CN111315599A - 用于评估地面的硬度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于评估地面的硬度的方法，配备有至少一个具有径向刚度k_radial的安装组件的车辆在该地面上行驶，该安装组件包括具有胎冠、两个胎壁和两个胎圈的轮胎外胎，并且配备有对周向曲率敏感并与胎冠对齐定位的传感器，所述方法包括以下步骤：‑估算对应于与地面接触的轮胎外胎的第一连续模式的轮胎外胎的曲率值ρ_A；‑将地面相对于安装组件的径向刚度k_radial的相对硬度评估为轮胎外胎的曲率值ρ_A的函数。

Description

用于评估地面的硬度的方法

技术领域

本发明涉及一种用于评估地面硬度的方法，安装组件在该地面上行驶，该安装组件包括轮胎外胎，该轮胎外胎配备有用于测量该轮胎外胎的变形的装置。

背景技术

在特定应用场景中，为了调整安装组件的使用条件以适应地面的参数，以免损坏地面和/或安装组件，最重要的是要考虑轮胎外胎压住的地面的硬度，尤其是轮胎外胎。另外，对地面尤其是地面的硬度进行鉴定对于直接或间接利用该信息的任何人(例如，农民)当然变得很重要。在具有沥青或混凝土路面的道路的情况下，道路的结构位于坚固的地基上，以获得一定的刚度，安装组件的标准化的使用条件使地面与安装组件之间的相互作用最小。因此，在这些特定情况下，地面硬度几乎没有什么意义，该地面硬度与相对于外表面的特定厚度的地面的刚度相对应。相反，在称为松散地面的地面的情况下，地面与安装组件之间的相互作用要大得多，例如，在石质轨道、沙质土壤和农田上。重要的是定义这种地面的硬度，以调整安装组件的使用条件，例如，充气压力、承载的载荷或行驶速度，从而一方面在移动功能方面对安装组件的有效性进行优化，另一方面不会改变甚至破坏地面的特性。本发明主要针对的是这种类型的应用。

土壤或地面是以下三相的集合：气相、液相和固相，其中，三相之间的比例定义了地面的特性。如果土壤对含水量敏感，则土壤会根据其含水量呈现出三种状态，分别为固态、塑性态以及液态。从一种状态到另一种状态的转换决定了对土壤进行作业的容易程度或在该地面的土壤上移动的容易程度。

各种实验室测试都可以根据标准NFP94057、利用例如Atterberg极限来确定土壤的含水量敏感性，Atterberg极限能够根据含水量定义三种状态之间的土壤的转换区域。最终，诸如通过根据标准NFP94093评估最优Proctor编号，或者根据NFP94078评估IPI(其代表“Indice Portant Immediat”，瞬时承载指数)来对真实土壤进行的其他标准化测试能够识别给定土壤的含水状态。但是，这些静态测试不容易进行解释。这些静态测试既取决于土壤的性质，又取决于其含水量。第二个参数必然在一年四季之间或更短的时间段之间发生变化。因此，表达了在车辆直接驶过地面(土壤)的时刻即时测量地面(土壤)的硬度的需求。关于地面的硬度的该即时信息使得车辆的使用条件(例如，行驶速度或充气压力)调适为适合地面的特性。

此外，地面与轮胎外胎之间的相互作用存在，并且能够通过轮胎外胎的物理参数(例如，接触区域的大小)直接观察出。近年来，为了评估这些物理参数，已经开发出各种装载于轮胎外胎内部的测量装置。例如，EP3031632A2利用运动检测器间接识别与进入和离开接触区域相对应的轮胎的周向方位角。因此，基于局部化的测量来评估接触区域的尺寸。因此，利用轮胎外胎作为与安装组件和地面之间的相互作用有关的物理参数的检测器已经得到展示。然而，没有建立地面的硬度和与轮胎外胎的变形有关的参数之间的联系。

本发明旨在提出一种方法，该方法通过在针对车辆驾驶员的使用条件下对于车辆的安装组件的轮胎外胎进行测量来即时地测量地面的硬度，而不会降低驾驶员的工作效率。

技术定义

以下定义适用于随后的内容：

-“轴向方向”，沿着运输车辆的长度从车辆的前部到车辆的后部的方向；

-“竖直方向”，沿着垂直于地面的方向；

-“横向方向”，与竖直方向和轴向方向形成直三面体的方向；

-“安装组件”，已安装且处于充气状态的一种装置，其包括至少一个轮胎外胎和一个车轮，该车轮由轮心和轮辋组成。

发明内容

本发明涉及一种用于评估地面的硬度的方法，配备有至少一个具有径向刚度k_radial的安装组件的车辆在该地面上行驶。该安装组件包括具有胎冠、两个胎壁和两个胎圈的轮胎外胎。轮胎外胎配备有对周向曲率敏感且与胎冠对齐定位的传感器。所述用于评估地面的硬度的方法包括以下步骤：

