生成虚拟轮胎模型和模拟轮胎状况的方法以及虚拟轮胎模型与流程

1.本发明涉及一种用于生成车辆轮胎的虚拟轮胎模型的计算机实施的方法、虚拟轮胎模型、一种用于模拟轮胎状况的方法、一种用于数据处理的系统以及一种计算机程序。


背景技术：

2.轮胎是车轮驱动的陆地车辆必不可少的组件。车辆与路面的唯一接触是通过轮胎；因此，轮胎与安全性特别相关。轮胎损坏可能会导致严重事故。因此，轮胎参数(例如胎面深度、磨损、老化等)构成重要的信息源，以便能够确定车辆的安全性以及必要的维护和保养措施。
3.由于力是通过轮胎在车辆和道路之间传递的，因此轮胎是承受较大压力的部件。例如，乘用车的每个轮胎承受大约4kn至8kn的静态力。另外，不应低估动态作用力。这些力增加了磨损的影响并且导致胎面深度的减小。
4.此外，驾驶行为也起着作用。例如，太低的轮胎压力以及以太高的速度和/或以不利的角度在边缘(例如路缘)行驶对轮胎的状况具有负面影响。最后，其他影响(例如天气)也会影响轮胎的状况。例如，直接的太阳辐射和频繁的大温差可能会导致轮胎变脆，从而导致轮胎高度磨损和过早老化。
5.轮胎具有一种记忆力，可以在其使用寿命期间承受载荷和影响。例如，以不利的方式驶过路缘可能直到很晚的时间点才导致可见的轮胎损坏(例如轮胎爆裂)。
6.不幸的是，在目视检查期间不可能可靠地评估轮胎的状况。使用摄像机、传感器等进行更详细的检查通常不会得出令人满意的结论，因为轮胎内部或轮胎材料本身的损坏往往未被检测到。
7.从现有技术中，已知能够预测轮胎状况的模拟方法。例如，us 2019/0 266 295 a1描述了一种方法，通过该方法，基于传感器数据生成车辆的数字孪生，以便在数字孪生的协助下能够预先计划车辆部件(例如轮胎)的维护。尽管仅基于传感器数据的数字孪生可以用于改善轮胎状况的预测，但是由于不能通过传感器令人满意地检测轮胎状况，它不能解决仅传感器数据的信息价值太低的问题。
8.ep 2 596 317 b1公开了一种用于评估在一定时间内作用在轮胎上的动态载荷的方法。为此，在该时间段的过程中测量轮胎的压力。另外，在每个压力测量点确定参考压力。最终，在每个压力测量点，基于测得的压力和参考压力之间的差异来计算负载的变化，并且使用先前创建的轮胎模型，该模型将负载的变化与压力的变化相关联。因此，仅基于轮胎压力来进行轮胎状况的评估。如上所述，这不足以对轮胎状况进行全面评估，因为许多其他因素会影响轮胎状况。
9.wo 2017/011 486 a1公开了一种轮胎测试方法，其中通过模拟的车辆的模拟的轮胎来完成虚拟测试过程。结果，可以确定轮胎负载曲线，然后将其施加到测试装备中的测试轮胎上以对其进行测试。由此不可能得出关于实际使用中的轮胎的轮胎状况的结论。


技术实现要素：

10.在这种背景下，本发明的目的是提供一种用于处理数据的方法和系统，该方法和系统使得可以尽可能准确地预测轮胎状况。
11.该任务通过独立权利要求的主题来实现。从属权利要求涉及根据本发明的这些解决方案的实施例。
12.本发明的第一方面涉及一种用于生成机动车辆轮胎的虚拟轮胎模型的计算机实施的方法。该方法包括：提供分别与车辆轮胎有关的轮胎数据、与车辆有关的数据、环境数据和使用数据；基于提供的数据创建车辆轮胎的虚拟轮胎模型；以及存储创建的虚拟轮胎模型。
13.换句话说，创建了车辆轮胎的计算机模型，其提供了尽可能准确的实际车辆轮胎的图像。计算机模型能够例如模拟作用在建模的车辆轮胎上的影响及其对车辆轮胎状况的作用。
