（载运工具运用工程专业论文）基于轮胎模型的轮胎压力监测系统研究.pdf

摘要 汽车高速行驶时，爆胎是引起恶性交通事故的主要原因之一。轮胎在非正常气压 下，尤其是低气压下长时间高速行驶是造成爆胎的最主要原因。因此实时监测轮胎气 压变化，保持汽车在标准的轮胎气压下行驶是防止爆胎的关键。汽车轮胎压力监测系 统( t p m s ) 的主要作用就是在汽车行驶时，对轮胎气压进行实时自动监测，对轮胎漏 气和低气压进行报警，是驾车者、乘车人的生命安全保障预警系统。安装轮胎压力监 测系统( t p m s ) 能有效地防止轮胎在非正常气压下长时间行驶，提高汽车的主动安 全性。 本文介绍了t p m s 的发展历史、现状以及未来发展方向，分析了目前存在的直接 式和间接式两种t p m s 的结构和工作原理，在此基础上提出了一种基于轮胎模型的轮 胎压力监测方法，对其监测原理、硬件设计和软件设计做了详细说明，设计出以 c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机为控制核心的轮胎压力监测系统。 本文研究的基于轮胎模型的轮胎压力监测系统通过估计轮胎半径值来实时监测 胎压变化，能够在汽车行驶过程中实时监测每一个轮胎的气压状态，克服了现有间接 轮胎压力监测系统无法对同轴或同侧轮胎气压同时变化的情况进行监测的缺点。当轮 胎压力出现异常时，系统通过声光报警提醒驾驶员及时做出反应，有效地预防了轮胎 爆胎，提高了汽车高速行驶的安全性。本系统的研究能够促进轮胎压力监测技术的发 展，具有很高的实际应用价值，能够产生巨大的经济效益和社会效益。 关键词：t p m s ，c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机，压力监测，半径估计，显示报警 a b s 仃a c t w h e nac a ri sr u n n i n ga tah i g hs p e e d t i r eb l o w o u ti so n eo ft h em a i nr e a s o n so ft h e m a l i g n a n tt r a f f i ca c c i d e n t s r u n n i n ga tah i g hs p e e df o rl o n gh o u r su n d e ra b n o r m a l p r e s s u r e ，p a r t i c u l a r l yl o wp r e s s u r e ，i st h em o s tp r i m a r yc a u s eo ft i r eb l o w o u t t h ek e y p o i n to fa v o i d i n gt i r eb l o w o u ti st ok e e pn o r m a lp r e s s u r ea n d d e t e c tt h el e a k a g eo ft i r ei n t i m e t i r ep r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e m ( t p m s ) i sm a i n l yu s e dt om o n i t o rt i r ep r e s s u r e w h e nn m n i n ga n da l a r mt h el e a k a g ea n dl o wp r e s s u r eo ft i r e ，s oi ti sas a f e g u a r dt od r i v e r s a n dp a s s e n g e r s i n s t a l l i n gt i r ep r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e m ( t p m s ) c a np r e v e n te f f e c t i v e l y at i r ef r o mr u n n i n go u to fn o r m a lp r e s s u r ef o rl o n gh o u r s ，a n di n c r e a s e st h es a f e t yo f a u t o m o b i l ed r i v i n g t 1 l et h e s i sf i r s ti n t r o d u c e st h eh i s t o r y , a c t u a l i t ya n dt h ef u t u r eo ft p m s a n a l y s i st h e s t r u c t u r ea n dw o r kp r i n c i p l eo f e x i s t i n gw s ba n dp s bt p m s a n dp u t sf o r w a r dam e t h o d o f t p m sb a s e do nt i r em o d e l 1 1 1 et