基于加速度计的智能轮胎轮胎力估算的通用方法:分析模型和试验验证.pdf
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1、13第1期梁玉兰.基于加速度计的智能轮胎轮估算的通用方法:分析模型和试验验证Q试验测试基于加速度计的智能轮胎轮胎力估算的通用方法:分析模型和试验验证梁玉兰编译摘要:智能轮胎通过在轮胎内放置有源传感组件(例如,嵌入式微传感器)来提高车辆性能和安全性。智能轮胎的一个应用是基于加速度计的轮胎力估算。然而,由于基于模型的理论难以将轮胎力与运动学信息联系起来,其发展受到限制。本文阐述了一种基于加速度计的智能轮胎估算轮胎力的通用方法,并进行了试验验证。首先,建立基于微机电系统加速度计的具有车载监测轮胎力功能的智能轮胎样机;然后,提出了一种理论滚动运动学模型,阐明了刚体运动与弹性变形耦合作用下的加速度场机理
2、。制定分析模型以实时估算垂直力。此外,采用梁式模型描述轮胎带束层的侧向变形,直接将侧向加速度和侧向力联系起来。最后,侧向力可以通过侧向加速度和已经估算的垂直力来估算。侧向力估算方法基于通用分析模型,通过明确和消除层转向的影响,在不同情况下,即使在统一系数下也能实现高精度。为了充分验证所开发的模型,已经进行了现场测试和两次台架试验。由此可以得出结论,基于理论分析的估算模型利用智能轮胎硬件系统实现了令人鼓舞的轮胎力估算应用。关键词:智能轮胎;轮胎力估算;轮胎运动动力学;轮胎模型;MEMS加速度计相关符号命名转动速度X,X,x参考坐标、拉格朗日坐标和欧拉坐标u i,j,ui,jk-一阶和二阶弹性位移
3、梯度6(x)从参考坐标到欧拉坐标的映射aR,ao,a y 径向、周向和侧向加速度a参考点加速度u,V,w径向、周向和侧向变形ao轮辋中心加速R车轮胎带束层半径a相对加速度c1接触长度ac传输加速Fz垂直力刚体转动引起的速度qal,qa2接触长度多项式函数系数u弹性位移qral,2,3,4,5接触长度经验公式拟合系数I单位矩阵P轮胎充气压力Qw万向角V滚动速度,外倾角、滑移角和转动角度k1,2.3,4,5.6垂直力估算公式的拟合系数01,2,3轮辋坐标中三个方向的角速度142023年第49 卷现代橡胶技术E胎面材料的杨氏模量I胎面底座面积惯性矩k单位长度弹性基础的刚度N接触区域之间的采样点数A接
4、触区域之间的侧向加速度总和Ay接触区域之间的平均侧向加速度T。力加速度计接触时间Fply层转向力Apty平均层转向加速度f加速度总和与轮胎力的关系Ae纯弹性变形引起的加速度Fy.e无层转向力的侧向力k7.8.9侧向力估算公式拟合系数q(x)轮胎胎面惯性力引入的分布载荷P胎面密度S胎面横截面积A,B,C,D禾积分常数入比例因子F集中力Cl-road平坦道路上的接触长度Ci-drum滚筒上的接触长度Rtire测试轮胎自由半径Rtrum滚筒半径P。标准胎压Vo标准滚动速度kel.c2,c3接触长度的拟合系数1引言轮胎与路面相互作用过程中产生的力和力矩对车辆操控性能和控制行为具有重要意义。对于传统的车
5、辆控制,通过车载车辆传感器,使用基于观察者的方法来估算关键的车辆动态参数。通常,观察者采用简化的车辆和轮胎模型来预测车辆在最常见的工作条件下的性能,缺乏足够的准确性和直接性。因此,研究人员一直试图通过在轮胎上安装传感器来更准确、更稳健、更直接地测量轮胎力和力矩,从而成为“智能 或“智能轮胎”。近年来,智能轮胎系统备受关注,光学传感器、激光传感器、电容传感器、应变片、磁传感器和加速度计等多种类型的传感器得到了广泛关注。从传感器获得的信号可以转换为表征轮胎、车辆和道路的关键参数,包括轮胎力、轮胎振动和噪声、打滑和轮胎-路面摩擦系数。这些参数可用于促进轮胎设计和提高车辆控制性能。在智能轮胎系统使用的