14.车辆轮胎是车辆(例如乘用车、卡车、公共汽车等)的轮胎，其构造为使车辆与车辆行驶的道路接触。车辆轮胎受到各种各样的影响，这些影响导致其轮胎状况发生变化，通常情况更糟。所提出的方法适用于所有车辆轮胎，无论它们具体设计如何，例如夏季轮胎、冬季轮胎、越野轮胎、新轮胎、翻新轮胎、充气轮胎、硬橡胶轮胎等。如果车辆具有多个车辆轮胎，可以针对每个单独的车辆轮胎分别执行所提供的方法，也就是说为每个单独的车辆轮胎创建单独的虚拟轮胎模型。
15.该方法提供了基于轮胎数据、车辆数据、环境数据和使用数据创建虚拟轮胎模型，其中这些数据分别与车辆轮胎相关，或者与要为其创建虚拟轮胎模型的车辆轮胎相关。
16.该方法的突出特点是除了实际的测量数据外，还可以生成虚拟传感器数据并且将其用于虚拟轮胎模型中。因此，一方面，轮胎数据、车辆数据、环境数据和使用数据可以基于可通过实际传感器获得的实际测量数据，以及另一方面可以基于模拟。可以直接和/或在数据融合之后将两个数据组(也就是实际数据和模拟数据)合并到虚拟轮胎模型中。在此，借助合适的算法，数据融合可以产生附加的所谓的虚拟传感器，其向虚拟轮胎模型提供附加的、不可测量的或未测量的数据。
17.轮胎数据可以指从包括轮胎名称、轮胎类型、轮胎生产日期、轮胎生产地、轮胎材料、轮胎胎面类型、轮辋类型和轮辋材料的列表中选择的一个或几个参数。
18.因此，轮胎数据是表示一个或多个所列参数(例如，所列参数的任意组合或所有所列参数)的值的数据。所列参数可能会影响轮胎状况，以及因此将其包含在虚拟轮胎模型中可以使得车辆轮胎与其虚拟模型之间的匹配度提高。例如可以通过向车辆轮胎的制造商的相应数据查询来获得轮胎数据。
19.车辆数据可以涉及一个或多个参数，这些参数选自以下列表：车辆轮胎行进的距离、纵向作用在车辆轮胎上的力、横向作用在车辆轮胎上的力、轮胎自对准扭矩、车轮打滑、车轮外倾角、以及车轮外倾角变化。关于作用力，可以考虑绝对力和/或力曲线。
20.因此，车辆数据是表示一个或多个所列参数(例如，所列参数的任意组合或所有所列参数)的值的数据。所列参数可能会影响轮胎状况，以及因此将其包含在虚拟轮胎模型中可以使得车辆轮胎与其虚拟模型之间的匹配度提高。
21.可以通过(例如通过适当的传感器)直接测量获得车辆数据，或者在所谓的虚拟传
感器系统的框架内间接获得车辆数据。例如，可以首先测量车辆的(横向)加速度、其偏航率和/或其方向盘角度，然后可以从中计算或模拟一些前述的车辆数据，例如侧滑角(车辆在重心处的运动方向与车辆的纵轴之间的角度)。
22.环境数据可以涉及从包括轮胎温度、轮胎温度差、uv辐射和道路状况的列表中选择的一个或几个参数。因此，环境数据是表示一个或多个所列参数(例如，所列参数的任意组合或所有所列参数)的值的数据。所列参数可能会影响轮胎状况，因此将其包含在虚拟轮胎模型中可以使得车辆轮胎与其虚拟模型之间的匹配度提高。
23.可以通过直接测量或在所谓的虚拟传感器系统的框架内间接获得环境数据。例如，可以借助于温度传感器测量轮胎温度。可以借助于紫外线传感器、摄像机传感器和/或太阳能电池板传感器确定紫外线的照射。可以借助摄像机传感器和太阳能电池板传感器确定太阳照射和太阳高度，并据此得出关于紫外线照射和轮胎加热的结论。另外，一般的天气数据可以从摄像机图像导出。
