技术领域
[0001] 本实用新型涉及机动车车轮安全性能检测技术领域，尤其涉及一种自发电机动车车轮状态监测系统。
背景技术
[0002] 随着我国经济社会持续快速发展，机动车保有量继续保持快速增长态势。据公安部统计，截至2018年12月，全国机动车保有量达3.25亿辆，与2017年底相比增加1556万辆；机动车驾驶人达4.07亿人，与2017年底相比增加1236万人。机动车数量快速增长的同时也造成道路交通安全形势越来越严峻，据国家安全监管总局、交通运输部最新研究报告显示，虽然近年来我国道路交通事故降幅明显，但依然高发，我国每年交通运输事故总量仍居高位，事故起数、死亡人数分别约占全国总量的70％和80％，这使得机动车运行安全状况受到越来越广泛的关注。
[0003] 目前，国家管理
机动车辆的一个重要重要手段是对机动车辆实施强制性定期安全检测，但定期安全检测项目并未能全面、实时地反映机动车运行时的真实状况，存在一定的局限性。开展主动性机动车运行安全状态监测是保证机动车安全行驶的重要手段之一，也是机动车运行安全检测技术发展的趋势之一。
[0004] 车轮是机动车在行驶过程中唯一与地面
接触的部件，承担整车
载荷、驱动、
制动、转向等功能，对机动车的安全行驶至关重要。在车辆行驶过程中，车轮运动
姿态、车轮负荷、车轮制动性能等参数是动态变化的，在行驶过程中会受各种因素影响，但其变化量却不得而知，正常范围内的指标偏离可能不易引起注意，从而未能及时采取相应的
预防措施，而一旦参数偏离安全指标，甚至丧失承载功能，车辆在行驶过程中随时可能发生危及生命安全的交通事故。监测车轮安全性能参数能够真实、动态地反映车辆在行驶过程中的安全运行状态，实时监测机动车车轮状态具有重要的现实意义。
[0005] 目前，车轮MAP监测技术处在起步阶段，国内外学者已取得了一些研究进展：Warker C.E.等人(2001)提出一种监测在机动车行驶期间轮胎状态的方法，并设计了相应系统，通过在轮胎上安装切向、侧向、径向三个方向
加速度
传感器，由
控制器通过无线方式向远处接收装置发送实时监测数据，经
数据处理和解算后，可确定轮胎相对于
车身的
位置信息和特性数据。此外，Renato C等(2005)在轮胎内表面或其
轮辋上安装传感器组件检测轮胎压
力、
温度和旋转次数，并另外使用延伸仪测量
胎面条纹内表面
曲率和
变形情况，
加速度计测量胎面所承受加速强度；Park等(2006)学者将摄像校准和姿态评测应用在车轮调整系统中，通过一种坐标匹配
算法计算图像坐标与物体坐标匹配序列，进行非交互式校准和姿态评测。华南理工大学林颖等在2006年提出通过轮胎转速、压力等参数间接测量车辆载荷，利用
轮胎气压间接测量车辆载荷，其原理是利用神经网络算法得出加载或卸载前后胎压变化值与载荷的映射关系，从而实现直接在
驾驶室内完成
汽车装载和卸载时自身载重的实时称量。这些研究提供了构建车轮状态监测系统新思路和新方法，但未提出车轮状态检测模
块的供
电解决方案，且未进一步分析三维加速度、车轮三维
角速度及车轮三维地磁强度及与车轮运动状态的关系，在检测轮胎温度时，多采用单点检测，未能全面实时检测轮胎四周的温度。
[0006] 车轮状态监测模块需与车轮一起做同步圆周运动，从而实时
感知车轮的运动状态信息。现有的车轮状态检测模块通常采用干
电池或锂电池供电，干电池有一定的使用寿命，锂电池同样需周期性充电，否则检测模块无法正常工作，干电池或锂电池均不适宜作为车轮状态检测模块的长期供电电源；此外，干电池和锂电随车
轮作高速圆周运动，长期运行存在甩脱
风险，轻则导致检测模块无法正常工作，重则给车辆运行带来安全隐患。此外，进行车轮状态监测时，仅分析车轮三维加速度难以全面衡量车轮的运行状态；车轮状态异常时，可以从胎压和胎温直观显示出来，胎压可以单点监测，但单点检测胎温难以全面衡量轮胎四周的实时温度状态及温升率。实用新型内容
[0007] 本实用新型的目的在于克服上述
