輪運(yùn)動狀態(tài)矢量檢測系統(tǒng)還包括上位機(jī)，所述的信號傳輸電路板上(14)設(shè)置有無線數(shù)字芯片，信號傳輸電路板(14)將無線信號傳輸至上位機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的車輪運(yùn)動狀態(tài)矢量檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述的上位機(jī)采用如下方法處理接收到的信號: (1)讀取上位機(jī)主存貯模塊接收的十二維力-運(yùn)動信號——六維力/力矩Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz,三維角速度Wx、Wy、Wz和三維加速度ax、ay、az ；。 (2)預(yù)先存儲的車輪半徑數(shù)據(jù)R，根據(jù)接收到的力-運(yùn)動信號由以下兩式計(jì)算得到三維速度^、\、\和三維角加速度αχ、ay、αζ，，并將力-運(yùn)動信號、三維速度Vx、Vy、Vz和三維角加速度α χ、α y、α z，定義為輸入信號S ；
Vi = RWi ；
Bi = R a J ； (3)讀取預(yù)先存儲的標(biāo)定矩陣G和根據(jù)有限元分析計(jì)算得到的材料屬性及應(yīng)變梁相關(guān)系數(shù)λ，計(jì)算得到修正矩陣K = G- λ Λ F/S ; (4)根據(jù)計(jì)算得到的修正矩陣K計(jì)算得到真實(shí)車輪力Fk= K.S。
5.一種車輪運(yùn)動狀態(tài)矢量檢測方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)讀取上位機(jī)主存貯模塊接收的十二維力-運(yùn)動信號——六維力/力矩Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz,三維角速度Wx、Wy、Wz和三維加速度ax、ay、az ；。 (2)預(yù)先存儲的車輪半徑數(shù)據(jù)R，根據(jù)接收到的力-運(yùn)動信號由以下兩式計(jì)算得到三維速度^、\、\和三維角加速度αχ、ay、αζ，，并將力-運(yùn)動信號、三維速度Vx、Vy、Vz和三維角加速度α χ、α y、α z，定義為輸入信號S ；
Vi = Rffi ；
Bi = R a J ； (3)讀取預(yù)先存儲的標(biāo)定矩陣G和根據(jù)有限元分析計(jì)算得到的材料屬性及應(yīng)變梁相關(guān)系數(shù)λ，計(jì)算得到修正矩陣K = G- λ Λ F/S ; (4)根據(jù)計(jì)算得到的修正矩陣K計(jì)算得到真實(shí)車輪力Fk= K.S。
【文檔編號】G01L1/22GK103968976SQ201410182790
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月30日
【發(fā)明者】林國余, 馮李航, 張為公, 戴棟, 晏華文, 楊帆 申請人:東南大學(xué)