專利名稱：用于車輛數據特別是輪式行走車輛的速度的測量裝置的制作方法
用于車輛數據特別是輪式行走車輛的速度的測量裝置
本發(fā)明涉及一種用于車輛數據特別是輪式行走車輛的速度的測量 裝置。
在很多情況下需要知道車輛的速度。車輛駕駛員需要速度數據，
以便在某些駕駛控制過程中獲得關于其車輛的預測反應的基準點；當 然也要注意，他必須要遵守規(guī)定的速度限制。為了估計在超車過程中 可能的危險，對自己車輛當前速度的盡可能準確的認識也是值得追求 的。由速度的認識，也可推斷出其他車輛或其他可移動物體的速度。 通常，車輛例如汽車在公路上的速度由一車軸的轉速確定。已知
所謂的轉速計裝置，其通過機械的以及在更近期通過電子的轉換，從 車前軸或從與其連接的元件的轉數一方面算出走過的路程、特別是公 里數，另一方面算出車速并且告知車輛駕駛員。這種測量在極限內是 精確的并且其顯示精度也規(guī)定用以提高交通安全性。
用于測量車速的傳統(tǒng)的方法通常是從車軸的旋轉運動出發(fā)。因此， 它們相對于車輛底盤或車輛的另一不旋轉的元件測量車軸的轉速。在 汽車中這種測量雖然比較精確，但仍保留著不準確性，因為，車軸的 轉速的測量和緊接著為在汽車中顯示的評估計算必定是從車輪直徑的 固定值出發(fā)，并且自然必定忽略了在車軸與車輪之間以及在車輪與車 行道表面之間的滑差。
對于自行車，在DE 100 37 377A1中建議，在車本身的前輪上夾 緊電磁式或靜電式或類似的傳感器，借此可以盡可能容易地拆卸和安 裝一個相應的自行車轉速計。也需要將一計算裝置與傳感器一起安裝 到自行車的輻條上。針對測量的型式則未給出更詳細的信息。
由DE 10 2005 014 500 Al得知一種傳感器系統(tǒng)，借其擬檢測車輪 上的振動，以便探測車輪運動的異常。
通常采用的測量裝置具有這樣的缺點，即它們很難安裝，因為人們必須達到車輛的隱蔽部分。最近，在車輛中也采用了所謂Bus系統(tǒng) (總線系統(tǒng))，以便在車輛中傳輸信息，例如車速。在其上，通常為了 安全性之原因而不允許連接測量裝置。此外，對于不同的車輛型式通 常需要進行匹配。而且對于每一車輛必須要將測量裝置參數化和校準， 因為該方法并不提供絕對的測量值，而只是以與速度成比例的值、例 如每分鐘的車輪轉數工作。
原則上也已知的是，由加速度的積分得到速度，這種方法很好地 適用于從一已知的速度vo出發(fā)按以下公式得出速度v (t):
v(O = v。 + J"a(0^
但同時必須不斷地調整速度v0，因為持續(xù)進行的積分導致測量值 偏移并因此在短時以后就已不再提供精確的值。
在涉及針對交通監(jiān)控的測量時，例如提出了對車輛速度測量精度 的更高要求。這樣，由一行駛的車輛出發(fā)，通過跟在后面行駛也可以 確定前行的車輛的速度，在這種情況下當然需要對自身速度的特別精 確的認識，以便即使是相對測量仍然能保持效度和信度。
這一點因此也是成問題的，因為，在傳統(tǒng)上在隨后行駛的車輛的 轉速計上顯示的速度還仍必須以某一種適當的形式提取或確定，以便 將其與前行的車輛的監(jiān)視數據相關聯。這樣的提取在技術上非常困難，
因為在隨后的車輛的安全性技術的范圍內實現干預肯定是不允許的。
由US 6 466 887 Bl已知一種兩個重量測量的旋轉傳感器的組合， 其記錄鄰接于車輪的轉軸的加速度并由此確定車速。
