基于胎壓信號(hào)的爆胎檢測(cè)方案研究

張 鵬，王 琪，洪 磊

（江蘇科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院，江蘇 張家港 215600）

1 概述

近來(lái)為了解決爆胎給行駛車輛所帶來(lái)的巨大危害，不少研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始展開(kāi)爆胎安全方面的研究，先后提出了一種胎壓監(jiān)控及爆胎自動(dòng)減速系統(tǒng)[1]；通過(guò)輪胎試驗(yàn)獲得輪胎在正常胎壓及零胎壓下的力學(xué)特性參數(shù)，并對(duì)爆胎汽車的整車動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了仿真[2]；對(duì)汽車防爆胎自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究[3]；對(duì)爆胎的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)、穩(wěn)定控制算法進(jìn)行了試驗(yàn)和理論研究[4-6]。同時(shí)，隨著胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的推廣，一些廠商提出了利用胎壓來(lái)實(shí)現(xiàn)爆胎監(jiān)測(cè)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)的新功能[7]。因此，如何利用胎壓信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)爆胎監(jiān)測(cè)成為一項(xiàng)值得研究的課題。為此本文設(shè)計(jì)了閾值法及小波算法這兩種方案的試驗(yàn)，并分別測(cè)試了其性能。發(fā)現(xiàn)這兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，且具有一定的互補(bǔ)性。因此，建議未來(lái)的爆胎檢測(cè)方案可以通過(guò)這兩種算法的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，試驗(yàn)系統(tǒng)由輪胎、胎壓傳感器系統(tǒng)以及用于數(shù)據(jù)接收處理的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。通過(guò)在輪胎上安裝可以快速放氣的閥門模擬爆胎過(guò)程，通過(guò)改變爆胎時(shí)流通閥門截面積的大小，在直徑為1.5 cm、2.5 cm兩種不同流通截面積下進(jìn)行試驗(yàn)。

2 基于閾值的爆胎監(jiān)測(cè)方案

一種常見(jiàn)的閾值監(jiān)測(cè)方案是選擇胎壓作為判斷的依據(jù)。當(dāng)胎壓降低到一定程度時(shí)，即認(rèn)為發(fā)生爆胎。然而這種方案必須等待胎壓下降到較為明顯的程度才能報(bào)警，而沒(méi)有充分利用爆胎后胎壓下降梯度值顯著變化這一特征，因此，本文設(shè)計(jì)了另外的方案?？紤]到正常狀態(tài)下，輪胎的體積及溫度在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生大的改變，根據(jù)氣體狀態(tài)方程pV=nRT可以知道，正常狀態(tài)下胎壓變化梯度不可能發(fā)生大的改變；而當(dāng)爆胎發(fā)生時(shí)，持續(xù)時(shí)間往往只有幾十到幾百毫秒[4]，這使得胎壓在短時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)，因此，可以考慮以胎壓梯度閾值來(lái)判斷爆胎。

為了得到爆胎后胎壓波動(dòng)的規(guī)律，本文在不同爆胎截面條件下進(jìn)行了試驗(yàn)，并根據(jù)所獲試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制了胎壓采樣序列相鄰兩點(diǎn)之差隨時(shí)間的變化曲線。由于我們的采樣時(shí)間固定，因此，該差值就反映了胎壓變化梯度值的大小。根據(jù)傳感器的手冊(cè)，胎壓傳感器一個(gè)單位的讀數(shù)對(duì)應(yīng)于真實(shí)壓力0.686 kPa。試驗(yàn)結(jié)果圖中采用的是傳感器的讀數(shù)值，而未轉(zhuǎn)換為實(shí)際壓力值。

圖2、3分別顯示了爆胎模擬試驗(yàn)過(guò)程中，不同流通截面條件下，兩相鄰胎壓采樣值之間的差值（即胎壓變化梯度）隨時(shí)間改變的曲線。其橫坐標(biāo)為時(shí)間/s，縱坐標(biāo)為兩相鄰胎壓之間的差值，即胎壓梯度的大小（以胎壓傳感器讀數(shù)值表示）。從圖中可以看到，隨著爆胎截面的增加，整個(gè)爆胎持續(xù)的時(shí)間縮短，且胎壓下降梯度值增大。這說(shuō)明爆胎與胎壓梯度的變化有密切的聯(lián)系，因此，檢測(cè)算法可以利用胎壓梯度作為判斷的依據(jù)，尤其是在爆胎后壓力下降比較快的情形，而這也是比較緊急的情形，需要有快速的反應(yīng)能力。

