輪胎運動參數偵測系統的製作方法

2023-05-14 23:19:16 3

本發明與充氣輪胎的運動參數偵測系統有關，特別有關於一種靠輪胎的滾動與變形作用的非接觸式量測裝置。

背景技術：

自1979年起美國已累計公告輪胎觸地面的相關專利達60件以上，其中只有幾件與本發明近似。例如，US4180794號專利以輪胎內壁的光束反射量作為充氣狀態的指標；US6612164號專利以輪胎內壁上一參考點所反射的輻射，偵測胎面的縱向與橫向位移。

另外還有在輪胎內壁增加反射元件，依靠影像的明暗度評量輪胎變形狀態的US6967590號專利；以及採用三角測量法獲得觸地面法向位移的德國DE3916176號專利；這些專利各自運用與解析輪胎內壁的反射，皆未論及十分關鍵的側傾角度的變數。

一種準確、完整而且簡易的偵測系統應是所有前案共同的願景，但也似乎仍然存在著一層神秘的面紗尚未完全揭開，故有提供一種新穎且具有進步性的輪胎運動參數偵測系統的必要。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種輪胎運動參數偵測系統，其利用輪胎內壁上一點的反射角度每經過觸地面即劇烈改變的特性，在量測訊號的時間軸上辨識出兩個瞬間，若加上輪胎轉動周期即可界定該觸地面；若能辨識三個瞬間，便能據以運算摩擦力、位移量以及變形量三者至少其中的一的縱向數值。

為實現上述目的，本發明採取以下技術方案：

本發明輪胎運動參數偵測系統，包括：至少一波發射源，跟隨一輪胎轉動，並且向該輪胎內壁發射至少一源波；至少一波感測器，跟隨該至少一波發射源轉動，並且依據該輪胎內壁反射的該至少一源波的一物理參數輸出一量測訊號；一運算單元，接收該量測訊號，並且記錄該至少一源波掃描經過該輪胎的一觸地面的至少兩個瞬間，該運算單元依據該至少兩個瞬間運算該輪胎的一運動參數。

所述運算單元記錄所述至少一源波掃描經過所述輪胎的所述觸地面的三個瞬間，該運算單元依據所述三個瞬間運算該輪胎的縱向運動參數，該縱向運動參數包含摩擦力、位移量以及變形量三者至少其中之一。

所述運算單元辨識所述量測訊號的一區域極值以及一區域時變率極值二者至少其中之一，並且記錄所述區域極值及所述區域時變率極值二者至少其中之一的發生瞬間。

所述的輪胎運動參數偵測系統，更包含一反射元件，該反射元件附著在所述輪胎內壁，該反射元件反射所述至少一源波。

所述運算單元依據所述至少兩個瞬間及所述輪胎的一轉動周期運算該輪胎的一觸地圓心角。

所述至少兩個瞬間由所述運算單元在所述輪胎轉動至少一圈過程中記錄所得。

所述運算單元辨識所述量測訊號的一區域極值以及一區域時變率極值二者至少其中之一，並且記錄所述區域極值及所述區域時變率極值二者至少其中之一的發生瞬間。

所述的輪胎運動參數偵測系統，包括二波感測器，該二波感測器沿平行所述輪胎軸線方向間隔設置，所述運算單元依據對應該二波感測器的各所述量測訊號運算該輪胎的一側傾角度。

本發明的有益效果是：本發明輪胎運動參數偵測系統，其利用輪胎內壁上一點的反射角度每經過觸地面即劇烈改變的特性，在量測訊號的時間軸上辨識出兩個瞬間，若加上輪胎轉動周期即可界定該觸地面；若能辨識三個瞬間，便能據以運算摩擦力、位移量以及變形量三者至少其中的一的縱向數值，有助於交通運輸的安全、舒適與節能。