h e s i si n t r o d u c e dt h et h e o r ya n dd e s i g no f h a r d w a r ea n d s o f t w a r ei nd e t a i la n dd e s i g n san e wt p m sc h o o s i n gt h ec 8 0 5 1 f 0 0 5s i n g l e c h i pa st h e c o n t r o lc o r e n 陀t p m so f t h et h e s i sb a s i n go nt i r em o d e lc a nm o n i t o rt h ec h a n g eo f t i r ep r e s s u r e b yt h ec h a n g eo ft i r er a d i u s i tc a nm o n i t o rt h es t a t eo fe v e r yt i r ew h e nt h ec a ri sr u n n i n g ， a n di tc o n q u e r st h es h o r t c o m i n go fe x i s t i n gi n d i r e c tt p m st h a tc a nn o tm o n i t o rt h et i r e p r e s s u r ew h e nt h et i r ep r e s s u r eo f c o a x i a l l i n eo rs a m es i d ec h a n g ei nt h es a m et i m e w h e n t h et i r ep r e s s u r ei sa b n o r m a l i ts e n d so u ts o u n da n dl i g h ta l a r mt or e m i n dt h ed r i v e rt od oa r e a c t i o ni nt i m e i tg a l lp r e v e n te f f e c t i v e l yt h et i r ef r o mb l o w i n g ，a n di n c r e a s e st h es a f e t y o fd r i v i n g 1 1 圮r e s e a r c ho ft h i ss y s t e mc a np r o m o t et h ed e v e l o p m e n to ft i r ep r e s u r e m o n i t o r i n gt e c h n i q u ea n dh a sah i g hv a l u eo f a p p l y i n g ，s oi tc a nb r i n gt h ee n o r m o u sp r o f i t s o f e c o n o m ya n ds o c i e t y k e yw o r d s ：t p m s ，c 8 0 5 1f 0 0 5s i n g l e c h i p ，p r e s s u r em o n i t o r i n g ，r a d i u se s t i m a t i n g ， d i s p l a ya n da l a r m 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：瓷舂论时间：驰司年f 月弓旧 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 时间：幻曰年f 月3 日 时间：。7 年月 3 1 日 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 随着我国经济的不断发展，汽车保有量不断增加，交通环境不断恶化，交通安全问 题日益严重，这给人类的生命和财产安全带来了极大的威胁。据统计，轮胎爆胎、疲劳 驾驶和超速行驶是造成高速公路交通事故的三个重要原因，其中轮胎爆胎由于其不可预 测性和不可控制性而成为首要因素，在国内高速公路上发生的重大交通事故大约有7 0 是由于爆胎引起的，高速公路每百公里事故率为普通公路的4 倍多，事故死亡率为普通 公路的5 倍。而在美国这一比例更高达8 0 0 , 6 ，美国汽车工程师协会的调查统计表明，美 国每年有2 6 万起交通事故是由于轮胎气压不足造成的，7 5 的轮胎故障是由于轮胎气压 不足或渗漏引起的。由此可见，在汽车高速行驶过程中，轮胎爆胎是所有驾驶者最为担 心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。由轮胎故障引起的交通事故给 社会造成了巨大的损失，如何防止爆胎已成为汽车安全驾驶的一个重要课题i l - 3 l 。 轮胎是汽车行驶系的重要组成部分之一，在汽车上起支撑元件和行走的作用。轮胎 的主要功能是支承负荷，向地面传递制动力、驱动力和转向力，以及缓冲减振【4 j 。