ABS实现软件胎压监控系统原理.docx

胎压监测意义汽车轮胎胎压的高低，直接影响到整车安全行驶的安全性、舒适性以及燃油经济性。爆胎的引发交通事故的主要原因之一，保持轮胎胎压正常和及时发现轮胎漏气是防止爆胎的关键。汽车轮胎胎压监测系统（TPMS）主要用于汽车行驶时实时监测轮胎胎压，对轮胎漏气和低胎压进行报警，是驾车者和乘车人员生命安全的保障性预警系统。轮胎是汽车行驶系的重要组成部分之一，在汽车起一个支撑原件和行走的作用。汽车轮胎的主要功能是支撑负荷，向地面传递制动力、驱动力和转向力，以及缓冲减震。轮胎对汽车性能具有十分重要的影响，它不仅影响汽车的行驶安全性、经济性和平顺性，而且影响汽车的环保性能和运输效率等。影响轮胎性能的一个重要因素是轮胎调压。轮胎胎压超过正常值时，将使轮胎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，容易发生危险；轮胎胎压低于正常值时，轮胎变形增加，轮胎和路面接触面积增大，摩擦系数成倍增长，使轮胎温度急剧上升，就会导致车辆在高速行驶中热量迅速集中，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是轮胎损伤更大。保持轮胎正常胎压，不但是延长轮胎使用寿命，减小滚动阻力，还是减少油耗，提高车辆使用经济性。因此，汽车行驶中，实时在线地监测轮胎胎压是否正常对保证行驶安全至关重用。近些年来，由于轮胎问题引发的重大交通事故呈逐年上升趋势。据报道，全国众多交通事故中因轮胎引发的事故约占20.8%。高速公路每百公里事故率为普通公路的4倍多，事故死亡率是普通公路的5倍，其中70%是由于轮胎爆胎而引起的，而在美国这一比例则高达80%。胎压监测系统简介:TPMS是轮胎胎压监测系统“Tire Pressure Monitoring System”的英文缩写，主要用于在汽车行驶过程中对轮胎胎压的实时自动监测，对轮胎漏气和低胎压进行报警，以保证行车安全，是驾驶者和乘车人员的生命安全保障预警系统。轮胎胎压监测系统实现在汽车安全产业发展的一个重要方向，众多研究者都在尽力找到更好的压力监测方法。目前轮胎胎压监测系统主要分两类：直接式TPMS和间接式TPMS。直接式TPMS：利用安装在没哟个轮台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，并对各轮胎胎压进行显示和监控。典型的直接轮眼胎压监测系统可以分为轮胎模块和中央接收模块，其原理如图:目前，直接式TPMS可分为主动式和被动式两种：（1）主动式TPMS是利用安装在每一个轮台里的锂电子电池为电源的压力传感器来直接测量轮胎的胎压，并通过无线调制发射到安装在驾驶台的监视器上。当轮胎胎压太低或有渗漏时，系统就会自动报警。（2）被动式TPMS也叫无电池TPMS，它用一个中央收发器代替了一般的中央接收器。安装台轮胎中的转发器接受来自中央收发器的信号，同时利用这个信号的能量发射一个反馈信号到中央收发器，由中央收发器实现自动报警。间接式TPMS：间接式TPMS就是在压力监测过程中，利用汽车已经装有的ABS轮速传感器或者气态的传感信号，通过相应的模型和算法间接监测轮胎胎压，即压力信号并非由传感器直接得出，而是通过某一中间量直接得出。目前常见的间接式TPMS有计算式和磁敏式两种：（1） 计算式间接TPMS：介绍四种以 ABS 轮速信号为基础的间接式轮胎压力监测系统。从不同的角度建立有关不同参数的轮胎滚动模型，利用ABS 轮速传感器获取准确的轮速信号，通过相应的算法来间接实现对轮速的监测。它们分别运用轮速比较、有效滚动半径、扭转刚度以及纵向刚度等参量并通过不同的算法来监测气压的变化，以下是对这几种方法的研究。1 轮速比较式轮速比较式胎压监测系统是早期的间接式胎压监测系统，原理和算法都比较简单。该系统利用ABS 轮速传感器测量每一个轮胎的轮速当一个轮胎的气压减小时，由于滚动半径减小，车轮的旋转速度就相应地加快，如图2.1 所示，reff 表示有效轮胎半径：因此可以设定一个比率 来监测汽车轮胎胎压的状态是否正常：其中，rFL、rFR、rRR、rRL 分别为左前、右前、左后和右后四个轮胎的滚动半径。如果这个比率偏离设定的公差，一个或更多轮胎就会过于膨胀或处于充气不足状态，然后，指示灯会提示司机，有一个轮胎处于低压状态。该系统外加组件数量少，只需在原有的系统上增加报警程序和报警提示装置，系统成本很低。但是，轮速比较式TPMS 存在着很大的局限性：第一是指示灯无法指出是哪个轮胎处于低压状态；第二是当同一车轴或同一侧的两个轮胎都处于低压状态时，它无法检测出究竟是哪个轮胎充气不足；第三是如果所有四个轮胎都处于低压状态，该系统不会发现这一故障。2 有效滚动半径式轮胎的有效滚动半径的变化同轮胎气压变化之间有着直接的联系，如下图所示，当气压降低时，轮胎着力点的变形将增大，其有效滚动半径将变小，根据车速V=r 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将变大，如下关系式：式中，r为轮胎初始半径，表示由于轮胎变形引起的半径变化量，胎压的变化导致变化，从而引起轮角速度变化。