專利名稱：一種測量車輪六維的傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及汽車測控技術領域，具體涉及到機械結構設計，以及信號采集與傳輸系統，尤其涉及一種測量車輪六維的傳感器。
背景技術：
汽車的運動是車輪與路面相互作用的結果，因此對于車輪力的測量在汽車測試技術乃至道路分析中，都具有無可替代的重要意義。具體來說，車輪在行駛中分別受到三個力和三個扭矩的作用，分別為縱向力、側向力、垂直力和側傾力矩、側向力矩、回正力矩。從20世紀70年代起，美國通用汽車公司最早開始對車輪力傳感器的研究，目前美國、德國、瑞士和日本等國均有類似的產品問世。我國對于六維力傳感器的研究起步較晚，能夠應用于汽車的輪力測試技術的研究在很長一段時間內幾乎是空白，對其的研究基本處于理論階段，在實際車輛設計或性能評估時，往往采用借鑒國外相關參數并結合以往設計經驗的方法，很難有定量的數據分析和處理的設備及方法。隨著國標的推廣和對于汽車設計愈加嚴格的要求，對車輪力傳感器的需求也日漸增大，現在大多汽車生產廠家和試驗場都選擇購買進口產品，但存在以下幾個問題
1、進口產品價格昂貴，不利于降低研發成本；
2、采用標準不同，不利于我國國標的推廣；
3、關鍵技術對我國實施技術封鎖，不利于國產車輛的自主研發。因此，研發具有自主知識產權的低成本車輪六維力傳感器，對于我國汽車工業的發展具有重要意義。現有技術中，專利申請號為ZL 200320110714. 5的專利公開了一種汽車車輪多維力測量裝置，是一種用于汽車行駛工況下的車輪受力狀態的實時測量的裝置；專利申請號為ZL 200320110713. O公開了一種車輪多維力測量傳感器，是一種汽車行駛工況檢測系統中的力傳感器。然而上述專利所提及的車輪力傳感器存在如下一些不足
1、將車輪力傳感器安裝在輪轂上時，緊固螺栓會對車輪力傳感器施加一個較大的預緊力，從而對側向力測量精度產生較大影響；
2、車輪六維力信號和轉角信號的采集不同步，這將直接影響后續解耦精度；
3、車輪力傳感器內部采用光電傳輸方式，采用光電發射二極管和接收二級管作為傳輸通道，因此數據傳輸穩定性差，且數據丟包率較高。
發明內容
針對上述缺陷，本發明的目的在于提供一種測量車輪六維的傳感器，能夠在車輛行駛過程中，實時測量單個車輪所受的相互垂直的三個方向上的力和相互垂直的三個方向上的扭矩，實現了對汽車車輪六維力準確、可靠的測量。為了解決上述問題，本發明的技術方案是，提供了一種測量車輪六維的傳感器，包括安裝在車輪上隨車輪一起轉動的旋轉部分和與車輛本身相對靜止的非旋轉部分，所述的旋轉部分包括彈性體、組橋電路、單圈絕對式編碼器和采集模塊，所述的非旋轉部分包括傳輸模塊，所述的彈性體在車輪所受的六維力的作用下會產生形變，使得粘貼在彈性體上的電阻應變片的阻值發生變化；所述的組橋電路會將這種彈性體上應變片的阻值變化轉化成與之相對應的差動電壓變化信號；所述的采集模塊將電壓變化信號調理和放大，并將其與單圈絕對式編碼器采集的角度信號打包后，通過無線方式傳輸給和與車身相對靜止的傳輸模塊；所述的傳輸模塊可通過串口線將打包后的信號傳輸到上位計算機，在上位計算機進行數據分析和處理后便得到當前的車輪六維力信號。在本發明一個較佳實施例中，所述的旋轉部分采用電池組供 電。在本發明一個較佳實施例中，所述的彈性體采用具有多梁對稱特點的輪輻式結構，在8條應變梁上分別粘貼電阻應變片。在本發明一個較佳實施例中，所述的米集模塊包括微弱電壓放大電路、電壓信號調理電路、車輪轉角測量電路、無線傳輸電路和電池剩余電量監控電路。在本發明一個較佳實施例中，所述的采集模塊同時采集組橋電路的差動電壓信號和單圈絕對式編碼器采集的角度信號。在本發明一個較佳實施例中，所述的采集模塊和傳輸模塊之間采用高頻無線通訊的方式。本發明揭示的測量車輪六維的傳感器，由彈性體、組橋電路、單圈絕對式編碼器、采集模塊以及傳輸模塊組成，能夠在車輛行駛過程中，實時測量單個車輪所受的相互垂直的三個方向上的力和相互垂直的三個方向上的扭矩，實現了對汽車車輪六維力準確、可靠的測量。
