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东北大学硕士学位论文 摘要 基于车辆振动的轮胎气压监控系统的研究与开发 摘要 随着国民经济水平的不断提高以及中国汽车工业的飞速发展，国内汽车的 保有量持续增加。人们在享受这一舒适快捷的交通方式时，考虑更多的是汽车 行驶中的安全问题。近几年来，由于轮胎问题而引发的重大交通事故数目呈逐 年上升趋势。有报道，在全国众多车辆事故中因轮胎引发的事故约占2 0 _ 8 ， 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， 其中4 5 的是由于轮胎爆破而引起的。这使得对轮胎本身安全指标的监控变得 十分重要。近几年来，无论在国内还是在国际上，对轮胎气压监控产品都具有 广阔的市场需求。国外一些汽车配件公司计划) ：发研制生产轮胎气压崎控系统 ( t p m s ) 的活动非常活跃，而我国在轮胎气压监控系统的研制工作还处在起 步阶段。随着我国交通运输业的快速发展，高速公路的不断延伸，在高速公路 一i z 由于轮胎问题而引起的交通事故也逐年增多。可以说，国内急需开发研具有 制自主知识产权的轮胎气压监控系统( t p m s ) 。因此，本文对轮胎气压监控技 术进行深入的研究，积极开发出新的轮胎气压监控产品具有很大的意义。 本论文主要工作包括以下几个方面：首先，通过广泛地查阅资料，深入了 解各种轮胎气压监控系统的工作方式，研究各种系统的气压监控原理，对各种 轮胎气压监控系统进行客观的比较，在此基础上提出一种新的轮胎气压监控的 解决方案；而后，通过对汽车垂向动态特性的理论研究以及模型的计算机仿真 分析，得到一种通过估算车轮固有频率来监控轮胎气压的方法。再对新型控制 器t m s 3 2 0 c 2 4 0 系列d s p 控制器进行深入的研究，掌握了其结构原理、指令 系统以及软件开发方法。最后，综合以上的气压监控方法和d s p 控制器的相关 知识，建立一种基于车辆振动并采用d s p 技术的轮胎气压监控系统。设计出硬 件扩展电路及相关软件程序。 关键词轮胎气压监控汽车垂向振动数字信号处理d s p 查! ! 垄兰堡主兰堡笙查 垒呈! ! 垦垒竺! t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o f t i r ep r e s s u r em o n i t o r i n g s y s t e m b a s e do nv e h i c l ev i b r a t i o n a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fc h i n e s ee c o n o m ya n dc h i n e s ea u t o m o b i l ei n d u s t r y ， t h ea m o u n to fa u t or u n n i n go nt h er o a di n c r e a s e ss i g n i f i c a n t l yi nc h i n a w h i l ep e o p l e e n j o y i n gt h i s c o m f o r t a b l ea n ds w i f tt r a f f i c w a y ，t h e yt h i n km o r ea b o u tt h e i rs a f e t y d u r i n gd r i v i n gt h e i rc a r i nr e c e n ty e a r s ，t h ef i g u r eo f s e v e r et r a f f i ca c c i d e n t sc a u s e db y t i r e sp r o b l e ms h o w sat e n d e n c yt or i s ey e a ra f t e ry e a r s o m er e p o r t sc o n f i r mt h a tt h e a c c i d e n tc a u s e dt i r e sa c c o u n t sf o r2 0 8 i nn a t i o n a ln u m e r o u sv e h i c l ea c c i d e n t s t h e c r a s hr a t eo fe x p r e s s w a yi sm o r et h a n4t i m e so ft h eo r d i n a r yh i g h w a yp e rh u n d r e d k i l o m e t e r sa n dt h ea c c i d e n td e a t hr a t ea m o n gw h i c h4 5 c a u s e db yt i r e se x p l o s i o ni s5 t i m e so ft h eo r d i n a r yh i g h w a y s o ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt