[发明专利]一种基于胎压监测的竖向车轮冲击力实时测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及轮胎性能监测领域，具体涉及一种基于胎压监测的竖向车轮冲击力实时测量方法及系统。

背景技术

桥梁作为交通基础设施的组成部分，在社会经济发展中发挥着不可忽视的作用。以美国为例，全美有现役桥梁超60万座，其平均年龄逾40年，病害桥梁约占25％。2007年，美国明尼阿波利斯I-35桥的倒塌造成了2亿美元的经济损失。目前，我国正逐渐走出基础设施建设的黄金期，超过75万座现役桥梁中有相当一部分正面临着老龄化问题，调查显示我国四、五类危桥数量超过9万座。为了保障社会经济的正常发展，广大现役桥梁亟待得到切实有效的维护管理。车辆荷载作为桥梁服役期间主要的荷载形式，在结构性能退化过程中扮演着重要角色；同时车辆超重对桥面铺装和桥梁结构的安全威胁日益明显。为了更好地对进行桥梁维护管理以及为工程设计提供有价值的参考，车桥耦合问题成为了桥梁工程领域重大的研究课题。

由于条件限制，人们一直难以测量真实的动态车辆荷载，往往只能考虑车辆的静态质量，而忽略了增益的竖向车轮冲击力，这严重影响了结构识别等对桥梁健康状态的评估；如果采用考虑路面不平度等复杂算法，则不仅需要知道准确的路面信息，还会增加计算难度。一旦能获得车辆在桥梁行驶时的准确车轮力，而不仅仅是简单的车辆静态质量，就可以在提高结果识别准确度的同时降低计算难度，显著提升对桥梁健康状态的评估效果。

目前，存在一些测量车轮力的方法与技术，但是仍存在各种各样的缺陷。动态称重系统是检查高速公路网络中车辆超重的成熟技术，但是它只能获得狭小范围和短暂时间内的车轮力，如车辆经过桥头时刻，而不能获得车辆在经过整座桥梁时的车轮力。基于轮毂应变的车轮六分力测量系统能够获得车轮三个方向的受力信息，但是严格意义上这些六分力是针对轮毂变形而言，与真实的轮胎与地面的接触力不同，因此该技术应用于桥梁健康状态评估时必将带来误差。此外，这种系统构造过于复杂、提供的信息过多且成本高昂，故在桥梁工程领域没有得到广泛应用。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于胎压监测的竖向车轮冲击力实时测量方法及系统。

技术方案：通过采用一体化设备采集实时胎压数据，经过胎压解旋转预处理和胎压-车轮力系统识别获得对应的车轮力，并根据标定校准方法进行校准。包括胎压解旋转预处理、胎压-车轮力系统识别、标定校准方法和胎压-车轮力测量的一体化设备。

具体地，所述胎压解旋转预处理，是通过滤波方法排除轮胎旋转时的气压不均匀分布所带来的周期性干扰，使预处理后的胎压数据直接反映竖向车轮冲击力影响。

具体地，所述胎压-车轮力系统识别，是根据轮胎振动特征建立胎压与竖向车轮冲击力的关系模型，通过标定试验中获得的准确胎压数据和准确车轮力数据识别关系模型中的具体参数，从而在后续正式测试中仅知胎压的情况下计算出对应的车轮力。

具体地，所述胎压-车轮力系统识别包括灰盒模型和黑盒模型两种计算方法。可相互校正，优化结果。

具体地，所述灰盒模型计算方法如下：

首先，使用单自由度质量-弹簧-阻尼模型描述轮胎竖向变形和竖向车轮冲击力之间的关系，公式为

其中，c为轮胎竖向阻尼；k为轮胎的竖向刚度；x为动荷载下的轮胎竖向变形，为其对时间的一阶微分；F_tire为竖向车轮冲击力；

其次，由理想气体方程建立胎压与轮胎竖向变形之间的关系，公式为

其中，p₀为轮胎初始压强；Δp为动荷载作用下的轮胎气压变化，且需要经过本发明提出的解旋转预处理；为Δp对时间的一阶微分；V₀为轮胎静载作用下内腔初始体积；A为静载作用下的轮胎接触面积，轮胎变形对接触面积的影响表现为

由此，得到胎压与竖向车轮冲击力之间的关系，公式为

最后，借助标定试验获得的准确胎压数据和准确车轮力数据，由卡尔曼滤波识别胎压-竖向车轮冲击力公式中的未知参数；令待识别参数为输出为输入为u＝F_tire，则状态变量为

状态方程为

观测方程为

由此，可以获得完整的胎压-车轮力公式，在仅知胎压数据的情况下可以获得对应的车轮力数据。

所述黑盒模型计算方法如下：假设轮胎气压变化和竖向车轮冲击力之间满足线性卷积关系，则在频域内有