附圖說明

圖1是本發明輪胎運動參數偵測系統的一實施例的剖視示意圖。

圖2是該實施例的系統方塊圖。

圖3是該實施例的一光發射器的示意圖。

圖4是該實施例的一光接收器的示意圖。

圖5是該實施例操作在輪胎非受壓區的剖視示意圖。

圖6是該實施例操作在輪胎受壓區一邊緣的剖視示意圖。

圖7是該實施例操作在輪胎受壓區另一邊緣的剖視示意圖。

圖8及9是輪胎觸地面的剖視示意圖。

圖10及11是本發明的量測波形圖。

圖13是軸向觀視輪胎側傾觸地面的剖視示意圖。

圖12及14是本發明第二與第三實施例的示意圖。

附圖標號：2：光電模塊；21：光束；22：反射光；23：光發射器；231：發光件；232：發光透鏡；233：反光板；24：光接收器；241：光電轉換電路；242：感光透鏡；243：光柵；3：控制運算模塊；31：微處理器；32：前置電路；4：電源模塊；5：傳送接收模塊；6：壓力感測模塊；7：溫度感測模塊；8：充氣式輪胎；81：輪框；811：外環面；82：充氣胎體；821：內表面；83：反射元件；A、B、C、D：觸地面四角；Axis：軸線；I：環線；R：輪胎半徑；G、G1、G2：反射點；Center：胎心；H,H1,H2：輪框參考點；Θsole(N)：輪胎第N轉的觸地圓心角；Θtoe(N)：輪胎第N轉的觸地趾角；Θheel(N)：輪胎第N轉的觸地跟角；Θdev(T)：偏轉角；Ttoe(N)：輪胎第N轉的源波射線與觸地面前緣交會時間；Tsole(N)：輪胎第N轉的源波射線與觸地面軸影線交會時間；Theel(N)：輪胎第N轉的源波射線與觸地面後緣交會時間；ω(N)：輪胎第N轉的轉動角速率；ΔZ：觸地面法向位移；Period(N)：輪胎第N轉的轉動周期。

具體實施方式

以下僅以實施例說明本發明可能的實施態樣，然並非用以限制本發明所欲保護的範疇。

本發明輪胎運動參數偵測系統包括：至少一波發射源、至少一波感測器及一運算單元。該輪胎在本說明書中具有兩種意義，可為一充氣輪胎，或者一以充氣輪胎與輪框組裝而成的充氣車輪。

該至少一波發射源跟隨該輪胎轉動，並且向該輪胎內壁發射至少一源波(具有指向性)。該至少一波感測器跟隨該至少一波發射源轉動，並且依據該輪胎內壁反射的該至少一源波的一物理參數輸出一量測訊號。該運算單元接收該量測訊號，並且記錄該至少一源波掃描經過該輪胎的一觸地面的至少兩個瞬間，該運算單元依據該至少兩個瞬間運算該輪胎的一運動參數。

該運動參數包含輪胎轉動周期。該至少兩個瞬間加上該輪胎轉動周期還能進一步推導五項輪胎運動參數，分別是荷重、觸地面面積、觸地面法向位移、轉動速率以及側傾角度等。

以下配合圖1至7說明本發明的一較佳實施例。充氣式輪胎8包括一輪框81，及一安裝於該輪框81並接觸地面的充氣胎體82，該輪框81具有一外環面811，該充氣胎體82具有一內表面821。本實施例包含一光電模塊2、一控制運算模塊3、一電源模塊4、一傳送接收模塊5、一壓力感測模塊6以及一溫度感測模塊7。

在本實施例中，該至少一波發射源以及該至少一波感測器以該光電模塊2為例，該運算單元以該控制運算模塊3為例，其中該至少一波發射源可為不限定頻率的電磁波或者聲波。該運算單元可設於該充氣式輪胎8的內部或外部，以有線或無線方式與該至少一波感測器通訊連接。

該光電模塊2設置於該輪框81，對該充氣胎體82發射一光束21及接收該光束21由該內表面821反射的一反射光22，且根據該反射光22輸出一光量測訊號。在本實施例中，該光束21為該至少一源波，該光量測訊號對應該至少一波感測器輸出的該量測訊號；以下將以光量一詞代表該光量測訊號所對應的該反射光22的一物理參數，但在其他的實施態樣中也可以是電磁波或者聲波的能量以及強度的相關參數。

該光電模塊2具有一用以發射該光束21的光發射器23，及一用以接收該反射光22以輸出該光量測訊號的光接收器24。於本實施例中，該光發射器23為該至少一波發射源，該光接收器24為該至少一波感測器。

參閱圖1、2、5，該控制運算模塊3設置於該輪框81且電連接該光發射器23與該光接收器24，根據該光量測訊號運算該充氣式輪胎8的一觸地圓心角Θ。該觸地圓心角Θ指的是輪胎受壓後平貼於地面的部分中，由最小變形處至最大變形處再至最小變形處所佔整個輪胎的圓心角度。