现有技术的不足，提供一种自发电机动车车轮安全性能动态检测系统，解决车轮状态检测模块的长期供电问题，同时实现全面检测轮胎四周的实时温度状态及温升率。
[0008] 为达到上述目的，本实用新型的技术方案实现如下：一种自发电机动车车轮状态监测系统，包括依次连接的车轮状态监测单元、中控单元和远程监控单元；
[0009] 所述车轮状态监测单元包括自发电装置、三相全桥整流模块、第一DC/DC模块、胎温监测模块、胎压监测模块、车轮传感模块、车轮MCU以及无线射频发射器；所述自发电装置、三相全桥整流模块以及第一DC/DC模块依次连接；所述第一DC/DC模块与所述胎温监测模块、胎压监测模块、车轮传感模块、车轮MCU和无线射频发射器连接；所述车轮MCU与所述胎温监测模块、胎压监测模块和车轮传感模块连接；所述车轮MCU与所述无线射频发射器连接；
[0010] 所述胎温监测模块用于监测胎温以及温升率；所述胎压监测模块用于监测胎压；所述车轮传感模块包括三轴加速度计、三轴
陀螺仪、三轴磁感应仪；所述三轴加速度计用于感知车轮三维加速度；所述三轴陀螺仪用于感知车轮三维角速度；所述三轴磁感应仪用于感知车轮三维地磁强度；
[0011] 所述自发电装置产生三相交流电，经三相全桥整流模块整流后，输入到第一DC/DC模块进行滤波、稳压后，为胎温监测模块、胎压监测模块、车轮传感模块、车轮MCU以及无线射频发射器提供工作电源；
[0012] 所述中控单元包括车载电源、第二DC/DC模块、无线射频接收器、车内
信号显示报警模块、中控MCU以及4G无线远程模块；所述车载电源与所述第二DC/DC模块连接；所述第二DC/DC模块与所述无线射频接收器、车内信号显示报警模块、中控MCU以及4G无线远程模块连接；所述中控MCU与所述无线射频接收器、车内信号显示报警模块连接；所述无线射频接收器与所述无线射频发射器连接；所述中控MCU通过串口与所述4G无线远程模块进行双向通信；所述车载电源为所述无线射频接收器、车内信号显示报警模块、中控MCU以及4G无线远程模块提供工作电源；
[0013] 所述远程监控单元包括数据透传
云平台和远程监控中心；所述数据透传云平台通过虚拟串口与所述远程监控中心进行双向通信；
[0014] 所述胎温监测模块将监测到的胎温以及温升率传输到车轮MCU，所述胎压监测模块将监测到的胎压传输到车轮MCU，所述车轮传感模块将监测到的车轮三维加速度参数、车轮三维角速度参数及车轮三维地磁强度参数传输到车轮MCU；所述车轮MCU将接收到的温度、温升率、胎压、车轮三维加速度参数、车轮三维角速度参数及车轮三维地磁强度参数信号依次通过无线射频发射器、无线射频接收器传输到中控MCU，所述中控MCU将接收到的信号数据通过串口及4G无线远程模块上传至互联网，所述数据透传云平台与互联网进行通信，实时接收互联网传输过来的信号数据，然后将接收到的信号数据通过虚拟串口发送至远程监控中心进行融合分析，若分析结果偏离设定值时，生成预警信号，所述预警信号依次通过虚拟串口、数据透传云平台、互联网、4G无线远程模块及串口送回中控MCU，最后传至车内信号显示报警模块，向驾驶员发出预警。
[0015] 优选地，所述远程监控中心利用车轮三维加速度参数、车轮三维角速度参数和车轮三维地磁强度参数计算获得车轮运动姿态参数；所述远程监控中心利用车轮加速度信号，经
信号处理获得车轮制动参数；
[0016] 所述远程监控中心利用车轮运动姿态参数、车轮制动参数及轮胎压力、温度、温升率参数进行数据融合分析，获得车轮安全性能的变化趋势；
[0017] 当所述车轮运动姿态参数、车轮制动参数以及车轮安全性能的变化趋势偏离设定值时，经4G互联网及无线远程通信模块向车内的中控MCU返回预警信号，然后传输到车内信号显示报警模块，向驾驶员发出预警。
[0018] 优选地，所述车轮三维加速度参数包括：车轮切向加速度、侧向加速度和
向心加速度。
