一种基于长标距光纤传感的智能轮胎监测方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于长标距光纤传感的智能轮胎监测方法及系统，该方法通过实时采集长标距光纤传感系统输出的应变时程数据，基于改进的共轭梁法反演轮胎竖向位移，并基于长标距应变时程数据实时计算接地长度和根据长标距光纤传感器位置信息计算轮胎转速，输出轮胎运行过程中竖向位移、接地长度、转速等参数信息。本发明从理论和设备两个层次提供了一种高效、实时连续、准确的智能轮胎参数监测，不仅可以有效应用于广大桥梁快速健康监测，而且在道路安全诊断和汽车运行状态评估领域具有巨大的潜力和应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于长标距光纤传感的智能轮胎监测方法及系统，属于智能轮胎、汽车 以及桥梁结构健康监测技术领域。

背景技术

汽车作为日常出行和运输的常用交通工具，在社会经济发展和人们生产生活中发挥着不 可忽视的作用。为了让汽车能够更好地服务社会，对行车过程中汽车状况的监测已成为汽车 工业的迫切需要。近年来，无人驾驶汽车技术的发展，更加促使汽车往智能化的方向发展， 而轮胎作为汽车和地面直接接触部件，更加需要做到智能化。

目前，存在一些测量轮胎竖向位移的方法，但都存在着种种缺陷。基于激光、声波和磁 感原理的方法已有较成熟的研究成果，但这些方法均是测量轮胎内壁上某一固定点的径向位 移变化量，只有在该点处于接地中心时，才能测得轮胎竖向变形，也就是说在轮胎转动一周 的情况下只能测得一次竖向位移，无法做到实时监测轮胎竖向位移。基于数字图像相关的方 法可以实时监测轮胎变形，但其应用目前仅限于实验室进行静态实验，要推广到动态应用， 则相机需要通过专门的装置固定在汽车上，对相机的保护工作是关键问题，同时轮胎转速非 常高，要达到理想的测量结果，必须采用高速相机，其价格过于昂贵，无法在实际生活中推 广运用。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于长标距光纤传感的智能轮胎监测 方法及系统。本发明通过一体化设备实时采集长标距光纤传感系统输出的应变时程数据，基 于改进的共轭梁法识别轮胎竖向位移，并基于长标距应变时程数据实时计算接地长度和根据 长标距光纤传感器位置信息计算轮胎转速，输出轮胎运行过程中竖向位移、接地长度、转速 等参数信息。本发明可实现车辆正常行驶下轮胎的竖向变形、转速以及接地面积的实时连续 测量，可用于竖向车轮力的识别以及车辆行驶状态评估，进一步可应用于桥梁结构的健康监 测。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种基于长标距光纤传感的智能轮胎监测方法，具体步骤如下：

步骤1，通过安装在轮胎上的长标距光纤传感器，实时采集轮胎在荷载作用下的动态长 标距应变时程数据；

步骤2，基于改进的共轭梁法，利用步骤1中采集到的长标距应变时程数据，实时计算 荷载作用下轮胎的竖向变形；

步骤3，利用步骤1中采集到的长标距应变时程数据，实时计算轮胎的转速；

步骤4，利用步骤1中采集到的长标距应变时程数据，实时计算轮胎的接地长度；

步骤5，输出步骤2至4中得到的轮胎的竖向变形、转速和接地长度时程曲线，作为轮 胎参数的实时监测结果。

作为本发明的进一步技术方案，步骤1中长标距光纤传感器安装在轮胎胎壁的内侧或外 侧或集成进轮胎胎壁橡胶内部。

作为本发明的进一步技术方案，步骤1中长标距光纤传感器的数量根据轮胎的实际尺寸 确定。

作为本发明的进一步技术方案，步骤1中单根长标距光纤传感器对应角度在10至20度。

作为本发明的进一步技术方案，步骤2中轮胎竖向位移d＝d^M+d^N，其中，d^N＝r×ε^N，d^M＝max(v_p)，r为轮胎初始半径，ε^N为长标距应变时程数据中的轴压应变分量，ε_i为第i根长标距光纤传感器的应变时程数据，n为长标距光纤传感器总数目，>p为轮胎上任意一点p的径向位移。

作为本发明的进一步技术方案，若p点处于第j根长标距光纤传感器的标距段内，则 θ为长标距光纤传感器的对应角 度，r为轮胎初始半径，q_ri为第i根传感器标距段的径向均布力，a为p点将所在第j根长标距光>