參閱圖1、3、4，該光發射器23具有一用以發射該光束21的發光件231、一發光透鏡232，及一反光板233。在本實施例中，該發光透鏡232是位於該發光件231及該充氣胎體82間，該反光板233是位於該發光件231及該輪框81間。

該光接收器24具有一用以接收該反射光22並輸出該光量測訊號的光電轉換電路241、一感光透鏡242，及一光柵243。在本實施例中，該感光透鏡242與該光柵243各位於該光電轉換電路241及該充氣胎體82間。

該控制運算模塊3具有一電連接該光發射器23的微處理器31、及一電連接該微處理器31及該光接收器24的前置電路32。

該電源模塊4電連接該光電模塊2與該控制運算模塊3。

該傳送接收模塊5電連接該控制運算模塊3。在本實施例中，該傳送接收模塊5的功能是執行資訊及指令的無線傳輸接收。

該壓力感測模塊6量測該充氣胎體82的一胎壓資訊。

該溫度感測模塊7量測該充氣胎體82的一胎溫資訊。

參閱圖2、3、5，使用時先驅使該充氣式輪胎8轉動，並由該控制運算模塊3控制該光發射器23發射一透過該發光透鏡232聚焦而成窄擴散角的該光束21，投射至該充氣胎體82的該內表面821。

參閱圖5、6、7，若該光束21所投射的位置為輪胎非受壓區，則反射回該光接收器24的該反射光22的光量最大；若該光束21所投射的位置為輪胎受壓區，則反射回該光接收器24的光量，會隨著輪胎轉動由受壓區最小變形處至最大變形處再至最小變形處，呈現由最小到最大再到最小的變化。

參閱圖2、4，該反射光22乃是由該光電轉換電路241接收轉換成該光量測訊號，再送至該前置電路32作前置處理、再轉換或者運算。

所以該光束21所投射的位置由輪胎非受壓區轉換至受壓區之際，該光量測訊號會忽然由大變小；反之該光束21所投射的位置由輪胎的受壓區轉換至非受壓區之際，該光量測訊號會忽然由小變大；因此該光束21掃描經過輪胎受壓區的前後邊緣的個別時間，可由該前置電路32輔助該微處理器31檢測記錄而得。

參閱圖2、6、7，當該光束21投射的位置在輪胎受壓區時，該光量測訊號會相較於非受壓區而有劇烈的變化。因此當該充氣式輪胎8轉動一圈後，該微處理器31即可區分受壓區與非受壓區的各別時間區間，加總計算輪胎轉動周期之後依比例計算該觸地圓心角Θ。

Θ並不限於完全仰賴該光量測訊號作計算，若有一預設測試資料庫，運算精確度還可通過補償、內外插以及校正等技巧而進一步提升。該控制運算模塊3也可將該Θ以及胎壓、胎溫等資訊，通過該傳送接收模塊5傳輸至一檢測電腦(圖未示)以供使用者檢視。