轮胎 性能的优劣不但直接影响汽车行驶的安全性、经济性和平j 顿性，而且对汽车的环保性能 和运输效率等也有重要的影响。 影响轮胎性能的一个重要因素是轮胎气压，可以说“气压是轮胎的生命”。 轮胎气压过高时，将使轮胎失去弹性，与地面接触面积减少，摩擦系数降低，导致 车辆侧滑、颠簸、爆胎，危及行驶安全；同时轮胎剐度增大，起不到应有的缓冲作用， 使汽车的平顺性变坏：汽车行驶中遇到障碍物的冲击，易发生轮胎破裂，导致轮胎的使 用寿命缩短。 轮胎气压过低时，轮胎变软，轮胎和路面接触面积增大，摩擦系数成倍增长，就会 导致车辆在高速行驶中轮胎热量迅速聚集，使轮胎温度急剧上升，最后导致爆胎：如果 车辆在低速状态下行驶，就会因轮胎变形过大而使轮胎损伤更大，为高速行驶时产生爆 胎留下隐患。同时气压不足使轮胎下沉量明显增大，行驶阻力增大，耗油量增大，从而 降低了燃油经济性。低气压的轮胎在滚动时还使轮胎橡胶产生较大的弹性变形，从而使 轮胎的弹性滞后损失增加，导致轮胎早期的疲劳破坏。 所以对轮胎气压进行实时监测及预警以保持轮胎气压正常是汽车安全行驶的关键。 保持正常的轮胎气压，不仅可以延长轮胎的使用寿命，减小滚动阻力，还可减少油耗， 提高车辆的使用经济性，而且可以大大提高汽车的行驶安全性。 1 2 轮胎压力监测系统简介及其分类 t p m s 是轮胎压力监测系统“面r ep r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e m ”的英文缩写，主要用 于在汽车行驶过程中对轮胎气压进行实时自动监测，对轮胎漏气和低气压进行报警，以 保障行车安全，是驾车者和乘车人员的生命安全保障预警系统【5 卅。 t p m s 的出现是由美国普利司通费尔斯通( b s f ) 公司的大规模轮胎召回事件引发 的，召回的主要原因是轮胎气压不足而产生过多的热量，从而破坏了其内部结构，造成爆 胎【7 】。美国在2 0 0 0 年1 1 月1 日，由前美国总统克林顿签署批准了国会关于修改联邦运 输法的提案，要求2 0 0 3 年1 1 月以后的新车要逐步把轮胎压力监视系统作为标准配置。 2 0 0 1 年7 月，美国运输部( u sd e p a r t m e n to f t r a n s p o r t a t i o n ) 和国家高速公路安全管理局 ( n a t i o n a lh i g h w a yt r a f f i cs a f e t ya d m i n i s t r a t i o n ，n h t s a ) 第一次将t p m s 作为专用词 汇。2 0 0 3 年8 月6 日，n h t s a 修订通过了最终版法规，要求从2 0 0 5 年l o 月5 日至2 0 0 7 年8 月3 1 日逐步采用轮胎压力监测系统 s - 9 1 。 轮胎压力监测系统是现代汽车安全产业发展的一个重要方向，全世界的研究者都在 尽力找到更好的压力监测方法。目前，汽车轮胎压力监测系绀”j 主要分为两种类型： 一种是直接式t p m s ，另一种是间接式t p m s 。 1 2 1 直接式t p m s 直接式t p 潞主要是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器和温度传感器来直接测量 轮胎的压力和温度，并对各轮胎气压进行显示及监控的系统。典型直接式轮胎压力监测 系统由两个模块组成，即轮胎模块和中央接收模块，其原理如图l l 所示。 图l l 直接式t p m s 原理图 目前，直接式t p m s 按供电方式不同主要分为主动式和被动式两种。 1 主动式t p m s 主动式t p m s 是利用安装在每一个轮胎里的以锂离子电池为电源的压力传感器来直 接测量轮胎的气压，并通过无线调制发射到安装在驾驶台的监视器上。当轮胎气压太低 或有渗漏时，系统将自动报警。 2 被动式t p m s 2 山东理工大学硕士学位论文第一苹绪论 被动式t p m s 也口q 无电池t p m s ，它用一个中央收发器代替了一般的中央接收器。 安装在轮胎中的转发器接收来自中央收发器的信号，同时使用这个信号的能量来发射一 个反馈信号到中央收发器上。这就使得安装在轮胎内部的气压监测器发送数据而不需要 电池，从而解决了因电池所带来的问题。 1 2 2 间接式t p m s 间接式t p m s 主要是在压力监测的过程中，利用汽车已装有的a b s 轮速传感器或其 他传感器信号，通过建立相应的模型和算法间接监测轮胎压力。即压力信号并非由传感 器直接给出，而是通过某一中间变量间接得出。 目前常见的间接式t p m s 主要有计算式间接t p m s 和磁敏式间接t p m s 。 1 计算式间接t p m s 计算式间接t p m s 主要是通过汽车a b s 系统的轮速传感器比较轮胎之间的转速差别来 监测轮胎压力的相对变化，以达到监测胎压的目的。目前，计算式间接t p m s 主要可分 为以下两类： ( 1 ) 振动分析型当汽车行驶时，粗糙的路面会使轮胎上的橡胶产生类似弹簧的振 动，因此可以通过监测与轮胎气压有关的振动频率来监测气压。 由于轮胎的弹簧常数随轮胎气压的变化而发生变化，轮胎的气压和弹簧常数呈线性 关系。