1、 汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPMS）

隨著集成電路的發(fā)展和微處理器的廣泛應(yīng)用，汽車電子產(chǎn)品得到了飛速發(fā)展。目前，汽車電子產(chǎn)品大致可歸納為以下幾類：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)、汽車傳動(dòng)和行駛控制系統(tǒng)、汽車安全和故障診斷系統(tǒng)、汽車信息顯示系統(tǒng)、汽車用多路傳輸總線、汽車環(huán)保類電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車等，種類繁多，可以說已經(jīng)形成了自己獨(dú)立的汽車電子產(chǎn)業(yè)。TPMS是汽車安全和故障診斷系統(tǒng)中主要的汽車安全報(bào)警設(shè)備。他的功能是對(duì)輪胎壓力/溫度/加速度等信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和顯示，并當(dāng)壓力出現(xiàn)異常情況時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。TPMS有助于提高輪胎使用壽命與車輛駕駛安全性。

TPMS由若干個(gè)安裝于輪胎（真空胎）內(nèi)部的無線數(shù)字傳感器（下位機(jī)）和一臺(tái)帶無線收發(fā)電路的主機(jī)系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)如圖１所示。上位機(jī)與各下位機(jī)之間采用主從式異步無線串行通信方式。

下位機(jī)負(fù)責(zé)檢測(cè)輪胎內(nèi)部信息，上位機(jī)顯示信息，并當(dāng)壓力與溫度等狀態(tài)達(dá)到危險(xiǎn)值時(shí)，產(chǎn) 生報(bào)警信號(hào)。下 位機(jī)與上位機(jī)之間的通信由RF高頻信號(hào)完成。下位檢測(cè)裝置安裝在輪胎輪轂邊緣部位如圖2中輪子邊緣點(diǎn)1所示，他能檢測(cè)壓力、溫度、加速度信號(hào)；上位機(jī)顯示界面安裝在駕駛室內(nèi)的儀表面板上。

2 、本方法的設(shè)計(jì)目的與功能

目前安裝TPMS的多為中高檔汽車，在這些汽車中很多都具有根據(jù)路面狀況自動(dòng)調(diào)節(jié)減震裝置特性的功能。現(xiàn)有路況檢測(cè)方法基于安裝在車身上的加速度傳感器。當(dāng)汽車在不同路況下行駛時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)車身震動(dòng)狀況對(duì)汽車的減震裝置進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，使行駛更安全、更舒適。

本方法根據(jù)TPMS檢測(cè)到的輪轂邊緣加速度信號(hào)工作，利用數(shù)字信號(hào)處理方法分離出車輪由路面波動(dòng)引起的震動(dòng)加速度值。

本方法的優(yōu)勢(shì)在于車輪加速度信號(hào)沒有經(jīng)過懸掛裝置過濾，因此對(duì)路況的反應(yīng)更直接、更靈敏。同時(shí)通過對(duì)比車輪震動(dòng)加速度與車身震動(dòng)加速度，可對(duì)懸掛裝置的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)并及時(shí)定位懸掛系統(tǒng)的故障。

3、 理論推導(dǎo)

傳感器位于輪轂邊緣其運(yùn)動(dòng)加速度模型如下：

3.1 理想平整路面行駛時(shí)的輪子邊緣一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)模型

在理想平整路面行駛時(shí)的輪子邊緣一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)模型，如圖3所示。

設(shè)輪子半徑為R，沿平面做無滑滾動(dòng)，圓心C點(diǎn)的速度Vc=v，加速度為α，方向均沿y軸，并設(shè)x軸與y軸方向?yàn)閕，j，以C為基點(diǎn)，得P點(diǎn)總加速度為：