-估算对应于与地面接触的轮胎外胎的第一稳态条件的轮胎外胎的曲率值ρ_A；

-将地面相对于安装组件的径向刚度k_radial的相对硬度评估为轮胎外胎在第一稳态条件下的曲率值ρ_A的函数。

这里，“对周向曲率敏感的传感器”是指：该传感器传递与在轮胎外胎的周向上与传感器对齐的轮胎外胎的曲率直接或间接相关的物理参数。该传感器配备了用于生成能够被外部系统以模拟方式或数字方式利用的具有足够的空间或时间离散性的信号的所有必要的组件，以生成能够类似方波类型的信号的输出信号。这是一个这样的信号：其横坐标值是车轮的旋转的直接或间接的描述符，而纵坐标值是传感器所观察到的周向曲率的直接或间接描述符。该传感器可以是电阻型的弯曲传感器、对弯曲敏感的压电传感器、连续分量与轮胎外壳的径向加速度成比例的加速度计，或基于机械、电气、磁性或光学测量的传递与轮胎外胎的周向曲率成比例的连续分量的任何其他传感器。

这里“配备”的意思是传感器的至少一部分连接到轮胎外胎。并且这里的术语“传感器”是包括有源传感器本身和用于产生可被利用的信号的附加组件的测量装置。

这里，“光学传感器”是现有技术中用于通过光学测量来感测轮胎外胎在通过接触区域时其表面的起泡(cloquage)的任何装置。具体地，关于光学传感器，文献EP1820670A1描述了一种解决方案，该解决方案一方面包括经受了轮胎外胎的表面(例如，一部分接触区域)的变形的校准图案。另一方面，测量装置包括联接至视觉装置的照明装置，该照明装置以特定方位角位置安装在安装组件的轮辋上。这里，作为示例，这些照明装置和视觉装置是立体视觉类型的。当校准图案通过接触区域时，该装置能够获得轮胎外胎的表面的起泡的可视化。图案的校准使得能够从其推断出轮胎的表面的周向曲率在位于例如接触区域中的校准图案处。

这里，“安装组件的径向刚度”是安装组件的动态刚度，该刚度是通过在标称使用条件下轮胎外胎所经历的运动的弹性域中施加在胎冠的外表面上的径向运动生成的。这些条件具体设定了施加的载荷和充气压力。该动态刚度是在安装组件的车轮中间处观察到的竖直力与在接触区域中以5Hz到50Hz之间的频率范围施加在轮胎外胎的胎冠上的竖直运动之间的比率，在该范围内，安装组件的表现类似于单向弹簧，其对应于远离安装组件的基本模式的测量。

所采用的传感器类型能够观察到轮胎外胎的曲率，该曲率会在传感器完全位于接触区域中时变化。该传感器没有试图检测在外胎的过渡区域处的曲率变化，该过渡区域使得从反映与地面接触的类型的状态过渡到反映不与地面接触的类型的状态。当与传感器对齐的轮胎外胎的区域在接触区域中时，仅试图识别所得的轮胎外胎的曲率。

来自传感器的信号能够类似于方波类型的信号，利用适当的数学方法能够从该信号中提取出表示方波平稳段的值。该表示平稳段的值反映出轮胎外胎在接触区域中的平均曲率。分离出的方波前沿对应于传感器对过渡区域中轮胎外胎的曲率的测量，该过渡区域在施加到与传感器对齐的安装组件区域上的边界条件方面标记两组稳态条件之间的过渡。

通过利用轮胎外胎的曲率值ρ_A能够评估相对于安装组件的径向刚度的地面的硬度。这是因为该曲率参数不仅取决于轮胎外胎的径向刚度，尤其是充气压力和所施加的载荷，而且还取决于地面(土壤)的刚度。该地面的相对硬度对于评估安装组件将对安装组件移动的地面产生的影响具有决定性的益处。确定该参数能够根据需要来优化安装组件的使用条件，以提高安装组件的移动性并使安装组件对地面的影响最小化。

根据一个优选的实施方案，用于评估地面的硬度的方法还包括以下步骤：

-估算对应于不与地面接触的轮胎外胎的第二稳态条件的轮胎外胎的曲率值ρ_B；

-将地面相对于安装组件的径向刚度k_radial的相对硬度评估为第一稳态条件下的轮胎外胎的曲率值ρ_A和第二稳态条件下的轮胎外胎的曲率值ρ_B的函数。

根据测量是在对曲率敏感的传感器位于轮胎与地面接触的接触区域中时进行的还是在该接触区域外部时进行的，会获得两个不同的值，这两个值会表示为与地面接触的轮胎外胎的曲率ρ_A或不与地面接触的轮胎外胎的曲率ρ_B。这些稳态条件下的曲率值对应于对周向曲率敏感的传感器所产生的方波信号的平稳段区域。

当然，曲率值取决于轮胎外胎的使用条件。具体地，这些曲率值取决于轮胎外胎的充气压力、承受的载荷以及旋转速度。另外，反映与地面接触的类型的稳态条件下的曲率值也对地面的刚度敏感。因此，两个曲率值之间的差能够返回到关于地面硬度的所需信息。

根据一个优选的实施方案，用于评估地面的硬度的方法包括以下步骤：

-将相对曲率C创建为比率ρ_A/ρ_B；

-将地面相对于安装组件的径向刚度k_radial的相对硬度评估为相对曲率C的函数。

具体地，地面的相对硬度相对于安装组件的径向刚度k_radial的关系可以通过以下公式给出：

其中，β是以下类型的安装组件的充气压力P的多项式函数：

系数α、β₁和β₂是取决于安装组件的系数。

利用以下公式，地面的相对曲率评估为两个方波之间的曲率图像的比率，在分母中使用对应于反映不与地面接触的类型的稳态条件的曲率：

该相对曲率包括在0到1之间。C的零值对应于接触区域中的曲率的零值，其能够类似平坦的地面(等同于高硬度的地面)。并且C的单位值对应于接触区域内外的相同曲率。这在轮胎外胎变得平坦的意义上表现为在车轮的旋转期间没有接触区域。因此，轮胎在车轮旋转的每个角位置处具有相同的曲率，并且对应于稳态条件区域(对应于外胎与地面接触)中的曲率的最大值。中间值对应于在反映与地面接触的类型的稳态条件区域中的轮胎外胎的中间曲率。

