专利摘要
一种基于加速度数据的车轮位置定位方法。其包括主控单元唤醒车轮单元进入定位模式、车轮单元采集双轴加速度数据、生成合加速度数据、合加速度数据滑窗处理以及车轮位置定位等步骤。为有效解决现有胎压监测系统车轮位置定位方法繁琐，无法实现车轮自主定位的问题，本发明提出一种基于加速度数据的车轮位置定位方法。该方法在唤醒车轮单元后，完成车轮切向加速度和径向加速度数据的采集，并利用采集的双轴加速度生成合加速度，然后对合加速度数据滑窗处理，最后通过对各数据窗口的合加速度及方差进行处理，实现车轮的自主定位。实验结果表明，本发明方法运算复杂度低，可以有效实现车轮自主定位。
权利要求
1.一种基于加速度数据的车轮位置定位方法，其特征在于，所述的基于加速度数据的车轮位置定位方法包括按顺序进行的下列步骤：
(1)构建车轮位置定位系统，并利用其中的主控单元唤醒车轮单元进入定位模式的S1阶段；
(2)车轮单元进入定位模式后，采集车轮切向加速度和径向加速度的S2阶段；
(3)利用步骤(2)采集的车轮切向加速度和径向加速度生成车轮单元的合加速度的S3阶段；
(4)对步骤(3)生成的合加速度进行滑窗处理，并得到数据窗口内的合加速度及其加速度方差的S4阶段；
(5)根据步骤(4)得到的数据窗口内的合加速度及其加速度方差，完成车轮位置定位的S5阶段；
在步骤(2)中，所述的车轮单元进入定位模式后，采集车轮切向加速度和径向加速度的方法是：
当车轮单元进入定位模式后，开启数据采集计时器，并分别利用X轴加速度传感器、Z轴加速度传感器采集定位操作时间段T内车轮切向加速度a
在步骤(3)中，所述的利用步骤(2)采集的车轮切向加速度和径向加速度生成车轮单元的合加速度的方法是：
利用步骤(2)采集的车轮切向加速度和径向加速度，以车轮切向加速度为实部，车轮径向加速度为虚部，生成复数形式的车轮单元的合加速度；
在步骤(5)中，所述的根据步骤(4)得到的数据窗口内的合加速度及其加速度方差，完成车轮位置定位的方法是：
车轮单元将步骤(4)得到的数据窗口内的合加速度方差与不同阈值进行比较，判断出车轮的状态，包括静止、原地打轮以及低速直行；由于原地打轮期间后轮始终保持静止，没有检测出原地打轮操作的车轮为后轮，否则为前轮；对于低速直行数据窗口，利用合加速度幅角变化来分析车轮单元旋转角度变化，若旋转角度递增，则为左轮，否则为右轮。
2.根据权利要求1所述的基于加速度数据的车轮位置定位方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述的构建车轮位置定位系统，并利用其中的主控单元唤醒车轮单元进入定位模式的方法是：
所述的车轮位置定位系统包括主控单元和四个车轮单元；其中四个车轮单元分别安装在车辆的左前、左后、右前以及右后四个车轮上，主控单元安装在车辆上，四个车轮单元均通过无线方式与主控单元进行通信；每个车轮单元包括X轴加速度传感器、Z轴加速度传感器和数据采集计时器，其中X轴加速度传感器和Z轴加速度传感器统称双轴加速度传感器；双轴加速度传感器的测量方向垂直，分别采集车轮切向加速度和车轮径向加速度；然后控制人员利用主控单元广播发布定位指令，车轮单元收到指令后进入定位模式。
3.根据权利要求1所述的基于加速度数据的车轮位置定位方法，其特征在于：在步骤(4)中，所述的对步骤(3)生成的合加速度进行滑窗处理，并得到数据窗口内的合加速度及其加速度方差的方法是：
对步骤(3)生成的车轮单元的合加速度进行滑窗处理，得到各个数据窗口内的合加速度，进而计算得到加速度方差。
说明书
技术领域
本发明属于车轮定位技术领域，特别是涉及一种基于加速度数据的车轮位置定位方法。
背景技术