作为本发明的进一步技术方案，步骤3中轮胎的转速式中，d_t为长标距应变时>

作为本发明的进一步技术方案，步骤4中轮胎的接地长度式中， a为修正系数；r为轮胎初始半径；d为轮胎竖向位移。

本发明还提供一种基于长标距光纤传感的智能轮胎监测系统，包括中央信号控制系统以 及分别与其连接的长标距光纤传感系统、数据分析系统，其中：

长标距光纤传感系统包括若干设置在轮胎上的长标距光纤传感器，用于实时采集轮胎在 荷载作用下的动态长标距应变时程数据并传输至中央信号控制系统；

数据分析系统，用于采用如权利要求1至7中任一所述的轮胎监测方法，根据长标距应 变时程数据计算轮胎竖向位移、接地长度和转速并传输至中央信号控制系统；

中央信号控制系统，用于实时展示轮胎的竖向变形、转速和接地长度时程曲线。

本发明所提出的一种基于长标距光纤传感的智能轮胎监测方法及系统与现有的监测轮胎 竖向变形的方法具有本质的不同。本发明方法在轮胎上均匀粘贴一圈长标距应变传感器，能 够直接监测轮胎变形、接地等状态，具有操作简单、结果精确、抗噪音能力强以及实时性的 优点，能够更加有效的对轮胎进行监测，从而有应用于车辆工程、道路工程以及桥梁工程健 康诊断和性能评估的前景。与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)能够实现轮胎竖向变形的实时准确估算，与传统方法相比，本发明方法在轮胎行驶 过程中，能得到轮胎任意时刻任意点的应变信息；

(2)能够利用测量得到的应变信息，基于改进的共轭梁法，精确估算轮胎的竖向变形， 从而达到实时监测轮胎竖向变形的效果；

(3)能够得到轮胎与路面接触点的信息，与传统方法相比，本发明方法所用长标距应变 传感器粘贴于胎壁外表面，所测得的应变为车辆与路面接触点的直接信息，不受路面状况和 障碍物的影响，具有较好的抗噪声性能和更为广泛的应用前景；

(4)能够同时得到轮胎的竖向位移、接地长度以及轮胎侧壁应变等信息，实现一专多能， 为智能汽车系统提供更多有用信息。

附图说明

图1是本发明的基于长标距光纤传感的智能轮胎监测系统结构示意图；

图2是本发明的基于长标距光纤传感的智能轮胎监测方法流程图；

图3是本发明方法的改进共轭梁法的轮胎简化模型及其共轭结构，其中，(a)是轮胎简 化模型，(b)是共轭结构；

图4是轮胎胎壁周圈应变图；

图5是实验采集轮胎胎壁应变图；

图6是本发明方法计算得到的轮胎径向位移图；

图7是本发明方法计算的轮胎竖向位移时程曲线和激光位移计得到的轮胎竖向位移时程 曲线对比图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附 图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术 语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理 解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一 致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

图1和图2为发明的基于长标距光纤传感的智能轮胎监测系统结构示意图以及方法流程 图。本发明中，将长标距光纤传感器粘贴于轮胎胎壁，实时采集轮胎在荷载作用下的动态长 标距应变时程数据，并通过解调仪将信息传输到电脑，基于改进的共轭梁法，便可以得到轮 胎胎壁的径向位移，进而得到轮胎的竖向位移时程曲线，并进一步计算轮胎的接地长度时程 曲线；同时，本发明中采集的轮胎胎壁应变为轮胎与地面接触点的信息，可进一步根据应变 时程曲线，计算得到轮胎的转速。该方法不同于传统的轮胎竖向位移监测方法，可以实现实 时监测轮胎竖向位移，更加具有实用价值，同时可以得到轮胎胎壁的应变时程曲线，为轮胎 与地面接触点的直接信息，可以用于桥梁结构损伤识别、轮胎状态评估等众多领域，这是本 发明的独特之处。

本发明具体实施步骤如下：

首先，长标距光纤传感粘贴。根据使用需求和所用轮胎特点，长标距光纤传感可以粘贴 于胎壁内侧或者外侧，也可以集成进轮胎胎壁橡胶内部。根据轮胎直径等参数，选定所需长 标距光纤传感数目，宜使单根长标距应变传感器对应角度在10～20度为最佳。选用合适胶水 粘贴长标距应变传感器，所用胶水宜为硬胶水。

其次，轮胎在荷载作用下的动态长标距应变时程数据的采集。根据实验需求，设置长标 距光纤传感解调仪参数，如采样频率等。参数设置完成后，利用长标距光纤传感，采集轮胎 胎壁长标距应变时程数据，并对采集的信息进行存储。

最后，轮胎竖向位移和接地长度计算。在得到任意时刻轮胎胎壁应变信息后，基于改进 的共轭梁法，可以得到任意时刻轮胎的竖向位移。利用计算得到的竖向位移，得到接地中心 点的半径，从而利用三角关系计算轮胎接地长度。

本发明通过基于改进的共轭梁法实现轮胎竖向位移计算，操作简单，并可以得到轮胎竖 向位移时程曲线，在车辆工程、道路工程和桥梁工程中均有着广泛的应用前景。

本发明中，基于改进的共轭梁法，将轮胎简化为刚性环模型(即共轭结构，如图3中的 (a)和(b)所示)，并利用动态长标距应变时程数据计算任意荷载作用下轮胎的竖向变形。

所述改进的共轭梁法：

长标距应变时程数据包含轴压应变和弯曲应变两部分，同理，轮胎的径向变形也由弯 矩引起的径向位移和轴向压力引起的径向位移两部分组成，改进的共轭梁法是基于弯曲应变 分量来计算弯矩引起的竖向位移(径向位移的最大值)，因此，需要对所测得的应变进行轴压 应变分离：