EP 0 517 082 A2介紹了 一種方法和裝置，用于通過對車輪轉數的 監(jiān)控防虛假地檢測車輪的車輪轉數。同時確定加速度數值，其相當于 重力加速度和/或離心加速度。
針對車速測量的更精確的可能性的企求仍然存在。此外，也還有 測量其他的車輛數據的企求，并且例如在行駛過程中自動地確定關于 車輪的直徑的數據。
因此本發(fā)明的目的是，建議一種測量裝置和方法，用以測量車輛 數據，其特別是能夠盡可能精確地測量輪式行走車輛的速度和在行駛過程中確定車輪的直徑。
上述目的通過這樣一種用于測量車輛數據特別是輪式行走車輛的 速度的測量裝置達到，其包括一第 一傳感器用以測量作用到第 一傳感 器上的加速度、一第二傳感器用以測量作用到第二傳感器上的加速度， 其中兩個傳感器設置在同一個車輪上并且隨該車輪旋轉，并且兩個傳 感器設置成，使它們測量分別垂直于輪軸作用并且彼此成一角度的加 速度，還包括一評估裝置，向其供給兩個傳感器的測量值，其中，評 估裝置構造和連接為，使其由兩個傳感器的測量值確定車輪沿車輛行 駛方向的加速度并由此確定當前的車速，以及，評估裝置構造和連接 為，使其由相同的測量值也確定車輪在旋轉頻率改變期間的角加速度 并且通過該評估與車輪沿行駛方向的加速度的比較來絕對地確定車輪 的直徑。
對此優(yōu)選的是，將評估裝置構造和連接為，使其由這樣求得的車 輪的絕對直徑和兩個傳感器的測量值確定絕對車速。
按照本發(fā)明，這樣提供一種精確的絕對的速度測量裝置，其不必 參數化并且可以按簡單的方式附加配備于車輛中。
上述目的也通過一種用于測量輪式行走車輛的速度的方法得以實 現，其中，在車輛運動和車輪旋轉的過程中測量在一個隨車輪旋轉的 點上并垂直于輪軸作用的第一加速度，并且在車輛運動和車輪旋轉的 過程中測量在一個隨車輪旋轉的點上并垂直于輪軸作用的第二加速 度，該第二加速度相對第一加速度成一角度地作用，其中將兩個測量 的加速度的測量值供給一評估裝置，將各測量值相互結合并由此確定 車輛的車輪軸沿行駛方向的加速度，同時由該求得的加速度確定當前 的車速，以及，由相同的測量值也確定車輪在旋轉頻率改變期間的角 加速度并且通過該評估與車輪軸沿行駛方向的加速度的比較來絕對地 確定車輪的直徑。
優(yōu)選地，在該方法中，由這樣求得的車輪直徑和兩個傳感器的測 量值確定絕對車速。
本發(fā)明利用了在這方面來說至今幾乎未被用到的效果除沿行駛方向的加速度外(其由振動信號的振幅確定)，還同樣經由振動信號的 頻率來確定角速度。在此優(yōu)選的是，對按照本發(fā)明得到的測量信號的 兩個典型的特征進行評估。
本發(fā)明現在將測量從車軸轉到車輪本身上。在此利用了兩個傳感 器，它們測量在車輪旋轉過程中作用到其上的加速度。這除車輛加速 度外首先是向下作用的重力加速度。因此在車輪的滾動運動過程中兩 個傳感器將確定一正弦曲線，它們本身旋轉，故而重力由其看來成正 弦形變化。車輛加速度疊加這兩個正弦形的振動。但其并不顯著地改 變各信號的正弦形變化，它們由于兩個傳感器的設置而移動一相位。
亦即產生了兩個正弦振動，其作為連續(xù)的信號提供兩個接著的測
量值
ax (,) = g cos(M) — a sin一) S (,) = g sin(— + o cos(W)
如果現在將該兩公式或信號平方并相加，這樣形成的等式便消除
了全部依賴于振動的分量，得出以下公式
由于重力加速度g的數值是已知的，因此可以由兩個傳感器的測 量值或信號在任何任意時刻確定車輪沿行駛方向的加速度。
