（载运工具运用工程专业论文）基于dsp的轮胎压力监测系统研究与开发.pdf

山东理t 人学硕i ：学化论文 摘要 摘要 汽车的行驶安全性一直都是人们所关注的热点问题。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。如何有效地避免轮胎故障，是一个亟待解决的问题。轮胎压 力监测系统( t p m s ) 应运而生，各国掀起了研究的高潮。而间接轮胎压力监测系统凭借其 成本低、性能稳定、安装方便的优势，必将得到消费者的信赖而普及。 本文首先介绍了t p m s 的发展历史、现状以及未来的发展方向，分析了直接式和间 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纵向刚度的轮胎压 力监测方法。根据汽车动力学理论，建立轮胎纵向刚度估计的数学模型，只利用轮速信 号对轮胎纵向刚度进行优化估计，并根据轮胎压力与纵向刚度变化之间的关系，实现对 轮胎气压的间接监测。 根据提出的轮胎压力监测方法，设计基于d s p 的轮胎压力监测系统，以 1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 嵌入式d e c 2 8 1 2 v 1 0 控制板和s e e d x d s 5 1 0 仿真器为平台，在c c s 2 0 0 0 集成开发环境下，对系统的软硬件进行研究与开发，并进行了在线仿真调试。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，能够产生很大的经 济效益和社会效益。 关键词：轮胎压力监测；轮速传感器；t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ；轮胎纵向刚度 山东理t 人学硕卜学f 矗论支a b s t r a c t a b s t r a c t t h es a f e t yo fd r i v i n gac a ri sah o t s p o tt op e o p l e 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 em a l i g n a n tw a f f l ea c c i d e n t s r u n n i n ga tah i g h s p e e df o rl o n gh o u r su n d e ra b n o r m a lp 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 y c a u s eo ft i r eb l o w o u t h o wt oa v o i dt y r ef a u l te f f e c t i v e l yi sau r g e n tp r o b l e mt ob es o l v e d t y r e p r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e me m e r g e sa st i m er e q u i r e s t h er e s e a r c hc l i m a xw a sl i f t e di n d i f f e r e n tc o u n t r i e s b yr i g h to fa d v a n t a g e so fl o wc o s t 、s t a b l ep e r f o r m a n c ea n dc o n v e n i e n t i n s t a l l a t i o n , t h ei n d e r c tt y r ep r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e mw i l lc e r t a i n l yb ep o p u l a rb yg e t t i n g c o n s u m e r s t r u s t t h 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 e 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 gd i r e c ta n di n d i r e c tt p m s ，a n dp u t sf o r w a r dam e t h o d o ft p m sb a s e do nl o n g i t u d i n a ls t i f f n e s s a c c o r d i n gt ot h ed y n a m i c st h e o r yo fv e h i c l ea n dt h e r e l a t i o nb e t w e e nt i r ep r e s s u r ea n dt h ec h a n g eo fl o n g i t u d i n a ls t i f f n e s s ，at i r em a t h e m a t i cm o d e l i se s t a b l i s h e d , t h r o u g hw h i c hm o n i t o r i n gt y r ep r e s s u r ei n d i r e c t l yc a nb er e a l i z e dw i t ht h e e s t i m a t i o nr e s u l t so f t h el o n g i t u d i n a ls t i f f n e s so n l yu s i n gw h e e ls p e e ds i g n a l t h et h e s i sh a sd e s i g n e dt h et i r ep r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nd s p ，a n da