基于輪速差變化的間接式輪胎氣壓監(jiān)測(cè)方法的研究

李俊 于影

摘 要：針對(duì)輪胎氣壓異常造成的突發(fā)性交通事故對(duì)輪胎氣壓監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行研究。根據(jù)汽車動(dòng)力學(xué)和輪胎學(xué)理論建立基于輪胎轉(zhuǎn)速與輪胎滾動(dòng)半徑關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，再結(jié)合滾動(dòng)半徑與接近開關(guān)式輪速傳感器采集的脈沖信號(hào)間的線性關(guān)系，在傳統(tǒng)間接式氣壓監(jiān)測(cè)方法基礎(chǔ)上添加誤差比較法，確立系統(tǒng)軟件算法。根據(jù)上述方法組建基于輪速脈沖數(shù)比較的間接式氣壓監(jiān)測(cè)模擬系統(tǒng)，并進(jìn)行系列室內(nèi)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的模擬仿真實(shí)驗(yàn)，完成對(duì)輪胎氣壓異常監(jiān)測(cè)方法的可行性和精確性驗(yàn)證，拓展了傳統(tǒng)間接式氣壓監(jiān)測(cè)的應(yīng)用范圍。

關(guān)鍵詞：間接式；氣壓監(jiān)測(cè)；誤差比較法；報(bào)警

1 引言

輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Tire Pressure Monitoring System，簡(jiǎn)稱TPMS），主要用于對(duì)輪胎氣壓狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)輪胎氣壓異常進(jìn)行報(bào)警，使駕駛員及時(shí)對(duì)輪胎故障作出反應(yīng)，有效地遏制因輪胎故障引起的突發(fā)性交通事故的發(fā)生。TPMS主要有間接式和直接式兩種。直接式TPMS是將壓力傳感器直接安裝在輪胎輪轂上或氣門咀上，把輪胎氣壓再信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)通過無線通訊傳輸給處理器分析處理。該方法雖然準(zhǔn)確性高，但開發(fā)難度大，而且必須在特制輪胎上（或輪胎內(nèi)）安裝額外的傳感器組件，成本高，而且一旦損壞不易維修，同時(shí)易受環(huán)境因素干擾。而間接式TPMS是通過計(jì)算機(jī)算法對(duì)輪胎物理參數(shù)的變化間接推導(dǎo)出各輪胎氣壓狀態(tài)。該方法主要從成本低和性能穩(wěn)定雙方面考慮，而且硬件簡(jiǎn)單便于安裝，在中國(guó)大多數(shù)中低檔汽車上適合配配[1]。

2 間接式輪胎氣壓監(jiān)測(cè)方法的基本原理

2.1 輪胎轉(zhuǎn)速與輪胎滾動(dòng)半徑的關(guān)系

假設(shè)汽車前輪為驅(qū)動(dòng)輪，在行駛過程中，則每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪所受的驅(qū)動(dòng)力為汽車驅(qū)動(dòng)力的一半，即：

（1）

而在汽車實(shí)際行駛過程中，車輪會(huì)出現(xiàn)滑移。車輪的滑移是指其切向速度小于其中心速度的現(xiàn)象，一般用S來表示輪胎滑移的程度。根據(jù)定義[2，3，4]，滑移率的表達(dá)式為：

（2）

則每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪所受的力與滑移率的關(guān)系為：

（3）

式中：Cx為輪胎的縱向剛度。

在高速公路上，坡度阻力很小。因此，坡度阻力也可以忽略。因此，（1）式可簡(jiǎn)化為：

（4）

因此，（4）式可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為：

式中：CD為空氣阻力系數(shù)；A為汽車的迎風(fēng)面積；m為汽車質(zhì)量；a為汽車加速度；R為輪胎滾動(dòng)半徑；？棕為輪胎轉(zhuǎn)速。

由上式可知，在汽車勻速直線行駛過程中，若某輪胎發(fā)生氣壓故障（假設(shè)漏氣）時(shí)，汽車重量會(huì)使該輪胎的半徑比其它正常輪胎的半徑小，在汽車速度不變情況下，發(fā)生故障的輪胎的轉(zhuǎn)速與其它輪胎相比會(huì)逐漸變大，即勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)輪胎滾動(dòng)半徑與轉(zhuǎn)速成反比。

2.2 車輪的滾動(dòng)半徑與傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)的關(guān)系