6、传感器中,微机电系统(MEMS)加速度计因其体积小、成本低、能耗低等优点而被广泛使用。在许多研究中,已经发现加速度计型智能轮胎可以准确估算轮胎力。例如,Braghin等人开发了一种通过从MEMS加速度计中提取加速度合成参数来估算轮胎接触力的方法。同样,Matsuzaki等人提出了一种通过整合MEMS加速度计测量的侧向加速度来估算轮胎接触力的方法,而Hong等人则基于简单的轮胎侧向变形模型估算轮胎侧向力和力矩。Goos等人采用具有峰值同步和递归最小二乘滤波的柔性环胎模型来估算侧向力和垂直力。Singh和Taheri提出了一个人工神经网络模型来开发一种估计轮胎力的算法。尽管智能轮胎引入了强大的功能
7、,但缺乏一个深入的理论模型来定量和清楚地说明加速信号的机制和特征。此外,目前大多数估计算法仅适用于简单加载条件。结合上述最先进的智能轮胎,制定了一种基于加速度计的智能轮胎轮胎力估算通用方法,并15梁玉兰第1期基于加速度计的智古算的通用方法:分析模型和试验验证进行了试验验证。首先,建立基于MEMS加速度计的模块化智能轮胎样机;其次,基于混合拉格朗日-欧拉法和滚动运动学轮胎模型推导加速度场。然后,提出一种物理轮胎模型来描述轮胎在垂直和侧向力下的变形。相应的轮胎力估计算法受到所提出的智能轮胎运动学理论和轮胎物理模型的启发。最后,利用智能轮胎进行了现场试验和两次台架试验,验证了轮胎力估计算法的有效性。
8、智能轮胎应用和轮胎动力学的基础工作已经发展起来,构成了本文的基础。在我们以前的研究中已经建立了垂直力估算,并为侧向力的估算提供了一个自变量。为了使文章更加准确,重新审视了垂直力的估算,以使轮胎力估算更健全。所提出的运动学模型的积分,对垂直力和侧向力可以总结在图1中。实际应用垂直加速度az侧向加速度ay特性提取消除层转向轮胎压力P断面选择影响接触长度cl接触侧向加速度A。滚动速度估算估算用于估算的输入垂直力F2侧向力F理论基础加速度与变形之间的关系力与变形之间的关系MLE运动学模型梁式模型图1研究理论方案2智能轮胎系统从应用的角度来看,智能轮胎系统应该在不修改轮胎或轮毂的情况下安装方便,可靠和坚
9、固,可以承受恶劣的工作环境,并可能包括无线充电和能量收集方法。为了满足这些要求,采用了ADI生产的MEMS加速度计ADXL372,范围为2 0 0 0 m?s,采样频率为2 kHz,分辨率为1ms/LSB,其中LSB表示 最低有效位。传感器的尺寸(3mm3.25mm1.06mm,0.3g)易于装入轮胎,而不会改变轮胎性能。此外,MEMS加速度计是一种高度可靠和稳健的选择,可承受加速度计接触和离开地面引起的脉冲。胎压监测选用CF传感器的XGZP6878MEMS压阻式传感器,温度监测采用盛思锐的SHT10,温度范围为 12 5。该系统由轮胎上的下部单元和车辆上的主机单元组成,如图2 所示。下部单元