24.道路状况例如可以包括路面状况(例如人行道、不平坦处等)。可以借助于适当的数据库的基于位置的查询获得道路状况。例如，可以借助于全球导航卫星系统(例如，gps)确定轮胎完成的行驶距离，并且可以查询相关的道路状况。设置为车辆观察者并且已经提供额外的车辆数据作为虚拟传感器(虚拟传感器系统)的算法在此还能够确定路面状况，例如作为道路摩擦估计器。
25.使用数据可以涉及关于在路缘上行驶和/或在坑洼上行驶的参数。所列参数可能会影响轮胎状况，因此将其包含在虚拟轮胎模型中可以使得车辆轮胎与其虚拟模型之间的匹配度提高。
26.例如，可以借助侧倾和加速度传感器以及摄像机数据来检测路缘上的行驶情况。例如，在路缘上行驶会导致轮架上的横向加速度。可以通过用于检测坑洼的系统检测在坑洼上的行驶，该系统已经在现今(例如在可调节的减震器中)使用。
27.可以借助于车辆本身中的计算单元或者借助于外部计算单元创建虚拟轮胎模型，相应的数据被传输到该外部计算单元，并且因此通过信号技术可操作地连接至车辆。外部计算单元的优点在于通常可以提供更多的计算能力，并且可以以简化的方式使用虚拟轮胎模型，例如用于预测轮胎状况。
28.各种不同的模型方法都可以用作虚拟轮胎模型。它们的范围从简单的经验模型到具有温度和磨损模型的物理模型再到有限元模型。根据应用情况，可以任意扩展它们。换句话说，虚拟轮胎模型例如可以被配置为经验模型、具有温度和磨损模型的物理模型或有限元模型。
29.在另一方法步骤中，例如通过计算机可读数据存储介质将基于上述数据创建的虚拟轮胎模型存储在车辆本身或车辆外部，例如存储在在计算机云或计算机服务器的存储单元中。
30.创建并且存储的虚拟轮胎模型构成了车辆轮胎的数字孪生。在此，虚拟轮胎模型有利地优选考虑作用在车辆轮胎上的所有力和动态载荷，从而可以将包括相关历史的轮胎载荷的优选完整图片纳入模型创建中。
31.借助于虚拟轮胎模型，可以观察和分析作用在车辆轮胎上的影响。也可以比较不同的虚拟轮胎模型，例如不同车辆或车辆使用者的不同轮胎类型或甚至相同轮胎类型。这
种比较的结果可以被结合到车辆轮胎的进一步开发中，并且可以有利地产生具有改善特性的车辆轮胎。
32.原则上，可以在使用寿命期间的任何时间执行该方法，也就是说它既可以用于创建新轮胎的虚拟轮胎模型，也可以用于创建已经使用(或更长时间)的车辆轮胎的虚拟轮胎模型。随着轮胎使用寿命的发展，用于创建虚拟轮胎模型要处理的数据量增加。因此，在车辆轮胎使用寿命的一开始就创建虚拟轮胎模型可能是有利的。
33.根据各种实施例变型，可以使用数据融合方法来创建虚拟轮胎模型。
34.数据融合意味着将零碎的和可能有些矛盾的传感器数据组合和处理，从而获得车辆轮胎的可理解的总体图像。除了实际的传感器数据之外，还可以合并其他数据(例如，基于传感器数据生成的数据)，也就是说通过适当的算法(例如卡尔曼滤波器)在虚拟传感器系统的框架内获得的数据。例如，数据融合可以包括算法(例如卡尔曼滤波器)或可以由其组成，该算法借助车辆模型(虚拟传感器系统)从现有的测量数据中生成附加的虚拟测量数据。
35.在数据融合的框架内，可以使用使不同数据在其数据结构和/或数据内容方面能够组合的技术。为此，可以将数据与其他数据进行处理和/或组合。此外，可以以例如借助于外推到现在的方式来准备不同老化的数据，使得联合处理成为可能。此外，数据的加权可能会有所不同。最后，可以尝试识别数据内的特定模式，并且将这些模式包括在进一步的数据处理中。