為了能有效地通過(guò)胎壓梯度變化區(qū)分正常壓力波動(dòng)和爆胎狀態(tài)，本文對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。正常狀態(tài)下胎壓變化梯度值分布如圖4所示。

根據(jù)以上這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)了基于胎壓梯度閾值的爆胎檢測(cè)方案，具體閾值的取值如下：設(shè)定胎壓下降的警戒閾值為正常狀態(tài)下的90%；設(shè)定胎壓下降梯度閾值為200 Pa/s。

傳感器以較快的采樣頻率采樣，并計(jì)算最近一段時(shí)間內(nèi)的壓力梯度值。當(dāng)傳感器檢測(cè)到胎壓下降超過(guò)正常值90%，且下降梯度超過(guò)梯度閾值時(shí)，就判斷為爆胎。之所以要設(shè)定胎壓下降的警戒閾值是為了驗(yàn)證爆胎后胎壓會(huì)降低這一特征，以進(jìn)一步確保判斷準(zhǔn)確；而之所以該閾值設(shè)計(jì)得與正常值相差不大，是為了在盡可能早的爆胎初期實(shí)現(xiàn)判斷。

根據(jù)以上算法，在室內(nèi)模擬環(huán)境下進(jìn)行了試驗(yàn)。為了使得試驗(yàn)容易進(jìn)行，設(shè)定正常胎壓值在200 kPa左右。不同爆胎截面積下的試驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖中判別是否發(fā)生爆胎由跳變直線來(lái)表示。正常狀態(tài)時(shí)曲線處于底部；曲線躍升至頂部則判斷為爆胎。另一條較光滑曲線代表胎壓變化曲線。從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看到，由于爆胎后胎壓出現(xiàn)劇烈下降，與正常狀態(tài)有明顯的區(qū)別，因此，利用閾值判別方法能簡(jiǎn)單迅速地實(shí)現(xiàn)爆胎檢測(cè)。雖然這些試驗(yàn)只是在室內(nèi)靜止條件下完成的，但是方案設(shè)計(jì)的思路可以推廣到實(shí)際應(yīng)用中，具有一定的參考價(jià)值。

同時(shí)也可以注意到，雖然閾值方案簡(jiǎn)單直接，但其設(shè)定的閾值是根據(jù)已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)完成的。由于引起爆胎的因素很多，在不同的爆胎條件下，流通截面的大小也會(huì)不同，且變化范圍比較大，要使所選閾值能在所有狀態(tài)下均有效，則非常困難。因此，該方案適應(yīng)性不佳，不容易推廣。

3 基于信號(hào)突變的爆胎監(jiān)測(cè)方案

為了克服以上閾值方案的缺點(diǎn)，需要尋求具有一定自適應(yīng)能力的算法。通過(guò)前述試驗(yàn)可以看到，胎壓曲線在爆胎前后呈明顯的變化，存在一個(gè)信號(hào)突變點(diǎn)，這使得可以考慮利用信號(hào)突變點(diǎn)的檢測(cè)方案[8]來(lái)達(dá)到監(jiān)測(cè)爆胎的目的。由小波理論[9-11]可以知道，信號(hào)的突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)著小波變換的模極大值，因此，小波變換很適合這類信號(hào)的處理，且無(wú)需事先對(duì)信號(hào)建模，具有較好的適應(yīng)性能。根據(jù)這一原理，設(shè)計(jì)了基于信號(hào)突變點(diǎn)檢測(cè)的方案。其具體設(shè)計(jì)過(guò)程由文獻(xiàn)[12]給出，這里不再詳述。在此只給出試驗(yàn)結(jié)果，并將其與前面的閾值方案進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖中左圖為利用小波實(shí)現(xiàn)突變點(diǎn)檢測(cè)的試驗(yàn)結(jié)果；右圖為爆胎檢測(cè)的結(jié)果。從圖中的試驗(yàn)結(jié)果可以看到，當(dāng)爆胎發(fā)生后，胎壓發(fā)生較大的改變，表現(xiàn)為一突變信號(hào)，對(duì)此利用小波多分辨率分析技術(shù)可以得到不同分解尺度上的細(xì)節(jié)系數(shù)（如各左圖所示）。對(duì)于突變點(diǎn)，各層細(xì)節(jié)系數(shù)在此處均表現(xiàn)為一局部極大值點(diǎn)，因此，可以判斷突變點(diǎn)所在的位置。