[0019] 优选地，所述车轮三维角速度参数包括：车轮侧倾角速度、旋转角速度和航向角速度。
[0020] 优选地，所述车轮运动姿态参数包括：车轮侧倾角、车轮旋转角、车轮航向角、车轮垂向加速度、车轮三维加速度和车轮三维角速度。
[0021] 优选地，所述车轮制动参数包括：车轮制动减速度和左右车轮制动减速度平衡的不相等度。
[0022] 优选地，所述自发电装置安装于汽车
轮毂中心，所述自发电装置包括
永磁体磁轴、三相
电枢绕组、自发电装置
外壳以及连接件；所述永磁体磁轴两端设有磁轴偏心
铁块；所述自发电装置外壳通过连接件与轮毂中心固定连接；所述自发电装置外壳上固定连接有两个滚珠
支撑轴承；所述两个滚珠支撑轴承分别与所述永磁体磁轴两端连接；所述三相电枢绕组固定在所述自发电装置外壳上，所述三相电枢绕组采用九极三相结构，所述三相电枢绕组随所述轮毂一起做圆周运动，当所述三相电枢绕组与所述轮毂一起旋转时，所述三相电枢绕组切割永磁体磁感线，产生三相交流电。
[0023] 优选地，所述永磁体磁轴采用偏心结构，在重力作用下自然朝下，不随车轮做圆周运动。
[0024] 优选地，所述胎温监测模块包括若干个温度传感器，所述若干个温度传感器沿车胎呈周向设置且每两个所述温度传感器的间隔为60°。
[0025] 有益效果
[0026] 与现有技术相比，本实用新型取得的有益效果为：
[0027] 1、解决车轮旋转体上监测模块的供电问题，采用自发电技术，取代传统的干电池或锂电池供电，汽车运动时(行驶速度大于25km/h)即可保证监测模块正常工作，正常监测车轮的运动状态。
[0028] 2、基于组合传感器获得车轮运动姿态、轮胎压力、温度、温升率、车轮安全性能变化趋势等参数信息，比以往更加全面、科学，可以真实、动态地反映车轮安全运行状态。
[0029] 3、在轮胎内侧均匀布置6个温度传感器(测点间距60度)，实时监测轮胎全周温度状态及温升率，可以全面衡量轮胎的温度状态，温度的变化是一个渐变的过程，全面监测车轮全周温度及温升率，温度或温升率异常时可以提前发出预警。
[0030] 4、胎温、胎压等直观数据采取直接显示方式，偏离正常值时发出报警信号，其它状态数据在远程后台分析，不占车轮状态监测系统MCU资源，可以提升MCU效率，分析结果经远程
无线通信模块及互联网返回车内的中控MCU，并向驾驶员出预警信号。
[0031] 5、车轮是在汽车行驶过程中唯一与地面接触的部件，是汽车安全行驶的第一道防线，全面监测车轮运动状态参数能够真实、动态地反映车轮在行驶过程中的安全运行状态。
[0032] 6、建立车辆与远程监控中心的远程互联平台，构建了一个完整的车轮状态监测系统，并提供标准的数据
接口，相关测量数据可供有关监管部
门参考应用。
[0033] 7、与远程监控中心的通信采用4G无线通信方式，最
大数据传输速率超过100Mbps，这个速率是
移动电话数据传输速率的1万倍，也是3G移动电话速率的50倍，大大提高了数据传输的实时性。
附图说明
[0034] 图1为本实用新型的一种自发电机动车车轮状态监测系统的原理
框图；
[0035] 图2为本实用新型的一种自发电机动车车轮状态监测系统的车轮状态监测单元的原理框图；
[0036] 图3为本实用新型的一种自发电机动车车轮状态监测系统的中空单元及远程监控单元的原理框图；
[0037] 图4为本实用新型的一种自发电机动车车轮状态监测系统的测点及模块安装示意图；
[0038] 图5为本实用新型的一种自发电机动车车轮状态监测系统的测点及自发电装置示意图。
[0039] 附图中的标记所对应的技术特征为：1-车轮，11-轮胎，12-轮毂，2-车轮传感模块，3-自发电装置，31-永磁体磁轴，32-三相电枢绕组，33-磁轴偏心铁块，34-滚珠支撑轴承，
35-自发电装置外壳，36-连接件，4-第一DC/DC模块，5-胎压监测模块，6-胎温监测点，7-中控MCU，8-4G无线远程模块，9-车内信号显示报警模块。