根据此原理，利用4 个车轮上安装的a b s 轮速传感器产生的波形信号并经过 v s c ( v c h i c l cs t a b i l i t yc o n t r o ls y s t e m ) 处理，求出轮胎的扭振频率，经计算得到轮胎的弹 簧常数，再由轮胎气压和弹簧常数的关系求出轮胎气压。当控制单元检测出轮胎气压异 常时输出信号至报警灯，提醒驾驶员检查轮胎气压，其控制流程如图l - 2 所示。 v s c 控爿0 j b s轮胎( 在v s c 控制范围内) 速度 v s c - c p u l 一 1 ) 捧除共振外的条波 传感 陂形信号 垫墅塑l 蒹拜霍尊 2 ) 推算轮胎径向刚度的变化 器 3 ) 对气压低的判断和处理 图1 _ 2 振动分析型计算式间接t p m s 的工作原理图 ( 2 ) 轮径分析型轮胎胎压决定了轮胎有效滚动半径。这种类型是监测一个基于 静态轮速非线性变化的差值，当轮胎半径接近于最佳值( 此时拥有最佳轮胎压力) 时，这 个差值接近于零。 目前广为采用的是与轮速呈静态非线性关系的气压检测方法，其表达式为： ，：兰一兰：生一生：r 2 r 3 - r l r , w 2 r l足足i r 3 山东理t = 学硕l 学位论文第一军绪论 式中w l 、m 、w 4 和蜀、疋、b 、r 分别指的是左前轮、右前轮、左后轮、右 后轮的角速度和半径。当其中一个轮胎气压降低时，其角速度增大，对应的轮胎半径值 便相应减少，则此时y 0 ，由此可以判断汽车某一轮胎处于欠压状态。 2 磁敏式间接耶m s 磁敏式间接t p m s 主要由气压传感器、霍尔元件、电子控制单元即显示报警装置等 组成，如图1 3 所示。轮胎气压传感器安装在车轮轮辋上，霍尔装置安装在悬架支柱或 车轮制动底板上。汽车行驶时，轮胎气压变化引起螺旋弹簧变形，带动磁性元件旋转使 得磁场方向发生变化，从而使通过霍尔装置中磁敏元件的磁感应强度变化，霍尔装置的 输出信号随之变化，由此实现充气压力信号由轮胎至车体的非接触传递。电子控制单元 由单片机和外围接口组成，单片机对经过调理的霍尔装置输出信号进行采样，并将数据 送入存储器中，经运算分析和比较判断，得到轮胎气压值及其状态，显示报警装置显示 轮胎气压或在压力异常时进行声光报警。 图1 3 磁敏式间接t p m s 的工作原理图 1 2 3 直接式t p m s 与间接式t p 骼的比较 直接式t p m s 虽然响应速度快，灵敏度高，但是由于压力传感器和无线传输等硬件 设备的制造工艺较高，其成本也远高于其它系统；由于传感器与轮胎为一体，受振动、 离心力作用以及路面条件影响较大，且属于一次性敏感元件，安装时需要特别小心，不 能碰撞，否则就可能降低其感应性能，甚至不能正常工作；采用锂电池供电，电池的寿 命、更换存在一定问题，而且其超高频传输信号( 以m h z 为单位) 对其周围其它设施是 否带来危害目前还不得而知。 目前存在的间接式t p m s 的缺点是无法对同轴或同侧以及两个以上的轮胎压力同时 下降的情况进行监测，且车速在1 0 0 k m h 以上时也无法进行监测。但间接t p m s 的一个最 显著的特点是几乎不需要任何其它硬件设备，利用汽车现有的传感器采集所需信号，成 本低、寿命长，可靠性强，而且其安装方式相对简单方便，成本也相应降低：随着汽车 电子技术的发展，间接t p m s 的性能将更加稳定。 1 3国内外发展状况及发展趋势 1 3 1 国外发展状况 4 山东理工大学硕l 学位论文 第一章绪论 国外对于t p m s 系统的研究起步较早，2 0 世纪7 0 年代末欧洲的一些发达国家就开 始对轮胎气压监测系统进行研究。英国l u c a s 公司早在1 9 8 1 年就推出了驾驶室设置接受 器和每个车轮均有传感器的装置模型。随后，c r k 公司和m a r k e t i n g 公司也相继开发出 了自己的产品，基本结构是由传感器、信号发生器和接收器三部分组成，传感器安装在 轮辋上，直接检测轮胎的内压。德国d o d u c o 公司研制的p r i m a c 系统，可以同时监测轮 胎的压力和温度。德国w a b e o 公司和b o s c h 公司在1 9 8 9 年推出了利用a b s ( 制动防抱 死系统) 传感器监测轮胎压力的新装置。w a b c o 系统由一个3 2 通道的控制阀和一个与 轮胎气门嘴相接的气缸组成，当轮胎气压变化时，气缸活塞使a b s 传感器信号发生变化， 与a b s 共用一个电子控制单元。b o s c h 公司的汽车轮胎压力监测系统由装在轮辋上的压 力传感器、带有显示器的电子部件和高频收发机三部分组成，与a b s 一起工作，已经开 始成批量的装载汽车上。英国s p 公司研制的d w s 系统( 漏气报警系统) ，可以把轮胎 压力降低的信号通知驾驶员，系统利用a b s 传感器测量轮胎的滚动半径，通过计算程序 监测轮胎气压。 2 0 0 0 年以后摩托罗拉、米其林、西门子、加拿大斯马轮胎、固特异轮胎橡胶、诺基 亚轮胎、日本横滨等公司都开始了研究，已申请了许多专利，而且有部分产品已投放使 用。