应当注意，安装组件的使用条件(例如，承载的载荷、充气压力或旋转速度)对轮胎外胎的相对曲率C仅具有很小的影响，相对曲率C主要取决于地面的硬度。

“取决于安装组件”是指安装组件的部件的本质，例如至少轮胎外胎或车轮，通过它们的尺寸和材料特性具有较强的影响。相反，安装组件的使用条件(例如，充气压力、施加的载荷或旋转速度)是弱相关的参数。

于是，地面相对于安装组件的径向刚度的相对硬度通过以下公式直接限定，其中α、β₁和β₂是取决于安装组件的系数，P是安装组件的充气压力：

另外，知道安装组件的径向刚度使得能够确定地面硬度的绝对值。该第二参数是重要的农业数据项，其用于鉴定地面的土壤并优化利用。

当地面可以类似具有高硬度的沥青路面的道路时，相对曲率值C趋近于0。结果，与安装组件的径向刚度相比较，地面的硬度变大。同样，当地面的硬度较低时，相对曲率值趋近于1。地面相对于安装组件的径向刚度的相对硬度趋近于0。

另外，如果同一地面的相对硬度是通过两个不同的安装组件测量的，这将产生两个相对曲率参数，每一个参数与两个安装组件的其中一个相关。如果通过安装组件的变化而利用同一个安装组件的充气压力的简单变化，则参考编号1和2的安装组件之间的动态刚度之比由以下等式给出，其一方面来自模型，另一方面来自充气压力下安装组件刚度的标准变化。

因此，识别安装组件相对于平坦地面上的充气压力的刚度表现，并结合对不同的松散地面的测量值，能够评估模型的系数β₂。

另外，如果利用相同的安装组件测量参考编号1和2的两个不同地面的相对硬度，则假设相同的充气压力，这将产生两个相对曲率参数，每一个参数与压力中的一个相关。参考编号1和2的地面的硬度的比率通过以下公式给出：

因此，对已知硬度的地面上的相同的充气压力的安装组件进行简单校准，就能够识别模型的参数α。

根据一个有利的实施方案，轮胎外胎限定出接触区域，通过应用安装组件的标称使用条件，该接触区域在安装组件的轴向方向上具有尺寸Ladc，传感器在包括在尺寸Ladc的10％至80％之间的长度上测量平均周向曲率。

这里，“轮胎外胎的标称使用条件”是根据ETRTO标准的轮胎外胎的标准化条件，以限定轮胎外胎的几何包络线。标称条件与承受的载荷、充气压力以及安装该轮胎外胎的车轮的尺寸和特性有关。对于给定的轮胎外胎，这些条件指定了在坚硬平坦的地面上的接触区域，该接触区域包括接触区域的最大长度Ladc。

如果传感器至少是线性的而不是点状读取的，则传感器所进行的测量对应于传感器长度上轮胎外胎的平均曲率。这种类型的传感器对来自地面、轮胎外胎或安装组件的刚度不均匀性的敏感度要低得多。因此，这种类型的传感器以均匀和直接的形式提供有关地面硬度的统计上更加可靠的信息。另外，这种类型的传感器在与自由旋转或与地面接触的旋转对应的稳态条件之间的曲率测量中产生更大的动态范围。该测量动态范围能够以更高的精度评估地面的硬度。通常，传感器的尺寸越大，测量动态范围和地面硬度的均匀值的精度越好。必然地，为了获得能够由该方法利用的传感器发出的信号，在地面测量条件下，传感器的长度必须短于接触区域的长度。

根据另一个有利的实施方案，轮胎外胎限定接触区域，该接触区域在安装组件的横向方向上具有尺寸ladc，传感器在包括在尺寸ladc的10％到80％之间的宽度上测量平均周向曲率。

如果传感器至少是区域传感器而不是线性传感器，不论该传感器是单个传感器还是横向排列的传感器组合，该传感器进行的测量对应于传感器的长度和宽度上的轮胎外胎的平均曲率。这种类型的传感器对来自地面、轮胎外胎或安装组件的刚度不均匀性的敏感度要低得多。因此，这种类型的传感器以均匀和直接的形式提供有关地面硬度的统计上更加可靠的信息。必然地，为了获得能够由该方法利用的传感器发出的信号，在地面测量条件下，传感器的宽度必须小于接触区域的宽度。

优选地，传感器测量在径向刚度方面均匀的与地面接触的轮胎外胎的胎冠区域的平均曲率。

为了测量信息的质量起见，将传感器与轮胎外胎的胎冠的均匀区域对齐定位是有利的。然而，轮胎外胎的胎冠的区域由于其必须执行的各种功能而变得复杂。特别地，为了改善橡胶与地面之间的接触，胎冠尤其包括胎面，该胎面是与地面直接接触的元素。该胎面通常由空隙的纵向序列和/或横向序列以及局部改变了轮胎外胎的径向刚度的突出的图案元素组成。因此，需要将传感器与在刚度方面尤其是在径向刚度方面是均匀的区域对齐定位。

