CN113859154A - 基于轮胎形变进行发电及信息反馈的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于轮胎形变进行发电及信息反馈的系统和方法，该系统通过在轮胎内设置由PVDF压电薄膜制成的发电元件和传感元件，即第一PVDF压电薄膜(发电用)和第二PVDF压电薄膜(传感用)，第二PVDF压电薄膜可以及时、准确感知车轮和地面间的相互作用，直接采集路面环境信息，误差小、实时性强，解决对于道路环境信息获取缺乏的问题；第一PVDF压电薄膜以及电源管理芯片能够将轮胎形变能有效转化为电能，从而提高能量利用率并自身单片机供电，减少维护成本，同时发电元件和传感元件均使用PVDF压电薄膜，集成度高；单片机可以及时向整车控制单元反馈路面环境数据，当路面发生变化时及时提醒，使整车控制单元及时改变控制策略，提高车辆行驶的安全性。
Description
技术领域
本发明属于传感系统技术领域，具体涉及一种基于轮胎形变进行发电及信息反馈的系统和方法。
背景技术
近年来，汽车电动化、智能化、网联化、共享化成为全球汽车行业发展的大趋势，对车辆的行进规划和控制不断优化升级，同时对环境数据采集的准确性、广泛性提出了较高要求。同时，地球环境问题日益严重，能源需求不断增加。汽车行业作为全球工业的支柱型产业，耗能巨大，亟需逐渐提升能量利用率，减少能源消耗。
现如今市场上的汽车环境数据的采集主要针对障碍物、车道线、交通信号、往来行人等进行感知收集，进而对车辆行驶进行规划和控制，而对于路面参数，例如摩擦因数，湿滑程度等信息的感知比较缺乏。
目前，车载各类无线传感器一直采用电池供电的方式测量并发送无线数据。这种供电方式虽然可靠且难度较低，但维护成本高，电池更换繁琐甚至部分电池无法进行更换，消耗较大。
发明内容
针对上述现有技术存在的目前对于路面参数的感知比较缺乏以及采用电池供电的方式测量并发送无线数据的维护成本高，电池更换繁琐甚至部分电池无法进行更换，消耗较大的技术问题，本发明提供一种基于轮胎形变进行发电及信息反馈的系统，设置第一PVDF压电薄膜(发电用)和第二PVDF压电薄膜(传感用)并均复合于所述轮胎中，使得车辆行驶时轮胎形变既能作为轮胎传感器环境信息源加以处理使用，又能作为能量源提供电能，有利于整车控制单元对车辆动力学优化控制，还有效降低维护成本，节约资源。本发明还提供一种基于轮胎形变进行发电及信息反馈的方法。
本发明的技术方案如下：
一种基于轮胎形变进行发电及信息反馈的系统，其特征在于，包括：
第一PVDF压电薄膜、第二PVDF压电薄膜、调理电路、单片机、电源管理芯片以及整车控制单元；
所述第一、第二PVDF压电薄膜交替设置并均复合于所述轮胎中，所述第一PVDF压电薄膜与所述电源管理芯片通信连接，用于为轮胎提供电能；所述第二PVDF压电薄膜与所述调理电路通信连接，用于将行驶时与道路环境信息相对应的电荷信号传输给所述调理电路；
所述调理电路分别与所述第二PVDF压电薄膜和所述单片机相连，用于接收所述第二PVDF压电薄膜产生的电荷信号并将电荷信号转化为电压信号后发送至所述单片机进行数据处理；
所述单片机分别与所述调理电路、所述电源管理芯片以及所述整车控制单元通信连接，所述单片机用于对所述调理电路发送的反映道路环境信息的电压信号进行数据处理并将处理结果无线传输至所述整车控制单元进行反馈调节；
所述电源管理芯片用于将所述第一PVDF压电薄膜产生的电荷转换成稳定的直流电压为所述单片机供电。