經由重力加速度校準了加速度傳感器的測量值。亦即如果車輛加 速度a=0則可以經由兩個傳感器的振動的振幅確定g的測量值并由此 進行校準。速度vf常數的事實通過不改變振動的周期長度T得以確 定。
振動的周期長度T對其角速度ro的關系是T=l/co。由此自動地產 生車輪的平均前進運動速度v-27iR(0，其中R是車輪的半徑。
現在也為了可以確定R,在優(yōu)選的實施形式采用以下方法，這涉
及
V=27rRro
如果按時間離散地導出該公式，亦即在 一 個時間間隔T中考慮在 一個車輪整轉過程中的變化，則得到:AV=at=27rRAco 經變換得出
<formula>formula see original document page 9</formula>
A①對于一整轉可以直接由周期長度T的延長或同樣縮短At算出， 因為這涉及
<formula>formula see original document page 9</formula>
由此得出半徑為
<formula>formula see original document page 9</formula>
因此可以由周期的長度、周期長度在一個周期過程中的變化和加 速度在一個周期過程中的平均值來確定半徑。全部這些參數已知是絕 對的，借此可以絕對地確定半徑，從而自然也就可以確定車速。如果 采用兩個傳感器進行測量，則可利用每一車輪整轉四個零相交，因此 也可以用在一四分之一車輪整轉的過程中的變化來工作。該方法和公 式并不因此改變。只利用在四分之一車輪整轉時所得出的數值，由此 提高了測量的在時間上的分辨率。
因此，為了確定半徑，使振動頻率的變化與加速度沿行駛方向的 平均值相關聯并由此確定車輪直徑。如果假定車輪直徑不可能突然改 變，則為了提高精度和為了檢驗測量的信度，要多次確定半徑。
如果已這樣求得半徑，則可以經由公式
<formula>formula see original document page 9</formula>
確定每一整轉四次的速度作為平均值。其中該速度也可以從這樣 求得的值出發(fā)借助于加速度通過積分算出。只通過積分的速度的計算 由于積分的偏移特性導致測量在短時間以后不再是有效的。對此，為 確定速度的頻率的評估提供支持點V。，其按以下公式在任何任意的時 刻的基礎上可以提供速度。
<formula>formula see original document page 9</formula>
特別的優(yōu)點是，可以完全獨立地和附加于傳統(tǒng)的速度測量地在車 輛中實現該測量。因此也有可能采用這些數據，而沒有根本上介入車輛的安全性范圍。車輛的加速度a的測量或者說該數值由兩個傳感器 的測量值和信號的確定可以仍在車輪上在一相應的評估裝置的兩個傳 感器中實現，或者還可以在例如車輛內室區(qū)域內的一評估裝置中實現， 同時也可將其他的測量值供給評估裝置。
優(yōu)選地還設置過濾器，其過濾兩個傳感器的測量值并由此消除不 符合要求的干擾信號。這些干擾信號可能例如由于車輪振動而產生。
為了進一步處理之目的，將測量值數字化并且供給一微型控制器。 對信號的過濾可以在處理的模擬側或者數字化側進行。
通過本發(fā)明，還提供了在傳統(tǒng)上仍不能考慮的其他的可能性。例 如，評估裝置或微型控制器也可以以所描述的方式不斷地確定輪胎直 徑并且與一理論值相比較，并由此較為簡單地確定偏差，該偏差例如 可能歸因于不足夠的輪胎壓力或者也可以推斷出輪胎達到了一定狀態(tài) 的磨損。按這種方式可以很簡單地由測量值附加地向車輛駕駛員發(fā)送 警告。
