具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种基于环境感知的车辆安全行驶警示系统，请参考图1，该系统包括接入车辆CAN总线的总控制单元，以及分别安装在车辆的各个车轮处的环境感知装置，总控制单元通过车辆CAN总线可以直连车载屏幕，并获取车辆的相关CAN数据，总控制单元可以内置于仪表盘内。

如图1所示，每个环境感知装置分别包括射频充电单元、车轮控制单元、胎内充电线圈、胎内射频单元和传感单元，射频充电单元1安装在车架上位于对应车轮的上方，射频充电单元由车辆供电系统供电，并连接总控制单元进行数据交互。如图2所示，胎内充电线圈2和胎内射频单元3分别安装在对应车轮的车胎内，沿着车轮的周向安装在不同的位置，当车轮转动过程中，胎内充电线圈2和胎内射频单元3交替转动至射频充电单元1下方进行交互。车轮控制单元内置电容用于供电，胎内充电线圈2连接车轮控制单元进行供电并将电能储存在电容中。胎内射频单元3连接车轮控制单元进行数据交互。传感单元连接车轮控制单元并上传感知到的行驶状态数据。

每个环境感知装置的传感单元至少包括陀螺仪、应变片和气压传感器。其中，陀螺仪以驾驶员目视前方为正X轴、驾驶员目视前方右侧方向为正Y轴、垂直水平地面向上为正Z轴。应变片安装在对应车轮的胎面上，具体的如图3所示，每个车轮的胎面上安装三个应变片4，三个应变片4交错放置位于以车轮接触地面为平面的两侧和中间区域。气压传感器安装在对应车轮的胎内。

除了上述每个环境感知装置的传感单元都包括的传感器件之外，所有环境感知装置还包括声音传感器、温度传感器、湿度传感器和激光测距传感器中的一个或多个，每一种传感器包含在一个或多个环境感知装置中，因此四个环境感知装置中可以包含相同或不同的传感器，每个环境感知装置也可以包含上述提到的全部或部分传感器。如图3所示，激光测距传感器5固定在射频充电单元1的壳体上的电动滑轨上并垂直水平地面向下，电动滑轨带动激光测距传感器5水平方向移动，电动滑轨的一部分的正下方是车轮、另一部分正下方为地面，因此电动滑轨带动激光测距传感器5移动至不同的位置时，可以使得激光测距传感器4正对车轮或地面。

陀螺仪、声音传感器、温度传感器、湿度传感器的安装在对应车轮处即可，具体位置没有限定，实际可以将车轮控制单元与上述传感单元的组件集成在一起，然后利用抱箍或者紧固件绕过车辐固定在车轮内侧。

该车辆安全行驶警示系统的工作过程如下，请结合图5的信息流向图：

在车轮还未转动前，总控制单元从各个环境感知装置中的车轮控制单元处读取默认数据或者上次驾车在车轮停止前最后一次收集的数据。在车辆行驶过程中，车轮开始转动，当胎内充电线圈随着所在车轮转动至相应的射频充电单元下方时，胎内充电线圈与射频充电单元进行供电交互并储存在车轮控制单元内置的电容中，使得该环境感知装置正常供电启动。则车轮控制单元可以通过传感单元获取到相应的行驶状态数据，当胎内射频单元随着所在车轮转动至相应的射频充电单元下方时，胎内射频单元与射频充电单元进行数据交互，将车轮控制单元通过传感单元获取到的行驶状态数据传输给射频充电单元。

四个射频充电单元将获取到的行驶状态数据传输给总控制单元，总控制单元基于各个环境感知装置获取到的行驶状态数据进行计算分析，当检测到车辆行驶环境异常时，发出相应的警示信息，比如在车载屏幕上显示相应的图标，再比如可以再通过车载蓝牙等方式向手机app发出报警。