圖I是本發明所述的車輪右手正交坐標系和六維力定義 圖2是本發明所述的彈性體的立體 圖3是本發明所述的彈性體的俯視 圖4是本發明所述的彈性體的主視 圖5是本發明所述的彈性體的側視 圖6是本發明所述的組橋電路 圖7是本發明所述的采集模塊的電路框 圖8是本發明所述的采集模塊與傳輸模塊控制器的電路 圖9是本發明所述的采集模塊與傳輸模塊的無線傳輸電路 圖10是本發明所述的采集模塊電源調理電路 圖11是本發明所述的采集模塊電量檢測電路 圖12是本發明所述的采集模塊讀取單圈絕對式編碼器數值電路 圖13是本發明所述的組橋電路信號放大電路 圖14是本發明所述的傳輸模塊電路框 圖15是本發明所述的傳輸模塊電源電路 圖16是本發明所述的傳輸模塊串口電路圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的較佳實施例進行詳細闡述，以使本發明的優點和特征能更易于被本領域技術人員理解，從而對本發明的保護范圍做出更為清楚明確的界定。一種測量車輪六維的傳感器，包括安裝在車輪上隨車輪一起轉動的旋轉部分和與車輛本身相對靜止的非旋轉部分 ，旋轉部分包括彈性體、組橋電路、單圈絕對式編碼器和采集模塊，非旋轉部分包括傳輸模塊，采集模塊和傳輸模塊之間采用高頻無線通訊的方式。其中，旋轉部分采用電池組供電，并能在電池組剩余電量不足時發出報警信號；非旋轉部分即為傳輸模塊，通過無線通訊方式接收采集模塊發送的信號并能經由串口將數據上傳到上位計算機進行分析與處理。本發明中的彈性體安裝在車輪上，并隨車輪一起轉動，在六維力的作用下彈性體會產生形變，這使得粘貼在彈性體上的電阻應變片的阻值發生變化，組橋電路會將這種阻值變化轉化成與之相對應的電壓變化信號，采集模塊將電壓變化信號調理和放大，并將其與單圈絕對式編碼器采集的角度信號打包后，通過無線方式傳輸給和與車身相對靜止的傳輸模塊，傳輸模塊不隨車輪一起轉動，并可通過串口線將打包后的信號傳輸到上位計算機，在上位計算機進行數據分析和處理后便可以得到當前的車輪六維力信號。本發明中的彈性體采用具有多梁對稱特點的輪輻式結構，在8條應變梁上分別粘貼電阻應變片，該彈性體結構軸向尺寸小，可以承受很大的徑向力，且對車輛的整體性能影響較小。本發明中的采集模塊包括微弱電壓放大電路、電壓信號調理電路、車輪轉角測量電路、無線傳輸電路和電池剩余電量監控電路。該采集模塊能夠以大于200Hz的速度同時采集組橋電路的差動電壓信號和單圈絕對式編碼器采集的角度信號，并實時監控電池的剩余電量，當電量不足時，會發出報警信號。圖I給出了車輪右手正交坐標系和車輪六維力傳感器所測量的三個力和三個扭矩的定義方法。垂直于車輪旋轉軸線的輪胎中分面稱為車輪平面，坐標系的圓點O為車輪平面和車輪旋轉軸線在地平面上投影的交點。定義車輪平面與地平面的交線為Xw軸，且向前為正；Zw軸與地平面垂直，指向上方為正；Yw軸在地平面上，面向車輪前進方向時指向左方為正。圖中ω為車輪旋轉角速度，α為側偏角，Y為車輪外傾角。車輪力傳感器的六測量分力定義在車輪坐標系中(w系)，為原點在車輪中心的右手直角坐標系。測量六分力分別定義為縱向力 Fxw (Longitudinal Force)、側向力 Fyw (Lateral Force)、垂直力 Fzw(Vertical Load)和側傾力矩Mxw(Overturning Moment)、側向力矩Myw(Lateral Moment)、回正力矩Mzw (Aligning Moment)。其中，側向力矩包括驅動扭矩(Driving Torque)、制動扭矩(Braking Torque)和滾動阻力矩(Rolling Resistance Moment)。力分量沿坐標軸正向為正，力矩分量沿坐標軸正向逆時針為正。如圖2-5所示的彈性體，該彈性體分為內外兩圈，中間用8條彈性梁相連，內圈的8個小安裝孔用于和車軸固定，外圈的8個大安裝孔用于和車輪固定，8條彈性梁均勻分布在內圈與外圈之間。當車輪受力時，8條彈性梁會發生彈性形變，8條彈性梁通過不同的組合，能夠以結構解耦的方式獲得相互獨立車輪力。彈性體的材料選用優質的合金結構鋼，具有較高的彈性極限和沖擊韌性，具有良好的的機械加工和熱處理性能。確定彈性體結構后，需要對其進行有限元分析，以確定在受力條件下結構的應變情況，從而找出應變片的最合理粘貼位置。使用ANSYS軟件，將彈性體被劃分為138717個單元，在軟件模擬中假定內圈固定，六維力通過外圈的8個安裝孔均勻的施加在彈性體上，通過分析彈性體在受力時的應力和應變，確定用于測量六維力的電阻應變片的貼片位置，貼片位置描述如下所述