进一步地，所述第一PVDF压电薄膜的尺寸为80mm*30mm*200μm，串/并联交替排布于所述轮胎中，用于根据轮胎胎面发生的形变向电源管理芯片输出与轮胎形变对应的电荷信号；所述第二PVDF压电薄膜的尺寸为30mm*30mm*100μm，串联排布于所述轮胎中，用于根据轮胎形变信息产生对应的电荷信号并将所述电荷信号发送至所述调理电路。
进一步地，所述将处理结果无线传输至所述整车控制单元进行反馈调节，包括：所述整车控制单元根据反映道路环境信息的所述处理结果按照预设公式计算调整控制策略、动力学输出。
进一步地，所述道路环境信息包括：路面参数和行驶状态的参数，所述路面参数包括附着系数、粗糙度、路面种类以及坡度，所述行驶状态参数包括滑移率和轮胎受力。
进一步地，所述电源管理芯片包括相互连接的压电换能器和电源管理电路以及集成在所述电源管理电路上并相互连接的整流器和稳压器；所述压电换能器与所述第一PVDF压电薄膜相连接，用于将所述第一PVDF压电薄膜发送的电荷信号转化为交变电压；所述整流器与所述压电换能器相连接，采用全波桥式整流器，用于将压电换能器输出的交变电压整流为直流电压；所述稳压器采用降压型稳压器，用于调整整流器输出的直流电压并将其稳定在设定值范围内以便输出稳定的直流电压为单片机供电。
进一步地，所述单片机的型号为：Arduino maga2560；所述电源管理电路型号为LTC3588-1。
进一步地，所述第一、第二PVDF压电薄膜均复合于轮胎内靠外侧处；所述调理电路、单片机和电源管理芯片均设置于车轮轮毂内部。
一种基于轮胎形变进行发电及信息反馈的方法，其特征在于，所述方法由如权利要求1～7中任一项所述的系统执行，所述方法包括：
电源管理芯片收集第一PVDF压电薄膜根据轮胎形变产生的电荷信号，并处理输出稳定直流电压为单片机供电；
调理电路收集第二PVDF压电薄膜根据轮胎形变产生的电荷信号，并将所述电荷信号转化成电压信号发送至单片机进行数据处理；
单片机将处理后的数据无线传输至整车控制单元；
整车控制单元根据接收到的处理后的数据反馈调节控制策略以及动力学输出信息以控制车辆的行驶。
进一步地，所述第一PVDF压电薄膜的尺寸为80mm*30mm*200μm，串/并联交替排布于所述轮胎中；所述第二PVDF压电薄膜的尺寸为30mm*30mm*100μm，串联排布于所述轮胎中。
进一步地，所述单片机的型号为：Arduino maga2560。
本发明的技术效果如下：
本发明提供的一种基于轮胎形变进行发电及信息反馈的系统和方法，通过在轮胎内设置由PVDF压电薄膜制成的发电元件和传感元件，即第一PVDF压电薄膜(发电用)和第二PVDF压电薄膜(传感用)，由PVDF压电薄膜制成的传感元件——第二PVDF压电薄膜可以及时、准确感知车轮和地面间的相互作用，直接采集路面环境信息，误差较小、实时性强，解决了对于道路环境信息获取缺乏的问题；并且通过该PVDF压电薄膜制成的发电元件——第一PVDF压电薄膜以及电源管理芯片能够将轮胎形变能有效转化为电能，不仅提高能量利用率，还能为自身单片机供电，减少维护成本，同时发电元件和传感元件均使用PVDF压电薄膜，集成度高；通过单片机可以及时向整车控制单元反馈路面环境信息，当路面发生变化时及时提醒，使整车控制单元及时改变控制策略，提高车辆行驶的安全性。本发明不受车辆种类、行驶环境的限制，其适用性广，成本较低，能够广泛地适用于各种车辆，提供了一种自供给的感应路面信息的系统和方法。