10、收集加速度信号并通过蓝牙将数据无线传输到主机。下部单元由2 10 mAh锂电池CR2032供电,可连续工作40h。主机单元保存数据以供分析,并显示车载轮胎力估值。如图2 b所示,下部单元包裹在橡胶外壳中,橡胶外壳通过胶水连接到轮胎内衬上,其绝对强度为2 2 MPa。智能轮胎原型监视器在屏162023年第49 卷现代橡胶技术幕上显示预测的轮胎力和其他轮胎状况参数(见图2 c)。下部和主机控制器中使用的微控制器单元均为德州仪器的CC2640。蓝牙4.2 的最大传输速率为1Mbps。aMEMS加速度计电池监控压力感应器MCU收集器蓝牙MCU收集器温度感应器紧凑PCBPC多功能感应器轮胎下部单元车辆上
11、的主机单元b图2智能轮胎系统原型:(a)系统框架,(b)传感器模块化,(c)轮胎力估值显示三个不同方向下的加速度在不同工况下显示出不同的特征。在这里,重点是估算轮胎垂直力和侧向力。因此,研究了相应的径向和侧向加速度。侧滑条件下的径向和侧向加速度波形显示,径向加速度在参考离心加速度上方有两个最大峰值,如图3所示。在这两个峰值之间,由于与道路接触,径向加速度达到零。对于侧向加速度,还观察到同一位置周围的几个峰值,其中径向加速度存在波动。径向和侧向加速度的波形都与轮胎-路面相互作用有关,由接触区域周围的复杂弹性橡胶变形引起,并通过轮胎转动放大。然而,以前的研究主要提供加速度特征的定性解释,而没有定量
12、理论。轮胎力估算法主要基于数据曲线和数据处理方法的特点,导致其准确性和适用性有限。1200侧向加速度1000径向加速度2S/800-6004002000-200050100150200250采样编号图3MEMS加速度计轮胎系统收集的径向和侧向加速度数值模拟可以为这种复杂现象带来额外的优势,其中瞬态分析可以准确地再现变形,但前提是必须详细描述几何形状和材料行为。此外,详细分析所需的计算时间使得这种类型的模拟不适合实时计算轮胎力。因此,采用理论力学模型来说明加速度的机理,并为智能轮胎力估计算法提供理论17梁玉兰,基于加速度计的智能轮胎轮算的通用方法:分析模型和试验验证第1期指导。第3节介绍了变形轮
13、胎滚动运动学模型,3轮胎滚动加速运动学轮胎与路面的相互作用是复杂的,涉及刚体运动和弹性变形的耦合效应。本文采用开发的混合拉格朗日-欧拉(MLE)方法来描述轮胎滚动运动学。在拉格朗日坐标和欧拉坐标X之间引入了参考坐标x,将轮胎运动分为纯刚性转动和纯轮胎橡胶变形,如图4所示。初始形态XXX当前形态X参考形态图4描述智能轮胎运动学的混合拉格朗日欧拉法映射x=(x,t)描述了任意点P的位置。材料加速度可以通过链式法则推导出来:a=a(,t)=ao+x+V(vV.w).W=at2ao+a+ac(1)其中ao是轮辋中心的加速度,a是相对加速度,a.是运输加速度,是刚体的转动速度。在稳态条件下,当前形态和参
14、考形态之间的映射不随时间变化,因此相对加速度和轮辋中心加速度都等于零。设位移=x-X,稳态加速度可以写为:a(x)=V(Vu+In).w).w(2)其中In是单位矩阵。请注意,式(2)中的高阶梯度会导致加速度场数值解的复杂实现。对于稳态的标准有限元分析,这可以简化,但会由于附加项而引入数值误差。由于跨元素边界的连续性,非均匀有理样条基函数的使用显示出处理高阶梯度的重要能力。然而,这些方法需要对几何形状和材料进行复杂的描述。因此,在本文中,使用梁式模型来推导出与轮胎中的加速度和力相关的分析表达式。w=p 0T(3)aaa图5坐标从矩形系统转换为圆柱形系统三个万向角描述了考虑侧滑和侧翻的轮胎的滚动