om o n i t o r i n gt h ec h a r a c t e r so f t i r e s i nr e c e n ty e a r s ，t h e r ei sw i d em a r k e td e m a n dt ot i r ep r e s s u r e - m o n i t o r i n gp r o d u c t s n om a t t e ra th o m eo ri nt h ew o r l d s o m ef o r e i g na u t o m o b i l e - p a r t sc o r p o r a t i o ni s v e r y a c t i v et o p l a n n i n g ，d e v e l o p i n g ，r e s e a r c h i n g a n d p r o d u c i n gt p m s h o w e v e r ，o u r c o u n t r y sd e v e l o p m e n t i nt h et i r ep r e s s u r e - m o n i t o r i n gs y s t e mi ss t i l li ns t a g eo fs t a r t i n g w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h ec o m m u n i c a t i o na n dt r a n s p o r t a t i o nb u s i n e s sa n dt h e e x t e n d i n gc o n s t a n t l yo ft h ee x p r e s s w a yo fo u rc o u n t r y ，t h et r a f f i ca c c i d e n tr e s u l tf r o m t h eq u e s t i o no ft i r e so nt h ee x p r e s s w a yi n c r e a s e sy e a rb yy e a r ，t o o t h e r ei sn od o u b t t os a yt h a ti ti sv e r ym e a n i n g f u la n d n e c e s s a r y t or e s e a r c ha n dd e v e l o pt p m sw i t ht h e i n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yo fo u r c o u n t y i nt h i st h e s i s t h et h e s i sm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gf o u rf a c e t s t h ef i r s t t h i n gi s ，t h r o u g h w i d e l yc o n s u l tt h em a t e i i a l s ，u n d e r s t a n d i n gh o w t h ed i f f e r e n tt i r ep r e s s u r em o n i t o l i n g s y s t e mw o r k s ，d e e p l y , m a s t e r i n gt h ep r i n c i p l e o fa l lk i n d so fm o n i t o r i n g s y s t e m ， c o m p a r i n gt h e mo b j e c t i v e l y a n db r i n g i n gf o r w a r dan e wk i n d so fs o l u t i o no ft i r e p r e s s u r e m o n i t o r i n g t h e s e c o n di s s t u d y i n g t h ev e h i c l ev e r t i c a l d y n a m i ca n dt o s i m u l a t et h em o d e lo fi tw i t hc o m p u t e r t h i sp a r tw eh a v eg o to u ro w n p r i n c i p l eo f 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t m o n i t o r i n gt i r ep r e s s u r ew i t he s t i m a t i n gw h e e l s n a t m ef r e q u e n c y t h et h i r di ss t u d y i n g t h ei n n e rs t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fan