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激光三角法测量轮胎的变形
摘要
轮胎传感器是研究轮胎行为和评估轮胎工作状态的有力工具。本文介了绍激光轮胎传感器,它基于激光三角传感器，能够测量滚动轮胎的胎体变形。文中解释了该传感器的原理，介绍了一种专用的轮胎传感器模块。结果显示，几个轮胎负荷和膨胀压力对轮胎半径的平均值和幅度有线性的影响。以上结果可以覆盖更复杂的驾驶情况，包括土的变形、打滑，同样有可能观察到轮胎渗透入软土中。一个漂滑现象研究表明，水动力打滑对轮胎的胎体性能影响显著，同时也显示了打滑时充气压力的影响。
关键词：激光三角测量、轮胎传感器、智能轮胎、打滑现象、软土的接触变形
1、引言
未来道路交通主动安全系统将需要更准确的轮胎运行状态信息。轮胎在车辆动力学中的作用是非常大的，因为它传递作用于车辆的所有力，除了空气动力之外。即使这些力量是轮胎胎面产生的，但是胎体会将所有这些力量传递给边缘。因此，滚动轮胎的胎体缺失包含了一个关于轮胎操作状态的有趣信息，这将有益于主动安全系统。
其次，对轮胎行为的许多特征仍然知之甚少。轮胎的胎体行为可以模拟，例如，使用有限元法，但是到目前为止还没有任何可以用于验证的工具。这里明确强调两个调查轮胎传感器的目的：
- 提高交通安全
轮胎传感器作为一种产品可以适用于大规模生产；
传感器将传递例如轮胎力或摩擦力潜在的信息给车辆的主动安全系统；
能源的获取、耐久性、安装和数据传输是主要问题。
- 改善轮胎性能
轮胎传感器测量可以被利用在一般的轮胎行为研究中，因为它的许多功能仍然知之甚少；
轮胎传感器可用于验证复杂的轮胎模型。
第一个轮胎传感器实验报告了Darmstadt轮胎传感器[1,2]，其用磁性传感器测得了胎面位移。自那时以来，已经有几个其他方法来测量轮胎胎面和胎体变形。例如超声波传感器[3]曾被用于从边缘测量橡胶气密层（胎体的内表面）的距离；侧壁扭转传感器[4]测量由磁性轮胎侧壁标记产生的磁场；参考文献5介绍了另一种实际上不需要应用传感器在轮胎上的方法，它提出了轮胎变形改变了轮胎的电容[5]，这可应用于轮胎应变监测;还有一种测量胎面变形的表面波（SAW）传感器[6]，该传感器将不需要任何的能源供给，如轮胎中的电池。
参考文献7对加速度和应变传感器[7]进行了研究，加速度传感器的方法已在公共道路的长期测试中被进一步的开发和验证[8]。
最近，引入一种方法已经测量轮胎侧壁的偏转，这种方法是通过连接到轮胎边缘和内圆周面之间的悬梁臂的一个压电膜作为媒介的[9,10]。
光学方面也有研究。用一个发光二极管和一个位置敏感器测量的橡胶气密层位移[11]，在参考文献11中显示了该项研究。结果表明，这种传感器可以估算轮胎力[13]、打滑[13,14]和车辆侧滑角[15]。参考文献16还介绍了在一个有趣的光学传感器里[16]，边缘的CCD摄像机能够监测轮胎的变形。
参考文献17中写到，几年前就存在智能轮胎传感器[17]和无线数据传输。
本文介绍了一种能够测量滚动轮胎胎体变形的激光三角传感器，并且探讨例如车轮负荷、压力变化、土地变形和打滑等好几种不同情况下的性能。相比基于LED的光学轮胎（OTS）传感器，激光三角传感器可以提高测量结果的再现性。该项工作的主要贡献在于得出一个在正常行驶速度和现实条件下的滚动轮胎测量的广泛性实验结果。
2、激光轮胎传感器
在参考文献11-15和18中描述到，基于LED的光学轮胎传感器是通过测量黏在轮胎橡胶气密层LED的三维运动进而测量轮胎的变形的。虽然这项技术是很有前途的，但还是存在一些限制。一个主要的缺点是发光二极管的线性度，即使是广角发光二极管。此外，从轮胎边缘到轮胎都需要提供电源的电线，这些电线必须经常更换。在OTS中光学传感器被安装在一个可分离的轮胎边缘便于边缘已经安装传感器的情况下轮胎的安装。对于卡车的应用（一个有关OTS的早期项目），一个特殊的传感器模块被开发[12]，该传感器能够在安装在边缘的轮胎后。这类传感器模块的概念成为了用于载客汽车激光传感器发展的基础。
