王锋 潘梦鹞 郇锐铁 林艺展

摘 要：基于机动车数量的日益增多及日益严峻的交通安全形势，文章设计了一种自发电机动车车轮状态监测系统。论文分析了机动车车轮状态监测的相关参数及其作用，提出了自發电机动车车轮状态监测系统方案，并分析了系统的工作原理，设计了一种车轮自发电装置用于给旋转状态下的车轮监测模块供电。论文简单分析了车轮状态监测相关参数的计算及获取方法，并根据自发电车轮状态监测系统方案搭建了系统硬件模型，实现了车轮状态监测数据的采集和远程传送及接收。

关键词：自发电装置;车轮状态监测;远程传送

中图分类号：U469.72  文献标识码：A  文章编号：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

随着我国经济社会持续快速发展，机动车保有量继续保持快速增长态势。据公安部统计，2019年全国新注册登记机动车3214万辆，机动车保有量达3.48亿辆，其中新注册登记汽车2578万辆，机动车驾驶人达4.35亿人^[1]。机动车数量快速增长的同时也造成道路交通安全形势日益严峻。目前，国家管理机动车辆的一个重要重要手段是对机动车辆实施强制性定期安全检测，但定期安全检测未能实时地反映机动车运行时的真实状况，存在一定的局限性。开展主动性机动车运行安全状态监测是机动车运行安全检测技术发展的趋势，机动车运行安全状态监测及控制技术受到越来越广泛的关注^[2-5]。

机动车在行驶过程中，车轮是其与地面接触的唯一部件，承担整车载荷、驱动、制动、转向等功能，因此，实时监测机动车车轮运行状态显得尤为重要。车轮状态监测模块通常需与车轮一起做同步圆周运动，从而实时感知车轮的运动状态信息。车轮状态检测模块通常采用干电池或锂电池供电，干电池有一定的使用寿命，锂电池同样需周期性充电，干电池或锂电池均不适宜作为车轮状态检测模块的长期工作电源;此外，干电池和锂电随车轮作高速圆周运动，长期运行存在甩脱风险，轻则导致检测模块无法正常工作，重则给车辆运行带来安全隐患。为解决上述问题，本文设计了一种自发电机动车车轮状态监测系统。

1 自发电车轮状态监测系统方案及工作原理

1.1 车轮状态监测参数

车轮状态监测参数除了传统的胎压、胎温，还有车轮i的（i=1～4）姿态角（γ_wi，θ_wi，β_wi）、轮毂速度（V_STi，V_SSi，V_SCi）、轮毂加速度（a_STi，a_SSi，a_SCi）和转动参量（ω_wi，ε_wi）它随时间t发生变化。其中，γ_wi为车轮外倾角、θ_Wi为车轮侧偏角、β_Wi为车轮横摆角;V_STi为车轮切向速度、V_SSi为车轮侧向速度、V_SCi为车轮径向速度;a_STi为车轮切向加速度、a_SSi为车轮侧向加速度、a_SCi为车轮径向加速度;ω_Wi为车轮角速度、ε_Wi为车轮角加速度。

胎压、胎温直接反映车辆运行时轮胎压力、温度是否正常;车轮运动姿态角反映车轮承载位置、磨损、甩脱、侧向移动、方向偏离状态;车轮速度和加速度反映车轮不平衡度、松动及飞脱的趋势;车轮转动参量反映车轮的滑移程度及趋势。

在车辆行驶过程中，车轮运动状态参数是动态变化的，会受到各种因素影响，但其变化量却不得而知，正常范围内的指标偏离不易引起注意，从而未能及时采取相应的预防措施，而一旦参数偏离安全指标，甚至丧失承载功能时，车辆在行驶过程中随时可能发生危及生命安全的交通事故。监测车轮运行状态参数能够实时、动态地反映车辆在行驶过程中车轮的运行状态，进而衡量车辆的运行安全状态，因此，实时监测机动车车轮状态参数具有重要的现实意义。