优选地，传感器测量与轮胎外胎的胎面花纹元素对齐的胎冠的区域的平均曲率。

同样，为了测量信息的质量起见，传感器优选与胎面花纹元素对齐定位。以这种方式，能够确保轮胎外胎的径向刚度的均匀性，并且因此确保安装组件的径向刚度的均匀性。另外，胎面花纹元素是与地面直接接触的胎面的突出元素。胎面的其他元素(例如空隙)，尽管它们也与地面相互作用，但也受到胎面的其他部分(例如凸出元素)的影响。因此，当传感器与胎面花纹元素对齐时所获得的测量结果具有更大的动态范围，从而可以更精确地对地面进行本质鉴定。

根据一个优选实施方案，在轮胎外胎的边界条件方面估算对应于第一稳态条件和第二稳态条件的曲率值包括以下步骤：

-从对曲率敏感的传感器获得与安装组件的车轮的N次旋转相对应的记录信号，N是大于1的整数；

-在该记录信号中识别出2N个局部最大值Y_2N及其对应的横坐标值X_2N；

-对于任意的j，j是严格大于1且严格小于2N的整数：

-如果(X_j－X_j-1)<(X_j+1－X_j)，

о在中间最大值(X_j，Y_j)与先前最大值(X_j-1，Y_j-1)之间的记录信号中分离出第一信号；

о在第一信号中识别出表示为ρ_j的稳态条件曲率值；

о在中间最大值(X_j，Y_j)与下一个最大值(X_j+1，Y_j+1)之间的记录信号中分离出第二信号；

о在至少一个第二信号中识别出表示为ρ_j+1的稳态条件曲率值；

-否则，

о在中间最大值(X_j，Y_j)与下一个最大值(X_j+1，Y_j+1)之间的记录信号中分离出第一信号；

о在至少一个第一信号中识别出表示为ρ_j的稳态条件曲率值；

о在中间最大值(X_j，Y_j)与前一个最大值(X_j-1，Y_j-1)之间的记录信号中分离出第二信号；

о在至少一个第二信号中识别出表示为ρ_j+1的稳态条件曲率值；

-将与地面接触的条件下的轮胎的曲率ρ_A创建为至少一个曲率值ρ_j的平均值，并且将不与地面接触的条件下的轮胎外胎的曲率ρ_B创建为至少一个曲率值ρ_j+1的平均值；

在施加到轮胎外胎的边界条件方面获得稳态条件下的安装组件的曲率的评估的方法依赖于由传感器发出的信号的产生，该传感器在车轮转动时会呈现出多个方波脉冲。

对传感器所发出的对应于车轮的有限转数N的第一信号进行分离。利用结合到轮胎外胎、安装组件或车辆中的现有技术中可用的传感器(例如旋转标记器或编码器)来执行对安装组件的旋转的检测。

在发出该信号时，所需要的只是通过利用信号处理装置从信号中提取有用的信息来识别与稳态条件相对应的曲率值。

该发出的信号预先分离为简单方波类型的基本信号，以更容易地针对每组稳态条件识别曲率值。通过在信号的两个局部最大值之间分离信号来执行斩波。每个局部最大值对应于一个过渡区域，该过渡区域标记了从第一组稳态条件到第二组稳态条件的过渡。

接下来，对局部最大值之间的信号的纵坐标轴上的区间进行简单的定量分析能够直接识别相对于反映自由旋转的类型的稳态条件的反映与地面接触的类型的稳态条件。具体地，由于安装组件的圆形几何形状，轮胎外胎的接触区域的角扇区必须比不在接触区域中的轮胎外胎的角扇区更窄。

最后，计算应用于安装组件的每组稳态边界条件的曲率值的平均值。这能够使每组稳态条件的曲率值在统计上稳健。在反映与地面接触的类型的稳态条件下该操作尤为重要，在这种情况下，主要源于地面但也源于安装组件的不规则性自然会在曲率评估中引入分散(dispersion)。

优选地，从对曲率敏感的传感器获得与安装组件的车轮的N次旋转相对应的记录信号包括以下步骤：

-记录由对曲率敏感的传感器发出的与安装组件的车轮的一次旋转相对应的信号；

-在N个周期对于发出的信号进行周期化，N是大于1的整数；

为了最好地利用与传感器相关的存储空间，仅根据安装组件的旋转速度从传感器中提取对应于例如时间区间deltaT的车轮的旋转中的信号是有益的。接下来，通过对传感器在车轮的仅一次旋转中发出的信号进行周期化来获得对应于车轮的N次旋转的记录信号。

该方法特别适合于对已经测量其特性的地面进行采样。另外，如果一个地块中过去的地面特征已经揭示了地面的某种空间同质性，点状测量就足以对地块进行暂时监测。

根据另一个特定实施方案，传感器输出涉及可变参数的用于轮胎外胎的周向曲率的间接参数，该方法包括以下附加步骤：

-利用可变参数校正关于记录的信号的间接参数。

如果传感器输出的参数受到在车轮旋转的过程中以及在测量值捕获时刻的时间过程中变化的参数的影响，例如安装组件的角速度或温度，则必须考虑到这些变化。同样，如果传感器的响应不是对所施加影响的线性响应，则必须考虑到传感器校准曲线。因此，通过将这些参数变化的影响结合到记录信号中，能够校正传感器所记录的信号，例如在加速度计的情况下，径向加速度取决于安装组件的曲率和行驶速度。首先，必须在对周向曲率敏感的传感器所记录的信号的同时评估可变参数的测量值，必要时利用附加装置。这些附加装置既是测量装置，又是用于同步所有测量信号的装置。