36.例如，存在定义虚拟车辆观察者的可能性，该虚拟车辆观察者单独确定车辆轮胎的所有不同载荷状况、动态要求等，然后提供它们以创建虚拟轮胎模型。目的是优选地检测作用在轮胎上的所有影响因素，也就是说，例如沿不同方向作用于车辆轮胎并且具有不同动态的力。结果，可以在下面说明的虚拟轮胎模型的更新范围内检测和跟踪轮胎的所有动态状况。
37.数据融合方法的使用可以有利地提高所创建的虚拟轮胎模型的准确性，从而使其更好地与车辆轮胎匹配。
38.根据另一实施例变型，该方法可以包括借助于分别与车辆轮胎有关的轮胎数据、车辆数据、环境数据和/或使用数据来更新所创建的虚拟轮胎模型。
39.结果，可以有利地获得更新的虚拟轮胎模型。这使得能够改进对当前轮胎状况的评估。
40.此外，可以基于与车辆的维护系统的通信和/或与车辆用户的通信来更新虚拟轮胎模型。在与车辆轮胎的改善的匹配方面，这可以使虚拟轮胎模型得到进一步改善。
41.根据另一实施例变型，该方法可以包括将所创建的或更新的虚拟轮胎模型与车辆轮胎进行比较，以及将所创建的或更新的虚拟轮胎模型适配到车辆轮胎。
42.换句话说，可以将最初创建的虚拟轮胎模型或在稍后的时间点更新的虚拟轮胎模型与车辆轮胎保持一致。通过相应地调整虚拟轮胎模型，可以提高虚拟轮胎模型的准确性，从而使其更好地与车辆轮胎匹配。
43.本发明的另一方面涉及一种通过上述方法之一获得的虚拟轮胎模型。
44.因此，关于该方法的所有实施例都以类似的方式适用于虚拟轮胎模型。参照该方法的前述优点相应地与虚拟轮胎模型相关联。
45.虚拟轮胎模型可以是原始创建的轮胎模型或更新的轮胎模型。虚拟轮胎模型基于轮胎信息、车辆数据、环境数据和与该车辆轮胎有关的使用数据来模拟车辆轮胎。虚拟轮胎模型可以存储在配备有车辆轮胎的车辆中或车辆外部的存储介质(例如，计算机可读数据存储介质)上。
46.借助于虚拟轮胎模型，一方面，可以映射分别与车辆轮胎相关的轮胎信息、车辆数据、环境数据和使用数据之间的关系，以及另一方面可以映射车辆轮胎的轮胎状况。
47.虚拟轮胎模型可以具有接口，通过该接口可以进行与车辆的维护系统的通信和/或与车辆的用户的通信。经由接口，可以将附加数据添加到虚拟轮胎模型。在与车辆轮胎的改善的匹配方面，这可以使得虚拟轮胎模型得到进一步改善。
48.有利地，虚拟轮胎模型可以用于轮胎开发，因为可以识别先前轮胎的弱点，并且可以引入反作用创新。此外，可以将多个虚拟轮胎模型相互比较，从而可以创建反映实际轮胎使用情况和可能影响变量的广泛数据库。
49.本发明的另一方面涉及一种用于模拟轮胎状况的方法，其中如上所述，借助于该车辆轮胎的虚拟轮胎模型来模拟车辆轮胎的未来状况。
50.换句话说，可以借助于虚拟轮胎模型来估计未来的轮胎状况。为此，可以模拟各种影响的作用，例如，上述参数的变化，例如行进距离的完成、各种作用力、温度等。因此，例如，可以估计与虚拟轮胎模型相关的车辆轮胎的使用寿命，从而可以计划并且进行及时的轮胎更换。例如，可以及时订购和交付更换的轮胎，以及必要时可以安排车间预约。可以避免轮胎的突然的和潜在的危险故障。
51.另外，可以基于车辆轮胎的模拟的未来状况来计划和执行进一步的措施，例如，轮胎压力的变化，符合速度限制，从夏季轮胎到冬季轮胎的变化，从冬季轮胎到夏季轮胎的变化，例如，在四轮车辆的情况下，车辆上轮胎位置从右前向左后的变化等。
52.为此，可以通过在车辆的信息娱乐系统上相应的显示器例如向车辆的驾驶员或向维护机构(例如，维修汽车的车间)输出有关车辆轮胎的模拟的未来状况的信息。