具体实施方式
[0040] 下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。
[0041] 如图1所示，一种自发电机动车车轮状态监测系统，包括依次连接的车轮状态监测单元、中控单元和远程监控单元；
[0042] 如图2所示，所述车轮状态监测单元包括自发电装置3、三相全桥整流模块、第一DC/DC(DC/DC是一种在直流
电路中将一个
电压值的
电能变为另一个电压值的电能的电源
开关模块)模块4、胎温监测模块、胎压监测模块5、车轮传感模块2、车轮MCU((Microcontroller Unit；MCU)，又称单片微型计算机或者
单片机)以及无线射频发射器；所述自发电装置、三相全桥整流模块以及第一DC/DC模块4依次连接；所述第一DC/DC模块4与所述胎温监测模块、胎压监测模块5、车轮传感模块2、车轮MCU和无线射频发射器连接；所述车轮MCU与所述胎温监测模块、胎压监测模块5和车轮传感模块2连接；所述车轮MCU与所述无线射频发射器连接；
[0043] 如图4所示，所述胎温监测模块用于监测胎温以及温升率；所述胎温监测模块包括6个胎温监测点6，每个监测点上设置一个温度传感器，所述若干个温度传感器沿车胎呈周向设置且每两个所述温度传感器的间隔为60°；实时监测轮胎全周温度状态及温升率，可以全面衡量轮胎的温度状态，温度的变化是一个渐变的过程，全面监测车轮全周温度及温升率，温度或温升率异常时可以提前发出预警。
[0044] 如图4所示，所述胎压监测模块5用于监测胎压；
[0045] 所述车轮传感模块2包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁感应仪；所述三轴加速度计用于感知车轮三维加速度；所述三轴陀螺仪用于感知车轮三维角速度；所述三轴磁感应仪用于感知车轮三维地磁强度；
[0046] 本系统基于组合传感器获得车轮运动姿态、轮胎压力、温度、温升率、车轮安全性能变化趋势等参数信息，比以往更加全面、科学，可以真实、动态地反映车轮安全运行状态。
[0047] 如图4和图5所示，所述机动车上设有车轮1，所述车轮上设有轮胎11和轮毂12；
[0048] 所述自发电装置3安装于汽车轮毂12中心，所述自发电装置3包括永磁体磁轴31、三相电枢绕组32、自发电装置外壳35以及连接件36；所述永磁体磁轴31两端设有磁轴偏心铁块33；所述永磁体磁轴31采用偏心结构，在重力作用下自然朝下，不随车轮做圆周运动。
[0049] 如图5所示，所述自发电装置外壳35通过连接件36与轮毂12中心固定连接；所述自发电装置外壳35上固定连接有两个滚珠支撑轴承34；所述两个滚珠支撑轴承34分别与所述永磁体磁轴31两端连接；所述三相电枢绕组32固定在所述自发电装置外壳35上，所述三相电枢绕组32采用九极三相结构，所述三相电枢绕组32随所述轮毂12一起做圆周运动，当所述三相电枢绕组32与所述轮毂12一起旋转时，所述三相电枢绕组32切割永磁体磁感线，产生三相交流电，经三相全桥整流模块整流后，输入到第一DC/DC模块进行滤波、稳压后，为胎温监测模块、胎压监测模块、车轮传感模块、车轮MCU以及无线射频发射器提供工作电源。
[0050] 本系统通过设置自发电装置解决了车轮旋转体上各监测模块的供电问题，采用自发电技术，取代传统的干电池或锂电池供电，汽车运动时(行驶速度大于25km/h)即可保证各监测模块正常工作，正常监测车轮的运动状态。
[0051] 车轮是在汽车行驶过程中唯一与地面接触的部件，是汽车安全行驶的第一道防线，全面监测车轮运动状态参数能够真实、动态地反映车轮在行驶过程中的安全运行状态。