原來P點(diǎn)總加速度由車輪本身前進(jìn)方向的線加速度、輪子邊緣點(diǎn)的向心加速度與傳感器本身重力加速度合成。這里只考慮前兩項(xiàng)的原因是：傳感器本身重力加速度是一個(gè)常量，在傅里葉變換后，能量集中在頻率為零的區(qū)域，而所要提取的震動(dòng)加速度信號(hào)是個(gè)快速變化的量，其能量不可能集中于這一區(qū)域。

離散化處理：

設(shè)車輪角速度為Ω0，車輪模擬角頻率為Ω=Ω0/2π，取采樣周期為T，則數(shù)字角頻率ω0=2πΩT=Ω0T。

假設(shè)在一次采樣時(shí)間內(nèi)v與α為常數(shù)。

對(duì)式（2）離散化處理后得：

故可說明，|αP2（n）|其頻域展開只有3個(gè)脈沖。稱此方程式（4）為頻域展開方程。此3個(gè)脈沖分別是：

從物理意義上來講，他是與車輪車速直接相關(guān)的。

3.2 引入路況震動(dòng)條件下提取震動(dòng)加速度值

假設(shè)汽車在正常路面行駛狀態(tài)下，下位機(jī)檢測(cè)的總加

難點(diǎn)在于，采樣周期T要隨著角速度變化而變化：

（2）車速過低時(shí)，T太大造成系統(tǒng)能耗浪費(fèi)。

解決方法：將T按Ω0值分為幾個(gè)等級(jí)。

假設(shè)一個(gè)采樣正確與否的判據(jù)：若系統(tǒng)頻域展開為單個(gè)或3個(gè)脈沖，則采樣正確。

3.3 程序框圖

由系統(tǒng)生成可以自動(dòng)循環(huán)調(diào)用采樣周期T的程序。T的初值可根據(jù)需要設(shè)為上次正確采樣時(shí)的T值，這樣可減少循環(huán)次數(shù)。若采樣錯(cuò)誤則繼續(xù)調(diào)用T的最小值，依次循環(huán)下去，直至最后一個(gè)值。若都錯(cuò)誤，則這次采樣失敗，程序框圖如圖4所示。

4、 仿真分析

4.1 仿真條件說明

采樣頻率取最高頻率的2π倍；

T值分布：

當(dāng)v為0～18 km/h時(shí)，T＝200 ms；

當(dāng)v為18～36 km/h時(shí)，T＝100 ms；

當(dāng)v為36～72 km/h時(shí)，T＝50 ms；

當(dāng)v為72～144 km/h時(shí)，T＝25 ms。

設(shè)R＝0.3 m，震動(dòng)加速度是幅值為10v的隨機(jī)噪聲信號(hào)。

4.2 仿真結(jié)果

（1）勻速狀態(tài)下，對(duì)各v值仿真分析。由于篇幅限制，本文僅用最小速度與最大速度值說明問題，如圖5所示。

由圖5可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車在勻速行駛狀態(tài)下，本方法所提取震動(dòng)加速度信號(hào)是很有效的，并且不會(huì)受汽車駕駛速度的影響。

（2）取α=0.5 m/s2時(shí)，對(duì)各v值仿真分析，如圖6所示。

隨著車速增大，效果會(huì)變差一點(diǎn)，但是對(duì)減震裝置來說是可以接受的。

5 、結(jié)語(yǔ)

本方法在提取震動(dòng)信號(hào)的同時(shí)也分離出了車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)，如果能提高檢測(cè)的可靠性甚至 可以取代汽車ABS系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速檢測(cè)傳感器。

目前TPMS從安裝于汽車翼子板上的無線饋電裝置獲取電能，在車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)傳感器需多次重復(fù)接近充電線圈才能累積足夠的工作能量，因此測(cè)量是斷續(xù)進(jìn)行的，目前還不能取代對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高的ABS轉(zhuǎn)速檢測(cè)傳感器。要實(shí)現(xiàn)此功能必須使下位機(jī)自主發(fā)電或?qū)ふ移渌咝实哪芰總魉头椒āＤ壳罢谘芯窟@方面的技術(shù)方案。

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