e wp o w e r f u lc o n t r o l l e r - - - 一一t m s 3 2 0 c 2 4 0 s e r i e sd s pc o n t r o l l e r i na d d i t i o n ，t h i sp a r ti n c l u d e sm a s t e r i n gt h ei n s t r u c t i o ns y s t e m a n dt h ew a yo fs o f t w a r ep r o g r a m m i n g f i n a l l y ，an e wk i n dt p m sh a sb e e nd e s i g n e da t t h eb a s eo fa b o v e m e n t i o n e dp r i n c i p l ea n dd s p c o n t r o l l e rt e c h n o l o g y h e r e ，h a r d w a m s o l u t i o na n dc o r r e l a t i v es o f t w a r ea r ed e s i g n e d k e y w o r d st i r e p r e s s u r em o n i t o r i n g ，v e h i c l e v e r t i c a l v i b r a t i o n ，d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ，d s p i v 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 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 的说明并表示谢意。 本人签名：菱峨 本人签名：凌螈 日期：卅辛调i 棚 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 随着城市化的进程和汽车的普及，交通环境不断恶化，交通安全问题同益严 重，给人类的生命和财产带来了极大的威胁。这不但要求人们提高自身的安全意 识，而且对汽车行驶的安全性能提出了更高的要求。过去，汽车安全设计主要考 虑被动安全系统，如设置安全带、安全气囊、保险杠等。现代汽车设计师更多考 虑的则是主动安全设计，使汽车能够自己“思考”，主动采取措施，或是在“觉察” 出有危险的时候，发出警示，提醒驾驶人员采取措施，避免事故的发生。 自8 0 年代以来，随着公路的高速化进程及运输效率的不断提高，由于轮胎问 题而引发的重大交通事故数目呈逐年上升趋势。据9 9 年报道，在全国众多车辆事 故中因轮胎引发的事故占2 0 8 ，高速公路每百公早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，其中4 5 的是由于轮胎爆破而引起的。如何对轮 胎本身安全指标的监测开始成为国内外汽车领域研究新课题。 1 1 选题的目的及意义 轮胎是汽车行驶系重要的组成部分之一，汽车依靠带橡胶轮胎的车轮与路面 相互作用，把驱动轮上的驱动转矩转化为汽车行驶所需的推进力，变驱动轮的旋 转运动为汽车在路面上的移动。现代汽车几乎都采用充气轮胎，用来缓和汽车行 驶时所受到的冲击，并衰减由此产生的震动，以保证汽车有良好的乘坐舒适性和 行驶的平顺性、稳定性；同时保证车轮和路面有良好的附着性，以提高汽车的驱 动性、制动性和通过性。由此可知。轮胎性能的优劣将直接影响汽车的驱动性、 平顺性、通过性、稳定性和行驶中乘员的安全性及舒适性等。 有实验表明，在行驶道路上的车辆，其轮胎在不超过最大许用载荷和最高许 用速度的条件下，影响轮胎性能的主要因素是轮胎充气压力。可以说“气压是轮 胎的生命”，充气压力过高或者过低，都会给轮胎的性能和使用寿命带来影响。 1 1 1 高气压对汽车轮胎性能的影响 轮胎气压过高，轮l l - 与g l 面接触面积小，轮胎胎面中部区域承受的压力增高 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 磨损加剧，花纹底部开裂。又因此时轮胎刚度增大，起不到应有的缓冲作用汽 车的平j 顿性变坏。轮胎的回正力矩减小，促使汽车的操作性能降低。行驶中遇到 障碍物的冲击，易发生轮胎破裂导致轮胎的使川寿命缩短。而轮胎与路i ：l 豇之间 动载荷增大，也意味着轮胎与路面之问的最小正压力减小，从而降低车轮的地面 附着力，影响汽车的行驶安全性。 1 1 2 气压不足对汽车轮胎造成的危害 根据同本汽车轮胎生产者协会( j a p a n a u t o m o b i l et i r em a n u f a c t u r e r s ， a s s o c i a t i o n ) 的调查，汽车轮胎的自然渗透速度约为5 - l o k p a j ，现代轮胎设计 要求轮胎内的渗透率能够保持在1 5 h 左右。有资料表明约有8 5 有缺陷的 轮胎始于慢撒气( 自然渗透) ，有2 5 的轮胎损坏是由于慢撒气造成的。 