d o p t e d t h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rd e c 2 812 v1 0o ft m s 3 2 0 f 2 812b a s e dc c s 2 0 0 0p l a t f o r ma n d s e e d - x d s 510e m u l a t o rt od or e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h e t p m ss y s t e m , w h i c hh a v eb e e ns i m u l a t e da n dd e b u g g e do n l i n e t h er e s e a r c ho ft h i ss y s t e m c 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 s u r em 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 gt h a tc a nb r i n gt h ee n o r m o u sp r o f i t so fe c o n o m ya n ds o c i e t y k e yw o r d s ：t y r ep r e s s u r em o n i t o r ；, w h e e ls p e e ds e n s o r ；t m s 3 2 0 f 2 8 12 ；l o n g i t u d i n a l s t i f f n e s so ft i r e i i 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：, b 1 永萄 时间：矽刁年月彳日 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) 研究生签名：列- 永面时间：川7 年z 月i f 日 铷签名：毵仍毛帆删7 年月日 学位论文出版授权书 本人完全同意中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程( 以下简称 “章程”) ，愿意将本人的学位论文提交“中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社 在中国优秀博硕士学位论文全文数据库中全文发表。中国优秀博硕士学位 论文全文数据库可以以电子、网络及其它数字媒体形式公开出版，并同意编入 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益。 丑年l 月e t巫盈 ： 年 名 一 签 9 4 导 一 i 】i 东邢t 人学硕i j 学位论文第一章引言 1 1 课题研究的背景 第一章引言 随着城市化进程的加快和汽车的普及，交通环境不断恶化，交通安全问题r 益严重， 给人类的生命和财产安全带来了极大的威胁。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、安全气囊和保险杠等。现代汽车设计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；或者在“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。 轮胎是汽车行驶系的重要组成部分，在汽车上起一个支撑元件和行走的作用，其主 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i l j 。轮胎对汽 车性能具有十分重要的影响，它不仅直接影响汽车行驶的安全性、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气压，可以说“气压是轮胎的生命”。 轮胎气压过高，将使轮胎失去弹性，接地面积减少，摩擦系数降低，导致车辆侧滑、 颠簸、爆胎，危及行驶安全；同时，轮胎刚度增大，起不到应有的缓冲作用，汽车平顺 性变坏；汽车行驶中遇到障碍物的冲击，易发生轮胎破裂，缩短轮胎的使用寿命。 轮胎气压过低，轮胎变形增加，轮胎接地面积增大，摩擦系数成倍增长，轮胎在车 辆高速行驶中迅速聚集热量，轮胎温度急剧上升，最后导致爆胎；车辆在低速状态下行 驶，轮胎损伤会因轮胎变形过大而变大，为高速行驶产生爆胎留下隐患；同时，气压不 足使得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，经 验表明，若轮胎的额定充气内压为7 0 0 k p a ( 1 0 p s i ) ，欠压将导致滚动阻力增加2 ，对典型 的驱动轴轮胎而言，相当于油耗增加了0 5 ，磨耗加快了5 ；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。 因此，汽车在行驶中，实时在线地监测轮胎气压是否正常对保证行驶安全至关重要。 近些年来，由于轮胎问题而引发的重大交通事故呈逐年上升趋势。据报道，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7 0 是由于轮胎爆破而引起的，而在美国 这一比例高达8 0 。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j 。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安全驾驶的一个 山东理t 人学硕l ：学化论义 第。币。) l 言 重要问题1 3 。j 。据幽家橡胶轮胎质量监督中心的专家分析，保持标准的轮胎胎压是防止轮 胎爆胎的关键，而轮胎胎压监测系统毫无疑问是理想的工具。美国国会于2 0 0 0 年1 1 月通 过了t r e a d 法案，规定在客车和轻型卡车上都必须安装轮胎胎压监测系统。该计划的第 一年要求每个汽车厂商至少在其生产汽车总量的1 0 的车辆上安装t p m s ，第二年这个数 字要增长到3 5 ，第三年达到6 5 ，2 0 0 6 年1 0 月3 1 号以后达到1 0 0 。 