“国家大学生创新性实验计划”项目.doc

“国家大学生创新性实验计划”项目任务书学 院：机械与汽车工程学院项目名称：基于轮胎内置式智能传感器的机动车运行安全状态监测装置的研制项目负责人：冯 源指导教师：刘桂雄 教授填报时间：2008年11月8日华南理工大学教务处2008年11月项目名称基于轮胎内置式智能传感器的机动车运行安全状态监测装置的研制项目起止时间2009年 1月 至 2010年 12月负责人姓名年级所在学院、专业联系电话E-mail冯 源07机械与汽车工程学院机械电子工项目组成员吴斯栋07机械与汽车工程学院机械电子工程13450472590379185816黄伟强07机械与汽车工程学院机械电子工程13450420498285501584指导教师姓名刘桂雄职务/职称教授、博导所在学院机械与汽车工程学院联系电13609642500E-一、项目简介（含选题背景）随着我国国民经济快速发展，交通运输事业也取得巨大进展，但是汽车行驶仍存在很多安全隐患。轮胎“惹祸”常被忽视。l 车辆超载l 车辆超速行驶l 轮胎压力异常l 轮胎温度过高l 轮胎动态载荷过大等目前，车载安全在线监测保护系统、模式识别、远程诊断及故障预警等技术的发展，为机动车安全状态监测和诊断系统的建立奠定了基础，机动车运行安全状态检测系统也面临着众多的新问题：1. 检测参数不能全面反映车辆运行的实际运行状况，有更多信息参数需要监测或监测参数需要调整；2. 检测参数来源于不同系统的传感器，相互独立，传感信息得不到综合有效利用；3. 没有对车辆性能作整体评估和预测；4. 缺乏提供给有关政府管理部门的数据接口及平台。因此迫切需要寻找新的理论与方法来指导研究。后果：一、 轮胎爆胎引发交通事故，严重时导致车毁人亡；二、 车辆及轮胎使用寿命缩短三、 公路设施的寿命大大缩短，造成大量的投资浪费等。 由此可见，为了保证行驶安全，除了不超限装载、监测轮胎的压力和温度之外，对轮胎的动态载荷进行监测也是非常必要的，对轮胎的动态载荷进行检测的研究具有重要意义。本项目在机动车运行安全检测技术和机动车主动性状态监测领域中，研究基于轮胎内置式智能传感器的机动车运行安全状态监测装置。针对机动车定期检测存在无法检测各安全运行参数动态变化过程和趋势、现有主动性状态监测存在系统独立和功能单一等技术难题，基于轮胎内置式智能传感器理念，从车身动力学模型、轮胎动力学模型、微惯性捷联惯性导航原理出发，探索机动车运行安全状态监测的监测机理和方法，设计一个完整的、相对独立的主动性状态监测装置，具有动态监测、趋势预测功能，能够全面地真实地反映机动车运行安全状态。项目研究对于机动车运行安全检测技术和机动车主动性状态监测技术的应用和发展，具有重要的实际意义和学术价值。三、项目实施方案研究目标是：针对目前机动车监测存在参数不全面、缺少动态过程监测和趋势预测、系统功能单一且互不兼容、检测数据不能共享、缺少统一的管理平台等技术问题，重点探索研究基于TIIS(Tire Inner Intelligent Sensors)的机动车运行安全状态监测新模式的基础理论和方法；基于TIIS的理念，从车身动力学模型、轮胎动力学模型、微惯性捷联惯性导航原理出发，研究车身、车轮运动姿态监测模型、制动监测模型；将各监测模型应用于具有自主知识产权的基于TIIS的机动车运行安全状态监测系统中，并据此设计一个完整的、相对独立的主动性状态监测装置，具有动态监测、趋势预测功能，能够全面地真实地反映机动车运行安全状态。具体内容包括：基于TIIS的机动车安全运行状态监测方法研究。深入分析机动车安全运行状态监测机理，确定监测参数、测量基本原理、传感器配置及工作原理框图。 应用捷联惯性技术监测机动车运动姿态。拟通过车载捷联式微惯性测量单元，应用捷联式微惯性测量技术，建立车身运动姿态与车身动力学模型、捷联算法的关系模型，计算车身运动姿态；拟通过在轮胎内置无陀螺捷联式微惯性测量单元，应用无陀螺捷联式微惯性测量技术，建立车轮运动姿态与车轮动力学模型、捷联算法的关系模型，计算车轮运动姿态；拟利用轮胎内置无陀螺捷联式微惯性测量单元所测量的车轮向心加速度信号周期曲线分析计算车轮转速；机动车运动姿态的测试方法可通过仿真实验和路试两种方法进行，并与现有的台架测试、便携式测试方法进行比较。机动车制动性能监测模型研究。建立机动车制动性能与机动车滑移率、车身运动姿态、车轮运动姿态的关系模型；机动车制动性能的测试方法可通过仿真实验和路试两种方法进行，并与现有的台架测试、便携式测试方法进行比较。机动车安全运行状态监测装置的研制。应用新监测模式搭建监测系统实验平台，包括中央模块，车身运动姿态采集单元，加速度传感器、倾角传感器、陀螺仪传感器的融合，无源化与低功耗的设计，信号抗干扰设计，IEEE 1451无线传感器接口标准的使用等，设计机动车运动姿态、机动车动载荷、机动车制动性能监测和预测的实验方法、测试标准、误差分析、实验结果分析评价。拟解决的关键技术问题包括： 如何在轮胎内置无陀螺捷联式微惯性测量单元测量车轮运动姿态； 如何通过所测量轮胎压力、温度等参数计算车轮动载荷； 如何通过车轮运动姿态和车轮动载荷计算车轮制动力、车轮滑移率等车轮制动性能；研究方法本项目采用理论分析、数学建模和实际试验及应用相结合的研究方法，采用“总体单元综合实验”的技术路线，具体的技术路线如图1所示。