气压不足对轮胎的危害主要表现在以下几个方面： 降低轮胎使用寿命 轮胎气压不足使轮胎胎肩区和胎圈区弯曲变形明显加大，对轮胎磨耗和使用 寿命产生致命影响。实验证明，轮胎内压较标准值降低2 0 ，在常速下行驶轮胎 寿命会下降1 5 以上。 。 、 01 02 03 0 4 0 5 0 低干标准气压的百分数朋 图1 1 气压对轮胎寿命的影响 f i g 1 1e f f e c to f t i r ep r e s s u r ec ot i r el i f e 降低了燃油经济性 轮胎气压不足使轮胎下沉量明显增大，e l l 长度增大，轮胎内应力加剧，行 如加印们 糕求忸g掣酬需壮心耀 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 驶阻力增大，耗油量增大，从而降低了燃油经济性。 易形成驻波破坏 当轮胎高速行驶达到定速度州。仡轮胎接地部后力发阱争滞波，这个波称 为驻波，如图1 2 所示。当轮胎产q - ! r 波后，如果f r j 提高速度轮胎部件的变形 幅度急剧增大，几分钟内就会导致轮胎破裂，这就是高速公路上发生爆胎事故的 主要原因。我们把轮胎产生驻波时的速度称为临界速度( v c ) 。实验表明，不论 是斜交线轮胎还是子午线轮胎，其临界速度都将随着气压的降低而降低。由此可 见，当轮胎的气压下降时，高速行驶车辆的行车速度将很快达到临界速度，这务 必会导致轮胎驻波的提前形成，增加轮胎爆胎的几率。 图1 2 驻波现象 f i g 1 2s t a n d i n gw a v e 加速轮胎的温升破坏 在高速行驶时，轮胎的破坏主要体现在热破坏，轮胎积聚升温导致脱层，甚 至发生高温爆破，造成重大交通事故。轮胎气压不足将使轮胎积热倍增。低气压 的轮胎在滚动时将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，发热加剧，导致轮胎早期的疲劳破坏。 降低轮胎的载荷能力 轮胎的负荷是根据轮胎的结构、胎体帘线的强度以及使用时的和速度等经过 计算确定的。轮胎的载荷能力随着充气压力的降低而降低，对于轿车，其轮胎内 压每下降o 0 5 m p a ，其承载能力就减少1 0 0 n 。 综上所述，轮胎内部气压过低是致使行驶车辆轮胎发生问题近而造成交通事 故的主要原因，而且由于自然渗透和其它外界破坏因素的存在，轮胎压力降低的 趋势是时刻存在的。为了保障行车安全，降低事故隐患，我们有必要研制一种可 以动态监测行驶车辆轮胎气压的系统。此系统能够在轮胎气压低于安全范围时通 东北大学硕士学位论文 第l 章绪论 过视觉、听觉等直观信号提醒驾驶人员注意，令其及时采取补充轮胎气压和其它 维护措施。 1 2 国内外技术发展概况及国内需求 2 0 世纪7 0 年代术欧洲的一些发达国家就开始对轮胎气压监控系统进行研究。 英国l u c a s 公司早在1 9 8 1 年就推出了驾驶室设簧接收器和每个车轮均有传感器装 置原型。随后，c p 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，其基本 结构由传感器、信号发生器和接受器三部分组成，传感器安装在轮辋上，直接检 测轮胎的内压。德国w a b c 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 系统出一个3 2 通道的控制 阀和一个与轮胎气门嘴相接的气缸组成，当轮胎的气压变化时，气缸活塞使a b s 传感器的信号发生变化，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 压力监控系统已经开始成批量的装在汽车上。该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，监测系统与a b s 一起工作。德 国d o d u c o 公司研制的p r i m a c 系统，可以同时监测轮胎内压力和温度。固定在车 轮上的无源传感器，可以根据轮胎内压力来改变磁场。磁场则由装在底盘固定件 上的电子传感器测出。英国s p 公司研制的d w s 系统( 漏气报警系统) ，它可以 把轮胎压力降低的信号通知驾驶员，系统利用a b s 转速传感器测量轮胎的滚动半 径，通过计算程序监测轮胎气压。还有其它公司也推出了他们的产品。目前为止， 英、法、德、同等发达国家已申请了许多专利。 由于2 0 0 0 年1 1 月美国政府设立汽车工厂和轮胎工，一义务报告汽车缺陷和事 故的t r e a d 法( t r a n s p o r t a t i o n r e c a l le n h a n c e m e n t a c c o u n t a b i l i t y a n d d o c u m e n t m i o n ，运输工具召回强化承提责任和提供汪法文件) ，美国国家公路交 通安全管理局( n h t s a ) 日前决定到2 0 0 6 年1 1 月时，所有新车都要装备t p m s ( t i r ep r e s s u r em o n i t o r i n g ，轮胎气压监控系统) ，而从2 0 0 3 年1 1 月份起1 0 的 新车就将开始逐步装备这套系统。