此外，該系統(tǒng)有利地是自校準的。也就是說，重力加速度g值除 作為一不變的時間基礎外還用作系統(tǒng)的標準量度。如果加速度a-0時 則進行校準，因為在這種情況下只有重力加速度g作用到兩個傳感器 上。接著便可應用求得的絕對的速度信號來相應地進行校準，。
優(yōu)選通過一組合的供電電源來操作兩個傳感器。
傳感器也可以用作為滑差傳感器，方式是，基于前文已描述的方 式求得的R的當前值，來比較角加速度和車輪加速度a的比值。如果 對于已知的R在這里具有偏差，則其歸因于滑差，從而，在先前的校 準中也可以絕對地確定滑差。由此，絕對車速的確定在該基礎上也是 可能的。
該測量裝置也可以用于一 GPS系統(tǒng)的擴展，用以確定車輛的位 置。如果例如GPS接收是受限制的，盡管如此，仍然可以由絕對車速 的確定來實現位置確定。
傳感器也可以用作為行程傳感器，其中，通過已知的車輪周長和 由一定的時刻起測定的整轉數目來確定走過的路程。由于該測量裝置也測量加速度a，其也記錄著每一次很強的制動。 這可以例如在優(yōu)選的實施形式中與 一視頻系統(tǒng)相組合，作為用于視頻 記錄的觸發(fā)器。這樣，按選擇或附加地，也可以在事故之后在事故數 據存儲器中提供事故偵測的可能性。為此附加設置一存儲器，在其中 保持測量值。人們總是可以存儲最后的當前值，以便在事故之后將其 提取。
供電電源可以例如包括一電池組。但也可設想一蓄電池，其經由 一機構通過車輪運動進行充電。蓄電池也可以通過太陽能電池保持于 充電的狀態(tài)。但也可設想借助于感應從外部供電。
還有可能實現測量裝置傳感器的節(jié)電方式。也就是，只在速度處 于一定的極限值之上時才實施連續(xù)的測量。
此外，傳感器還可以經由信度檢驗自動地確定它是否是正確亦 即優(yōu)選安裝在車輪中心。傳感器也可以將這些情況記錄下來，以保持 例如所實施的測量是可事后檢驗的。
測量裝置的兩個傳感器在車輪上的居中設置提供了一種特別簡單 的信號評估，如也已由上面那些公式得知的那樣。但原則上也可設想， 將傳感器固定在車輪中心之外一定距離處，如果出于結構或其他方面 的考慮具有優(yōu)點的話。不過在這種情況下絕對速度和上述數值的計算 變得復雜。在這樣的計算中，必須要附加考慮由離心力引起的加速度。
也可設想一種具有多于兩個加速度傳感器的測量裝置。這樣可提 高角加速度和各個數據的分辨率，因此可改進整個測量裝置的精度。 當然，評估計算因此也變得復雜。
傳感器的信號的測量值可以按不同的方式從車輪向車輛或者例如 也向一固定不動的接收器轉送，例如借助于無線電、光感應或必要時 也導線連接地例如經由滑動接觸進行轉送。
數據可以通過一種協(xié)議來轉送，在這種情況可以對兩個傳感器進 行驗證，從而它們在測量系統(tǒng)是不能被事后替換的。該協(xié)議也可以雙 向地展開，以從外部控制兩個傳感器。多個傳感器也可以在同一無線 電網絡中并行操作并且被編上單值對應的地址。以下借助附圖
更詳細地描述本發(fā)明的一個實施例。其中
圖l 車輛車輪連同本發(fā)明裝置的一部分的示意圖2 在恒定的車速v時利用本發(fā)明裝置記錄的信號曲線；
圖3 在車速改變時產生的另一信號曲線；
圖4 按照本發(fā)明的裝置的示意圖5 評估和自校準過程的示意以一種實例來描述本發(fā)明的測量裝置，其中，車輛的一車輪5(車 輛的其余未示出)在一車行道7上行走。