接下来，借助于这些附加的测量值，必须将这些参数的变化结合到对曲率敏感的传感器的输出参数中。这样就清除了新的记录信号的寄生波动。于是，产生了一个直接测量周向曲率的传感器。新信号的形状是预期的多方波信号的特征。然后可以应用以通常方法执行的信号处理。

根据非常优选的实施方案，基于从第一信号减小的信号来评估在与地面接触的条件下的轮胎外胎的曲率ρ_j。

控制区间长度的条件使得在记录信号中分离出对应于与地面接触的稳态的方波。接下来，该方波包含第一分离的前沿和第二分离的前沿，这些前沿反映出传感器在第一组不与地面接触的稳态条件到一组与地面接触的稳态条件之间的过渡，然后在两组稳态条件之间沿相反方向进行第二次过渡，故意将其限制在代表待分析条件的信号的部分。这是因为安装组件与地面之间的相互作用可能会改变地面的局部刚度，这对应于压实地面的土壤的操作。土壤的压实能够通过第一信号的方波的平稳段的值视觉化。这会随着传感器通过接触区域演变。取决于寻求什么信息，将测量限制在接触区域的某些区域可能是有利的。

根据一个特定实施方案，将从第一信号减小的信号定义为第一信号的前一半。

轮胎外胎的接触区域的第一部分面向受到安装组件的轻微影响的地面。因此，轮胎外胎的曲率的识别值能够获得地面的相对硬度的值的评估，这是地面的固有特性，不受安装组件在该地面上通过的影响。通过将与传感器通过接触区域相对应的第一信号减小到第一信号的前半部分，分析因此集中于所谓没有行驶到的地面的这种固有特性。

根据另一个特定实施方案，将从第一信号减小的信号定义为第一信号的后一半。

轮胎外胎的接触区域的第二部分面向所谓已经行驶过的地面，该地面受到轮胎外胎的影响。结果，轮胎外胎的曲率的识别值能够获得对已经行驶过的并且已经经受安装组件经过的地面的相对硬度的值的评估。该数据项是有用的参数，因为它对应于安装组件经过地面之后的地面状态。因此，这是由安装组件和车辆的行动引起的地面特征。

根据一个非常特定的实施方案，在稳态条件下识别表示为ρ_j的曲率值包括以下步骤：

-使减小的信号在对应于减小的信号的区间上对称，以获得方波形式的新信号。

该方法能够生成方波类型的信号。因此，能够采用与分析集中于传感器通过接触区域的整体的情况下所采用的方法相同的方法来识别曲率值。

附图说明

通过阅读下面的仅以示例的方式并参考附图给出的描述，将更好地理解本发明，在全部附图中，相同的附图标记表示相同的部分，其中：

图1示出根据本发明的用于评估地面的硬度的方法中的步骤的流程图；

图2示出两个对周向曲率敏感的传感器所记录的信号，该两个传感器定位为与根据本发明的胎面花纹元素对齐，或者定位在两个胎面花纹元素之间的空间中；

图3a和图3b示出输出周向曲率直接量的信号的处理步骤。

具体实施方式

图1示出关于用于评估地面的硬度的方法的各种强制性步骤和可选步骤的流程图。起点位于对周向曲率敏感的传感器所发出的信号102中。该信号的空间离散化需要足以适当地描述通过接触区域的通道。接触区域中至少需要六个测量点。该信号可以是经由弯曲传感器的周向曲率的直接测量，也可以是经由例如相对于轮胎外胎径向定位的单轴加速度计的间接测量，或经由压电传感器的间接测量，该压电传感器的主要方向相对于轮胎外胎周向地定位。

该信号可以由对利用曲率信号102有用的其他信号101和103补充。具体地，在曲率信号102受到可变参数影响的情况下，为了校正曲率信号102，还需要记录这些可变参数的变化。此外，还需要编码器类型的信号103或旋转标记器(top tour)脉冲，以便分离出安装组件的车轮旋转上的信号的响应。当然，所有这些信号的同步104是任何信息处理方法的前提。在该第一过程的最后，该方法生成对应于车轮的有限转数N的曲率信号108，必要时已经针对可变参数的波动对该有限转数N进行了校正。

第二过程在于确定在安装组件的每个稳态条件中代表的周向曲率的值。这里的“稳态条件”表示施加到与传感器对齐的轮胎外胎的胎冠区域的边界条件是相同的，即与地面接触或不与地面接触。

为此，可以很好地利用进入和离开接触区域的曲率的巨大变化来区分来自对曲率敏感的传感器的信号中的稳态条件的区域。以这种方式，容易确定对应于车轮的有限转数的曲率信号108的局部最大值110。这些局部最大值的坐标值的成对比较能够容易地识别信号108中对应于稳态条件组中的一组或另一组的那些部分。具体地，由于轮胎外胎的环形形状，接触区域的尺寸在安装组件的周长的范围上必然较小。因此，比较前一个局部最大值的坐标值与下一个局部最大值的坐标值之间的距离可以清楚地表明与地面接触或不与地面接触的轮胎外胎的那些区域。