設(shè)車輪每轉(zhuǎn)動(dòng)1圈發(fā)出z個(gè)脈沖信號(hào)。當(dāng)車輪滾動(dòng)距離為S，脈沖計(jì)數(shù)器記錄N個(gè)脈沖時(shí)，滾動(dòng)半徑R為：

由上式可知：在相同的采樣周期內(nèi)和汽車行駛相同路程內(nèi)，輪胎滾動(dòng)半徑與接近開關(guān)式輪速傳感器采集的輪速信號(hào)脈沖數(shù)成反比[5]。

2.3 傳統(tǒng)間接式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本算法

在汽車行駛中，四個(gè)氣壓正常的輪胎符合下面靜態(tài)非線性原則[6]：

式中：？濁為輪胎速率，為定值1；？棕為輪胎轉(zhuǎn)速；F/R為前/后；L/R為左/右。

根據(jù)汽車運(yùn)動(dòng)學(xué)有： （8）

假設(shè)滑動(dòng)角？琢很?。╟os？琢≈1），且在同一軸上輪胎的滑動(dòng)系數(shù)S相等，輪胎關(guān)系可以寫為：

式中：N1、N2、N3和N4分別為單位時(shí)間內(nèi)采集的四個(gè)輪胎脈沖數(shù)；i=1，2，3，4分別為汽車的左前輪、右前輪、左后輪和右后輪。

間接式氣壓監(jiān)測(cè)方法是通過？濁是否為1來判斷是否有輪胎出現(xiàn)故障的，對(duì)有些情況不能判定：（1）同軸的兩個(gè)輪胎出現(xiàn)相同的氣壓異常；（2）同側(cè)的兩個(gè)輪胎爆胎出現(xiàn)相同的氣壓異常；（3）四個(gè)輪胎出現(xiàn)相同的氣壓異常；（4）對(duì)出現(xiàn)氣壓異常的輪胎不能確定該位置[7]。

2.4 對(duì)傳統(tǒng)間接式算法的補(bǔ)充

由于上述方法有些情況不能作出判定，在該基礎(chǔ)上添加均值誤差比較法。均值誤差比較法是在？濁=1情況下，將一次采樣周期內(nèi)的四路輪速脈沖信號(hào)數(shù)值分別與它們的平均值比較得到各路相對(duì)誤差，再利用單片機(jī)比較相對(duì)誤差大小來判別輪胎氣壓狀況。計(jì)算四路脈沖數(shù)平均值N和第i個(gè)輪胎脈沖數(shù)與平均值比較的相對(duì)誤差？犖N分別如下：

在1情況下，當(dāng)？犖N超過單片機(jī)設(shè)定的報(bào)警閥值時(shí)，則該路輪胎氣壓異常[8]，未超過閥值時(shí)，則輪胎氣壓正常。通過兩種算法的結(jié)合拓展了傳統(tǒng)間接式氣壓監(jiān)測(cè)適用范圍，更好地完成輪胎氣壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3 輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過接近開關(guān)式輪速傳感器采集的輪速信號(hào)，利用單片機(jī)分析變化幅度來判斷輪胎狀態(tài)，異常時(shí)報(bào)警。硬件構(gòu)成如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

（1）轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出部分：通過室內(nèi)臺(tái)架四路直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生四路轉(zhuǎn)速信號(hào)為信號(hào)輸出。（2）信號(hào)采集部分：利用有源傳感器里霍爾式接近開關(guān)輪速傳感器對(duì)輪速信號(hào)進(jìn)行采集。不用ABS系統(tǒng)中輪速傳感器是由于該傳感器輸出信號(hào)弱，而且需經(jīng)過整形放大才能引進(jìn)單片機(jī)，容易產(chǎn)生誤差。（3）脈沖信號(hào)比較分析部分：該部分采用MSP430系列單片機(jī)作為比較分析等任務(wù)的處理器[9]，包括記錄各路輪速信號(hào)的脈沖數(shù)、脈沖相對(duì)誤差法的執(zhí)行以及顯示和報(bào)警系統(tǒng)的觸發(fā)。該單片機(jī)是超低功耗16位單片機(jī)，運(yùn)行速度和處理任務(wù)能力比較理想（4）報(bào)警系統(tǒng)與顯示系統(tǒng)：通過單片機(jī)開發(fā)板上觸發(fā)二極管亮和蜂鳴器響完成聲光二重報(bào)警，提醒駕駛員對(duì)輪胎氣壓異常采取措施，同時(shí)利用液晶屏對(duì)各路輪胎氣壓狀態(tài)進(jìn)行顯示。

