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智能轮胎:多传感器系统提升主动安全
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更新于2024-07-02
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随着近年来交通事故的不断增长,车辆主动安全的需求变得日益迫切。作为车辆底盘的重要组成部分,轮胎不仅提供牵引力和制动力,这些力还与路况和车辆状态密切相关。因此,轮胎内传感器收集的数据对于分析轮胎作用力至关重要。通过精确模拟轮胎与路面的交互,实时向车辆控制系统提供信息,可以有效监控车辆状态和道路状况,对于提升车辆的主动安全性具有重要意义。 本论文关注智能轮胎的发展,特别是多传感器系统的应用。论文深入研究了安装在轮胎内的传感器,如压电薄膜传感器,这些传感器凭借其轻质、柔韧、高恒压电电压系数、快速响应、宽频率响应范围和高灵敏度等特点,能够提供轮胎胎面变形的直接、准确且丰富的信息。这种信息是构建智能轮胎的关键,它能实时反馈路面与轮胎之间的微小变化,从而帮助驾驶者做出更精确的决策,例如调整行驶策略或预判潜在危险。 作者利用压电薄膜传感器的优势,通过数据采集、处理和分析,建立了一套高效的轮胎-路面交互模型。这不仅提高了轮胎性能,还能在关键时刻为车辆提供额外的保护,比如在湿滑路面或恶劣天气下,通过实时监测轮胎的磨损和抓地力变化,实现预警和动态调整,从而显著降低事故发生的可能性。 这篇论文探讨了如何通过多传感器系统优化智能轮胎的设计,以提升车辆主动安全水平。它强调了传感器技术在获取轮胎与路面实时交互数据中的核心作用,并展示了如何将这些信息转化为实际的驾驶辅助决策,为未来的智能交通系统提供了重要的理论和技术支撑。
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第一章 绪 论
7
图 1-6 胎内超声波传感器布置示意
图 1-7 轮胎半径在滚动过程变化曲线
1.3 PVDF 压电薄膜传感器应用与研究现状
随着自动控制的迅速发展,工业应用方面对传感器的需要越来越大。PVDF 薄膜
传感器由于其自身的优越性能,逐渐受到很多学科学者们的青睐。PVDF 压电薄
膜制作工艺成熟,厚度通常可为几百微米到几微米,同时也可以根据具体厚度要
求制作。厚薄程度可以做的很均匀,在 60mm
60mm的面积上不均匀度低于 4um。
PVDF 压电薄膜的镀层附着力比较强,其表面均可真空镀金、银、铬、铝、铜、
锌等金属。PVDF 压电薄膜传感器的电荷量输出和其所承受的应变线性相关,并
且 PVDF 压电薄膜在生产工艺和实际应中也有很多优点。因此对于 PVDF 压电薄
膜传感器而言,开发新的性能和探索新的应用场合已成为当今科研新方向之一。
PVDF 压电薄膜由于具有质量轻(膜片厚度可达微米级)、输出响应速度快
(可达纳秒级)、灵敏度高(在 0~20GPa 范围内均能实现稳定输出)、安装方便
(可直接贴附在被测物体表面)等突出优点,同时能够方便、快捷、精确地测量
弹性体的形变,因而在声学及振动测量方面具有广泛的应用价值,其应用范围涉
及工程、科研及医疗等领域。例如,可安装在梁体、壳体等结构的表面
[14-16]
,作
第一章 绪 论
8
为声学及振动传感器,或用于识别梁体、壳体等结构的表面损伤
[17]
;可以安装在
轮胎内侧胎面,用于测量车辆行驶过程中胎面与路面的摩擦力,为车辆防抱死系
统(ABS)及车辆稳定系统(ESP)提供实时的路面信息
[18]
;可以贴附在人体皮
肤表面,用于测量肌肉及血管的运动
[19]
;还可以安装在路面上,用于高速公路收
费处的车辆称重
[20]
。
正是由于 PVDF 压电薄膜传感器具有诸多优点,国外学者在智能轮胎的研究
中已经尝试使用这种新型材料的传感器。Jingang Yi
[21]
通过小型的模型车进行实
验研究,将 PVDF 压电薄膜传感器粘贴在模型车轮胎的胎面内,分别控制各个车
轮的运行速度从得到车轮在不同的滑移率条件的运动情况,采集不同的运行状态
下 PVDF 传感器的输出信号,根据输信号测量胎体变形,并且通过数据的波形分
析建立数学模型,将解算出的当前滑移率与理论值进行对比验证,最终实现了对
轮胎和路面间的附着状态信息的估计。
Rajamani
[22]
实验研究通过将 PVDF 压电薄膜传感器用于测量胎面的形变,通
过获取的胎面形变进行分析,将横向的侧壁形变从径向的侧壁形变中分离出来,
从而测量偏移角。
国内学者在 PVDF 压电薄膜的应用方面也进行了大量的研究。江苏大学的赵
东升在压电机理方面对 PVDF 压电薄膜的展开了研究,还制作了正弦和余弦传感
器
[23]
。
1.4 论文的主要研究工作
本文主要研究应用于智能轮胎内安装的 PVDF 压电薄膜传感器由形变产生
的压电特征信号的测量,并通过分析输出的电压变化趋势获取轮胎-路面附着信
息。具体内容如下:
第一章 绪论,阐述了本课题的研究背景,介绍了几种常用于智能轮胎系统
的胎内传感器,以及现阶段 PVDF 压电薄膜传感器的应用情况;
第二章 车辆轮胎系统模型,重点研究了车辆轮胎系统以及轮胎运行中的数
学模型,为后续智能轮胎系统实验平台的搭建提供了理论基础,结合轮胎模型和
动力学原理在理论上实现了路面附着系数的估计;
第三章 PVDF 传感器特性研究及其在智能轮胎中的运用,分析了压电薄膜
的特性和等效电路,设计置于轮胎内部的小型信号采集及无线传输系统及其控制
器,并且将传感器、相关的电子器件以及供电电池安装在轮胎内部。
第四章 智能轮胎整体控制系统的设计,首先搭建了基于 PVDF 传感器的智
能轮胎的实验平台,主要是刹车碟片的改装以及轮速传感器的设计安装;设计了
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