利用PVDF(聚偏氟乙烯)材料的正压电效应进行发电，由于PVDF与轮胎材料相容性较好，可以将PVDF制成压电膜并复合在轮胎中，随着轮胎形变产生脉动电压，通过电刷滑环与输出器接触将各压电膜产生的电压输出，经整流后储存加以利用。而且，PVDF材料又能作为一种传感系统材料，具有成本低、灵活性高、与轮胎材料相容性强等独特优点，在车辆行驶过程中，轮胎变形PVDF压电薄膜(传感用)产生电荷，转化为电压信号后传输至单片机进行数据，即可感知路面状态，区分不同路面情况，获取滑移率、附着系数等路面环境数据。整车控制单元根据数据优化动力学控制，调节车辆相应系统输出。PVDF压电薄膜通过轮胎形变进行数据采集，道路环境信息实时程度高，信息来源稳定准确，且不受环境影响。轮胎形变既能作为轮胎传感器环境信息源加以处理使用，又能作为能量源为轮胎传感器提供电能，不仅有利于整车控制单元对车辆动力学优化控制，还有效降低维护成本，节约资源。
附图说明
图1为本发明一实施例的基于轮胎形变进行发电及信息反馈的系统的结构示意图。
图2为本发明一实施例的基于轮胎形变进行发电及信息反馈的系统的各组成部分之间的连接关系及信息传递关系示意图。
图3为本发明一实施例的与第一PVDF压电薄膜相连的电源管理芯片的组成结构示意图。
图4为本发明一实施例的基于轮胎形变进行发电及信息反馈的方法的流程图。
具体实施方式
为了更清楚的理解本发明的内容，将结合附图和实施例详细说明。
本发明涉及一种基于轮胎形变进行发电及信息反馈的系统，该系统对现有的车载各类无线传感器采用电池供电的方式进行了改进，通过设置第一PVDF压电薄膜(发电用)和第二PVDF压电薄膜(传感用)并均复合于所述轮胎中，使得车辆行驶时轮胎形变既能作为轮胎传感器环境信息源加以处理使用，又能作为能量源提供电能，具体地，如图1所示，该系统包括第一PVDF压电薄膜1、第二PVDF压电薄膜2、调理电路3、单片机5、电源管理芯片4以及整车控制单元(图中未示出)；第一、第二PVDF压电薄膜交替设置并均匀复合于轮胎中，PVDF压电薄膜面积和输出电压成正比，厚度和输出电压成反比，第一PVDF压电薄膜采用面积较大、厚度较厚的压电薄膜，具体采用的尺寸为80mm*30mm*200μm，第二PVDF压电薄膜的尺寸设置为30mm*30mm*100μm，本发明对第一、二PVDF压电薄膜的尺寸不做具体限定。如图2所示，第一PVDF压电薄膜(PVDF压电薄膜80mm*30mm*200μm)与电源管理芯片通信连接，用于为轮胎提供电能；第二PVDF压电薄膜(PVDF压电薄膜30mm*30mm*100μm)与调理电路通信连接，用于将行驶时与道路环境信息相对应的电荷信号传输给调理电路。第一PVDF压电薄膜由于与轮胎材料相容性强，可以复合在轮胎中。为确保安全，第一PVDF压电薄膜复合设置在轮胎内靠外侧处。当汽车行驶时，第一PVDF压电薄膜受到压力作用产生脉动电压，经过如图3所示的电源管理芯片中的压电换能器、电源管理电路后输出一稳定的直流电压，为单片机供电，单片机的型号为Arduino maga2560，本发明对单片机的型号不做具体限定，电源管理电路型号为LTC3588-1，本发明对电源管理电路的型号不做具体限定。第一PVDF压电薄膜作为换能材料，采用串并联交替排布的结构，串联提高压电薄膜的电压输出，提升能量收集率，并联多层第一PVDF压电薄膜收集环境中的低频振动能量。
调理电路优选安装在车轮轮毂内部，如图2所示，分别与第二PVDF压电薄膜(PVDF压电薄膜30mm*30mm*100μm)和单片机(Arduino maga2560)相连，用于接收第二PVDF压电薄膜(PVDF压电薄膜30mm*30mm*100μm)产生的微小电荷信号并将电荷信号转化为电压信号后发送至单片机(Arduino maga2560)进行数据处理。