53.根据各种实施例变型，可以将模拟的轮胎状况与车辆轮胎的实际轮胎状况进行比较，并且可以基于模拟的轮胎状况与实际轮胎状况之间的差异调整模拟。
54.例如，可以在一个月内模拟恒定载荷下的未来轮胎状况，并且在此期间结束后与当时存在的实际轮胎状况进行比较，以及可以相应地调整模拟。
55.因此，可以有利地改善模拟的准确性，从而使得可以以更高的精度进行将来的预测，并且可以更大程度地实现与模拟相关的优点。
56.本发明的另一方面涉及一种用于数据处理的系统，该系统包括用于执行上述方法之一的装置。
57.因此，该方法的优点也可以通过用于数据处理的系统来实现。关于方法的所有实施例都适用于以类似方式进行数据处理的系统。
58.用于数据处理的系统可以包括计算单元，该计算单元可以布置在相关车辆轮胎的车辆中或车辆外部。计算单元可以经由信号技术可操作地连接至车辆，从而例如可以将来自车辆的传感器的数据传输至计算单元。
59.本发明的另一方面涉及一种计算机程序，其包括指令，当由计算机执行该程序时，该指令使所述计算机执行上述方法之一。
60.因此，该方法的优点也可以通过计算机程序来实现。关于方法的所有实施例以类似的方式适用于计算机程序。
61.计算机程序可以被理解为是可以存储在合适的介质上和/或可以通过合适的介质获取的程序代码。为了存储程序代码，可以使用适合于存储软件(例如安装在控制单元中的非易失性存储器、dvd、usb闪盘、闪存卡等)的任何介质。例如，可以经由因特网或内联网或经由另一合适的无线或有线网络来获取程序代码。
62.本发明的另一方面涉及一种其上存储有计算机程序的计算机可读数据存储介质。
附图说明
63.从下面的描述和附图，本发明的其他优点是显而易见的。说明了以下内容：
64.图1示出了创建示例性虚拟轮胎模型的概览图；
65.图2示出了创建和使用示例性虚拟轮胎模型的另一概览图；以及
66.图3是示例性方法的流程图。
具体实施方式
67.图1和图2示意性地说明了用于创建车辆轮胎fr的虚拟轮胎模型rm所需的数据、所述数据的来源及其处理。图1示出了提供轮胎数据rd、车辆数据fd、环境数据ud和使用数据nd一方面作为实际测量数据(也就是例如通过传感器实际确定的数据)，另一方面作为模拟。
68.一方面，将这些数据直接合并到虚拟轮胎模型中，以及另一方面，使用数据融合方法将它们彼此关联，也就是，从实际测量数据和动态建模中生成虚拟传感器数据。随后，这些数据被用于创建虚拟轮胎模型rm。虚拟轮胎模型rm表示例如可以是乘用车的轮胎的车辆轮胎fr的图像。
69.如果乘用车像往常一样具有多个车辆轮胎fr，则为这些车辆轮胎fr中的每个创建单独的虚拟轮胎模型rm。所创建的轮胎模型rm存储在车辆外部的计算机云中。替代地，也可以存储在车辆内部。
70.图2示出了再次创建虚拟轮胎模型rm的过程。多种力、载荷和影响作用在要为其创建虚拟轮胎模型rm的车辆轮胎fr上，这些模型可以借助轮胎数据、车辆数据、环境数据和使用情况数据进行限定和量化(参见图1)。
71.使用传感器信号、模拟和数据融合方法，可以通过虚拟模拟力、载荷和影响实际创建虚拟轮胎模型rm形式的车辆轮胎fr的数字孪生。
72.然后，所获得的虚拟轮胎模型rm可以用于模拟未来轮胎状况srz。通过将模拟的轮胎状况srz与实际轮胎状况trz进行比较，可以调整并且从而改善模拟。