在美国合作开发t p m s 的活动十分活跃，2 0 0 1 年5 月罩尔( l e a r ) 公司和法国b e r u 公司达成合作开发新一代的t p m s 意向， 福特公司也将从2 0 0 2 年型的探索者( e x p l o r e r ) 开始将t p m s 变为标准装备。此 外，通用公司、戴一克公司也在一些高档车上预装了t p m s 。为此，轮胎工厂、轮 胎气门嘴工厂和远距离无线输入系统工厂等各大公司东在计划开发、研制、生产 t p m s 。 4 东北天学硕士学位论文 第l 章绪论 轮胎气压监控系统( t p m s ) 在我国很少被使n 。皿然也有一些胎压j 瓶测、 报警装置申报了专利，但是山于其可靠性、稳定性和灵敏度等方丽还远达不到实 际使用的要求，所以这些专利很少得到应用。随着我国交通运输业的快速发展， 高速公路的不断延伸，在高速公路上出现的交通事故也逐年增多，其中很多事故 是由于轮胎爆裂而引起的。可以说，国内急需采用轮胎气压监控系统( t p m s ) 。 但是近几年采用还有难度，主要是因为国内轮胎企业和汽车企业以及电子产品企 业缺乏交流没有建立联合开发的渠道。此外，国内部分汽车厂对轮胎质量的重要 性缺乏认识，轮胎企业缺乏开发新产品的动力和能力。 1 3 本论文主要研究内容 ( 1 ) 通过广泛地查阅资料，深入研究国际上正在应用的轮胎气压监控系统 的原理。 ( 2 ) 建立简化的汽车垂向动态模型，通过计算机仿真分析研究车轮部分共 振频率与轮胎气压的关系，作为轮胎监控系统堤计的理论依据。 ( 3 ) 利用t i 公司数字处理控制器芯片( t m s 3 2 0 f 2 4 0 ) 开发一套基于汽车 振动的轮胎气压监控系统。 东北夫学硕士学位论文第2 章轮胎气压监控系统的原理 第2 章轮胎气压监控系统的原理 前一章介绍了汽车高速行驶时轮胎的特性刘汽午的安全行驶影响极火，如果 汽车在高速行驶时轮胎气压刁i 足或是急剧下降，可能会引起轮胎的爆破，使汽车 方向严重跑偏甚至失去控制，将导致严重的交通事敞。因此，对气压的实时监控 并报警对保证行驶安全非常重要。 2 1 轮胎气压监控系统的介绍 2 1 1 监控系统的定义 轮胎气压监控系统( t p m s ) 的定义有广义与狭义之分。其广义定义是指轮 胎气压智能监控系统，它可以对轮胎的气压和温度乃至轮胎的磨损情况进行实时 的监控，当根据轮胎状况判断出对驾驶有不安全隐患时，发出预警提醒驾驶员的 电子监控系统。而当今汽车上广泛应用的监控系统是狭义系统，即轮胎气压不足 报警系统，简称轮胎气压报警系统( t p w s ) 。根据工作原理，轮胎气压报警系统 可以定义为：它是利用现代电子监测技术通过压力传感器或者车轮速度信号直接 或间接地监测汽车轮胎，当轮胎气压低于安全值时，通过驾驶室内报警装置向驾 驶人员发出警告的电子监测系统。 2 1 2 监控系统的分类 根据国外轮胎气压监控、报警系统的发展状况可知，当前广泛使用的轮胎气 压监控按照气压检测原理的不同可分为以下两类： a ) 问接检测( i n d i r e c tm o n i t o r i n g ) 方式 此方法咀a b s ( 制动防抱死系统) 为基础，根据其轮速传感器的信号，计算 出车轮滚动半径或扭转振动状态，并通过智能算法问接推算轮胎压力。当压力低 于设定值时，通过车内显示装置通知驾驶者。这种方法基本上不需要外加的硬件 设备，而是利用车辆上已存在的a b s 设备和电子控制单元( e c u ) ，因此又称之 - 6 - 东北大学硕士学位论文第2 章轮胎气压监控系统的原理 为基于车轮速度的气压监控系统。 图2 1 间接轮胎气压监控系统 f i g 2 1i n d i r e c tt p m s b ) 直接检测( d i r e c tm o n i t o r i n g ) 方式 将气压和温度传感器安装在轮辋上或将传感器与气门嘴相接，此传感器将轮 胎内的压力和温度转换成电信号，通过高频振荡发射器发出高频信号，此信号被 安装在底盘上的信号接受装置接收并处理，通过驾驶室内的仪表显示器报警。采 用此方式的t p m s 系统响应速度快，是真正意义上的实时监控，又称之为基于压 力传感器的气压监控系统。 图2 2 直接轮胎气压监控系统 f i g 2 2d i r e c tt p m s 东北大学硕士学位论文第2 章轮胎气压监控系统的原理 2 2 轮胎气压间接检测方法 当前，问接轮胎气压监控系统主要采用的两种气压检测方法：一是利用轮胎 气压变化与轮胎的扭转振动频率变化两者之问的关系来检测气上最，如本公司的 方案；另种是利用轮胎气压变化与轮胎滚动半径的关系来检测轮胎的气压，如 通用公司采用的方案。这两种检测方法需要汽车上安装a b s 系统，前者利用对 a b s 系统的车轮转速传感器信号进行处理，通过快参数估计的方法来检测受气压 影响的轮胎谐振频率；后者采取对轮速信号进行静态非线性转换来监测各个轮胎 之间有效滚动半径之差。 2 2 1 轮胎扭转振动频率检测法 2 2 1 1 检测原理 图2 3 显示出某一汽车轮速传感器信号在其轮胎处于标准气压( 2 0 0 k p a ) 下以 及低气压( 1 0 0 k p a ) 下的功率谱密度( p s d ) 曲线。从图中可以看出，当气压变 化时，谐振频率峰值也随之在一定的频率段内变化。