有代表性的研究成果包括： ( 1 ) 美国固特异轮胎公司推出的u n i s t e e l 智能轮胎； ( 2 ) 法国米其林轮胎公司推出的m e m s 智能轮胎： ( 3 ) 德国大陆通用轮胎公司推出的c g t 智能轮胎； ( 4 ) 芬兰诺基亚轮胎公司推出的r r r 智能轮胎； ( 5 ) 德国d a r m s t a d t 大学的p o h l a 等提出使用s a w ( s u r f a c ea c o u s t i cw a v e ，声表 面波) 传感器测量轮胎气压和温度等参数。 迄今为止，国外已有不少车型安装了”m s 【l 引。1 9 9 7 年，通用汽车公司开始使用间 接式t p m s ；2 0 0 0 年5 月，直接式t p m s 在美国上市。许多欧洲的汽车厂商也己将直接式 t p m s 配装于自己的中高档车型之中，其中包括：宝马公司的z 8 、欧宝公司2 0 0 2 年版威达、 雪铁龙公司的c 5 ，阿斯顿马汀公司的超级跑车v a n q u i s h ，旁蒂克的旗舰b o n n e v i l l e s e 等 等。 1 3 2 国内发展状况 国内对于t p m s 的研究起步较晚，只是近几年才开始进行研究。最新的中华人民共 和国国家标准“机动车运行安全技术条件”中的安全防护装置条款中规定：“车长大于 6 m 的长途客车和旅游客车、最大设计总质量大于1 2 0 0 0 k g 的载货汽车和载货牵引车应 安装轮胎压力报警装置；有关部分机动车应安装轮胎压力报警装置的要求，自本标准发 布之日起第2 5 个月开始对新注册车实施”。可见我国政府已经开始重视汽车轮胎气压监 山东理丁大学硕t 学位论文第一霹绪论 测设备的发展和应用。 吉林大学、北京理工大学、郑州大学、清华大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学 等高校都有学者对直接型t p m s 相关技术进行理论研究，设计出了一系列方案，也有一 些监测报警装置申报了专利。目前，全国开展直接式t p m s 研究的厂家接近2 0 0 家，但是 由于其可靠性、稳定性和灵敏性等方面远远达不到使用的要求，而且r p m s 零组件主要 靠进口，大多数厂家只是买来国外的零组件组装起来做成成品，缺乏核心技术，因此很 少得到应用i l ”。 对于间接型t p m s ，近几年主要有中国科学院自动化研究所、东北大学、燕山大学、 同济大学等单位进行了相关的研究。 中国科学院自动化研究所设计了一种用于轮胎胎压监测的轮胎故障观测器。该观测 器利用轮胎的动态轮胎路面摩擦力模型，使用汽车驱动力及轮胎转速数据，跟踪估计轮 胎路面摩擦系数的变化，并通过对摩擦状况的分析对轮胎胎压做出判断，从而实现对轮 胎胎压的监测。该方法用汽车驱动力和轮胎转速这两个量作为输入，轮胎转速利用车辆 自带a b s 系统可以求出，但是汽车驱动力的求取需要增加新的硬件，增加了胎压监测系 统开发的费用。 东北大学建立了一套车轮垂向振动模型，通过对汽车动态性能的分析，找出汽车轮 胎压力变化与车辆振动频率之间的关系，在车辆的每一个车轮上安装加速度传感器，利 用测得的加速度信号对其功率谱密度进行分析，通过车轮共振频率的变化监测轮胎气压 的变化。但只是进行了理论研究，并末将系统软硬件集成起来进行调试。 燕山大学在每一个车轮上安装脉冲计数传感器，通过检测一定距离内脉冲的数量来 计算轮胎滚动半径，来找出滚动半径与气压、载荷及速度间的变化规律，通过监测轮胎 滚动半径的变化来监测轮胎压力的变化，并初步建立起轮胎滚动模型，为t p m s 的研制 提供了一定的理论基础。 同济大学通过对车辆进行操纵稳定性试验，研究了轮胎气压与整车参数变化之间的 关系，得出了轮胎的横摆角速度与侧向加速度对轮胎气压较敏感的结论，并提出了汽车 转向时可以通过汽车的横摆角速度监测轮胎气压的变化、而在汽车直线行驶时采用侧向 加速度监测轮胎气压变化的方案。但是该方法在建立轮胎气压对整车状态影响的整车动 力学模型时，采用郭孔辉院士的十二自由度动力学模型，这样就增加了模型的复杂性， 加大了运算量，导致报警系统的实时性较差。 上述这些间接监测方案大都没有具体实施，而且几乎都需要额外安装传感器，增加 了系统的成本，只处于理论阶段。 1 3 3 未来发展趋势 汽车轮胎压力监测系统是驾车者、乘车人的生命安全保障预警系统，将是一个永恒 6 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 的主题，必将成为未来汽车必备的主动安全保障系统之一。汽车电子技术的不断发展使 汽车上安装了越来越多的传感器，这将促进t p m s 的发展，使其技术更加成熟，性能更 加稳定，并且它的模块将向高度集成化、单一化、无线无源化方面发展。 未来t p m s 的发展趋势主要在以下两个方面【6 l 【1 5 】： ( 1 ) 基于信号处理的虚拟传感器的间接t p m s 的设计和实现，主要是通过现代汽 车现有的传感器，提高间接监测的精度、准确性和可靠性，进一步提高汽车的智能化； ( 2 ) 采用声表面波传感器，实现无源无线信号传输的直接t p m s 的设计与实现。 1 4 课题研究的意义 本课题针对现有的轮胎压力监测系统，提出了一种比较新颖的轮胎压力监测方法一 基于轮胎模型的轮胎压力监测方法。