环境感知装置根据内置的传感单元的类型，向总控制单元发送的行驶状态数据包括如下几种：

(1)、由传感单元中的陀螺仪检测到的姿态数据，姿态数据包括以驾驶员目视前方为正X轴、驾驶员目视前方右侧方向为正Y轴、垂直水平地面向上为正Z轴的三轴数据。

(2)、由传感单元中的应变片获取到的车胎受力数据。

(3)、由传感单元中的气压传感器检测到的胎内气压数据。

(4)、由传感单元中的声音传感器检测到的噪声数据。

(5)、由传感单元中的湿度传感器检测到的湿度数据。

(6)、由传感单元中的温度传感器检测到的温度数据。

其中，较为特殊的，激光测距传感器采集到的数据用于确定车轮直径，则一般不用实时上传给总控制单元，可以只在上电时上传一次，则具体的：环境感知装置中的车轮控制单元控制电动滑轨带动激光测距传感器移动至第一测量位置、通过激光测距传感器测量与地面之间的第一距离，车轮控制单元控制电动滑轨带动激光测距传感器移动至第二测量位置、通过激光测距传感器测量与地面之间的第二距离，将第一距离与第二距离的差值作为车轮直径上传给总控制单元。

基于环境感知装置上传的上述数据，总控制单元可以检测到的车辆行驶环境异常包括：车辆打滑、当前行驶道路的路面状态异常以及当前行驶道路属于预定地形中的至少一种，具体的：

一、车辆打滑。

总控制单元基于各个环境感知装置的姿态数据确定对应车轮的偏航角YAW，每个车轮的偏航角是由对应的车轮上的陀螺仪检测到的姿态数据经过四元数转换成角度数据后得到的、以Z轴为中心在XY平面旋转的角度。当确定四个车轮的偏航角在预定误差范围内，且四个车轮的姿态数据在Y轴方向上同时增大或同时减小时，确定存在车辆打滑。

进一步的，在确定车辆打滑的基础上，当湿度数据增大或噪声数据减小时，确定车辆为积水打滑。当温度数据低于温度阈值时，确定车辆为冰面打滑。则可以发出相应的警示信息用于警示车辆打滑，以及可以进一步警示打滑类别。

二、当前行驶道路的路面状态异常。

路面状态异常包括路面损坏和/或路面宽度小于单个车轮胎面，当路面部分区域坍塌或出现裂缝时，或者行驶在路面小于单个车轮胎面时，例如木桥等的路段时，由于车胎没完全与地面接触，不与地面接触的车胎面将在车胎内气压的影响下，产生比已接触地面轮胎胎面更大的形变，车胎受力数据将大于其他胎面处的车胎受力数据变化。则当总控制单元检测到四个环境感知装置感应到的车胎受力数据超出误差范围时，确定当前行驶道路的路面状态异常。

进一步的，由于每个车胎上不同区域交错放置多个应变片，则还可以根据应变片的安装位置确定车轮不同区域的车胎受力，发出相应的警示信息警示具体是某一个轮胎的某一块区域处未受力，比如在车载屏幕上显示车轮模型并单个车胎受力从竖直方向上将划分为：中部，左侧和右侧三区，然后对未受力部分显示为红色。

三、当前行驶道路属于预定地形。预定地形包括积水地形、沙地地形和泥地地形。

1、当车胎与水面接触时，由于水与硬质路面材质不同，水的吸音程度较高，同速行驶时，水面下行驶声音分贝较小，因此当总控制单元检测到噪声数据下降且湿度数据上升时，确定当前行驶道路属于积水地形。

需要说明的是，行车过程中，由于车轮花纹间隙与车胎摩擦，车轮与路面之间将产生一定的噪音，当路面存在积水或者结冰时，由于车轮接触面材质发生变化，噪声数据都会下降，而干燥路面的噪声数据大于积水路面的噪声数据，积水路面的噪声数据大于冰面的噪声数据。

2、车胎初入沙地的时候，车胎会陷入沙地，此时单个车胎从硬质路面行驶入沙地，车胎的姿态数据的Z轴数值会出现突然下降。由于沙地砂质松散，驶入后，滑转率会上升，且沙地干燥，湿度传感器读取数值较低。而对于泥地而言，其与沙地情况相比，同样的Z轴均下降、滑转率上升，但由于泥地周围水分高，湿度值将会上升。