4 結(jié)論

對(duì)于基于閾值的爆胎檢測(cè)方案，當(dāng)爆胎截面較大時(shí)，無(wú)論是壓力，還是壓力梯度值都有很大的變化，因此，利用該算法能迅速而準(zhǔn)確地得到結(jié)果；而當(dāng)流通截面積較小時(shí)，判斷所需時(shí)間則有所增加。而基于信號(hào)突變點(diǎn)檢測(cè)的方案則不同，由于該算法具有較好的適應(yīng)能力，因此，無(wú)論爆胎截面大小如何變化，它都能在較為固定的時(shí)間段內(nèi)判斷出信號(hào)突變點(diǎn)的位置，這也就使得判斷爆胎所需的時(shí)間相差不大，體現(xiàn)了該方案受外界條件影響較小、適應(yīng)性好的特點(diǎn)[12]。但該方案計(jì)算量較大，因此，在面對(duì)爆胎截面較大這樣的緊急情況時(shí)，不能像閾值方案那樣反應(yīng)迅速。

因此，為了有效利用兩種算法的優(yōu)點(diǎn)而避免其缺點(diǎn)，本文建議，對(duì)于將來(lái)實(shí)際使用的爆胎檢測(cè)方案，可以結(jié)合閾值法以及信號(hào)處理算法來(lái)共同實(shí)現(xiàn)：利用閾值方案響應(yīng)迅速的特點(diǎn)來(lái)檢測(cè)較為緊急的爆胎狀態(tài)；對(duì)于不滿足閾值檢測(cè)條件的，為了避免漏檢，在發(fā)現(xiàn)到胎壓有持續(xù)下降等異常狀況時(shí)，再啟動(dòng)信號(hào)突變點(diǎn)檢測(cè)方案來(lái)輔助檢測(cè)，以此彌補(bǔ)閾值方案適應(yīng)性差的缺點(diǎn)。

[1]傅建中，石勇.輪胎氣壓監(jiān)測(cè)與爆胎自動(dòng)減速系統(tǒng)[J].汽車工程，2006，28（2）：199-202.

[2]郭孔輝，黃江，宋曉琳.爆胎汽車整車運(yùn)動(dòng)分析及控制[J].汽車工程，2007，29（12）：1041-1045.

[3]蔡彥資.汽車防爆胎自動(dòng)控制系統(tǒng)研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009，(29)：5-6.

[4]王英麟.基于Car Sim與UniTire的爆胎汽車動(dòng)力學(xué)響應(yīng)研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2007.

[5]S.Patwardhan,H,S.Tana,M.Tomizukab.Experimental results of a tire-burstcontroller[J].AHS Control Engineering Practice，1997，Volume 5 Issue 11：1615-1622.

[6]Patwardham S.,Tomizuka M.,Wei-Bin Z..Theory and Experiments of Tire-Blow-out Effects and Hazard Reduction Control[J].Automated Vehicle Lateral Control System JSAE Review,1995,Volume 16:219-220.

[7]梁靜.爆胎無(wú)憂——吉利爆胎監(jiān)測(cè)與安全控制系統(tǒng)(BMBS).[J].時(shí)代汽車，2008，(3):103-105.

[8]胡廣書.現(xiàn)代信號(hào)處理教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[9]劉濤，曾祥利，曾軍.實(shí)用小波分析入門[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

[10]程正興.小波分析算法與應(yīng)用[M].北京：西安交通大學(xué)出版社，1998.

[11]林京，屈梁生.基于連續(xù)小波變換的奇異性檢測(cè)與故障診斷[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2000，13(4):523-530.

[12]張鵬，李壽濤，郭立書，等.基于小波變換的爆胎識(shí)別方案[J].汽車技術(shù)，2010，(2)：37-40.