通过建立轮胎模型，利用汽车现有的a b s 传感器 信号估计出轮胎半径，从而监测轮胎气压的变化。这种方法可以对每一轮胎的气压变化 进行监测，克服了耳前存在的间接t p m s 系统无法对同轴或同侧轮胎气压同时变化的情 况进行监测的缺点。 本系统直接利用汽车上安装的a b s 轮速传感器，费用较低，寿命长，不易损坏，可 靠性高，适合我国目前汽车工业发展的现状，对其进行开发研制具有重要的意义： 一是可以促进我国具有自主知识产权的主动安全系统的研发，加快与国际上胎压监 测系统的接轨，提高行车的主动安全性； 二是可以产生巨大的经济效益和社会效益。 1 5 主要研究内容 本课题对问接轮胎压力监测系统进行深入研究，最终开发出基于轮胎模型的轮胎气 压监控系统，论文主要包括以下几方面的内容： 1 轮胎半径估计模型的建立 根据车辆动力学理论，结合轮胎力学模型，建立驱动轮轮胎半径估计数学模型。 2 轮胎压力监测方法的确立 利用最小二乘法等算法对驱动轮半径方法进行研究，并通过模拟仿真验证方法的正 确性；在此基础上，利用卡尔曼滤波算法由驱动轮的半径估计得出从动轮的半径估计值， 确立了本文的轮胎压力监测方法。 3 轮胎压力监测方法的试验研究 以q q o 8 为试验车进行一系列试验，对试验数据结果进行处理、分析，验证轮胎压 力监测方法的可行性。 4 轮胎压力监测系统的硬件设计 7 山东理丁大学硕f 学位论文第覃绪论 以c y g n a l 公司的c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机为控制核心，对监测系统进行硬件设计，主 要包括电源电路、复位电路、信号放大电路及整形电路、l e d 显示电路及报警电路等。 5 轮胎压力监测系统的软件设计 软件设计主要完成系统监测程序的设计，包括各路采样信号的数据处理、计算比较、 超限判断、显示处理及报警输出等。 6 电子控制单元的调试 对电子控制单元进行模拟调试，硬件电路调试完成后，对系统软件进行分模块调试， 检验开发出的系统是否达到设计要求，运行是否准确、可靠。 8 第二章基于模型的轮胎压力监测方法 汽车在行驶过程中，轮胎压力的变化会使轮胎半径发生变化；反之，轮胎半径的变 化可以反映其压力发生变化。经过估算，这种变化可用于触发监测系统来向司机发出警 告。本文的研究对象是前轮驱动且装有a b s 轮速传感器的轿车，其状态是高速公路上高 速行驶。 2 1 轮胎半径估计数学模型的建立 在汽车行驶过程中，轮胎是一个复杂的系统，受到多个方向的力的作用。本文主要 对轮胎纵向受力情况进行分析，即轮胎在滚动过程中所传递的力。 2 1 1 轮胎力学模型的引入 图2 一i 所示的是轮胎在路面上自由滚动的简图。如果轮胎是完全刚性的，那么轮胎 的角速度和车速满足如下关系： 图2 - l 轮胎滚动简图 v = r a , ( 2 一1 ) 式中v 轮胎中心的速度； r 轮胎的滚动半径； 缈轮胎的角速度； 然而在汽车实际行驶时，车轮会出现滑移。车轮的滑移是指其切向速度小于其中心 速度的现象，一般用s 来表示滑移的程度。当轮胎压力降低时，轮胎半径的减少导致其 角速度变大，则此时车轮的滑移率发生变化。 根据s a l e 的定义，滑移率f 1 5 1 的表达式为： 9 s ：( v - ：_ g c o ) x100(2-2) y 轮胎的力学特性是决定汽车性能的主要因素，在对轮胎力学特性的研究中，为了精 确描述和深入研究轮胎力学特性，人们建立了各种轮胎经验模型，通过轮胎经验模型揭 示了轮胎传递的力和滑移率之间的复杂的非线性关系。典型的轮胎力学模型主要有g i m 轮胎模型、m a g i cf o r m u l a 模型、幂指数公式模型以及神经网络轮胎模型f 1 6 q 7 l 。其中， m a g i cf o r m u l a 模型即魔术公式轮胎模型，是 扫p a c e j k a l 等人在1 9 8 7 年通过大量实验建立 的纯经验模型，它用特殊正弦函数建立轮胎的纵向力，侧偏力和回正力矩的数学模型。 魔术公式轮胎力学模型模拟了轮胎纵向力和滑移率之间的复杂的非线性关系，其关 系曲线如图2 2 。 图2 2 魔术公式轮胎模型的力滑移率曲线 由图2 2 可以看出：当轮胎滑移率在3 以内时，力和滑移率两者之间是近似的线性 关系。而汽车在正常行驶时，轮胎滑移率很少超过i 2 。在这个线性区域，两者之问 的关系可以定义为： f = c ，s( 2 3 ) 式中c j 轮胎的纵向刚度， s 轮胎的滑移率。 因此可以利用式( 2 3 ) 对轮胎参数进行估算。 2 1 2 汽车行驶方程的简化 汽车行驶时，其行驶方程为f 1 5 】： f t = f j + f + f i + fj 式中f 汽车行驶时所受的驱动力， l o 山东理- 大学硕上学位论文 第二章基，f 模型的轮胎压力监删方法 f ，滚动阻力， 瓦空气阻力， f 啵度阻力， f - 力速阻力。 由于车速、路面等因素的影响，上述四种阻力中每种阻力对汽车的动力性影响程度 都是不同的，因此可以对影响汽车动力性很小的力进行忽略。 