对应于局部最大值所界定的这些区域中的每个区域的曲率信号108相当于具有两个曲率急剧变化的前沿的方波，这两个前沿被具有近似恒定曲率水平的平稳段分隔开。分离出的前沿对应于过渡区域，这些过渡区域标记了稳态条件的区域之间的过渡。平稳段对应于在边界条件方面稳定的区域，该边界条件施加于测量传感器所位于的轮胎外胎的胎冠上。信号的这部分是将随后利用的信号。

对于信号的这些部分中的每一部分，将确定与安装组件相关的代表曲率的值。该代表值利用最小值、中位数值类型的数学方法，最小二乘法或任何其他算法来确定。表示为ρ_j的第一代表值111或113对应于反映与地面接触类型的边界条件的稳态条件下的平均曲率。表示为ρ_j+1的第二代表值112或114表示反映不与地面接触的稳态条件下的平均曲率。最终，通过对整个曲率信号108的稳态条件组中的每一组的代表值进行平均，一方面，评估反映不与地面接触的类型的条件下的轮胎外胎的曲率值115(表示为ρ_B)，另一方面，评估反映与地面接触的类型的轮胎外胎的曲率值116(表示为ρ_A)。

该上一个过程在于根据单独地或组合地考虑的安装组件的曲率值115和曲率值116来评估相对于安装组件的径向刚度的地面相对硬度120。如果考虑到地面刚度，在反映与地面接触的类型的稳态条件下的周向曲率ρ_A 116相关的参数是最相关的，则考虑到不与地面接触的周向曲率ρ_B 115定量地改善了地面硬度的确定。

可选地，通过在安装组件的行驶方向上集中于方波信号平稳段的前半部分，能够评估轮胎外胎陷入地面时地面的硬度。该测量是地面的固有特征。还能够在接触区域的后半部分上测量地面的硬度，这能够得到可能已经由安装组件的通过而改变的地面的硬度。这两个独特的地面硬度特征之间的差异能够追溯到可以类似于安装组件通过之后的地面压紧的参数。

图2包括当对周向曲率敏感的压电传感器安装在Fendt Turbomatik Favorit614LSA拖拉机上运行的Michelin Multibib制造的尺寸为650/60R38的轮胎外胎上时，这些压电型传感器的响应。该轮胎外胎具有位于胎面的侧部上的两个系列的凸起，一个系列的凸起相对于另一个系列的凸起角度偏移。具体地，每个凸起从胎冠的中间起始并且在相对于轴线X朝向外部沿顺时针方向和逆时针方向交替地形成大约30度的角度的方向上延伸。

第一压电传感器定位于轮胎外胎的内衬上，并且传感器的有效部分(partieactive)与凸起对齐地固定。为了优化信号的响应，该传感器的位置尽可能地靠近胎面中央。第二传感器与一个凸起间区域对齐，即位于两个凸起之间。该传感器也最好相对于胎冠的宽度居中。

安装组件将在两种具有不同硬度的地面上行驶。第一种地面是具有较高刚度的沥青路面的道路。第二种地面是已经好几天没犁过的没有农作物的农田。因此，轮胎外胎在两个区域之间经历的变形是不同的，并且期望对周向曲率敏感的传感器能够反映出这些现象。

安装组件充气至1.6巴的压力，拖拉机在道路和农田里均以10km/h的恒定速度行驶。

粗线所描绘的曲线201和曲线203表明第一压电传感器的响应，该第一压电传感器的有效部分与胎面的凸起对齐。细线所描绘的曲线202和曲线204是位于凸起间区域中的第二传感器的响应。实线所描绘的曲线201和曲线202对应于在道路上行驶，而虚线所描绘的曲线203和曲线204对应于在农田中行驶。

观察到的信号是压电传感器在车轮完整旋转中以伏特为单位的原始输出在车轮的10次旋转中的平均值。角度的原点位于竖直方向，伽利略参考系中的Z轴正向。位于180度区域中的急剧变化对应于传感器通过接触区域时的响应。

可以很清楚地看出，根据预期，第一传感器的响应是正确的。通过比较曲线201和曲线203的方波(对应于通过接触区域)的平稳段，也能够将第一传感器的响应中的急剧变化视觉化，该变化与地面的刚度成正比，因此与轮胎外胎的曲率成正比。

相反，第二传感器的响应无法充分地鉴别。首先，比较曲线202与曲线201或曲线203与曲线204，第二传感器的响应的幅度明显低于第一传感器的响应的幅度，特别是在方波的平稳段。另外，比较曲线202与曲线204，第二传感器的响应幅度是相似的，并且不管地面的性质如何，这都是事实。结果，的确发现：将传感器定位成与接触地面的胎面花纹元素对齐是对地面的硬度进行质量评估的先决条件。

因此，对轮胎外胎的周向曲率敏感的传感器能够对于安装组件相同的使用条件(即，对于相同的充气压力、相同的施加载荷和相同的行驶速度)，根据地面的硬度以相对的方式来鉴定地面。

图3a一方面示出对周向曲率敏感的传感器所发出的电信号相对于时间的记录(表示为400)，另一方面示出来自旋转标记器编码器的脉冲(表示为401)。信号以2400Hz的采样频率进行同步和离散化。