1.2 自发电车轮状态监测系统方案及工作原理

自发电车轮状态监测系统主要分为车轮模块和中控及远程模块两个部分，其原理图如下图1、图2所示。

图1为自发电机动车车轮状态监测系统车轮模块原理框图，图中仅展示一个车轮的系统配置，四个车轮采用相同结构。自发电装置产生的三相交流电经三相全桥整流，再经DC/DC电路滤波、稳压后，为胎温监测模块、胎压监测模块、车轮传感模块（内含三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁感应计）、车轮MCU等提供工作电源。模块采集的温度、胎压、车轮三维加速度、车轮三维角速度及车轮三维地磁强度等信号，经无线射频发射器送车内中控模块。

图2为自发电机动车车轮状态监测系统中控及远程模块原理框图，无线射频接收器用于接收四个车轮发出的无线射频信号，经中控MCU，其中胎温、胎压等直观信号直接送报警显示模块，当测量值偏离设定值时发出报警。温度、胎压、车轮三维加速度、车轮三维角速度及车轮三维地磁强度等所有信号，经中控CPU，通过串口，再经4G无线远程模块上传至互联网，在后台远程监控中心，通过数据透传云平台实时接收互联传输过来的信号数据，并通过虚拟串口将数据送至后台分析软件，分析软件在后台进行数据融合计算获得车轮运动状态参数，分析获得车轮安全性能的变化趋势，若运动状态参数或变化趋势超过预警值，则经4G互联网向车内CPU返回预警信号，向驾驶员发出预警信息。

1.3 自发电装置工作原理

自发电装置安装于汽车轮毂中心（车标位置），采用特殊结构，如图3所示，其中1为轮胎，2为轮毂，3为永磁体磁轴，4为A、B、C三相电枢绕组，5为磁轴偏心铁块，6为滚珠支撑轴承，7为自发电装置外壳，8为连接自发电装置与轮毂的连接件。

自发电装置中心永磁体磁轴采用特殊偏心结构，磁轴两端装设三角形偏心铁块，磁轴两端由滚珠轴承支撑，两个轴承分别固定在外壳上，外壳通过连接件固定在轮毂中心。永磁体磁轴在重力作用下自然朝下，不随车轮做圆周运动，即永磁体磁轴的磁场方向固定不变。自发电装置电枢绕组采用九极三相結构，电枢固定在外壳上，随轮毂一起做圆周运动，当电枢绕组与轮毂一起旋转时，电枢绕组切割永磁体磁感线，产生三相交流电，其主要电气设计参数为车轮0-1300转对应0-24VAC。自发电装置电枢随车轮旋转但其与车轮状态检测模块相对静止，因此当汽车行驶速度大于25km/h时，自发电装置可以给处于旋转状态下的车轮状态检测模块提供可靠的工作电源。

1.4 测点及模块安装示意图

图4为测点及模块安装位置示意图，其中1为车轮，2为DC/DC电路模块，安装于轮毂中心;3为自发电装置，安装于轮毂中心;4为车轮传感模块，安装于轮毂中心圆周;5为胎压监测模块，安装于气门芯;6为胎温监测测点，沿车轮圆周方向布置，每隔60度安装一个;7为中控模块，安装于车内;8为无线远程模块，安装于车内;9为报警显示装置，安装于车内驾驶员前方。

2 车轮状态监测参数的计算与获取

2.1 车轮参考坐标系

轮毂坐标系（即S_i系）：以车轮传感模块中心为坐标原点O_Si，坐标系与车轮固联，随车轮一起平移和旋转。在车轮中心平面内，沿轮毂圆周切线方向作为X_Si轴方向，沿轮毂半径方向作为Z_Si轴方向，Y_Si轴垂直于X_Si轴和Z_Si轴，构成右手坐标系，如图5所示。

轮心坐标系（即W_i系）：以车轮轴心为坐标原点O_Wi，坐标系与车轮固联，随车轮一起平移和旋转。在车轮中心平面内，沿车轮旋转轴指向车轮左侧方向作为Y_Wi轴方向，沿车轮半径指向车轮传感模块原点方向作为Z_Wi轴方向，X_Wi轴垂直于Y_Wi轴和Z_Wi轴，构成右手坐标系，如图6所示。