1 滚动阻力与驱动力之问的关系 3 0 0 z i 瑚 圈 露 蹙l f l 0 0 4 08 0 1 2 0l 印2 0 0 车速( k m 蛐 图2 - 3 滚动阻力随速度的变化曲线 滚动阻力是车辆在任何行驶条件下均存在的，它受车速的影响很大。图2 3 所示的 是轿车在行驶过程中所受的滚动阻力随速度的变化曲线。可以看出，当车速在大约 1 0 0 k m h 以下时，滚动阻力逐渐增加但变化不大；在某一车速( 约1 4 0 k i n h ) 以上时增 长较快，而且在这车速以下时滚动阻力在1 0 0 n 以下。滚动阻力相对于汽车的驱动力 来说是很小的，为了简化这里将其忽略。 2 坡度阻力 在高速公路上，路面坡度很小，轿车的载重有限，形成的坡度阻力也很小。因此， 坡度阻力也可以忽略。 因此，汽车行驶方程式可简化为： f t = p o 七f | 本文假设汽车为前轮驱动，在高速公路上认为汽车是直线行驶的。 轮来说，它受到的驱动力应为汽车所受驱动力的一半，即 = 三c 2 1 - 3 驱动轮轮胎半径估计数学模型的建立 由式( 2 - 2 ) 、( 2 3 ) 可得： ( 2 5 ) 因此对每个驱动 ( 2 - 6 ) f 吒( 笔竺) ( 2 - 7 ) 由式( 2 5 ) 、( 2 - 6 ) 、( 2 - 7 ) 得： 凡+ = 2 c ，( 竿) ( 2 - 8 ) 其中e = 黑nc = 因此，由式( 2 8 ) - f 得出本文建立的驱动轮轮胎半径估计数学模型为： 黑矿z + m d ：2 c ，( 生丝) ( 2 - 9 ) 2 1 1 5 一 v 式中c d 空气阻力系数， a 汽车的迎风面积。 m 汽车质量， a 汽车加谏席。 2 2 基于轮胎模型的参数估算方法 2 2 1 最l j 、- 乘法回顾 最小二乘法估计裂1 8 - 1 9 寻求最小化方程误差平方和，当误差趋于不受约束时，可等 效为下面的最优化问题： m i n i m i z e s u b j e c t t o ：y = f ( x 、+ 占 式中厂( x ) 系统模型； y 误差。 假设在f 。，：时刻对y 及工的观测值序列已经被我们获得，并且用y ( f ) 及 x l ( i ) ，x ：( f ) 一，f = 1 , 2 m 来表示被测数据，可以定义误差矢量占= ( 蜀，f 2 靠) 7 并令 = y f ( x ) ，选择一组，使得指标函数 l ，= 砰= f 7 s 1 1 1 是最小的，即要进行最小化。 将，对工微分，并令其为零，则可得到使，趋于最小的估计值工，即： 山东理t 大学硕卜学位论文 第一节基于模型的轮眙压力监测方法 剽：o 司o ：u 这个结果x 便被称为工的最小二乘估计量。 2 2 2 车轮角速度计算 在对轮胎半径进行估计时，需要知道汽车的轮胎角速度和车速值。目前，常用的角 速度计算方法有以下几种：频率法、周期法、多倍周期法。频率法的优点是在测量高频 率轮速脉冲信号时，其测量精度很高，因此本文选用频率法 2 0 l 来计算车轮角速度。 所谓频率法就是测量单位时间内轮速脉冲信号的个数，以此求得轮速值。车轮角 速度的基本计算公式为： 国：堡_ m f 2 1 0 ) 国= l z z址 式中z 齿圈齿数； m 频率信号输出脉冲个数； 址- 钡4 量时间间隔。 对于确定的系统，等为常数。本文所选a b s 传感器的齿数z = 4 。，贝l j r o = 等詈。 所以，角速度国的计算数值主要取决于后一项。即： f=坠at(2-u) 式中 厂频率。 其测量原理如图2 4 所示。 频率信号脉冲r 几nn 几几几几几 测量时间间隔 i垡 i 采样脉冲个数乙肌几1 - 耳一 l 丝 l 图2 _ 4 频率法测量原理图 2 2 3 参考车速计算 参考车速计算是非常重要的一部分，目前常用的参考车速计算方法伫1 1 主要有：固定 斜率法、耦合加速度传感器的软件算法和最大轮速法等。 最大轮速法就是用汽车行驶时所采集计算得到的四个车轮角速度的最大值来计算参 山东理r 大学硕卜学位论文第。章基- p 模毪的轮胎压1 监删方洼 考车速，其优点是无须路面识别，且不考虑驾驶员的操作行为。因此，本文利用最大轮速 法计算汽车的参考车速，即： 扛k = m a x ( 缈l ，缈2 ，吐b ，国4 ) ( 2 1 2 ) 此时，汽车的参考车速可表示为： 珥拈孕鲁( 2 - 1 3 ) 2 2 4 驱动轮轮胎半径估计 l ，驱动轮轮胎半，倥估计 由于空气阻力因数c 。_ 是定值，空气阻力只与矿2 有关，因此可令三= 2 c 1 0 _ _ a l a 5 ，则 兄= 三v 2 。 式( 2 - 9 ) 可简化为： 口：上【2 c 。( ! 二 ；堕) 一矿z 】( 2 - 1 4 ) my 式中a 、矿、缈的数值可以通 x 立a 1 3 s 轮速传感器测量和计算得到。 