基于輪速差變化的間接式輪胎氣壓監測方法的研究

李俊 于影

摘 要：針對輪胎氣壓異常造成的突發性交通事故對輪胎氣壓監測方法進行研究。根據汽車動力學和輪胎學理論建立基于輪胎轉速與輪胎滾動半徑關系的數學模型，再結合滾動半徑與接近開關式輪速傳感器采集的脈沖信號間的線性關系，在傳統間接式氣壓監測方法基礎上添加誤差比較法，確立系統軟件算法。根據上述方法組建基于輪速脈沖數比較的間接式氣壓監測模擬系統，并進行系列室內實驗平臺的模擬仿真實驗，完成對輪胎氣壓異常監測方法的可行性和精確性驗證，拓展了傳統間接式氣壓監測的應用范圍。

關鍵詞：間接式；氣壓監測；誤差比較法；報警

1 引言

輪胎氣壓監測系統（Tire Pressure Monitoring System，簡稱TPMS），主要用于對輪胎氣壓狀態實時監測，對輪胎氣壓異常進行報警，使駕駛員及時對輪胎故障作出反應，有效地遏制因輪胎故障引起的突發性交通事故的發生。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化為電信號通過無線通訊傳輸給處理器分析處理。該方法雖然準確性高，但開發難度大，而且必須在特制輪胎上（或輪胎內）安裝額外的傳感器組件，成本高，而且一旦損壞不易維修，同時易受環境因素干擾。而間接式TPMS是通過計算機算法對輪胎物理參數的變化間接推導出各輪胎氣壓狀態。該方法主要從成本低和性能穩定雙方面考慮，而且硬件簡單便于安裝，在中國大多數中低檔汽車上適合配配[1]。

2 間接式輪胎氣壓監測方法的基本原理

2.1 輪胎轉速與輪胎滾動半徑的關系

假設汽車前輪為驅動輪，在行駛過程中，則每個驅動輪所受的驅動力為汽車驅動力的一半，即：

（1）

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

（2）

則每個驅動輪所受的力與滑移率的關系為：

（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）式可簡化為：

（4）

因此，（4）式可進一步轉化為：

式中：CD為空氣阻力系數；A為汽車的迎風面積；m為汽車質量；a為汽車加速度；R為輪胎滾動半徑；？棕為輪胎轉速。

由上式可知，在汽車勻速直線行駛過程中，若某輪胎發生氣壓故障（假設漏氣）時，汽車重量會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，發生故障的輪胎的轉速與其它輪胎相比會逐漸變大，即勻速直線運動時輪胎滾動半徑與轉速成反比。

2.2 車輪的滾動半徑與傳感器發出的脈沖數的關系

設車輪每轉動1圈發出z個脈沖信號。當車輪滾動距離為S，脈沖計數器記錄N個脈沖時，滾動半徑R為：

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

2.3 傳統間接式監測系統的基本算法

在汽車行駛中，四個氣壓正常的輪胎符合下面靜態非線性原則[6]：

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

根據汽車運動學有： （8）

假設滑動角？琢很?。╟os？琢≈1），且在同一軸上輪胎的滑動系數S相等，輪胎關系可以寫為：

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

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

2.4 對傳統間接式算法的補充

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

在1情況下，當？犖N超過單片機設定的報警閥值時，則該路輪胎氣壓異常[8]，未超過閥值時，則輪胎氣壓正常。通過兩種算法的結合拓展了傳統間接式氣壓監測適用范圍，更好地完成輪胎氣壓的實時監測。

3 輪胎氣壓監測系統的設計

輪胎氣壓監測系統是通過接近開關式輪速傳感器采集的輪速信號，利用單片機分析變化幅度來判斷輪胎狀態，異常時報警。硬件構成如圖1所示。

圖1 監測系統硬件結構

（1）轉速信號輸出部分：通過室內臺架四路直流電機旋轉產生四路轉速信號為信號輸出。（2）信號采集部分：利用有源傳感器里霍爾式接近開關輪速傳感器對輪速信號進行采集。不用ABS系統中輪速傳感器是由于該傳感器輸出信號弱，而且需經過整形放大才能引進單片機，容易產生誤差。（3）脈沖信號比較分析部分：該部分采用MSP430系列單片機作為比較分析等任務的處理器[9]，包括記錄各路輪速信號的脈沖數、脈沖相對誤差法的執行以及顯示和報警系統的觸發。該單片機是超低功耗16位單片機，運行速度和處理任務能力比較理想（4）報警系統與顯示系統：通過單片機開發板上觸發二極管亮和蜂鳴器響完成聲光二重報警，提醒駕駛員對輪胎氣壓異常采取措施，同時利用液晶屏對各路輪胎氣壓狀態進行顯示。

整個硬件工作流程圖如圖2所示。

4 輪胎氣壓監測方法

整個系統的監測重點是通過判斷論速率？濁的值是否為1來進行的。當檢測到？濁不為1時，進行數據分析，并同時進行聲光報警和顯示系統的顯示。當？濁的值為1時，則進行四均值比較法來判斷是否有輪胎出現故障。具體監測系統判斷算法流程圖如圖3所示。

5 室內試驗臺仿真驗證

在試驗臺架上控制四路直流電機的轉速，實驗通過仿真實車行駛中輪胎氣壓變化引起轉速變化過程來驗證監測系統的可行性。模擬實驗方法：記錄四路轉速信號并計算其？濁值。系統設定|？濁-1|？燮0.4%范圍內即定為？濁=1。當？濁≠1時，系統報警；當？濁=1時，繼續按均值誤差大小判定，超過報警閥值？著=0.8%，系統報警。每組試驗都進行5次，避免偶然誤差，表1為試驗中的部分數據。

由表1可知，樣品系統在？濁=1情況下，采用脈沖均值誤差法對四路脈沖信號進行比較，對超過報警閥值的脈沖信號進行相應的報警，及時且有效地監測出超出限定閥值的轉速，間接地模擬出對氣壓輪胎異常的報警的可行，拓展了傳統間接式氣壓監測方法的適用范圍。

表1 驗證樣品精確性的部分試驗

6 結束語

（1）本文根據輪胎轉速與滾動半徑關系以及滾動半徑與采集的脈沖數關系確立間接式氣壓監測方法的基本理論，建立基于輪胎脈沖誤差大小的比較算法，模擬對輪胎氣壓間接監測的可行性和準確性。該模擬監測方法成本低，結構簡單，性能穩定。（2）實驗方法在傳統間接式監測判斷方法基礎上補充均值誤差比較法，有效地對傳統間接式氣壓監測方法的適用范圍進行拓展，同時運用多重防誤報算法消除誤報，誤差較小，可信度高。

參考文獻

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