I)在C梁和G梁上下表面中間軸線處分別粘貼拉壓應變片IO、13、28、31，測量縱向力
Fxw02)在D梁和H梁側表面中間軸線處分別粘貼剪力應變片15、16、17、18和33、34、35、36，測量側向力Fyw03)在E梁和A梁上下表面中間軸線處分別粘貼拉壓應變片20、23、2、5，測量垂直力 Fzw04)在A梁和E梁側表面中間軸線處分別粘貼剪力應變片1、3、4、6和19、21、22、24，測量側傾力矩Mxw。5)在B梁和F梁側表面根部軸線處分別粘貼拉壓應變片7、8、25、26，測量側向力矩 Myw。6)選擇在C梁和G梁側表面中間軸線處分別粘貼剪力應變片9、11、12、14和27、29、30、32，測量回正力矩Mzw。在貼片點位置選取準確，各個應變片阻值相等，且傳感器彈性體結構完全對稱、各向同性這三個前提下，上述的貼片方式實現了車輪六維力的結構解耦。對于各維力，選取在該維力作用下形變趨勢相反的應變片對，用低阻抗導線將其相連，組成了六個差動電橋，每一個電橋的差動輸出對應一維力，組橋方法如圖6所示。對六個組橋電路進行分析，得到車輪六維力傳感器的六維力信號解耦的應變片布片的組橋方案，實現了多維力直接解耦測量，車輪力傳感器各個力和力矩與電橋輸出應變的關系為
權利要求
1.一種測量車輪六維力的傳感器，包括安裝在車輪上隨車輪一起轉動的旋轉部分和與車輛本身相對靜止的非旋轉部分，其特征在于，所述的旋轉部分包括彈性體、組橋電路、單圈絕對式編碼器和采集模塊，所述的非旋轉部分包括傳輸模塊，所述的彈性體在車輪所受的六維力的作用下會產生形變，使得粘貼在彈性體上的電阻應變片的阻值發生變化；所述的組橋電路將彈性體上應變片的阻值變化轉化成與之相對應的差動電壓變化信號；所述的采集模塊將電壓變化信號調理和放大，并將其與單圈絕對式編碼器采集的角度信號打包后，通過無線方式傳輸給和與車身相對靜止的傳輸模塊；所述的傳輸模塊可通過串口線將打包后的信號傳輸到上位計算機，在上位計算機進行數據分析和處理后便得到當前的車輪六維力信號。
2.根據權利要求I所述的測量車輪六維的傳感器，其特征在于，所述的旋轉部分采用電池組供電。
3.根據權利要求I所述的測量車輪六維的傳感器，其特征在于，所述的彈性體采用具有多梁對稱特點的輪輻式結構，在8條應變梁上分別粘貼電阻應變片。
4.根據權利要求I所述的測量車輪六維的傳感器，其特征在于，所述的采集模塊包括微弱電壓放大電路、電壓信號調理電路、車輪轉角測量電路、無線傳輸電路和電池剩余電量監控電路。
5.根據權利要求I所述的測量車輪六維的傳感器，其特征在于，所述的采集模塊同時采集組橋電路的差動電壓信號和單圈絕對式編碼器采集的角度信號。
6.根據權利要求I所述的測量車輪六維的傳感器，其特征在于，所述的采集模塊和傳輸模塊之間采用高頻無線通訊的方式。
全文摘要
本發明公開了一種測量車輪六維力的傳感器，包括安裝在車輪上隨車輪一起轉動的旋轉部分和與車輛本身相對靜止的非旋轉部分，所述的旋轉部分包括彈性體、組橋電路、單圈絕對式編碼器和采集模塊，所述的非旋轉部分包括傳輸模塊。通過上述方式，本發明提供了一種測量車輪六維的傳感器，能夠在車輛行駛過程中，實時測量單個車輪所受的相互垂直的三個方向上的力和相互垂直的三個方向上的扭矩，實現了對汽車車輪六維力準確、可靠的測量。
文檔編號G01L1/22GK102636299SQ20121007176
公開日2012年8月15日 申請日期2012年3月19日 優先權日2012年3月19日
發明者張為公, 林國余, 王東 申請人:東南大學