因此当总控制单元检测到姿态数据在Z轴方向下降、滑转率上升、湿度数据低于湿度阈值时，确定当前行驶道路属于沙地地形。当总控制单元检测到姿态数据在Z轴方向下降、滑转率上升、湿度数据高于湿度阈值时，确定当前行驶道路属于泥地地形。

其中，总控制单元基于车轮直径、车速和车轮转速确定滑转率，计算公式为v_车是来自车辆CAN总线的车速，D是通过激光测距传感器测算得到的车轮直径，v_转是来自车辆CAN总线的车轮转速。

四、基于环境感知装置上传的上述数据，除了可以对车辆行驶环境异常进行警示，还可以在车轮漏气或鼓包时进行警示，具体的：

当车胎受到外界尖锐物体扎入时，车胎内气体外泄，气压降低，则当总控制单元检测到一个车轮的胎内气压数据持续下降时，确定对应车轮漏气，并发出相应的警示信息。

而当车胎鼓包时，车胎体积增大，胎压将下降至一定水平后恒定，因此当总控制单元检测到一个车轮的胎内气压数据下降至预定气压值后保持不变时，确定对应车轮鼓包，并发出相应的警示信息。

五、除了环境感知装置上传的上述数据进行警示之外，总控制单元还可以执行如下一些警示，包括：

总控制单元基于车速变化确定当前摩擦系数μ，具体的：当车辆匀速行驶时，忽略风阻影响，车辆阻力F_阻等于摩擦力，通过W＝F_阻V可以得到车辆匀速时的车辆阻力F_阻。而在车辆匀速前期的加速过程中，通过车辆CAN总线记录从速度V1经过预定时间间隔t后加速到的V2，利用a＝(V2-V1)/t可以得到车辆的加速度。由于汽车加速过程中，车辆拉力F_拉＝ma＝W/V-F_阻，功率W和车速V都可以通过车辆CAN总线获取到，加速度a和车辆匀速时的车辆阻力F_阻已经求得，由此可以计算得到车辆重量m。再由F_阻＝μgm可以计算得到当前摩擦系数μ。

得到当前摩擦系数μ后，确定预设温度变化曲线中与当前摩擦系数对应的温度为车胎外表面温度，和/或，确定磨损程度变化曲线中与当前摩擦系数对应的磨损百分比确定车胎磨损程度，并在车胎外表面温度达到外表面温度阈值和/或车胎磨损程度达到磨损阈值时，发出相应的警示信息。

车胎在不同温度下摩擦系数不同，在30摄氏度以上时，随着温度增大，车胎摩擦系数将下降，当温度在30摄氏度以下时，随着温度增大，车胎摩擦系数将上升，由于不同车胎在不同环境下车胎摩擦系数不同。因此，基于对不同类型轮胎的实际测试数据，预先拟合出温度变化曲线并预存。结合该温度变化曲线可以确定当前摩擦系数μ对应的车胎外表面温度并在车载屏幕上显示，并在达到外表面温度阈值时发出相应的警示信息。

磨损程度变化曲线是预先在类似温度、路况、轮胎转速、车速、温度下根据历史数据拟合得到的曲线，反映不同的摩擦系数所表示的车胎磨损程度，以崭新出厂的轮胎运行时的摩擦系数开始计算为0损耗，以设定的轮胎报废时的摩擦系数为100％损耗，结合该磨损程度变化曲线可以确定当前摩擦系数μ对应的磨损百分比并在车载屏幕上显示，并在达到磨损阈值时发出相应的警示信息。

六、基于本申请的车辆安全行驶警示系统，还可以对车辆的最高车速v_max进行警示，已知刹车距离在通过上述方法求得当前摩擦系数μ后即可知当前加速度为a＝μg，则基于预先设定的刹车距离D_刹和刹车时间t_刹后可以求得最高车速v_max，并通过车载屏幕显示该最高车速，或者，在车速达到该最高车速时发出警示。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。