整個(gè)硬件工作流程圖如圖2所示。

4 輪胎氣壓監(jiān)測(cè)方法

整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)重點(diǎn)是通過判斷論速率？濁的值是否為1來進(jìn)行的。當(dāng)檢測(cè)到？濁不為1時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并同時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警和顯示系統(tǒng)的顯示。當(dāng)？濁的值為1時(shí)，則進(jìn)行四均值比較法來判斷是否有輪胎出現(xiàn)故障。具體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)判斷算法流程圖如圖3所示。

5 室內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)仿真驗(yàn)證

在試驗(yàn)臺(tái)架上控制四路直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)驗(yàn)通過仿真實(shí)車行駛中輪胎氣壓變化引起轉(zhuǎn)速變化過程來驗(yàn)證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可行性。模擬實(shí)驗(yàn)方法：記錄四路轉(zhuǎn)速信號(hào)并計(jì)算其？濁值。系統(tǒng)設(shè)定|？濁-1|？燮0.4%范圍內(nèi)即定為？濁=1。當(dāng)？濁≠1時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警；當(dāng)？濁=1時(shí)，繼續(xù)按均值誤差大小判定，超過報(bào)警閥值？著=0.8%，系統(tǒng)報(bào)警。每組試驗(yàn)都進(jìn)行5次，避免偶然誤差，表1為試驗(yàn)中的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

由表1可知，樣品系統(tǒng)在？濁=1情況下，采用脈沖均值誤差法對(duì)四路脈沖信號(hào)進(jìn)行比較，對(duì)超過報(bào)警閥值的脈沖信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警，及時(shí)且有效地監(jiān)測(cè)出超出限定閥值的轉(zhuǎn)速，間接地模擬出對(duì)氣壓輪胎異常的報(bào)警的可行，拓展了傳統(tǒng)間接式氣壓監(jiān)測(cè)方法的適用范圍。

表1 驗(yàn)證樣品精確性的部分試驗(yàn)

6 結(jié)束語

（1）本文根據(jù)輪胎轉(zhuǎn)速與滾動(dòng)半徑關(guān)系以及滾動(dòng)半徑與采集的脈沖數(shù)關(guān)系確立間接式氣壓監(jiān)測(cè)方法的基本理論，建立基于輪胎脈沖誤差大小的比較算法，模擬對(duì)輪胎氣壓間接監(jiān)測(cè)的可行性和準(zhǔn)確性。該模擬監(jiān)測(cè)方法成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定。（2）實(shí)驗(yàn)方法在傳統(tǒng)間接式監(jiān)測(cè)判斷方法基礎(chǔ)上補(bǔ)充均值誤差比較法，有效地對(duì)傳統(tǒng)間接式氣壓監(jiān)測(cè)方法的適用范圍進(jìn)行拓展，同時(shí)運(yùn)用多重防誤報(bào)算法消除誤報(bào)，誤差較小，可信度高。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭安文.我國(guó)高速公路交通事故的基本特點(diǎn)與預(yù)防對(duì)策[J].公路交通科技，2002，19（4）：109-112.

[2]余志生.汽車?yán)碚摰?版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[3]莊繼德.汽車輪胎學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1996.

[4]Christopher R. Carlson. Nonlinear Estimation of Longitudinal Tire Slip Under Several Driving Conditions[D].Mathematics and Computers in Simulation 67，2004：235-249.

[5]臧懷泉，田超，趙保軍.嵌入式汽車輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，10（28）.

[6]婁云，朱命怡.上海別克轎車輪胎氣壓監(jiān)視系統(tǒng)檢測(cè)[J].汽車電器，2003（6）：47.

[7]牟恒，孫萌，Martin Fischer.車輛壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)述及兩種實(shí)現(xiàn)方案[J].汽車電器，2005，11：54-56.

[8]韓宗奇，劉全有，王立強(qiáng).基于標(biāo)準(zhǔn)脈沖數(shù)比較法的汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2010，1.

[9]Chris Nagy. Embedded Systems Design using the TI MSP430 Series[M].Embedded Technology Series（USA），2003：4-11.