压电型的曲率传感器安装在Fendt Turbomatik Favorit 614LSA拖拉机上运行的Michelin Multibib制造的尺寸为650/60R38的轮胎外胎上。拖拉机在特定刚度的地面上以10km/h的恒定速度行驶。这里的安装组件充气至1.6巴的压力。设置了用于将传感器的输出电压转换为曲率的转换。同样能够利用与胎面花纹元素对齐定位的加速度计的输出信号，该加速度计传递轮胎外胎的径向加速度，并使所述信号低频滤波，并且对于安装组件的旋转速度进行校正。例如，该旋转速度利用车轮旋转标记器脉冲来确定。

利用旋转标记器(其安装在包括要测量的外胎的拖拉机的轴上，并且对于车轮的每次旋转生成狄拉克脉冲)，将提取与车轮的5次旋转相对应的记录信号。该记录信号是包含在用虚线绘制的框1000内的信号。

可以看出，该记录信号包含从501开始编号的10个局部最大值，即车轮的每次旋转包含两个局部最大值。这些局部最大值对应于对周向曲率敏感的传感器进入或离开接触区域的时刻。两个相邻的局部最大值之间的空间间隔差异很大。因此，取一个局部最大值506，前一个局部最大值505和下一个局部最大值507分别靠近最大值506和远离最大值506。接触区域中的轮胎外胎的周向长度明显小于轮胎外胎的剩余周向长度，显然，在车轮的同一次旋转中，最大值505对应于进入接触区域，最大值506对应于离开接触区域。最终，最大值507是在车轮的下一次旋转中进入接触区域。

因此，在曲线400上可以容易地识别出传感器在接触区域中或不在接触区域中的响应区域。应当注意，无论现场中的安装组件的地理位置如何，传感器的响应都表现出一定程度的稳定性。测量的空间离散度约为5米。这使我们能够将传感器在车轮的多次旋转中的响应进行平均。否则，则需要按每次旋转进行分析。通过利用例如GPS(全球定位系统)将车轮转数信息与拖拉机在现场的地理位置相结合，能够通过增加例如地面硬度测量获得具有或多或少精细空间离散化的给定表面的刚度映射图。这种大量的测量可以例如由借助于拖拉机的移动产生的网格模式组成。

图3b包含在松散地面500或坚硬地面600上行驶的轮胎外胎上安装的曲率传感器的响应在车轮的5次旋转中的平均值。轮胎外胎的使用条件(即，主要是充气压力、施加的载荷和行驶速度)是一致的。

应当注意，在接触区域之外的轮胎外胎的曲率是曲率为大约六度的近似常数。一致地，相比于在刚性地面上获得的曲率，如果安装组件在松散地面上行驶，则轮胎外胎在接触区域之外所经历的曲率会减小。

最终，接触区域的曲率根据地面的性质差异很大。在坚硬的地面上，由于轮胎外胎扁平，所以曲率较小。相比之下，在松散的地面上，相比于不与地面接触的情况，尽管观察到曲率的下降，但是在这种情况下，所得的曲率仍为不与地面接触时的曲率的50％的量级。

在这种情况下，用于评估曲率的算法是整个平稳段上各点的中位数值。因此，对于对应于松散地面的曲线500，识别出与地面接触的曲率值ρ_A′为3.2度，并且识别出不与地面接触的曲率值ρ_B′为5.9度。类似地，关于坚硬类型的曲线600，识别出与地面接触的曲率值ρ_A约为0.5度，并且识别出不与地面接触的曲率值ρ_B约为6.1度。

在松散地面上的相对曲率的第一值(表示为C)确定为0.54的量级，在坚硬地面上的相对曲率的第二值(表示为C')确定为0.082的量级。

在此之前，对安装组件进行补充测量。首先，进行数字模拟活动，以识别安装组件的垂直刚度如何根据充气压力而变化。因此，对于在压力和施加的载荷方面的安装组件的标称使用条件，在湿滑地面上进行挤压计算以施加载荷之后，对安装组件的垂直刚度进行模拟。这导致识别出(P)^γ类型的充气压力的幂律。

接下来，执行对安装组件的周向曲率敏感的传感器的实验校准，以识别模型的参数α。因此，预先在安装组件的工作压力范围内设置安装组件的充气压力，在三种不同硬度的地面上进行恒定速度、恒定载荷且直线的行驶。通过利用最小二乘法进行识别，使得安装组件的系数α(即，在这种情况下)的值评估为2.4。

最终，利用先前执行的校准，坚硬地面的硬度相对于松散地面的硬度获得了5.95量级的值，因为地面的性质差异，这是正确的。

另外，在将相同安装组件的充气压力更改为2.6巴的情况下，对相同的两种地面进行了曲率测量。

对于坚硬的地面，测量规程将与地面接触的曲率值ρ_A′识别为大约1度，将不与地面接触的曲率值ρ_B′识别为大约6.1度。因此，坚硬地面的相对曲率值C′识别为0.16的量级。

对于松散地面，将与地面接触的曲率值ρ_A识别为大约4.3度，将不与地面接触的曲率值ρ_B识别为大约6.0度。因此，对于松散地面的相对曲率值C为0.72的量级。类似地，对于坚硬地面的硬度相对于松散地面的硬度的值，获得了6.04的量级。

最后，对于该相同的安装组件，识别为0.79的系数γ(其描述该安装组件的垂直刚度相对于充气压力的变化)，经验定律的系数β₂的值识别为-0.4的量级。

Claims (15)

1.一种用于评估地面的硬度的方法，配备有至少一个具有径向刚度k_radial的安装组件的车辆在该地面上行驶，该安装组件包括具有胎冠、两个胎壁和两个胎圈的轮胎外胎，该轮胎外胎配备有对周向曲率敏感并且与胎冠对齐定位的至少一个传感器，所述方法包括以下步骤：