在上述环境下，汽车轮胎胎压报警技术应运而生，如何对轮胎本身安全指标的监测 开始成为汽车领域研究的新课题。 1 2 轮胎压力监测系统简介 t p m s 是轮胎压力监测系统 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 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鲥锚j 。 2 0 0 1 年7 月，美国运输部叫sd e p a r t m e n t o 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 ) 第一次将轮胎压力监测系统“t i r e p 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 ) 作为专用词汇，起因是由美国普利司迎费尔斯通( b s f ) 公司的轮胎出现质量问题，轮胎气压不足和产生热量过多引起爆胎 9 1 ，导致大规模轮胎 召回事件。 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，众多研究者都在尽力 找到更好的监测方法。按轮胎压力监测的原理，轮胎压力监测方法主要分为两种：直接 轮胎压力监测( d i r e c tt y r ep r e s s u r em o n i t o r i n g ) 和间接轮胎压力监测( i n d i r e c tt y r ep r e s s u r e m o n i t o r i n g ) 。 1 2 1 直接式轮胎压力监测系统 直接式t p m s 利用安装在每一个轮胎罩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及监控。典型的直接式轮胎胎压监测系统可以 分为轮胎模块和中央接收模块，其原理图如图1 1 所示。 目前，直接式t p m s 可分为主动式和被动式两种： ( 1 ) 主动式t p m s 是利用安装在每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t p m s 也叫无电池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。 2 山东理t 大学硕i j 学化论文第辛引言 图1 1 直接式t p m s 原理框图 1 2 2 间接式轮胎压力监测系统 间接式t p m s 是利用汽车上现有传感器的信息，建立其与轮胎气压变化之间的关系， 通过相应的模型和算法间接监测轮胎气压的变化1 9 - ，其特点是以算法为主。目前常见 的间接式t p m s 有计算式和磁敏式两种。 ( 1 ) 计算式间接t p m s 计算式间接t p m s 是通过汽车a b s 系统的轮速传感器信号，求出轮胎之间的转速差 差别进而监测两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 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。这种类型是通过监测与轮胎压力有关的振动频率来监测胎压的。 轮胎的弹簧常数随轮胎胎压的变化而发生变化，且二者呈线性关系。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 e h i c l es t a b i l i t yc o n t r o l s y s t e m ) 处理，求出轮胎的扭振频率，计算得到轮胎的弹簧常数，再根据胎压和弹簧常数 的关系，求出轮胎胎压，当控制单元检测出轮胎胎压异常时输出报警信号，提醒驾驶员 检查轮胎胎压，其控制流程如图1 2 所示。 v s c 控制 = 刮报警灯i a b s轮胎 在v s c 控制范围内) 速度 v s c c p u 1 ) 排除共振外的杂波 - - - - p 、 设置开关 一 一 传感 波形信号 波形处理 嚣嚣霍墼 2 ) 推算轮胎径向刚度的变化 脒h 1 i 百 = = 刮停车灯开事 器 3 ) 对气压低的判断和处理 图1 2 振动分析型间接t p m s t 作原理图 2 ) 轮径分析型这种类型的t p m s 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。 现在的一般做法是使用静态非线性方法，例如： y = 一= 一= 一 。 w 4r ir 3尺1 尺3 式中、w 2 、w 3 、w 4 和蜀、r ：、足，、月。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y 非零时，表示某轮胎处于欠压状态。但是这种方法本质上 不能监测两个同轴或同侧以及全部四个轮胎的压力同时下降的情况。 磁敏式间接t p m s 系统由压力传感器、霍尔元件和电子控制单元等组成。轮胎胎压 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，霍尔装置的输出信号随之变化，由此实现轮 胎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，单斤 机对经过调理的霍尔装置的输出信号进行采样，并将数据送入存储器中，经运算分析和 比较判断，得到轮胎胎压值及其状态，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1 3 所示。 昏爵昏副鬟旧国 1 2 3 直接式t p m s 与间接式t p m s 的特点分析 无论是基于车轮速度的间接轮胎压力监测系统还是基于压力传感器的直接轮胎压力 监测系统，其目的都是给驾乘人员提供一个安全的驾驶环境。根据美国国家公路交通安 全局( n h t s a ) 2 0 0 1 年的一项统计调查表明，这两种轮胎压力监测系统在汽车上的应用对 保障交通安全带来了不错的效果( 见表1 - 1 ) 。 