当气压下降时，峰值频率从 3 7 h z 下降到3 1 h z 。 频率如 图2 3 车轮旋转速度的功率谱密度 f i g 2 3p o w e rs p e c t r u mo fw h e e l sr o t a t i o n a ls p e e d 汽车轮胎旋转时，轮胎的弹性会使轮胎绕其轴线做圆周方向的扭转振动。由 于轮胎、悬架系统的耦合振动频率段与汽车的纵向加速度的频率段部分重合，从 东北大学硕士学位论文第2 章轮胎气压监控系统的原理 而引起轮速信号频率的这种变化。可见，如果能够检测到这一频率变化，那么轮 胎气压也就可以检测出来。 根据理论分析与实际实验验证，轮胎旋转方向的扭转刚度与轮胎的气压儿乎 成正比的关系，如图2 4 所示。气压越高，轮胎扭转刚度越大：反之亦然。根据 这一结论，可以建立一个轮胎的模型，通过研究这种模型来分析扭转刚度的变化。 剖 茬 埤 嗣 图2 4 扭转弹性刚度同轮胎气压的关系 f i g 2 4r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt o r s i n a o l s t i f f n e s sa n dt i r ep r e s s u r e 幽2 5 轮胎模型 f i g 2 5 t i r em o d e 2 2 1 2 轮胎模型 图2 5 即为根据以上结论建立的单个旋转轮胎线性动态模型。此模型中， 表示轮辋的转动惯量，：表示轮胎带束层的转动惯量，k 为轮胎的扭转弹性剐度， d 代表轮胎等效粘性阻尼系数，b 和分别为轮辋的旋转角度和速度，岛和脚：为 轮胎带束层的旋转角度和速度，以为扭转角度，列为路面激励输入( t d 是具有 白噪声特征的路面输入) 。 此模型的状态方程为： j l 击l = 一k ( o l 一曰2 ) 一d ( l 一2 )1 j z 西2 = 置( 口l 一口2 ) + d ( c o i 一2 ) 一t d ( 2 1 ) 曰。= 口一p ：l 当实际轮胎气压较之标准气压变化时，方程( 2 1 ) 中扭转弹性刚度k 同标准 值之间必将产生相应变化，可以采用外部激振观测法及最小二乘算法获得此变化 量的估计值。利用此估计值便可以判断出轮胎气压的变化，达到检测轮胎气压的 目的。图2 6 所示即为此估计过程的流程图。此框图中，前向滤波器为一带通滤 波器，其作用是将谐振频率成分从轮速信号中分离出来。 o 一 一焉昔目彗一 东北大学硕士学住论文第2 章轮胎气压监控系统的原理 图2 6 气压估计方法框图 f i g 2 6b l o c kd i a g r a m o fa i rp r e s s o r ee s t i m a t i o nm e s h t o d 2 2 1 3 外部激振的估计 方程( 2 1 ) 可以表示成状态空间的形式 匮 d ，i d j 2 l d ，l d ，2 一l 2 吼 ( 2 2 ) 当轮胎气压发生变化时，其扭转弹性刚度芹和等效阻尼d 产生如方程( 2 3 ) 所示的变化： 耳一彤4 - 足d _ d + d( 2 3 ) a k 为扭转弹性刚度k 的增量，a d 为等效阻尼d 的增量，将此变化量方 程带入( 2 2 ) 式，得： 卸州舢 4 - x = b ，：拶。1 ，戈= b 西：o 。】。 由于轮胎气压的改变对参数a k 、a d 的影响是线性的，所以( 2 4 ) 式可分 一1 0 形 1lj o上厶。 一 r，“l 1、j 卜ijjiji卜、，j 一置陀o一置儿o | | 1l，lj 辜_羞 = 1，lj 嘲晚以 _l 东北大学硕士学位论文第2 章轮胎气压监控系统的原理 解为 x = = a x 士 x 十 。竽i d o i - ( 0 2 ) 一竽吼 竽( 旷+ 了a k 以 了_ ( q 一。z ) + 了目s 0 + 悟 ( 2 5 ) 通过以上的描述，此状念空间模型中包含了已知部分动态矩阵 和未知部分 w ( 称为外部激振) 。w 中包含了此模型的所有变化参数k 、d ，状态空间 变量吼，还有未知的系统输入豫。从向量w = w ，0 】中可以看出：因为q 是 可测的，所以w l 也可以得到；只有需要估计得出。令w = w 2 j ：，得： 2 = w j 2 = ( a k j 2 ) 0 s 4 - ( a d j 2 ) 0 s 一( t d j 2 ) ( 2 6 ) 由此可以利用状态空间激振观测器的方法将( f s l l i n g e r1 9 9 0 ) 激振w 的估计 值表示成为： ： 谛= a k o s + a d o s t d ( 2 7 ) 利用( 2 7 ) 式，使用最d , - 乘法( l m s ) 的算法，便可以对a k 的变化进行 检测： 辫炉惟谛c “f ) ：悖( i ) l l 吼( f ) j 也可以运用一种实时最小二乘法( o n l i n el m s ) 算法表达如下： * ) ， 汜。， 的算法对a k 进行估计，此 毒i 。一 旦乞了一一 q | 舌i 。 ， 聊 一 “ 一 峨 一 以 + 0 嗽 附。 一 东北大学硕士学位论文 第2 章轮胎气压监控系统的原理 f(。k。)，=：f(。k。-一1。)，二!菱cz， c t ，= c t 一- ，一了；i ；：主s c t ) 一。 