根据资料统计，高速公路中发生的交通事故大部分是由于爆胎引起的，确保汽车四个车轮具有正常的胎压，对于保障汽车行驶安全、减少车轮磨损以及降低汽车油耗具有十分重大的意义。汽车的胎压监测系统(TPMS,Tire Pressure Monitoring System)是一种能够实时监测四个车轮的胎压、温度的安全监测预警系统，已经被广泛应用到各类汽车上。TPMS由四个车轮单元和主控单元组成。车轮单元利用高灵敏度微型无线传感装置，在汽车行驶或者静止状态下，获取左前、左后、右前以及右后四个位置车轮的胎压以及温度等数据，通过无线传输技术，传送到驾驶室的主控单元中，并以数字化形式显示当前车轮胎压和温度相关数据。当车轮的胎压出现异常时，驾驶员需要第一时间明确异常车轮所处的具体位置，如左前轮。鉴于此需求，研究适用于胎压监测系统的车轮定位技术具有重大意义。
经典的车轮定位技术主要包括编码方式、界面输入方式、低频唤醒方式、区分车轮单元传感器方式、天线接收近发射场式、外置编码存储器方式等。然而，上述定位技术所采用的设备安装及更新过程麻烦，完全依赖人工辅助。例如，低频唤醒方式需要人工通过低频激励器读取车轮单元的ID并输入到主控单元中，工作繁琐，效率低下，多个射频天线导致定位系统成本较高。针对上述问题，一些TPMS的主控单元利用天线接收车轮单元发射信号，通过分析接收信号功率的差异来进行四轮定位，但是该种方法容易受到复杂环境的影响，而且随着车轮单元电池的消耗，相应发射功率会有所下降，从而引起定位误差。另外一些TPMS利用加速度传感器或者角度传感器，通过计算汽车转弯过程中四轮的旋转频率，并通过先验知识(转弯过程中四轮旋转频率具有一定大小关系)来确定车轮位置。此外有一些TPMS在利用车轮单元获取车轮旋转频率或旋转速度后，利用汽车上防抱死自动系统(ABS，Antilock Braking System)或者对齿轮计数等方式来获取车轮的旋转频率，通过与车轮单元获取的旋转频率进行相关来确定车轮位置。然而上述方法要求车轮旋转频率测量精度较高，且依赖于车载其他系统，不具有独立性。
另外，汽车一般只有在更换车轮、更换车轮单元或者调整四个车轮位置后才需要重新进行车轮定位，然而目前的TPMS一旦启动就周期性地进行车轮定位，极大地增加了TPMS的运算负担。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于加速度数据的车轮位置定位方法。
为了达到上述目的，本发明提供的基于加速度数据的车轮位置定位方法包括顺序进行的下列步骤：
(1)构建车轮位置定位系统，并利用其中的主控单元唤醒车轮单元进入定位模式的S1阶段；
(2)车轮单元进入定位模式后，采集车轮切向加速度和径向加速度的S2阶段；
(3)利用步骤(2)采集的车轮切向加速度和径向加速度生成车轮单元的合加速度的S3阶段；
(4)对步骤(3)生成的合加速度进行滑窗处理，并得到数据窗口内的合加速度及其加速度方差的S4阶段；
(5)根据步骤(4)得到的数据窗口内的合加速度及其加速度方差，完成车轮位置定位的S5阶段。
在步骤(1)中，所述的构建车轮位置定位系统，并利用其中的主控单元唤醒车轮单元进入定位模式的方法是：
所述的车轮位置定位系统包括主控单元和四个车轮单元；其中四个车轮单元分别安装在车辆的左前、左后、右前以及右后四个车轮上，主控单元安装在车辆上，四个车轮单元均通过无线方式与主控单元进行通信；每个车轮单元包括X轴加速度传感器、Z轴加速度传感器和数据采集计时器，其中X轴加速度传感器和Z轴加速度传感器统称双轴加速度传感器；双轴加速度传感器的测量方向垂直，分别采集车轮切向加速度和车轮径向加速度；然后控制人员利用主控单元广播发布定位指令，车轮单元收到指令后进入定位模式。
在步骤(2)中，所述的车轮单元进入定位模式后，采集车轮切向加速度和径向加速度的方法是：