表1 - 12 0 0 1 年美国国内交通事故调查报告结果f 1 8 】 同时n h t s a 的另一项调查报告表明：目前应用于车辆上的这两种气压监控系统都 有各自的优点和不足之处。 对于基于压力传感器的直接式轮胎压力监测系统，拥有一套独立的硬件处理系统， 其响应速度快，灵敏度高，实时处理程度明显比问接监控系统强。但是直接t p m s 的结 4 山东理t 人学f ! 卜学位论文第一辛- j l 言 构也决定了其不可避免的缺点： ( 1 ) 需额外增加制造工艺要求较高的压力传感器、发射及接收装置等硬件设备，成 本较高； ( 2 ) 传感器与轮胎一体，受振动、离心力作用以及路面条件影响较大，而且嵌入轮 胎的传感器属于一次性敏感元件，安装时需要特别小心，不能碰撞，否则就有可能降低 其感应性能，甚至不能j 下常工作； ( 3 ) 其超高频传输信号( 以兆赫为单位) 对其周围其它设施是否带来危害目前还不 得而知； ( 4 ) 传感器装在轮胎内部，传感器本身被损坏的可能性较大；而传感器装在气门阀 帽上时，其防盗性目前还难以保证。 基于轮速传感器信号的间接式轮胎压力监测系统，只需要汽车上己安装的传感器， 通过将气压监控软件存储到a b s 的e c u 中就可以实现对轮胎气压的监控工作。但由于 此系统是通过间接方法监测轮胎气压，其测试结果与轮胎的结构、状态参数相关，所以 当轮胎气压正常但因更换新轮胎或轮胎长期使用后造成磨损不均等原因可能会导致误报 警。因此，一般轮胎的选用、更换都有一定的要求，新轮胎在安装后必须对电子控制模 块中的轮胎参数进行重新设定以减少误报警。 与直接式t p m s 相比，目前的间接t p m s 存在的主要问题是： ( 1 ) 由于间接式系统主要依靠测量轮胎转速来确认胎压正常与否，在车辆停止时， 间接式系统无法发挥作用； ( 2 ) 间接式t p m s 主要依靠比较汽车四个轮胎的情况来探知异常。如果四个轮胎的 胎压同时处于低位( 这种情况可能在汽车闲置一段时间后发生) ，或同轴或同侧的两条轮 胎处于明显的低压状态，则间接式t p m s 无法发挥作用或监测出； ( 3 ) 当轮胎的工作环境发生变化，如更换新轮胎时，间接式系统必须重新设定； ( 4 ) 由于路面情况千差万别，轮胎转速的差别可能也很大，间接式t p m s 所设定的 软件很难涵盖所有的路面状况。 但间接t p m s 的显著的优点是不需要任何其它硬件设备，只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，而且安装方式简单方便，成本相应降低。 而且，随着汽车上诸如t c s 、e s p 以及( 讲s 导航系统的功能的增加，用于间接监测轮胎 气压变化的传感器数量不断增加，可用信息不断增加，这都为间接t p m s 的发展创造了 良好的条件，间接t p m s 的精确性将大大提高，更能满足实际轮胎压力监测的需要。 l lj 东理t 人学硕l j 学f 簟论艾第一幸引等 1 3 国内外研究现状及其发展 1 3 1 国外研究现状 国外对直接式t p m s 监测系统的研究起步较早，早在2 0 世纪7 0 年代末欧洲的一些发 达国家就丌始对轮胎胎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收器和每个车轮均有传感器装置 的直接胎压监测系统原形。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，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 接监测轮胎的内压【8 j 。 德国o o d u e o 公司研制的p r i m a c 系统，可以同时监测轮胎压力和温度，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。 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 亚轮胎和日本横滨等公司都开始了对胎压监测系统的研究，并已申请了许多专利，而且 有部分产品已投入市场。其中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： 在遇到轮胎胎压偏离设定值、轮胎温度超过设定值和轮胎脱离车轴的情况下可自动 报警。 u n i s t e e l 智能轮胎的监测装置是- 4 , 块单片集成电路，它能自动测量轮胎的温度和胎 压等数据；信号发射装置是一个超微发送器，与单片集成电路组配在一起，将测得数据 用特定代码发送出去；信号接收装置在接收到信号后译成数字显示在液晶显示器上。监 测装置和信号发射装置在轮胎制造过程中被埋入轮胎胎侧内。 ( 2 ) 法国米其林轮胎公司推出的m e m s 智能轮胎： 主要有4 个大部件组成：感应片，在轮胎成型工序被置入轮胎内侧，在轮胎的整 个寿命期发挥作用；接收器，拾取感应片传导过来的信息，并将信息传送到连接装置； 连接装置，将接收器传送过来的信息输入到便携式贮存装置；便携式贮存装置， 贮存被监测轮胎的所有数据并加以显示。 ( 3 ) 德国大陆通用轮胎公司推出的c g t 智能轮胎： 主要由磁化轮胎、胎侧扭矩传感器( 简称s w t ) 和车载电子控制系统3 个部分组成， 其中s w t 是关键部件。 s 、7 汀的基本原理是通过某种途径或手段反馈轮胎在各种条件下( 例如加速行驶、制动 和转弯等) 对外力的反应。s w t 的关键技术是在胎侧胶料中掺入金属粉末，使胶料在轮胎 行驶过程中被磁化，交替形成正极和负极，从而能够把轮胎受力变形情况以某种可测信 号反映出来，该信号被埋置于轮胎胎侧胶内的传感器捕获，并被传输到装在驾驶室内的 6 山东理_ 人。硕i j 孚：位论文第一市。 l 育 电子监测仪，即时由车载电子计算机转换为数据，应用于汽车动态控制。s w t l 专感器的 精确信息有助于驾驶员缩短制动距离，在弯道和各种不良路面上更好地控制车辆。 ( 4 ) 芬兰诺基亚轮胎公司推出的i t t 智能轮胎： 基本由微型轻量化传感器和接收装置两部分构成。