p ( ) = f 7 ( ) ( 一1 ) 一谛( 女) ，a = 尼a o 7 ( 2 1 0 ) ( 2 ，9 ) 式中，出于外部路面输入列为未知量，不可避免的会带来系统噪声e ( k ) 。 利用以上公式对a k 的变化进行估计，从而检测气压的变化，即为轮胎扭转振动 频率检测法的基本方法。 2 2 2 轮胎有效滚动半径检测法 2 2 2 1 检测原理 轮胎的有效滚动半径的变化通轮胎气压变化之间有着直接的联系。如图2 7 所示，当气压降低时，轮胎着力点的变形将增大，其有效滚动半径r 0 将变小。 夕巍。；一 嗲 o # v - - 巾f 。 卡 。爿 瞬心 图2 ，7 有效滚动、r 径的模型 f i g 2 ，7t i r em o d e lo f e f f e c t i v er o l l i n gr a d i u s 根据车速v = 0 3 矗的关系，在汽车速度不变的情况下，气压不足的轮胎的角 速度0 3 将变大，见如下的关系式： 6 0 ：旦：j ； ( 2 1 1 ) r o r d 。 式中，r 为轮胎初始半径，矿表示由于轮胎变形引起的半径变化量。 以轮胎半径分析为基础的气压报警系统，其实质是通过估算滚动半径减小的 程度来检测轮胎气压降低的程度。若假设一辆汽车中的4 个轮胎不同时发生气压 东北大学硕士学位论文 第2 章轮胎气压监控系统的原理 偏低的情况，那么最直观的方法就是通过监控车轮的转速来判断气压的下降程度。 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，例如下式： s ：竺一些( 2 1 2 ) 式( 2 1 2 ) 中，珊，表示第i 个车轮的转速，车轮位置分斫j 见图2 8 中所示。当 统计量不等于0 时，即说明轮胎有气压损失。此方法在应用时虽然简单直观， 但是随之而来的问题是：当汽车的同一轴或者同一侧轮胎气压下降程度相等时， 它就无法判断。假设所有的车轮以同样的速度行驶，将( 2 1 2 ) 式分解成以下形 式： 8 ：堕一! i ：兰一生：垒堡二l 垒( 2 1 3 ) 吡o ) 4r 3_ ，! l 倘若后轴轮胎气压降低程度相等，即r 4 r 3 = 1 ( 表示的i 个车轮的滚动半径) 此统计结果就无法反映出这个变化。 幽2 8 轮胎气压监控系统布置l 聱l f i g 2 8d i s t r i b u t e dd i a g r a m o ft i r ep r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e m 为了弥补上述算法的缺陷，可同时采用纵向与横向动态分析法。纵向动态分 析是利用纵向摩擦模型对驱动轮与从动轮速度进行比较：横向动态分析是利用横 摆速率模型对左右两侧的车轮速度进行比较。利用以上2 种模型可以进一步完善 东北大学硕士学位论文 第2 章轮胎气压监控系统的原理 轮胎滚动半径比较算法。 2 2 2 2 轮胎纵向动态分析 纵向摩擦模型是在传统的纵向滑移模型线性部分娃础上建立起来的。以前置 前驱( f f ) 汽车为例，通常将前驱动轮速度与后从动轮速度进行比较以计算滑移 率。_ = _ _ l i 轮的转速和发动机的拟矩q 以从。1 i 上安敝n 勺 譬感器汁算术。1 i 轮的卅穆 率被定义位圆周速度同纵向速度之差，如下式表示： s ：竺：二坠 ( 2 1 4 ) v 在名义牵引力较小时，它可以表示成声= f x ，。f x 为地面纵向摩擦阻力， r 为地面横向摩擦阻力。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： 5 ：兰+ d( 2 1 5 ) k 女为纵向刚度的倒数，艿为前后轮滚动半径差。占在左侧时表示成： 占l3 = 1 1 ( 2 1 6 ) 利用状态向量= d k 。d 。，) 7 可将汽车左侧的离散状态空间模型表示成： 置s + 1 ，= 呲x t - 。“1 ) x ，+ e ， ( 2 ，1 7 ) s f 2 l 心，f + f k 。为左侧纵向刚度的倒数，e ，为系统噪声。u 为系统速度输入。同样，汽 车右侧部分也可以建立与之类似的独立模型。因而，在进行轮胎压力预报时就 可利用这个轮胎滚动半径差异所产生的偏置量巧。上述状态空间模型能够直接 应用于卡尔曼滤波器( k a l m a nf i l t e r ) ，通过适当的调整就可以获得噪声衰减同 跟踪速度之间的合适交换。 2 2 2 3 轮胎横向动态分析 除了上节提到的前后车轮滚动半径比较之外，左右车轮滚动半径的比较也很 重要，出此引出了轮胎横向动态分析模型。此分析模型除了需要车轮速度传感器 之外还需要速率陀螺仪。随着现代汽车对稳定辅助系统需求不断地加大。速率陀 螺仪开始大量的安装到汽车上，这样就使得利用此模型进行横向动态分析成为可 能。使用此横向动态模型就可以从车轮角速度中计算出车轮地横摆速率，进而实 东北大学硕士学位论文第2 章轮胎气压监控系统的原理 现对轮胎气压的预测。 以汽车后轴为例，车轮横摆速率沙、车轮纵向速度k 以及曲率半径r 之间有 如下的关系： 函：蔓( 2 1 8 ) 尺 后轴中心的纵向速度表示成： v ，= 鼍卑 ( 2 1 9 ) 如图2 7 所示，曲率半径r 是后轴中心与瞬时运动中心之间的距离，它有如 下表示： r 一：塾二型( 2 , 2 0 ) l 。