第二PVDF压电薄膜均布复合在轮胎中。如图2所示，当汽车行驶时，第二PVDF压电薄膜(PVDF压电薄膜30mm*30mm*100μm)受到压力产生电荷，经调理电路转化为电压信号后，发送至单片机(Arduino maga2560)进行数据处理。第二PVDF压电薄膜(PVDF压电薄膜30mm*30mm*100μm)作为传感材料，通过串联排布多层压电薄膜的方式，提高输出电压，降低调理电路的设计难度，提高测量精度。
如图1所示，单片机5分别与调理电路3、电源管理芯片4以及整车控制单元(图中未示出)通信连接，单片机5用于对调理电路3发送的反映道路环境信息的电压信号进行数据处理并将处理结果无线传输至整车控制单元进行反馈调节。
电源管理芯片4优选设置于车轮轮毂内部，如图1所示，与第一PVDF压电薄膜1和单片机5相连，用于将第一PVDF压电薄膜产生的电荷转换成稳定的直流电压为单片机5供电。电源管理芯片内部集成压电换能器、电源管理电路、整流器和稳压器，例如可以直接连接一个压电电源，经整流和降压后输出如图3所示的稳定直流电压为单片机5供电。第一PVDF压电薄膜1因轮胎形变产生的电荷经电源管理芯片4转换后可以输出稳定直流电压为单片机供电。具体地，如图1-图3所示，电源管理芯片4包括相互连接的压电换能器和电源管理电路以及集成在所述电源管理电路上并相互连接的整流器和稳压器；所述压电换能器与所述第一PVDF压电薄膜1相连接，用于将所述第一PVDF压电薄膜发送的电荷信号转化为交变电压；所述整流器与所述压电换能器相连接，采用全波桥式整流器，用于将压电换能器输出的交变电压整流为直流电压，本发明对整流器的类型不做具体限定；所述稳压器采用降压型稳压器，用于调整整流器输出的直流电压并将其稳定在设定值范围内以便输出稳定的直流电压为单片机5供电，本发明对稳压器的类型不做具体限定。
具体地，在上述实施例中，例如，基于LTC3588-1电源管理电路的电源管理芯片，为将第一PVDF压电薄膜产生的电压输出，在第一PVDF压电薄膜两侧镀上一层柔性较好的金属膜作为极板，极板面积稍小于第一PVDF压电薄膜面积。优选地，极板引线采用优质柔性绞丝线，以防轮胎反复受压变形而折断。压电换能器将收集到的应变能转化为电能后，送入LTC3588-1电源管理电路，电源管理电路内部集成一个低损耗全波桥式整流器和一个降压型稳压器，可直接连接至一个压电电源，经整流降压后给出一个稳定输出。另外芯片可通过配置引脚提供4种不同的电压输出。其中，压电换能器的作用为：第一PVDF压电薄膜作为激励源，轮胎形变过程中第一PVDF压电薄膜也产生形变，从而在压电层上下表面形成电位差，利用压电换能器将厚度方向的形变能转化为电能，输出交变电压。电源管理电路作用：将压电换能器输出的交流电转化为可供传感器工作的稳定直流电压。如图3所示，电源管理电路中的低损耗全波桥式整流器主要是将压电换能器输出的交变电压整流为波动较大的直流电压，经滤波后输出至供给负载；降压型稳压器是能够自动调整输出电压的供电电路，能够将电源管理电路中的低损耗全波桥式整流器输出的波动较大的直流电压稳定在设定值范围内从而得到稳定直流电压。
本发明还涉及一种基于轮胎形变进行发电及信息反馈的方法，如图4所示，该方法包括：电源管理芯片收集第一PVDF压电薄膜根据轮胎形变产生的电荷信号，并处理输出稳定直流电压为单片机供电；调理电路收集第二PVDF压电薄膜根据轮胎形变产生的电荷信号，并将所述电荷信号转化成电压信号发送至单片机进行数据处理；单片机将处理后的数据无线传输至整车控制单元；整车控制单元根据接收到的处理后的数据反馈调节控制策略以及动力学输出信息以控制车辆的行驶。
具体地，在该实施例中，第一PVDF压电薄膜的尺寸为80mm*30mm*200μm，串/并联交替排布于所述轮胎中；第二PVDF压电薄膜的尺寸为30mm*30mm*100μm，串联排布于所述轮胎中。单片机的型号为：Arduino maga2560。