ε＝ε^N+ε^M>

式中：ε^N为长标距应变时程数据中的轴压应变分量；ε^M为长标距应变时程数据中的弯曲>i为第i根长标距光纤传感器的应变时程数据，n为长标距光纤传感器总数目。

利用剔除轴压应变后得到的弯曲应变，结合改进的共轭梁法，求解由弯矩引起的径向位 移。

原结构(两端固结)平衡方程：

共轭结构(两端自由)平衡方程：

比较式(4)和式(5)，可见只要式(6)成立，则在同一截面上两式的数学形式完全相同。

式中：v^M为由弯曲引起的径向位移；s为切向坐标；r为径向坐标；M为节点弯矩；E为弹性>r为径向均布力。

从而将求解原结构弯矩引起的径向位移问题转化为求解共轭梁的弯矩问题。

若p点处于第j根长标距光纤传感器的标距段内，则轮胎上任意一点p的径向位移为：

式中：θ为长标距光纤传感器的对应角度，r为轮胎初始半径，q_ri为第i根传感器标距段的>

故而，由弯矩引起的轮胎竖向位移为：

d^M＝max(v_p)>

所述的轮胎竖向位移计算方法如下：

轮胎竖向位移分为弯矩引起的竖向位移和轴压引起的径向竖向位移两部分组成，弯矩引 起的竖向位移由改进的共轭梁法计算，由轴向压力引起的竖向位移可以由下式求解：

d^N＝r×ε^N>

从而最终得到轮胎总体竖向位移：

d＝d^M+d^N>

本发明中，基于长标距光纤传感器位置信息计算轮胎转速，是根据相邻两个长标距应变 传感器所测得的应变峰值出现的时间差，进而得到轮胎转速信息。

式中：ω为转速；d_t为长标距光纤传感所采集轮胎胎壁应变相邻两次峰值所间隔时间。

为了使得到的转速结果更加精确，本发明同时利用布置于轮胎环向的所有长标距应变传 感器来进行计算，通过特定的算法得到更为精确的结果。

本发明中，基于轮胎胎壁应变时程数据实时计算接地长度，是根据轮胎接地中心点半径 (初始半径减去轮胎竖向位移)、轮胎初始半径、接地长度三者之间的三角函数关系，进而由 前面两个参数求得轮胎接地长度。

式中：s为轮胎接地长度；a为修正系数，可通过实验室实验标定得到；r为轮胎初始半 径；d为轮胎竖向位移。

本发明中的基于长标距光纤传感的智能实时轮胎监测系统，包括中央信号控制系统以及 分别与其连接的长标距光纤传感系统、数据分析系统，其中：

长标距光纤传感系统包括若干设置在轮胎上的长标距光纤传感器(宜使单根长标距应变 传感器对应角度在10～20度为最佳)，用于实时采集轮胎在荷载作用下的动态长标距应变时程 数据并传输至中央信号控制系统；

数据分析系统，利用内嵌的实时车轮竖向位移计算程序、车轮接地长度计算程序、车轮 转速计算程序，根据长标距应变时程数据计算轮胎竖向位移、接地长度和转速并传输至中央 信号控制系统；

中央信号控制系统，用于实时展示轮胎的竖向变形、转速和接地长度时程曲线的可视化 监测结果。

实施例

下面利用一个实验案例来说明所提议的基于长标距光纤传感的智能轮胎监测方法及系统 的具体实施步骤。

步骤1：传感器粘贴。选用标距长度为1/20周长的长标距光栅光纤应变传感器20根，每 个传感器均预张1500个微应变，粘贴于轮胎胎壁外侧。为了验证本发明方法的适用性，本次 实验采用分级卸载的方式，连续采集应变和真实位移信息，对比位移时程曲线。

步骤2：应变采集。设置解调仪频率为1000Hz，安装好实验装置后，使轮胎悬空采集一 组数据以确定长标距应变传感器初始波长。施加到实验最大荷载后开始采集数据，分级卸载， 直至卸载完全后停止采集数据，便可以得到应变时程曲线和位移时程曲线。

步骤3：轮胎竖向位移和接地长度计算。通过采集得到的每根长标距应变传感器的波长 变化量，计算得到轮胎胎壁应变(如图4和5所示)，基于改进的共轭梁法，计算得到轮胎的 竖向位移(如图6所示)，与传统方法测量得到的位移值的比较。

利用本发明方法计算得到的轮胎竖向位移和传统激光位移计测量得到的轮胎竖向位移的 比较如图7所示，实线为本发明方法计算得到的轮胎竖向位移，虚线为激光位移计采集到的 轮胎竖向位移，从图中可以看出，两种方法得到的轮胎竖向位移吻合一致，利用本发明方法 计算得到的轮胎竖向位移值和传统激光位移计直接测量值的相对误差小于5％，满足工程精度 要求，验证了发明方法实时计算轮胎竖向位移的有效性和准确性。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟 悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，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。