当车轮单元进入定位模式后，开启数据采集计时器，并分别利用X轴加速度传感器、Z轴加速度传感器采集定位操作时间段T内车轮切向加速度aX(n)和车轮径向加速度aZ(n)；在定位操作期间，在静止一段时间后，顺序完成原地打轮以及低速直行两个基本动作，且两动作之间应具有时间保护间隔；其中，原地打轮可以为向左打满、向右打满以及回正等多个子操作的组合。
在步骤(3)中，所述的利用步骤(2)采集的车轮切向加速度和径向加速度生成车轮单元的合加速度的方法是：
利用步骤(2)采集的车轮切向加速度和径向加速度，以车轮切向加速度为实部，车轮径向加速度为虚部，生成复数形式的车轮单元的合加速度。
在步骤(4)中，所述的对步骤(3)生成的合加速度进行滑窗处理，并得到数据窗口内的合加速度及其加速度方差的方法是：
对步骤(3)生成的车轮单元的合加速度进行滑窗处理，得到各个数据窗口内的合加速度，进而计算得到加速度方差。
在步骤(5)中，所述的根据步骤(4)得到的数据窗口内的合加速度及其加速度方差，完成车轮位置定位的方法是：
车轮单元将步骤(4)得到的数据窗口内的合加速度方差与不同阈值进行比较，可以判断出车轮的状态，包括静止、原地打轮以及低速直行；由于原地打轮期间后轮始终保持静止，没有检测出原地打轮操作的车轮为后轮，否则为前轮；对于低速直行数据窗口，利用合加速度幅角变化来分析车轮单元旋转角度变化，若旋转角度递增，则为左轮，否则为右轮。
本发明提供的基于加速度数据的车轮位置定位方法首先唤醒车轮单元，车轮单元采集车轮切向加速度和车轮径向加速度，并对双加速度生成的合加速度进行滑窗处理，然后根据各个数据窗口的合加速度及加速度方差实现车轮的自主定位。本发明方法能够在不依赖其他车载系统的前提下自主实现车轮位置定位，运算复杂度低，且只在定位模式下完成车轮位置定位，避免车轮单元频繁进行定位操作，具有较好应用价值。
附图说明
图1是本发明提供的基于加速度数据的车轮位置定位方法流程图；
图2是车轮单元与主控单元安装示意图；
图3是车轮单元双轴加速度传感器测量方向示意图；
图4是原地打轮时车轮加速度测量分析图；
图5是低速直行时车轮加速度测量分析图；
图6是左轮和右轮旋转角度随采样时间变化曲线；
图7是前轮和后轮数据窗口内的加速度方差对比图；
图8是低速直行时数据窗口内的加速度方差分布图；
图9是左轮和右轮旋转角度相邻两点之间的斜率值分布对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明提供的基于加速度数据的车轮位置定位方法进行详细说明。
如图1所示，本发明提供的基于加速度数据的车轮位置定位方法包括按顺序进行的下列步骤：
(1)构建车轮位置定位系统，并利用其中的主控单元唤醒车轮单元进入定位模式的S1阶段；
所述的车轮位置定位系统包括主控单元和四个车轮单元；其中四个车轮单元如图2中A、B、C及D所示，分别安装在车辆的左前、左后、右前以及右后四个车轮上，主控单元如图2中E所示安装在车辆上，四个车轮单元均通过无线方式与主控单元进行通信。如图3所示，每个车轮单元包括X轴加速度传感器、Z轴加速度传感器和数据采集计时器，其中X轴加速度传感器和Z轴加速度传感器统称双轴加速度传感器。双轴加速度传感器的测量方向垂直，分别采集车轮切向加速度和车轮径向加速度。由于车轮单元安装在车轮气门嘴处时，左右轮安装方向相反，使得左右轮采集的切向加速度方向也相反。在进行双轴加速度传感器安装时，两个轴的测量方向与车轮切向方向和径向方向存在一定的夹角时，可以通过简单投影计算出车轮切向加速度及车轮径向加速度。
然后控制人员利用主控单元广播发布定位指令，车轮单元收到指令后进入定位模式。
(2)车轮单元进入定位模式后，采集车轮切向加速度和径向加速度的S2阶段；