-估算对应于与地面接触的轮胎外胎的第一稳态条件的轮胎外胎的曲率值ρ_A；

-将地面相对于安装组件的径向刚度k_radial的相对硬度评估为轮胎外胎的曲率值ρ_A的函数。

2.根据前述权利要求所述的用于评估地面的硬度的方法，其包括以下步骤：

-估算对应于不与地面接触的轮胎外胎的第二稳态条件的轮胎外胎的曲率值ρ_B；

-将地面相对于安装组件的径向刚度k_radial的相对硬度评估为轮胎外胎的曲率值ρ_A和曲率值ρ_B的函数。

3.根据前一权利要求所述的用于评估地面的硬度的方法，其包括以下步骤：

-将相对曲率C创建为与地面接触或不与地面接触的轮胎外胎的曲率的比率ρ_A/ρ_B；

-将地面相对于安装组件的径向刚度k_radial的相对硬度评估为相对曲率C的函数。

4.根据前一权利要求所述的用于评估地面的硬度的方法，其包括以下步骤：

-通过应用以下公式来评估地面相对于安装组件的径向刚度k_radial的相对硬度，其中，参数α、参数β₁和参数β₂是取决于安装组件的系数，P是安装组件的充气压力：

5.根据前述权利要求中的任一项所述的用于评估地面的硬度的方法，其中，通过施加安装组件的标称使用条件，轮胎外胎限定出接触区域，该接触区域在安装组件的轴向方向上具有尺寸Ladc，所述至少一个传感器在每次测量时评估包括在尺寸Ladc的10％至80％之间的长度上的平均周向曲率。

6.根据权利要求5所述的用于评估地面的硬度的方法，其中，通过轮胎外胎限定出在安装组件的横向方向上具有尺寸ladc的接触区域，所述至少一个传感器在每次测量时评估包括在宽度ladc的10％至80％之间的宽度上的平均周向曲率。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的用于评估地面的硬度的方法，其中，所述传感器测量在径向刚度方面均匀的与地面接触的轮胎外胎的胎冠的区域的平均曲率。

8.根据前一权利要求所述的用于评估地面的硬度的方法，其中，所述传感器测量与轮胎外胎的胎面花纹元素对齐的胎冠的区域的平均曲率。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的用于评估地面的硬度的方法，其中，在轮胎外胎的边界条件方面估算对应于第一稳态条件和第二稳态条件的曲率值包括以下步骤：

-从对曲率敏感的传感器获得与安装组件的车轮的N次旋转相对应的记录信号，N是严格大于1的整数；

-在该记录信号中识别出2N个局部最大值Y_2N及其对应的横坐标值X_2N；

-对于任意的j，其为严格大于1且严格小于2N的整数：

如果(X_j－X_j-1)<(X_j+1－X_j)，

a)在中间最大值(X_j，Y_j)与先前最大值(X_j-1，Y_j-1)之间的记录信号中分离出第一信号；

b)在第一信号中识别出表示为ρ_j的稳态条件曲率值；

c)在中间最大值(X_j，Y_j)与下一个最大值(X_j+1，Y_j+1)之间的记录信号中分离出第二信号；

d)在第二信号中识别出表示为ρ_j+1的稳态条件曲率值；否则，

a)在中间最大值(X_j，Y_j)与下一个最大值(X_j+1，Y_j+1)之间的记录信号中分离出第一信号；

b)在第一信号中识别出表示为ρ_j的稳态条件曲率值；

c)在中间最大值(X_j，Y_j)与前一个最大值(X_j-1，Y_j-1)之间的记录信号中分离出第二信号；

d)在第二信号中识别出表示为ρ_j+1的稳态条件曲率值；

-将与地面接触的条件下的轮胎外胎的曲率ρ_A创建为至少一个曲率值ρ_j的平均值，并且将不与地面接触的条件下的轮胎外胎的曲率ρ_B创建为至少一个曲率值ρ_j+1的平均值。

10.根据权利要求9所述的用于评估地面的硬度的方法，其中，从对曲率敏感的传感器获得与安装组件的车轮的N次旋转相对应的记录信号包括以下步骤：

-记录由对曲率敏感的传感器发出的与安装组件的车轮的一次旋转相对应的信号；

-在N个周期内对于发出的信号进行周期化，N是大于1的整数。

11.根据前述权利要求9和10中的任一项所述的用于评估地面的硬度的方法，其中，所述传感器输出涉及至少一个可变参数的用于轮胎外胎的周向曲率的间接参数，所述方法包括以下附加步骤：

-利用至少一个可变参数校正关于记录信号的间接参数。

12.根据权利要求9至11中的任一项所述的用于评估地面的硬度的方法，其中，基于从第一信号减小的信号来评估与地面接触的条件下的轮胎外胎的曲率ρ_j。

13.根据权利要求12所述的用于评估地面的硬度的方法，其中，从第一信号减小的信号对应于第一信号的前一半。

14.根据权利要求12所述的用于评估地面的硬度的方法，其中，从第一信号减小的信号对应于第一信号的后一半。

15.根据权利要求13和14中的任一项所述的用于评估地面的硬度的方法，其中，在与地面接触的条件下识别曲率值ρ_j包括以下步骤：

-使减小的信号在对应于该减小的信号的区间上对称，以获得方波形式的新信号。

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