車輪5具有一半徑R。其繞垂直于圖平面的軸以角速度co在所示 的實例中向右旋轉。因此車輪5的軸、從而未示出的車輛以速度v同 樣向右運動。
車輛連同車輪5通過重力保持在車行道7上，示出了重力加速度 g，其垂直于車行道7向下作用。
在車輪5的中心設有兩個傳感器10和20。兩個傳感器10和20 中的每一個都是加速度傳感器并且測量在其上沿確定的方向作用的加 速度。由于兩個傳感器10和20隨車輪5旋轉，它們在車輪5以一確 定的速度v進行轉動時感受作為正弦振動的重力加速度。
圖2中示出了這樣的信號曲線。其中，向上繪出兩個傳感器的測 量值，而向右則繪出時間t。
可看出兩個相同的、但在所示實例中位錯卯?；?t/2的振動，它們
在+g與-g之間變化。
其中，周期長度T對角速度co的關系是T=l/co。車輪的速度因此 是v-2ttRco。也可以以類似的方式算出沿行駛方向的加速度a，但要取 決于車輪5的半徑R。
如上文所述，即使在角加速co不變的情況下對兩單個傳感器也適
用
<formula>formula see original document page 12</formula>
如果將兩公式平方并相加，則由于二項式的公式消除了全部與振動有關的分量，并直接得出沿行駛方向的加速度，而不取決于車輪5 的半徑R或角速度co:
<formula>formula see original document page 13</formula>
在速度改變的情況下原則上產生所示的傳感器信號的曲線，如圖 3中所示，其中選用類似于圖2的圖示。
圖4示出本發(fā)明的測量裝置的一種實際的構造。其純粹示意地示 出和表明將傳感器10和20的測量值分別轉交給一過濾器11或21， 從那里將它們作為經過濾的測量值導向各一個模擬-數字轉換器12或 22。
兩轉換器12和22的輸出被供給一評估裝置30中的微型控制器 31。這還考慮到一時間基礎(f-常數)。還示意地設定此后將各數據 經由一無線電接口 33發(fā)送給一天線34。這是一種實施形式，其也將 評估裝置30設置在車輪5上。
還設置有一供電電源35。
在圖5中還示意地示出了可能的評估過程。其中也考慮了在可能 存在校準時的過程。所用的公式符號
a 車輛加速度
a 在一個離散的時間間隔上的車輛加速度平均值
ax第一傳感器的加速度信號 ay第二傳感器的加速度信號
g 重力加速度
v 車速
R 車輪半徑
T 測量的正弦振動的周期長度
At 兩個相互接著的周期長度的時差
角速度
△CO在一個離散的時間間隔內角速度的變化量
AV在一個離散的時間間隔內車速的變化量 v(t)在時刻t的變化的車速
v0 瞬時的速度
t 時間附圖標記清單
5 車輪
7 車行道
10傳感器
11 過濾器 12轉換器
20傳感器
21 過濾器
22 轉換器
30評估裝置
31 微型控制器
33 無線電接口
34 天線
35 供電電源
權利要求
1. 用于測量車輛數據特別是輪式行走車輛的速度的測量裝置，包括a)一第一傳感器(10)，用以測量作用到該第一傳感器(10)上的加速度；b)一第二傳感器(20)，用以測量作用到該第二傳感器(20)上的加速度；c)其中，兩個傳感器設置在同一個車輪(5)上并且隨該車輪旋轉；以及d)兩個傳感器設置成，使它們測量分別垂直于車輪(5)的軸作用并且彼此成一角度的加速度；e)一評估裝置(30)，向該評估裝置供給兩個傳感器(10、20)的測量值；f)其中，所述評估裝置(30)構造和連接為，使其由兩個傳感器(10、20)的測量值確定車輪(5)沿車輛行駛方向的加速度并由此確定當前的車速；g)其中，所述評估裝置構造和連接為，使其由相同的測量值也確定車輪(5)在旋轉頻率改變期間的角加速度并且通過該評估與車輪(5)沿行駛方向的加速度的比較來絕對地確定車輪(5)的直徑。