图1 技术路线图主要参考文献：1 Mgebrishvili N. Multifunctional sensor-based monitoring system for identifying vehicle characteristicsJ. JRC2008: PROCEEDINGS OF THE ASME/IEEE/ASCE JOINT RAIL CONFERENCE. 2008: 365-369.2 Hillenbrand S, Otterbein S, Rehm A. System for monitoring and estimation of vehicle dynamics signalsJ. AT-AUTOMATISIERUNGSTECHNIK. 2007, 55(6): 330-335.3 毛牯, 蔡体菁, 等. 基于微型惯性测量单元的姿态测量系统J. 船舶电子工程. 2008, 28(3): 76-78.4 Al-taee M A, Khader O B, Al-saber N A. Remote monitoring of vehicle diagnostics and location using a smart box with global positioning system and general packet radio serviceJ. 2007 IEEE/ACS International Conference on Computer Systems and Applications, Vols 1 and 2. 2007: 385-388.5 陈义华, 王凌云, 孙道恒. 基于MEMS技术的微型惯性测量组合J. 自动化博览. 2005, (S2):135-139.6 杨三序, 等. 加速度传感器在电容法车辆载荷检测中的应用J. 传感器与微系统. 2007, 26(3): 84-86.7 林颖, 王慧, 张建. 结合汽车车载式称重的轮胎气压在线监测装置的研究J. 制造业自动化. 2006, (02): 65-68.8 Matsuzaki R, Todoroki A. Passive wireless strain monitoring of actual tire using tuning circuit and spectral featuresJ. Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Part A. 2005, 71(11): 1587-1594.9 Dixon B, Kalinin V, Beckley J, et al. A second generation in-car tire pressure monitoring system based on wireless passive SAW sensorsC. Miami, FL, United States: Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., Piscataway, NJ 08855-1331, United States, 2007.10 周耀群, 张为公, 等. 基于新型车轮六分力传感器的汽车道路试验系统设计与研究J. 中国机械工程. 2007, (20): 2510-2514.四、项目特色与创新本项目研究全新的基于TIIS的机动车运行安全状态监测模式，在机动车运行安全检测技术和机动车主动性状态监测领域是首创性的工作。主要特色及创新在于： 将智能传感器引入机动车运行安全检测（机动车主动性状态监测），提出基于轮胎内置式智能传感器的机动车运行安全状态（机动车运动姿态、动载荷、制动性能）监测新方法； 提出应用无陀螺捷联式微惯性测量技术测量车轮运动姿态，利用车轮向心加速度信号周期曲线分析计算车轮转速，以及采用轮载式内置式智能传感器测量车辆重量和车辆制动性能的新方法； 新监测装置的监测参数更加全面、合理，形成一个相互关联的、信息综合利用的完整监测系统；在安全状态监测的基础上,增加对安全状态的预测功能，形成一个完整的、相对独立的测量平台，并能够提供统一数据接口模式供有关政府管理部门加以应用。五、项目进度安排论文工作进度安排2009.012009.04确定总体框架，资料收集与调研备注2009.032009.06研究机动车运行安全状态监测方法2009.052009.10建立参数监测模型2009.082010.02器件选型，各电路功能模块设计2009.102010.04软件系统设计2010.012010.08监测系统调试2010.052010.10实验内容设计，实验数据分析与评价2010.092010.12资料整理，撰写总结报告六、项目预期成果（含主要成果和特色）(1) 提交完整的总结报告1份；(2) 研制基于TIIS的机动车运行安全状态监测装置及系统；(3) 在国内省级以上刊物上发表23篇学术论文，申报国家发明专利2项。七、项目经费使用计划序号支出科目金额(元)理由1计算、测试、分析费8000实验测试、实验软件费用2业务资料、报告、论文印刷费3000论文版面费，资料印刷费3会议费、差旅费5000国内调研和学术会议4其他8000包括专利申请费等5实验材料费3000原材料购置费、外协加工费6仪器设备购置费3000专用仪器设备和配件购置合 计30000指导教师意见：本项目基于轮胎内置式智能传感器的机动车运行