，( ”3 + v 4 ) 式中，l 为两个后轮之间的距离。 过下式求得： 当定义电= 皇一l ，车轮横摆速率可通 妒：掣：掣砘掣c 0 3 c 0 3 眩：。， 。l l 。，。l 。 j 车轮半径r 4 是未知量，工程上可用名义车轮半径作很好的近似计算，则上 式转变为： 驴3 e c 0 3 r “等5 i a 3 r 艮帆。， ( 2 2 2 ) 这里，m 表示其为计算值。同样地，汽车前轴也可以建立类似的模型。 陀螺仪的信号易受到偏置误差的影响，这样其信号也需要通过建立模型来分 析。受误差作用的陀螺仪信号在工程上可用下式近似表示。 妒，= 妒十j o ( 2 ，2 3 ) 横向动态模型( 前后两轴) 与陀螺仪信号模型共同组成的状态空间可以用以 下状态向量表示： x ，= ( 妒妒d od d 1 2 ) 7 ( 2 2 4 ) 测量输出值则表示成： y ，2 ( 驴。驴，妒。m 。) 7 ( 2 ，2 5 ) 东北大学硕士学位论文第2 章轮胎气压监控系统的原理 通过这两个向量推导出离散时问状态空问模型 y ， 瓦 l 0 0 o o 0 o l l0l0 l 。一i 0 ) 3 t ；| 2 t 0 0 0 l0 00 一 ( 2 2 6 ) 0 i o x t + p ( 2 2 7 ) 。i l m 。i 通常情况下在运动模型中，未知输入量u 仅影响横摆加速度。则这一离散时 间状态模型通过进行卡尔曼滤波后，就可以估计出同轮胎气压有关的参数点：和 以。 2 3 轮胎气压直接监控系统 以上两种间接气压检测方法都利用到车辆上安装的a b s 轮速传感器信号，因 此是间接检测系统所采用的方法。随着现代电子技术的飞速发展，微机械电子技 术( m e m ) 及智能传感器技术的日渐进步，这些先进的技术正在不断应用到车辆 上。这使得人们对轮胎状况进行准确、高效、可靠的实时监控变为可能，轮胎智 能监控技术就是在这种情况下应运而生的。 现以摩托罗拉m p x y 8 0 0 0 系列轮胎气压传感器为基础，构建一轮胎气压监控 系统( 如图2 9 所示) ，能够比较直观的理解这种直接监控系统。 此结构图中，无线气压传感器组件由传感器芯片m p x y 8 0 2 0 a 6 、接口电路、 微控制信号传输单元( m c u ) m c 6 8 h c 9 0 8 r f 2 及3 v 直流电源封装组成。传感器 芯片将轮胎内部气压和温度信号通过接口电路传输到微控制单元，m c u 芯片将 此信号调制成超高频信号( 一般在5 0 0 m h z 左右) ，通过天线传送出去；在车身 e c u 端，m c 3 3 5 9 4 芯片通过天线接受到此超高频信号，随即将之解调成温度和 气压信号，然后将解调过的信号传送到微控制器m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 ：在微控制器中， 此温度和气压信号连同车上其它传感器信号一起经过处理从而得出轮胎工作状况 的有用信息。 1 6 东北失学硕士学位论文第2 章轮胎气压监控系统的原理 、 无线气压传感器组件 m p x y 8 0 2 0 a 6 m c 6 8 h c 9 0 8 r f 2 车速信号 环境温度 信号调节 岫9 0 2 m c 3 3 1 7 4 m c 3 3 1 8 4 t l 0 6 4 轮胎型号开关 2 0 0 k p a 2 5 0 k p a 3 0 0 k p a 等 j 电j k t 咐节器 1 l m 2 9 3 i l l m 2 9 3 5 i。_。一 天线卜一 复位 e c u m c 3 3 5 9 4 m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 串行接f = ：j 瞬i l j 保护r 1 2 v 复何控制 m c 3 4 2 5 m c 3 4 6 0 4 指示灯 驱动器 u l n 2 0 6 8 b t m o s p o w e r f e t 数据总线 驱动器 s n 7 5 1 7 6 图2 9 轮胎气压监控系统结构图 f i g 2 9s t r u c t u r ed i a g r a m o ft i r ep r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e m 右后轮胎 声音警告 数据总线 图2 1 0 为此系统的安装示意图。监控系统工作时，气压传感器组件安装在每 一轮胎内部的轮辋上( 此处所指轮胎均为无内胎轮胎) ，系统将轮胎内有关压力和 温度信号以及车速信号输入到e c u 中。此系统的压力监测方法是当压力达到正常 值的8 5 时，在仪表盘上显示出报警信息，并告知驾驶员车速不要超过1 2 0 k m h ； 到正常值的6 0 时，不要超过8 0 k m h ；到正常值的4 0 时，不要超过4 0 k m h ： 当低于正常值的3 0 时，必须停车。而当轮胎的温度达到8 5 。c 时，建议车速不 要超过2 4 0 k m h ；温度达到9 0 0 c 时，车速不要超过1 6 0 k m h ：温度到达9 5 0 c 时， 建议车速应低于