地心惯性坐标系（即i系）：以地球质心为坐标原点O_i，坐标系不参与地球自转。指向春分点方向作为X_i轴方向，沿地球自转轴指向北极方向作为Z_i轴方向，Y_i轴垂直于X_i轴和Z_i轴，构成右手坐标系，如图7所示。

2.2 车轮姿态角度计算

由地心惯性坐标系下车轮传感模块测得的切向、侧向、径向加速度（a_iSix，a_iSiy，a_iSiZ）输出方程进行周期变化量等式运算，可得到轮心坐标系下车轮姿态角（γ_wi，θ_wi，β_wi） ^[6]。

其中，

式中，g为重力加速度常数;ω_wyi（t）为轮心坐标下车轮轮心侧向角速度，可由陀螺仪所测角速度经坐标变换获得;a_Bx、a_By、a_Bz为车身前向、侧向、垂向加速度，直接由车身传感模块获得;、、為轮心坐标系下角速度的函数，可由地心惯性坐标系下所测角速度的正弦、余弦函数获得。

2.3 轮毂速度、加速度计算

轮毂坐标系下，车轮轮毂切向、侧向、径向加速度（a_STi，a_SSi，a_SCi）为轮毂坐标系相对轮心坐标系之间绝对运动加速度值，基于无陀螺捷联惯性导航原理求解，轮毂加速度（a_STi，a_SSi，a_SCi）等于（a_iSix，a_iSiy，a_iSiZ）减去车轮轮心加速度的值，而轮毂速度（V_STi，V_SSi，V_SCi）可由（a_STi，a_SSi，a_SCi）积分得到^[6]。

其中，

2.4 车轮转动参量计算

车轮转动参量（ω_wi，ε_wi）为轮心坐标系的角速度、角加速度，可由地心惯性坐标系下车轮传感模块陀螺仪测得的切向、侧向、径向角速度（ω_iSix，ω_iSiy，a_iSiZ）计算得到。

2.5 胎压、胎温参数的获取

胎压、胎温直接从相应监测模块获取，经信号处理后送车内显示模块及远程后台监控中心。

3 自发电车轮状态监测系统硬件模型

基于上述监测原理，搭建自发电车轮状态监测系统模型，模型由胎压监测模块、胎温监测模块、车轮传感模块、中央控制模块、无线远程通信模块等组成。系统以带Zigbee无线通信功能的微处理器CC2530作为车轮模块和中央控制模块的控制器，实现车轮模块和中央控制模块间的无线数据传送。中央控制模块经串口并利用众山科技的ZSD3410无线远程通信模块将数据通过4G无线网络发往远程后台。在远程后台，利用众山物联云平台并通过虚拟串口接收前方无线远程通信模块传送过来的数据。下图8为车轮状态监测系统的车轮传感模块，图9为中控及远程通信模块，图10为众山物联云远程数据接收平台。

4 结语

本文设计了一种自发电机动车车轮状态监测系统，提出了自发电机动车车轮状态监测系统方案，并根据方案搭建了硬件模型，实现了车轮状态监测数据的采集和远程传送及后台接收，但未对数据进行进一步分析，论文下一步的目标是搭建后台软件分析平台，对数据进行分析和处理，并将分析结果送回车内中控模块，实现预警。

参考文献

[1] 全国私家车保有量首次突破2亿辆[Z].https：//www.mps.gov.cn/ n2254314/n6409334/c6852472/content.html，2020.

[2] 金智林，严正华.基于二次预测型横向载荷转移率的汽车侧翻预警研究[J].中国机械工程.2019，30（15）： 1790-1795.

[3] 劉定策，茹超超，段锦鹏.基于VLC技术的车辆安全预警系统[J]. 自动化与仪表.2019， 34（10）： 90-94.

[4] 王潍，袁朝春，何友国.基于μ控制理论的汽车横向主动避撞系统研究[J].电气与自动化.2018，4（42）： 156-160.

[5] 吴俊，向国梁，杨俊辉等.汽车自动紧急制动（AEB）行人检测系统的开发与测试[J].汽车安全与节能学报. 2018， 9（4）： 401-409.

[6] 潘梦鹞.机动车运行安全监测新模式研究[D].广东：华南理工大学， 2012.