獲知Θ的使用者才有採行應對措施的機會：例如胎壓正常而Θ偏高代表負荷過重，輪胎磨耗與動力損失大幅增加；反之Θ偏低而胎壓正常是抓地力不足的警訊，雨天煞車易於打滑。

Θ結合胎徑與胎寬便可計算觸地面面積，後者乘以胎壓即得輪胎荷重的近似值。

參考圖6至11，以下進一步詳細說明本發明的實施細節。假設一個承載的輪胎在一平坦地面上滾動前進，其轉動軸線與該地面平行，因此依據圖8及9定義：

觸地面為矩形平面ABCD，觸地面面積為Abcd；

觸地面前緣為線段AB；

觸地面後緣為線段CD；

輪胎轉動軸心為軸線Axis；

軸線在觸地面上的垂直投影線段為軸影線EF；

輪胎前進方向為縱向x；

垂直觸地面的方向為法向Z，觸地面法向位移為ΔZ；

輪胎內壁中環線為環線I；

輪胎幾何中心為胎心Center；

胎寬W為線段AB、CD或者EF的長度；

輪胎半徑為R；

環線I上一反射點為G；

胎心Center至反射點G的線段間一點為輪框參考點H；

第N轉的轉動角速率為ω(N)；

第N轉的轉動周期為Period(N)；

第N轉內，射線HG與線段AB交會的時間為Ttoe(N)；

第N轉內，射線HG與線段EF交會的時間為Tsole(N)；

第N轉內，射線HG與線段CD交會的時間Theel(N)；

第N轉內，線段AB與CD以軸線Axis為頂點的夾角為觸地圓心角Θsole(N)；

第N轉內，線段AB與軸影線EF以軸線Axis為頂點的夾角為觸地趾角Θtoe(N)；

第N轉內，線段CD與軸影線EF以軸線Axis為頂點的夾角為觸地跟角Θheel(N)；

射線GH與G點上的反射集中方向之間的夾角為偏轉角Θdev(T)。

設置至少一波發射源與至少一波感測器在輪框參考點H上，該至少一波發射源與該至少一波感測器彼此靠近，該至少一波發射源由H向G發射一窄擴散角的至少一源波；該至少一波感測器接收該至少一源波自G折返H的一折返波，並且依據該折返波的與能量或者強度相關聯的物理參數輸出相對應的量測訊號。

該反射點G可以是輪胎內壁上一點，或者一附著在該輪胎內壁的反射元件83。該反射點G或者該反射元件83以具有平滑一致的反射表面為佳，以便確保該至少一源波在G上反射最集中、強度最高的方向，與若G為一完美反射面之時相同。假設該輪胎內壁是一以環線I呈左右對稱的曲面，則輪胎在定速轉動下的偏轉角Θdev(T)時間函數典型概如圖10所示。

由於與該折返波的能量或者強度相關聯的物理參數並無Θdev(T)的正負之分，因此Θdev(T)的絕對值(對應於該量測訊號)不僅僅在Ttoe(N)與Theel(N)瞬間產生區域極值(Local extreme)以及區域時變率極值(Local time-rate extreme ofchange)，在Tsole(N)瞬間也同樣會產生該等極值。

該量測訊號還有最佳化的空間，例如可因應該至少一波發射源與G間的距離大小，以及G的表面平滑度選擇該至少一源波的擴散角；另外還應視G的材質與反射率選擇該至少一源波的頻段等等。一典型以輪胎內壁為該反射點G的該量測訊號波形概如圖11所示，其中該至少一源波為一紅外線聚焦射線，輪胎規格為185/65R14，該量測訊號為一紅外線感測器在輪框參考點H上接收之該折返波的光量。

設置一接收該量測訊號的運算單元，該運算單元擁有硬體與軟體組合的運算能力，具有可標記事件的時脈與記錄資訊的記憶體，能夠辨識該量測訊號的區域極值以及區域時變率極值二者至少其中之一，並且記錄該等極值的發生瞬間。假設一額外的加速度計內建於或者耦接至該運算單元，則ω(N)與Period(N)二者至少其一便可通過該運算單元自該加速度計運算而得。

假設在某例中，該運算單元記錄了兩個瞬間Ttoe(N)及Theel(N),並且已自該加速度計獲得Period(N)，則觸地圓心角Θ(也等於Θsole(N))可由下式求出：Θsole(N)＝360°·(Theel(N)-Ttoe(N))/Period(N)。

假設在另一例中，該運算單元記錄了三個瞬間Ttoe(N)、Theel(N)及Ttoe(N+1)，很明顯地Period(N)已隱含在該三個瞬間之中：

Period(N)＝Ttoe(N+1)-Ttoe(N)，

Θsole(N)＝360°·(Theel(N)-Ttoe(N))/(Ttoe(N+1)-Ttoe(N))。

再假設一例，該運算單元依序記錄Ttoe(N)、Tsole(N)、Theel(N)、Ttoe(N+1)、Tsole(N+1)及Theel(N+1)等6個瞬間，則Period(N)便可平均如下：

Period(N)＝((Theel(N+1)-Theel(N))·(Ttoe(N+1)-Ttoe(N)))0.5；同理，

Θsole(N)＝360°·((Theel(N+1)-Ttoe(N+1))·(Theel(N)-Ttoe(N)))0.5/Period(N)；

Θtoe(N)以及Θheel(N)的估算也相同。

即使當時輪胎並非以等角速度轉動，但因為一般家用車輛(Family saloon)的輪胎一周頂多行進2.5公尺，只要達到相當的行進速度讓輪胎在第N轉與第N+1轉內可視為具有相等的角加速度，則上述二式便是一相當準確的估計。譬如以一直線加速賽車作數值評估，假設輪胎轉動角度位移