具体地，在该实施例中，从整体上对本发明的基于轮胎形变进行发电及信息反馈的方法进行说明如下：随着车辆行驶，轮胎胎面不断发生形变，导致均布的第一PVDF压电薄膜1、第二PVDF压电薄膜2不断产生电荷，第一PVDF压电薄膜1由于面积、厚度较大，产生电荷量较多，电荷经电源管理芯片4转换后作为稳定直流电压输出为单片机5供电。第二PVDF压电薄膜2面积较小，主要用于收集轮胎形变信息，将电荷输出至调理电路3，转化为电压信号后输入单片机5，实时感知轮胎与路面的接触情况，获得道路环境信息，道路环境信息包括：路面参数和行驶状态的参数，路面参数包括附着系数、粗糙度、路面种类以及坡度，行驶状态参数包括滑移率和轮胎受力，路面种类包括沥青、冰面以及砂石路面。最后单片机5将路面参数和行驶状态参数信息发送至整车控制单元，整车控制单元接收到道路环境信息后，计算调整控制策略、动力学输出等信息，保证车辆安全性，优化车辆的动力性能。
基于本发明的实施例，本发明提供的一种基于轮胎形变进行发电及信息反馈的系统和方法，通过在轮胎内设置由PVDF压电薄膜制成的发电元件和传感元件，即第一PVDF压电薄膜(发电用)和第二PVDF压电薄膜(传感用)，由PVDF压电薄膜制成的传感元件——第二PVDF压电薄膜可以及时、准确感知车轮和地面间的相互作用，直接采集路面环境信息，误差较小、实时性强，解决了对于道路环境信息获取缺乏的问题；并且通过该PVDF压电薄膜制成的发电元件——第一PVDF压电薄膜以及电源管理芯片能够将轮胎形变能有效转化为电能，不仅提高能量利用率，还能为自身单片机供电，减少维护成本，同时发电元件和传感元件均使用PVDF压电薄膜，集成度高；通过单片机可以及时向整车控制单元反馈路面环境信息，当路面发生变化时及时提醒，使整车控制单元及时改变控制策略，提高车辆行驶的安全性。
而且，PVDF材料具有成本低、灵活性高、柔性好、与轮胎材料相容性强、机械强度高、抗化学性腐蚀性较好，且容易形成大面积形状复杂的薄膜等独特优点，能够满足轮胎工况差的要求，并因与轮胎材料相容性强而可以满足胎内大面积铺设的需求。在车辆行驶过程中，轮胎变形PVDF压电薄膜(传感用)产生电荷，转化为电压信号后传输至单片机进行数据，即可感知路面状态，区分不同路面情况，获取滑移率、附着系数等路面环境数据。整车控制单元根据数据优化动力学控制，调节车辆相应系统输出。PVDF压电薄膜通过轮胎形变进行数据采集，道路环境信息实时程度高，信息来源稳定准确，且不受环境影响。轮胎形变既能作为轮胎传感器环境信息源加以处理使用，又能作为能量源为轮胎传感器提供电能，不仅有利于整车控制单元对车辆动力学优化控制，还有效降低维护成本，节约资源。
应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。
Claims (10)
1.一种基于轮胎形变进行发电及信息反馈的系统，其特征在于，包括：
第一PVDF压电薄膜、第二PVDF压电薄膜、调理电路、单片机、电源管理芯片以及整车控制单元；
所述第一、第二PVDF压电薄膜交替设置并均复合于所述轮胎中，所述第一PVDF压电薄膜与所述电源管理芯片通信连接，用于为轮胎提供电能；所述第二PVDF压电薄膜与所述调理电路通信连接，用于将行驶时与道路环境信息相对应的电荷信号传输给所述调理电路；
所述调理电路分别与所述第二PVDF压电薄膜和所述单片机相连，用于接收所述第二PVDF压电薄膜产生的电荷信号并将电荷信号转化为电压信号后发送至所述单片机进行数据处理；
所述单片机分别与所述调理电路、所述电源管理芯片以及所述整车控制单元通信连接，所述单片机用于对所述调理电路发送的反映道路环境信息的电压信号进行数据处理并将处理结果无线传输至所述整车控制单元进行反馈调节；