73.图3说明了用于产生车辆轮胎fr的虚拟轮胎模型rm的示例性方法的流程图。在开始该方法之后，在步骤s1中，提供分别与要为其创建虚拟轮胎模型rm的车辆轮胎fr相关的轮胎数据rd、车辆数据fd、环境数据ud和使用数据nd。为此可以使用测量数据和模拟。
74.在下一方法步骤s2中，基于所提供的数据创建虚拟轮胎模型tm。此处可以使用数据融合方法。在步骤s3中，存储所创建的虚拟轮胎模型rm。
75.在步骤s4中，使用轮胎数据rd、车辆数据fd、环境数据ud和使用数据nd来更新所创
建的虚拟轮胎模型rm。该更新使更新后的虚拟轮胎模型rm始终尽可能地与车辆轮胎fr匹配。
76.可选地，可以执行步骤s5和s6，其中将更新的虚拟轮胎模型rm与车辆轮胎fr进行比较，并且将更新的虚拟轮胎模型rm适配到车辆轮胎fr。比较和调整可以以可预定的时间间隔重复进行，例如以固定的指定时间间隔或者根据车辆轮胎fr的使用以一定的时间间隔重复进行。因此，可以改善虚拟轮胎模型rm的质量。
77.在步骤s7中，虚拟轮胎模型rm用于模拟车辆轮胎fr的未来状态srz。为此目的，力、载荷和/或影响可以虚拟地施加在虚拟轮胎模型rm上，并且可以观察到它们的作用。在步骤s8中，输出关于车辆轮胎fr的模拟的未来状况srz的信息。例如，可以向车间通知由于磨损将要进行的轮胎更换。如果基于模拟的轮胎状况srz在任何时候都有车辆轮胎fr的突然失效的风险，则可以向车辆输出相应的信息，例如以便通知驾驶员或实现主动控制干预以例如限制车速。
78.可以连续地或以时间间隔执行方法步骤s4至s8，也就是虚拟轮胎模型rm的连续更新和/或未来轮胎状况srz的连续模拟是可行的。
79.附图标记列表
80.fd
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车辆数据
81.fr
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车辆轮胎
82.nd
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使用数据
83.rd
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轮胎数据
84.rm
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虚拟轮胎模型
85.srz
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模拟的轮胎状况
86.trz
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实际轮胎状况
87.ud
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环境数据
88.方法步骤
89.s1
ꢀꢀ
提供分别与车辆轮胎有关的轮胎数据、车辆数据、环境数据和使用数据
90.s2
ꢀꢀ
基于提供的数据创建车辆轮胎的虚拟轮胎模型
91.s3
ꢀꢀ
存储创建的虚拟轮胎模型
92.s4
ꢀꢀ
使用分别与车辆轮胎有关的轮胎数据、车辆数据、环境数据和使用数据更新创建的虚拟轮胎模型
93.s5
ꢀꢀ
将更新的虚拟轮胎模型与车辆轮胎进行比较
94.s6
ꢀꢀ
将更新的虚拟轮胎模型适配到车辆轮胎
95.s7
ꢀꢀ
使用调整后的虚拟轮胎模型模拟车辆轮胎的未来状况
96.s8
ꢀꢀ
输出有关车辆轮胎的模拟的未来状况的信息