当车轮单元进入定位模式后，开启数据采集计时器，并分别利用X轴加速度传感器、Z轴加速度传感器采集定位操作时间段T内车轮切向加速度aX(n)和车轮径向加速度aZ(n)。在定位操作期间，车辆应处于平稳地面，在静止一段时间后，顺序完成原地打轮以及低速直行两个基本动作，且两动作之间应具有时间保护间隔。其中，原地打轮可以为向左打满、向右打满以及回正等多个子操作的组合。在进行定位操作时，对原地打轮及低速直行两个基本动作执行次数及顺序无要求。
(3)利用步骤(2)采集的车轮切向加速度和径向加速度生成车轮单元的合加速度的S3阶段；
为了消除双轴加速度传感器处于车轮不同位置时对两个轴测量数据的影响，利用步骤(2)采集的车轮切向加速度和车轮径向加速度，以车轮切向加速度为实部，车轮径向加速度为虚部，生成复数形式的车轮单元的合加速度a(n)为：
a(n)＝aX(n)+jaZ(n) (1)
其中，j为虚数；
在定位操作期间，车辆包含完全静止、原地打轮以及低速直行三种状态。不同状态下车轮单元的合加速度a(n)具有不同的表达形式，具体如下：
当车辆完全静止时，车轮单元的加速度仅受重力的影响，若车轮单元位于车轮最顶端时为零角度点，车轮单元在车轮上的位置可以用绕车轴向外侧逆时针旋转的角度来表示。如图4所示，设车轮单元的初始位置角度为 则有：
将式(2)代入式(1)，得车辆静止时，车轮单元的合加速度a(n)为：
当车辆执行原地打轮操作时，如图4所示，后轮上的车轮单元静止，其加速度与式(3)一致，前轮上车轮单元的加速度受重力和原地打轮所产生力的共同影响。在原地打轮操作中，由于车轮单元没有绕车轮轴向旋转，因此车轮单元的初始位置角度 不会发生变化。设打轮操作产生的加速度为aF(n)＝aFX(n)+jaFZ(n)，则原地打轮期间，前轮上车轮单元的加速度为：
将式(4)代入式(1)，得到原地打轮时，前轮上车轮单元的合加速度a(n)为：
当车辆执行低速直行操作时，由于速度较低，可以忽略离心力影响，车轮单元的加速度只受重力影响，有：
其中θ(n)为绕车轮轴向外侧逆时针旋转的角度，具体如图5中所示。将式(6)代入式(1)，得到低速直行时，车轮单元的合加速度a(n)为：
(4)对步骤(3)生成的合加速度进行滑窗处理，并得到数据窗口内的合加速度及其加速度方差的S4阶段；
车轮单元对步骤(3)生成的合加速度进行滑窗处理，且设定数据窗口时间长度为tw，则第m个数据窗口wm的合加速度am(n)为：
am(n)＝amX(n)+jamZ(n) (8)
其中n＝1,2,…,N，则该数据窗口内的合加速度均值μm的无偏估计值为：
进而得到数据窗口内的合加速度方差 的无偏估计值为：
(5)根据步骤(4)得到的数据窗口内的合加速度及其加速度方差，完成车轮位置定位的S5阶段：
若第m个数据窗口wm为车辆完全静止时采集的数据，将式(3)代入式(10)中，可得第m个数据窗口wm内的加速度方差 将式(5)代入式(10)，可知车辆原地打轮时，前轮对应的第m个数据窗口内的加速度方差 为正数。由式(6)可知，车辆低速直行时，车轮切向加速度和车轮径向加速度呈正弦波动，其数据窗口内的加速度方差远大于原地打轮时前轮对应的数据窗口内的加速度方差。
考虑到采集数据的噪声影响，设置静止判断阈值α、原地打轮判断阈值β和低速直行判断阈值γ。对于某车轮第m个数据窗口wm内的加速度方差 当 时，认为该车轮处于静止状态；当 时，认为该车轮进行原地打轮；当 时，认为车轮处于低速直行状态。
在定位操作过程中，前轮会处于静止、原地打轮和低速直行三种状态，而后轮只会处于静止和低速直行两种状态。通过对步骤(4)得到的数据窗口内的加速度方差 进行分析，如果存在 则为前轮，否则为后轮。
若第m个数据窗口wm内的加速度方差 利用式(7)可以计算得到第m个数据窗口wm旋转角度θm(n)所在的象限及其值的大小。车辆向前直行时，从车轮轴向外侧看，左轮逆时针旋转，旋转角度θm(n)是不断增长的，而右轮恰好相反，旋转角度θm(n)是不断减小的。然而，在计算幅角时，其结果为-π到π，存在相位缠绕情况，即存在±2π的陡变，具体如图6中所示。另外，从图6可以看出，除了陡变处外，左轮旋转角度θm(n)任意两个相邻点之间的斜率都为正值，而右轮则相反。若数据采样频率为fs，旋转角度θm(n)相邻两点之间的斜率值可以表示为：