以轮胎有效滚动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。与轮速比较法相比，这里采用的算法增加了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。这样的算法处理，就避免了轮速比较法中当同一车轴或同一侧的两个轮胎都处于低压状态时无法辨别的问题，作为对第一种方法的改进，运用有效滚动半径监测胎压实现的关键是进行算法的改进和参数的精确获得，以便提高精度。3 扭转刚度式胎压监测系统如下图所示，把轮胎看作是理想的扭转弹簧。扭转弹簧的扭转刚度和轮胎压力之间呈线性关系，并且在车速在20km/h 以上时，扭转刚度值不随车速的变化而变化，这为利用扭转刚度来监测胎压提供了理论依据。任何时刻对于从动轮来说，轮轴的驱动力矩等于看作扭转弹簧的轮胎所受力矩。轮胎在受到轮轴的驱动力矩后，一方面产生扭转，一方面会有能量的损失，这一部分损失的能量简化成等效粘性阻尼来处理。用看作扭转弹簧的轮胎的角速度、转动惯量、扭转刚度、等效粘性阻尼系数等参数建立动力学微分方程式，然后利用现代控制理论的状态观测器的方法估计出扭转刚度的变化，由扭转刚度的变化间接揭示出轮胎压力的变化。虽然用扭转刚度来进行轮胎压力估计的算法比前两种都复杂，但是精度提高了，能够满足美国公路安全法规要求。实际应用中还需要注意几个问题：第一，以上的分析是针对从动轮的，对于驱动轮由于受力不同，还需要进一步研究。第二，涉及参数需要进行准确标定，以免影响最后的估计结果；第三，估计的准确度还取决于算法中状态观测器的性能，如零极点配置。4 纵向刚度式胎压监测系统根据汽车轮胎学理论，当轮胎气压变化时，除了轮胎的力学特性发生变化以外，受轮胎气压影响的轮胎特性主要是轮胎的弹性和轮胎的刚度，而轮胎的弹性与轮胎刚度又具有相应的对应关系。当轮胎充气后，轮胎既具有一定的承载能力又具有一定的弹性，轮胎的这种弹性包括径向（垂直方向），侧向（横向）弹性、纵向（圆周方向）弹性和扭转弹性等，分别对应轮胎的径向刚度、侧向刚度、纵向刚度和扭转刚度。由于轮胎是在接地状态下使用，所以轮胎的刚度主要是相对于路面的刚度。同扭转刚度法相似，这里选取的参数是纵向刚度，轮胎的纵向刚度是使承受一定垂直负荷作用的轮胎在水平刚性路面上只作纵向移动，不作滚动，此时的轮胎纵向力与轮胎接地中心的纵向移动量的比值。假定轮胎是完全刚性的，轮胎滚动简图如下图所示。当车辆行驶的时候，由于轮胎和地面之间的作用力，轮胎始终存在着滑移。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来表示轮胎滑移的程度。当轮胎压力降低时，轮胎半径减小，结果必然使轮胎旋转角速度变大，从而引起车轮的滑移率发生变化。滑移率的定义为：V轮胎中心的速度；R轮胎的滚动半径；轮胎的角速度。汽车操纵动力学研究中比较流行的一个公式叫做“魔术公式”，它的主要特点是无论对轮胎所受的侧向摩擦力、纵向摩擦力、回正力矩，对实验数据拟合的精度都比较高。因此可以利用其拟合曲线研究纵向力与滑移率之间的关系。图2.5 是“魔术公式”轮胎模型的典型的力滑移率的曲线图。从图中可以看出，力与滑移率之间具有很强的非线性关系，但可以看出当轮胎的滑移率低于3%时，轮胎所传递的纵向力和滑移率之间近似成线性关系，而在车辆的正常行驶中，轮胎的滑移率很少超过2%。因此，在这一线性区域，力、滑移率之间的关系可定义为：F轮胎受到的纵向力；Cx轮胎的纵向刚度。V车速；R轮胎滚动半径；轮胎滚动角速度。由上式可以看出，显然在该理想状态下，轮速和纵向刚度之间关系容易求得，这样就可以根据轮速判断出纵向刚度的变化。而纵向刚度跟胎压又是线性关系，这样，通过纵向刚度就可以估计胎压的变化了，胎压每升高10%轮胎的纵向刚度降低约10%。由此可见用纵向刚度对胎压的变化非常敏感，因而，利用纵向刚度估计胎压的变化。（2） 磁敏式间接TPMS：磁敏式间接TPMS系统有压力传感器、霍尔元件和电子控制单元组成。轮胎胎压传感器安装在车轮轮毂上，霍尔装置安装在悬架支柱或者车轮制动底板上。汽车行驶中，轮胎胎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，霍尔装置输出信号随之变化，由此实现轮胎压力信号由轮胎之车体的非接触式传递。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的输出信号进行采样，并将数据送入储存器中，经运算分析和比较判断，得到轮胎胎压值机器状态，报警装置显示轮胎胎压或在压力异常时进行声光报警，其系统组成如图：以上介绍的几种间接式轮胎压力检测系统,它们无一例外都是在ABS 轮速信号的基础上,采用间接方法进行检测胎压，在很大程度上依赖于轮胎和负载因子直接式TPMS和间接式TPMS的比较：直接式TPMS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，其成本远高于其他系统。并且该系统采用锂电池供电，不能实现真正意义上的实时监控，而且其超高频传输信号（以兆赫为单位）对其周围的设备是否带来危害目前还不得而知。间接式TPMS的优点是几