Θtravel(T)＝1389T2+1000T，同時Θsole(N)恆等於20°且Ttoe(1)＝0Sec；則解得

Θtravel(T)＝20°、360°、380°、720°、740°、1080°及1100°等角度的時間之後代入前二式可得：Period(1)＝0.2595Sec，Θsole(1)＝20.8°；Period(2)＝0.1802Sec，

Θsole(2)＝20.2°；Period(3)＝0.1468Sec，Θsole(3)＝20.0°。

所以，Abcd＝2·W·R·Sine(Θsole(N)/2)，

ΔZ＝R·(1-Cos(Θsole(N)/2))，ω(N)＝360°/Period(N)。

荷重L的運算除了胎壓P之外，還需要胎體(Carcass)的徑向彈性係數Kcarcass(ΔZ)；後者可通過人工掃描輪胎條碼後無線輸入該運算單元，也可由該運算單元辨識輪胎預植的RFID晶片後查表獲得：

L≒P·Abcd+ΔZ·Kcarcass(ΔZ)。

同理，觸地面縱向摩擦力F(N)有賴於將輪胎在某方向上的變形，視為一等效彈簧在該方向上的等量形變。例如以Θheel(N)/Θtoe(N)的比值減一代表胎面縱向位移量或者胎體縱向變形量，預建縱向彈性係數Kdef的測試資料後下式成立：F(N)＝(Θheel(N)/Θtoe(N)-1)·Kdef(P,L,Θheel(N)/Θtoe(N))。

當車輛制動系統作用時，由於輪胎轉速可能極快改變，所以該運算單元必須完整地記錄每一轉的Ttoe(N)、Tsole(N)及Theel(N)，而且連續運算該比值以求最高的數據更新率：

Θheel(N)/Θtoe(N)＝(Theel(N)-Tsole(N))/(Tsole(N)-Ttoe(N))。

由此可見該加速度計額外的應用價值。例如在車輛減速時喚醒該運算單元，幫助節約電能卻不喪失警覺性；另外還有附帶的自我檢測與校正的功用，更是一完整的偵測系統所不可或缺的。

Ttoe(N)、Tsole(N)及Theel(N)等三時間理當由該運算單元作複數周期的記錄較佳；假設因為路面不平整或其他因素以至於記錄有所缺漏，例如連續數個周期只依序獲得Tsole(N)、Ttoe(N+1)及Ttoe(N+2)，那麼以下的估算通常仍然滿足大部份的實際應用：Period(N+1)＝Ttoe(N+2)-Ttoe(N+1)，

Θsole(N+1)＝720·(Period(N+1)+Tsole(N)-Ttoe(N+1))/Period(N+1)。

輪胎側傾角度的偵測，參考圖12。自輪框參考點H發射的該至少一源波具有一平面擴散角，其擴散平面與Axis平行。此外設置兩個反射點G1與G2於該輪胎內壁，各該反射點以環線I呈左右對稱。該輪框參考點H左右兩側各設置一波感測器，各該波感測器以H呈左右對稱並且平行Axis，以便接收來自各該反射點的各該折返波並輸出量測訊號各一；該運算單元接收各該量測訊號以分別運算輪胎內側與外側的觸地圓心角。

當輪胎側傾之時，內側與外側的觸地圓心角必然互有消長。圖13呈現眼睛視線成為Axis的延伸時的透視圖，實線三角形與虛線三角形分別為內側與外側的觸地圓心角交會輪胎內壁而成。該運算單元依據內外不相等的各該觸地圓心角，或者比對預建的測試資料以運算該側傾角度。

圖14是本發明第三實施例，包括兩組波發射源與波感測器，而且彼此的徑向角度方位沒有關聯。該二組波發射源與波感測器分別設置在H1與H2的輪框參考點上，各自正對著各自的反射點G1與G2各發射一源波，也各自接收來自G1與G2的各該折返波而輸出量測訊號各一。該運算單元接收各該量測訊號以分別運算輪胎內側與外側的觸地圓心角，該運算單元依據內外不相等的各該觸地圓心角，或者比對預建的測試資料以運算該側傾角度。

本發明理應完整搭配一傳輸單元與一顯示單元，一方面呈現輪胎運動參數給予駕駛人更充分的行車資訊，另一方面同步連接行車監控系統諸如ABS及ESP等，如此必當有助於交通運輸的安全、舒適與節能。