2. 按照權利要求1所述的測量裝置，其特征在于，所述評估裝置 (30)構造和連接為，使得由這樣求得的車輪(5)的絕對直徑和兩個傳感器(10、 20)的測量值確定絕對車速。
3，按照權利要求1或2所述的測量裝置，其特征在于，兩個傳感 器(10、 20)分別測量作用在同一點上的加速度。
4. 按照上述權利要求之一項所述的測量裝置，其特征在于，兩個 傳感器(10、 20)分別測量彼此垂直作用的加速度。
5. 按照上述權利要求之一項所述的測量裝置，其特征在于，兩個 傳感器(10、 20)設置在車輪(5)的中心上。
6. 用于測量車輛數據特別是輪式行走車輛的速度的方法，其中a) 在車輛運動和車輪旋轉的過程中測量在一個隨車輪旋轉的點上 并垂直于車輪的軸作用的第一加速度；b) 在車輛運動和車輪旋轉的過程中測量在一個隨車輪旋轉的點 上并垂直于車輪的軸作用的第二加速度，該第二加速度相對第一加速 度成一角度地作用；c) 將兩個測量的加速度的測量值供給一評估裝置；d) 將各測量值相互結合并由此確定車輛的車輪軸沿行駛方向的 加速度；e) 由該求得的加速度確定當前的車速；以及f) 由相同的測量值也確定車輪(5)在旋轉頻率改變期間的角加 速度并且通過該評估與車輪(5 )的軸沿行駛方向的加速度的比較來絕 對地確定車輪(5)的直徑。
7. 按照權利要求6所述的方法，其特征在于，由這樣求得的車輪 直徑和兩個傳感器的測量值確定絕對車速。
8. 按照權利要求6或7所述的方法，其特征在于，垂直于第一測 量進行第二測量。
9. 按照權利要求6至8之一項所述的方法，其特征在于，在車輪 中心的一點上進行兩個測量。
10. 按照權利要求9所述的方法，其特征在于，將測量值平方并 相加，并且將結果與重力加速度的平方相比較。
11. 按照權利要求6至IO之一項所述的方法，其特征在于，考慮 干擾信號對測量值進行過濾。
12. 按照權利要求6至ll之一項所述的方法，其特征在于，將測 量值在另一步驟中與一個通過另一方法求得的速度值或者一個求得的 不同速度值相比較并由此確定車輪(5)的直徑的當前值。
13. 按照權利要求12所述的方法，其特征在于，將求得的車輪直 徑值與比較值和/或早先求得的值相比較并由此推斷出磨損和/或輪胎 壓力。
14. 按照權利要求6至13之一項所述的方法，其特征在于，利用 一個借助于另一方法求得的車輪(5 )直徑值對測量值進行補充并由此 確定車輪(5)相對于車行道(7)的滑差。
15. 按照權利要求6至14之一項或多項所述的方法，其特征在于， 借助于評估裝置求得的值由一視頻裝置作為信息附加于由其采集的視 頻記錄。
全文摘要
一種用于測量輪式行走車輛的速度的測量裝置，具有一第一傳感器(10)和一第二傳感器(20)，兩個傳感器設置在同一個車輛車輪(5)上并且隨該車輪旋轉。兩個傳感器設置成，使它們測量分別垂直于車輪(5)的軸并彼此成一角度以及作用在同一點上的力。設置一評估裝置(30)，向其供給兩個傳感器(10、20)的測量值，所述評估裝置由此確定車輛沿行駛方向的加速度并由此得出當前的車速。
文檔編號G01P3/22GK101432155SQ200780015476
公開日2009年5月13日 申請日期2007年4月17日 優(yōu)先權日2006年4月28日
發(fā)明者C·黑爾克 申請人:特杰有限公司