假设在k 时刻的加速度、车速和车轮角速度分别为a ( k ) 、矿( 七) 、( 七) ，则： 础) = 1 m 1 2 c = ( 警) - l v 2 】m y i 疗l 令 踯) = 筹 贝04 ( t ) ：一2 c = r r ( k ) + 2 c = 一上y ( t ) 2 令b=c,r(2-15) 则 如果进行j v 次取样， c：鱼(2-16) m d ：一上工 ，雄 口( 女) = 2 b p ( k ) + 2 c + d v ( k ) 2 ( 2 1 7 ) 运用最小二乘法得到各误差的平方和为： ，= a ( k ) - 2 b p ( k ) - 2 c - d v ( k ) 2 1 2 ( 2 1 8 ) = l 1 4 要使，取得极小值，可以分别对b 和c 求偏导数，并使之等于零，则有： 罢：o ( 2 1 9 ) a 6 、7 掣：o ( 2 - 2 0 ) 解式( 2 一1 9 ) 和( 2 2 0 ) 组成的方程组，可以得到参数6 和c 的估计值5 和，代入式 ( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 可求得： c j = c m ( 2 2 1 ) 盒：一班( 2 2 2 ) 由式( 2 - 2 2 ) 便可得出汽车驱动轮的轮胎半径估计值。 2 驱动轮轮胎半径估计方法的模拟仿真 本文用m a t l a b 软件包编制驱动轮半径估计程序，对驱动轮半径估计方法进行仿 真，采用模拟的车速和轮速作为信号输入。车速的变化范围为5 m s 到2 0 m s 之间，在轮 速的模拟中引入了0 0 4 r a d s 的标准差，这一误差小于轮速传感器的测量误差。数据的 采样频率为1 0 h z 。具体输入波形如图2 - 5 所示，轮胎半径的估算结果如图2 - 6 所示。 图2 5 模拟输入的车速及角速度信号 试验次数 图2 _ 6 轮胎半径的估算结果 由图2 - 6 可以看出，驱动轮轮胎半径估计方法对其半径的估计比较准确，估计值与 实际值之间的差异很少，因此文中所确立的驱动轮半径估计方法是可行的。 2 2 5 从动轮轮胎半径估计 汽车行驶时只有驱动轮受到驱动力的作用，因此驱动轮的半径估计方法对从动轮来 说是不适用的，因此驱动轮的半径估计方法需要进一步研究。 设汽车左前轮、右前轮、左后轮和右后轮的编号分别为l 、2 、3 1 1 4 ，对车辆同侧两 个车轮半径之间的关系进行研究。 在名义牵引力较小时，它可以表示成= 只。只为地面纵向作用力，n 为地面 法向作用力。车轮滑移率则可以表示成名义牵引力与前后轮滚动半径差的线性方程式： s = 七+ 万( 2 2 3 ) 式中k 纵向刚度的倒数： 6 唷i 后轮半径差。 对于左侧车轮，j 可以表示成： 最，= l 一蜀r ，( 2 - 2 4 ) 利用状态向量以= 0 k ，瓯) 7 可将汽车左侧的离散状态空间模型表示成： x k + i3 h + f 2 2 5 1 y t = ( a k1 ) 坼+ 气 、 式中 吒为系统噪声； 圪系统速度输入。 同样，汽车右侧部分也可以建立与之类似的独立模型。 上述状态空间模型能够直接应用于卡尔曼滤波器，通过适当的调整就可获得噪声衰 减同速度之间的合适交换，因此可以得到其状态向量为： ， 一 x = ( ，巧，) 1 ( 2 2 6 ) 占喇* 需瓣 山东理工大学硕士学位论文 第= 章基于棒型的轮胎乐力豁测方j 圭 i _ 置_ l | 舅| 詈詈暑詈l 日_ l _ 鼍舅目- a 由式( 2 2 6 ) 可得出4 3 和瓯的值，由于驱动轮的轮胎半径值r 。和r ：已经求出，因此 a 便可得以到从动轮的轮胎半径值r ，和r 。 2 3 轮胎压力监测方法的确立 汽车行驶过程中，由a b s 轮速传感器对四路轮速信号进行采样，单片机对采样信号 进行计算处理从而得到各轮胎的角速度缈及参考车速值吃，。由驱动轮、从动轮半径估 计方法对轮胎半径进行估计得到不同的轮胎半径估计值r 。将r 与提前设定的两个阀值 4 、曰进行比较，从而间接得出轮胎压力的变化情况。 4 、口阀值的选取规则是：汽车运动时，其轮胎滚动半径的数值与静力半径之间的 差别较小，可以认为二者是近似相等的。根据美国n h t s a 法规对于汽车行驶过程中低 气压的规定，本文选取轮胎标准气压降低3 0 时对应的轮胎静力半径值a 作为预定的低 气压阀值，而高气压阀值则选取轮胎气压增加1 5 时对应的轮胎静力半径值b ，由4 、 占作为数据比较的标准来判断轮胎压力是否异常。 因此，在对轮胎压力进行监测时，轮胎状态判断方法如表2 _ l 所示。当轮胎处于欠 压或过压状态时，系统进行报警。 表2 - i 轮胎状态判断方法 半径比较结果r 彳彳 r 曰 轮胎状态结果轮胎欠压 胎压正常轮胎过压 2 4 本章小结 本章根据车辆动力学理论结合轮胎力学模型，建立了驱动轮轮胎半径估计数学模型， 得出了驱动轮和从动轮的轮胎半径估计方法，并确立本文的轮胎压力监测方法。 1 7 第三章轮胎压力监测方法试验研究 本章用q q 0 8 进行一系列试验，并对试验数据进行计算机处理，由驱动轮、从动轮 半径估计方法对其轮胎半径值进行估计，通过对轮胎半径估计值与静力半径之间的关系 的分析，验证本文轮胎压力监测方法的可行性。 3 1 试验设计 1 试验仪器 ( 1 ) 装有a b s 传感器的奇瑞q q o 8 ： ( 2 ) d e w e 一2 0 1 0 数据采集系统； ( 3 ) c t m 2 0 0 2 c 非接触式速度计； ( 4 ) 气压表。 2 试验条件 ( 1 ) 汽车载重：1 2 0 0k g ： ( 2 ) 轮胎标准胎压：2 0 7