激光三角传感器（KeyenceIL-065）被选定为这一有前途的光学传感器技术发展的下一版本。该传感器的采样速率率是0.33毫秒一次，这几乎不能用来测量有35m/s驾驶速度(在0.12米的接触长度中采样10次)的接触变形。激光传感器嵌入到轮胎传感器模块中（图1），使用螺纹连接可以很容易地安装或卸载。图1的右边，展示了传感器模块的形状如何配合激光传感器，并且可以看到一个连接器的孔。有一点不足的是，传感器模块会导致显著不平衡的边缘，需有由与传感器模块相对的额外的权重补偿。因此，轮辋的质量和力矩的惯性比那些标准载客汽车的轮辋要大。
图1 在一个载客汽车的轮辋上装备一个带有激光传感器的传感器模块
该传感器的测量范围为55-105毫米，传感器位置分散适应轮辋的形状需要，分别计算从激光三角传感器到车轮中心的距离。因此，该信号值是从车轮中心给出结果。
利用一个滑动环的数据发送器和编码器（512个脉冲/转速）来解决传感器和车轮的转速。对于打滑现象测试编码器是不能用的，但轮辋上的感应传感器能在每一次的旋转中同步传感器的位置[13]，该传感器通过一个滑动环供电。该激光传感器输出是一个电压信号，用5000赫兹的采用频率对信号进行采样，分辨率为16位。
基于LED的光学轮胎传感器（LTS）和激光轮胎传感器（OTS）之间存在一个重要的区别。OTS衡量了一定固定点上的胎体和传感器之间的距离（LED的位置），而不是之间的径向距离，当在OTS测量中，测量距离D取决于纵向和横向运动（x和y），可表示为
（1）
z是传感器在胎体径向下的距离，纵向运动和横向运动增加了距离D。此外，对与光学轮胎传感器来说，距离D与传感器根部LED给出的信号成反比，这取决于光束的方向：LED未对准引起的偏差很大（LED发出的光大约有1-3%的发散角将引起测量值10°的未对准或者角位移测量值的减少）。
图2 基于LED的光学轮胎测量传感器和激光测距传感器的对比
如图2所示激光三角传感器直接测量距离z而不是距离D。该图还显示了滚动的方向，例如：负值表示中心接触之前的距离。可以预期的是，与OTS相比，新传感器提高了结果的准确性和重现性。这使得在轮胎设计中比较轻微差异成为可能，而不仅仅是在不同驱动条件下比较轮胎的胎体性能。例如，在这之前，参考文献13,14是研究不同阶段的打滑现象，但现在，略有不同的轮胎可以在相同的条件下比较，比如部分打滑或者完全打滑。这将有助于开发商更深地了解轮胎行为，而不仅仅是经验性的比较完整产品的性能。
在装有测试轮胎的测功机转轴（半径为219米）上对该传感器进行了测量[19]。应该指出的是，滚动曲率影响测量信号，但轮胎状态的简单可重复性和调整性证明了转鼓试验。
借助VW Golf V Variant对汽车也进行了测试。所有测试的轮胎都是NokianTyres WRG2 205/65R 16。在测试过程中，轮胎压力保持恒定，在实施过程中，通过调整轮胎升温后的来调整压力保持不变。这是一个很重要的方面，因为轮胎热身增加了轮胎压力和刚度，这直接影响到胎体的位移。土壤变形研究以及打滑试验都在试验车中都测试了，但并没有被转轴的曲率扰动。在信号质量或组件耐用性上，传感器测试的30公里中没有任何问题。在大约1000公里的实测过程中并有任何的耐久性问题。
3、结果与讨论
3.1 车轮载荷和轮胎压力对橡胶密封层的影响
车轮载荷和膨胀压力对轮胎变形量有很大的影响。因此，这些参数的影响可以轮胎内部的线性位移（z方向）观察到。图3显示了不同轮胎负荷和充气压力曲线族，这种测量方法似乎很好地遵循了参考文献20中介绍的物理轮胎模型。
图3 在轮胎转动测试装置（17m·s-1）中转动角度与内部直线位移的关系 车轮载荷和膨胀压力对轮胎变形量都已显示出来 一条载荷为7170N的曲线对此并没有显示出来，因为已经超出了量程
每个曲线族包含6秒的数据，包含大约56圈，放大倍率阐明了测量条件下的可重复性和较小的车轮荷载变化。