[0052] 如图3所示，所述中控单元包括车载电源、第二DC/DC模块、无线射频接收器、车内信号显示报警模块9、中控MCU7以及4G无线远程模块8；所述车载电源与所述第二DC/DC模块连接；所述第二DC/DC模块与所述无线射频接收器、车内信号显示报警模块9、中控MCU7以及4G无线远程模块8连接；所述中控MCU7与所述无线射频接收器、车内信号显示报警模块9连接；所述无线射频接收器与所述无线射频发射器连接；所述中控MCU7通过串口与所述4G无线远程模块8进行双向通信；所述车载电源为所述无线射频接收器、车内信号显示报警模块
9、中控MCU7以及4G无线远程模块8提供工作电源；
[0053] 如图3所示，所述远程监控单元包括数据透传云平台和远程监控中心；所述数据透传云平台通过虚拟串口与所述远程监控中心进行双向通信；
[0054] 建立车辆与远程监控中心的远程互联平台，构建了一个完整的车轮状态监测系统，并提供标准的数据接口，相关测量数据可供有关监管部门参考应用。
[0055] 所述数据透传云平台通过互联网与所述4G无线远程模块8进行通信；本系统采用的4G无线通信方式，最大数据传输速率超过100Mbps，这个速率是移动电话数据传输速率的1万倍，也是3G移动电话速率的50倍，大大提高了数据传输的实时性。
[0056] 本系统的胎温、胎压等直观数据采取直接显示方式，偏离正常值时发出报警信号，其它状态数据在远程后台分析，不占车轮状态监测系统MCU资源，可以提升MCU效率，分析结果经远程无线通信模块及互联网返回车内的中控MCU，并向驾驶员出预警信号。
[0057] 所述远程监控中心利用车轮三维加速度参数、车轮三维角速度参数和车轮三维地磁强度参数计算获得车轮运动姿态参数；所述车轮运动姿态参数包括：车轮侧倾角、车轮旋转角、车轮航向角、车轮垂向加速度、车轮三维加速度和车轮三维角速度；车轮三维加速度参数包括：车轮切向加速度、侧向加速度和向心加速度。车轮三维角速度参数包括：车轮侧倾角速度、旋转角速度和航向角速度。
[0058] 所述远程监控中心利用车轮加速度信号，经信号处理获得车轮制动参数；所述车轮制动参数包括：车轮制动减速度和左右车轮制动减速度平衡的不相等度。
[0059] 所述远程监控中心利用车轮运动姿态参数、车轮制动参数及轮胎压力、温度、温升率参数进行数据融合分析，获得车轮安全性能的变化趋势；
[0060] 当所述车轮运动姿态参数、车轮制动参数以及车轮安全性能的变化趋势偏离设定值时，经4G互联网及无线远程通信模块向车内的中控MCU返回预警信号，然后传输到车内信号显示报警模块，向驾驶员发出预警。
[0061] 下面详细描述本系统的工作原理：
[0062] 如图2和图3所示，所述胎温监测模块将监测到的胎温以及温升率传输到车轮MCU，所述胎压监测模块5将监测到的胎压传输到车轮MCU，所述车轮传感模块2将监测到的车轮三维加速度参数、车轮三维角速度参数及车轮三维地磁强度参数传输到车轮MCU；所述车轮MCU将接收到的温度、温升率、胎压、车轮三维加速度参数、车轮三维角速度参数及车轮三维地磁强度参数信号依次通过无线射频发射器和无线射频接收器传输到中控MCU7，其中胎压和胎温等直观的信号数据经中控MCU7处理后发送到车内信号显示报警模块9，所述中控MCU7将接收到的信号数据通过串口及4G无线远程模块8上传至互联网，所述数据透传云平台与互联网进行通信，实时接收互联网传输过来的信号数据，然后将接收到的信号数据通过虚拟串口发送至远程监控中心进行融合分析，若分析结果偏离设定值时，生成预警信号，所述预警信号依次通过虚拟串口、数据透传云平台、互联网、4G无线远程模块及串口送回中控MCU7，最后传至车内信号显示报警模块9，向驾驶员发出预警；
[0063] 以上所述，仅为本
申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以
权利要求的保护范围为准；根据上述
说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和
修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。