km(n)＝fs[θm(n+1)-θm(n)] (11)
其中n＝1,2,…,N-1。
一般情况下，加速度采样频率都不小于10Hz，车辆低速行驶时，车轮旋转一周采集的点数远大于4，而其中只有一点会发生旋转角度陡变。因此，若旋转角度θm(n)相邻两点之间的斜率值km(n)中正数个数大于负数个数，则为左轮，否则为右轮。为方便判断，计算旋转角度θm(n)相邻两点之间的斜率值km(n)中各斜率符号的和为：
若各斜率符号的和S为正数，则为左轮，若各斜率符号的和S为负数，则为右轮。
实验结果
为了验证本发明方法的有效性，搭建实验用车轮位置定位系统。该系统利用意法半导体公司的LIS3DH加速度传感器采集车轮切向加速度和车轮径向加速度。数据采样频率fs设置为10Hz。
在车轮定位操作时，设置定位操作时间段T＝100s，原地打轮操作时间段为10s至40s，低速直行操作时间段为60s至90s，其他时间段车轮静止。设置数据窗口时间长度tw＝3s，对生成的合加速度数据进行滑窗处理。设置静止判断阈值α＝0.1，原地打轮判断阈值β＝1，低速直行判断阈值γ＝60。
在原地打轮操作时，顺序执行左打满、回正、右打满及回正等操作，且各个动作间隔5s。在此期间，与前轮不同，后轮一直处于静止状态。如图7为原地打轮时，前轮和后轮数据窗口内的加速度方差对比图，从图7可以看出，后轮数据窗口内的加速度方差最大值不超过0.05，小于静止判断阈值α，而前轮在打轮操作时，有至少四个数据窗口内的加速度方差处于静止判断阈值α到原地打轮判断阈值β之间。据此，通过判断数据窗口内的加速度方差，即可确定车轮为前轮还是右轮。
低速直行时，四个车轮单元的车轮切向加速度和和径向加速度都呈正弦波动，且振荡周期相同，数据窗口内的加速度方差基本一致。图8为低速直行时某车轮数据窗口内的加速度方差，从图8可以看出，低速直行时数据窗口内的加速度方差约为90，在低速直行与静止过渡时数据窗口内的加速度方差略低，但也远大于原地打轮判断阈值β。
从左轮和右轮数据窗口中任意选择加速度方差大于低速直行判断阈值γ的数据窗口，设左轮选择的数据窗口为wL，其起始时刻和终止时刻分别为75s和78s，右轮选择的数据窗口为wR，其起始时刻和终止时刻分别为71s和74s。利用式(11)可分别计算出数据窗口wL和数据窗口wR的旋转角度相邻两点之间的斜率值kL(n)和kR(n)，其中n＝1,…,30。为了展示方便，将旋转角度相邻两点之间的斜率值kL(n)和kR(n)分别映射到数据窗口wL和wR对应的时间段内，具体结果如图9所示，可以看出，旋转角度相邻两点之间的斜率值kL(n)中正值个数远大于负值个数，而旋转角度相邻两点之间的斜率值kR(n)中负值个数远大于正值个数。将旋转角度相邻两点之间的斜率值kL(n)和kR(n)代入式(12)，可以计算得到，对于左轮，各斜率符号的和S＝24，对于右轮，各斜率符号的和S＝-24。
实验结果表明，本发明提供的基于加速度数据的车轮位置定位方法能够在不依赖其他车载系统的前提下自主实现车轮定位，具有较好的应用价值。
上述实施例子仅是对本发明内容所作的示例性说明，不能认定该发明仅限于上述说明。任何熟悉此技术的人员都可以在不脱离本发明构思的前提下，提出若干演变，都应为本发明的保护范围。
基于加速度数据的车轮位置定位方法专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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