15、运动,其中中表示外倾角,表示滑移角,0表示转动角度。指数1、2 和3分别对应于轮胎的侧向、垂直和水平滚动方向,如图5所示。由于加速度计固定在轮胎内衬的中间并随着轮胎移动,因此角速度应在车轮坐标系中描述为:Wi=-sin+W2=cossin+4cose(4)W3=coscos 0+sine其中1,2,3表示车轮坐标中三个方向的角速度。考虑到运动学和可用性,提出了以下假设:假设1。通常,外倾角是固定的,导致中=0。uk,182023年第49 卷现代橡胶技术假设2。每次转动期间的转动速度可以被视为恒定的,因此,=。假设3。由于稳态,可以省略滑移角的变化率,因此 0。刚体转动引起的速度由下式给出:0-
16、321X10厂W=030-01X2二-2X3L-02010LX3J2X21(5)三向加速度可以通过代入式(5)推导出为式(2)如下:a1=22(u1,22 x3+u1,33X2-u1,32X2X3-u1,23X2X3 u1,2X2-U1,3X3)a2=2(-X2-u2,22 X3+u2,3 X2-u2,32X2X32,23X2X3 u2,2X2U2,3X3a3=22(-X3-u3,22x3+u3,33 X2-u3,32X2X3 u3,23X2X3-u3,2X2-u3,3X3)(6)其中ui和ui,jk是一阶和二阶位移梯度。轮胎变形通常用圆柱坐标表示。因此,式(6)中推导的加速度应从矩形坐标转换
17、为圆柱坐标,如图5所示。转换关系为:ay=aiar=a2cos0+assino(7)ao=-a2sino+ascosou=u2coso+ussinev=-u2sinC+uscose(8)w=u1其中ar表示径向加速度,ae表示圆周加速度,ay表示侧向加速度,u、V、w 分别表示径向、圆周和侧向变形。可以简化为+因此,式(6)可以简化为:Du=uk,22 X3+uk,33X2-ur,32 2 X3-D9223X2X3-uk,2X2-uk,3X3(9)最后,三向加速度可以推导出为:ay=22waR=-Q?R+Q?u(10)ag=Q?v其中R表示轮胎带束层的半径。所提方法的一个优点是,该加速度是在当
18、前的运动学中定义的,因此可以直接将该加速度视为由传感器加速度信号产生。式(6)是智能轮胎加速度的完整通用方程,在应用于稳态条件的简化假设1、2 和3下,以规则车轮坐标定义。然而,很难以解析形式获得复杂的变形梯度及ui,j和ui,jk。如果将轮胎简化为环,显示为圆柱坐标,则产生式(10),则三向加速度与三向变形的二阶梯度直接相关。这一观察结果表明,变形模式对于根据加速度信号估算轮胎力至关重要。这些推导的加速度运动学公式是阐明加速度信号机理的拟议方法。轮胎三向变形将轮胎加速度和力联系起来,为智能轮胎应用算法的开发提供了基础。4车轮胎力估计算法在本节中,提出了一种通用方法,用于根据物理模型识别轮胎垂
19、直力和侧向力。4.1垂直力估算根据径向加速度方程:aR=-2?R+22u(11)径向加速度的波形受径向变形的影响。在接触区和非接触区之间的过渡区,变形部分的曲率最小,导致u急剧变化。这种急剧的变化转化为与轮胎前缘和后缘的转弯位置相对应的径向加速度的突然变化。因此,轮胎接触区域的长度可以通过径向加速度的最19梁玉兰第1期基于加速度计的智食估算的通用方法:分析模型和试验验证快变化位置来确定。这种方法的详细描述在以前的工作中有所描述。接触长度可以表示为垂直力的平方根的多项式函数:cl=qa2Fz+qa1i/Fz(12)其中cl表示接触长度,Fz表示垂直力,qal,qa2是多项式函数的系数。接触长度与
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