所述电源管理芯片用于将所述第一PVDF压电薄膜产生的电荷转换成稳定的直流电压为所述单片机供电。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一PVDF压电薄膜的尺寸为80mm*30mm*200μm，串/并联交替排布于所述轮胎中，用于根据轮胎胎面发生的形变向电源管理芯片输出与轮胎形变对应的电荷信号；所述第二PVDF压电薄膜的尺寸为30mm*30mm*100μm，串联排布于所述轮胎中，用于根据轮胎形变信息产生对应的电荷信号并将所述电荷信号发送至所述调理电路。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述将处理结果无线传输至所述整车控制单元进行反馈调节，包括：所述整车控制单元根据反映道路环境信息的所述处理结果按照预设公式计算调整控制策略、动力学输出。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述道路环境信息包括：路面参数和行驶状态的参数，所述路面参数包括附着系数、粗糙度、路面种类以及坡度，所述行驶状态参数包括滑移率和轮胎受力。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述电源管理芯片包括相互连接的压电换能器和电源管理电路以及集成在所述电源管理电路上并相互连接的整流器和稳压器；所述压电换能器与所述第一PVDF压电薄膜相连接，用于将所述第一PVDF压电薄膜发送的电荷信号转化为交变电压；所述整流器与所述压电换能器相连接，采用全波桥式整流器，用于将压电换能器输出的交变电压整流为直流电压；所述稳压器采用降压型稳压器，用于调整整流器输出的直流电压并将其稳定在设定值范围内以便输出稳定的直流电压为单片机供电。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述单片机的型号为：Arduino maga2560；所述电源管理电路型号为LTC3588-1。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的系统，其特征在于，所述第一、第二PVDF压电薄膜均复合于轮胎内靠外侧处；所述调理电路、单片机和电源管理芯片均设置于车轮轮毂内部。
8.一种基于轮胎形变进行发电及信息反馈的方法，其特征在于，所述方法由如权利要求1～7中任一项所述的系统执行，所述方法包括：
电源管理芯片收集第一PVDF压电薄膜根据轮胎形变产生的电荷信号，并处理输出稳定直流电压为单片机供电；
调理电路收集第二PVDF压电薄膜根据轮胎形变产生的电荷信号，并将所述电荷信号转化成电压信号发送至单片机进行数据处理；
单片机将处理后的数据无线传输至整车控制单元；
整车控制单元根据接收到的处理后的数据反馈调节控制策略以及动力学输出信息以控制车辆的行驶。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一PVDF压电薄膜的尺寸为80mm*30mm*200μm，串/并联交替排布于所述轮胎中；所述第二PVDF压电薄膜的尺寸为30mm*30mm*100μm，串联排布于所述轮胎中。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述单片机的型号为：Arduinomaga2560。
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