不断增加的车轮负荷很自然的增加垂直方向的位移（z方向）。图4显示了一个完全旋转的幅度（最小值和最大值之间的差值）和平均值与所有相关的车轮压力的线性关系。图5显示了计算出的斜率(一种合规系数)和图4所示的振幅数据的偏移量。绘制的残差也显示了当车轮压力增加时稍微更强的线性度是如何获取的。用线性模型估计轮胎荷载是很容易的，如果这个轮胎的胎体刚度（逆合规）是已知的。此外，轮胎的胎体刚度应该由充气压力测量装置估计，根据法律，这正在成为车辆的常见设备。这开启了使用任何胎体位移测量来估计车轮荷载的可能性，甚至是应用在车辆的生产中来提高主动安全系统。然而，轮胎的胎体刚性也取决于胎体性能，即使压力占主导地位。
图4 车轮负载和膨胀压力对平均值（标记）和幅值（标记）的影响
图5 不同轮胎压力下的轮胎适应性（刚度的反义）、补偿和残差（基于图4的幅值）
图6不显示任何轮胎传感器数据（数据纯粹从轮胎试验台中获取），但显示了作为不同充气压力的车轮负载下的动态加载半径r1和动态滚动半径函数rd，未避免引起困惑，这里的展示是为了澄清轮胎半径。动态加载半径是简单的从车轮中心到道路的距离，并且是在轮胎试验台上用线性运动传感器测量的。动态滚动半径是
其中Vx所处的位置即车轮的纵向速度，是每个旋转的车轮速度中的相同距离。数据表明了rl是如何在轮胎负荷和压力上有近似的线性关系的，但动态滚动半径受这些因素的影响没有那么显著。很明显，因为轮胎的胎体周长被定义为刚性带（典型的子午线轮胎结构）。因此，无论是什么形状的皮带，在负载条件下每转行进大约相同的距离。
图6 动态加载半径和动态滚动半径（r1和rd）关于不同车轮加载压力下的函数 与图3中测量结果相同
图7 表面形状对LTS信号的影响（11m·s-1）
可以看出，当车轮荷载FZ→0时，rl曲线收敛到卸载半径值（~0.315米）。
应该注意到的是，在接触过程中，如果动态加载半径和鼓半径（如果不是无限的）是可得到的，那么计算胎面压缩是可能实现的。 这可能是LTS的一个有趣应用，例如滚动阻力的研究。
3.2 试样轴曲率和土体变形的影响
LTS可用于研究在特殊情况下双方的接触形变，如轴曲率的影响以及如雪、流土或沙子（或是这种情况下的草地）这些情况下的可变性土的情形。图7展示了在这些条件下驾驶时，以沥青作为参考的轮胎橡胶气密层的变形。在草地上的变形明显比较小，鼓曲率增加了信号的幅度。在草地一个给定的表面上测量曲线的标准差是最大的，这可以由因不均匀表面产生的车轮荷载偏差解释。鼓的表面是Safe-Walk paper，这是非常光滑并且会导致距离峰值非常小的偏离。
在图7的笛卡尔坐标系中也可以显示出z方向的信号，所测量的转动角度theta;和z方向的信号可以被表示为下式：
x=z·costheta; （3）
y=z·sintheta; （4）
正如如图8所示。图解说明了鼓面上明显的接触形变。同样地，在沥青上测量的曲线呈直线型的接触形变。形变土壤（草地）曲线显示了轮胎如何真正的压入地面。
图8 笛卡尔坐标系中的接触形变
-
- 打滑
打滑的数据在试验场的特殊区域进行测量，在测试期间能够保持恒定的4毫米水深。实例测试运行如图9所示，其中包含从干躁沥青（1-46圈）路面获取的数据，跟着47-67圈是打滑区。左边的图显示了在时间域里的数据，5毫米的信号幅度上增加是打滑时得到的，这可以由轮胎接触补丁的前缘处的流体动力作用下的不同类型的接触变形来解释[13]。请注意，如果在3.1中提到的线性模型实现的话将导致在打滑期间一个高估的车轮负载。右边的图显示了转化为直角坐标的数据。同样地，可以看到从边缘处降低了的橡胶气密层，但是事实上更有趣的是正在向边缘移动的信号。再者，这可以由在轮胎接触补丁更为强大水动力力量的领先优势方面所解释，而且导致了非常小的偏差，特别是接近峰值时。参考文献14中，这个现象被用于使用OTS实时估算打滑率。这种估计是非常强大的，
图9 100km·h-1条件下内部线性位移的测量值（a）在干燥沥青或者打滑路面上时域中辐射状偏移关于时间的函数 （b）在笛卡尔坐标系下图（a）中的一些数据关于转数的函数（1-46是在干燥沥青路面上的数据，47-67是在打滑路面上的数据）
图10 在不同的充气压力下轮胎胎体辐状偏移与在干燥沥青路面或者打滑路面的关系
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