i t t 智能轮胎的工作原理是传感 器装在轮胎内腔( 固定在轮辋上) ，负责测量轮胎胎压和温度，实时将数据传送到接收装 置，并在轮胎充胎压力或轮胎温度超过设定值时，向接收装置发出警报信号：接收装置 可以是手机，也可是车载电脑，甚至可以装在汽车维修中心的独立显示屏上。 ( 5 ) 德i 习d m n s m d t 大学的p o h i 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) 传感器测量轮胎胎压和温度等参数。 使用声表面波传感器测量轮胎温度和胎压，不需在轮胎内使用电源，实现了无源化， 维护简单；减小了传感器质量；消除了轮胎的动态负载，并且能够适用于轮胎内恶劣的 工作环境【1 9 】。 国外对间接t p m s 也进行了广泛的研究。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 t q 用a b s ( $ j 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，当轮胎的胎压变化时，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到汽车上。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0 b s 传感器测量轮胎的滚动半径， 通过计算程序监测轮胎胎压。 1 3 2 国内研究现状 国内对于t p m s 的研究，起步较晚，只是近几年才开始研究。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有一条：“车长大于6 m 的长途客车和旅游客车和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胎压监测 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、上海交通大学和哈尔滨工业大学 等高校都有学者对直接型t p m s 的相关技术进行理论研究，提出了很多的设计方案；也 有一些监测报警装置申报了专利，但是由于其可靠性、稳定性和灵敏性等方面远远达不 到使用要求，所以很少得到应用。 对于间接型t p m s ，国内近几年主要有同济大学、东北大学、燕山大学和中国科学 院自动化研究所等单位进行了相关的研究。 山东邢t 大学硕j 学化论丈第市，) i 占 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1 2 0 l 。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作出判断，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胎 压的变化【2 1 1 。但只是进行了理论方面的分析，并未将监控系统软硬件集成起来组成样机 进行运行调试。 燕山大学在每一个车轮上安装一脉冲计数传感器，通过检测一定距离内脉冲的数量 来计算轮胎滚动半径，来找出滚动半径与胎压、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 2 2 1 。 同济大学主要研究了轮胎胎压与整车参数变化之间的关系，通过对车辆进行操纵稳 定性试验，得出了轮胎的横摆角速度与侧向加速度对轮胎胎压较敏感的结论，提出了在 汽车转向时，通过汽车的横摆角速度监测轮胎胎压的变化，而在汽车直线行驶时，采用 侧向加速度监测轮胎胎压变化的方案。但该方法，在建立轮胎胎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 度，加大了运算量，导致报警系统的实时性较差田j 。 1 3 3 未来发展趋势 汽车轮胎压力监测系统是驾车者和乘车人的生命安全保障预警系统，将是汽车安全 控制的重要主题。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。 未来t p m s 的发展趋势主要在以下两个方面 2 4 1 ： 一是利用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、可靠性和实时性，进一步提高汽车 的智能化； 二是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。 8 山东理t 人学硕i 学化论丈第章, - j i 言 1 4 课题研究意义 轮胎压力监测系统设计与开发是汽车行驶主动安全设计的重要内容，在线实时监测 轮胎气压是保障汽车安全行驶的重要技术措施。本文根据汽车动力学理论，建立轮胎纵 向刚度估计的数学模型，只利用轮速信号对轮胎纵向刚度进行优化估计，并根据轮胎压 力与纵向刚度变化之间的关系，实现对轮胎气压的间接监测。根据监测系统实时性、有 效性和精确性的要求，选用嵌入式d e c 2 8 1 2 v 1 0 开发套件对间接胎压监测进行了研究与 开发，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 控制芯片具有改进的哈佛结构，频率高达1 5 0 m h z ，单周期指令执 行时间为5 0 n s ，其多组总线结构并行处理机制，大大提高了控制精度和芯片处理能力， 满足胎压监测系统高速环境下实时性、准确性的要求。该系统可以对每一轮胎的胎压变 化进行实时监测，克服了目前存在于间接t p m s 系统的无法对同轴或同侧轮胎胎压同时 变化的情况进行监测的缺点。 鉴于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 高速处理性能和强大的控制功能，可在本监测报警系统的基础 上，融合其它控制系统或故障诊断功能，在线实时监视汽车运行状况，进一步提高汽车 行驶的安全性和实用性。 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； 二是可以产生很大的经济效益和社会效益。 1 5 本文研究的主要内容 1 建立轮胎纵向刚度估计模型 根据汽车动力学理论建立轮胎纵向刚度与轮胎纵向力的关系，并结合汽车设计与汽 车理论知识对汽车驱动轮胎纵向力进行分析简化，建立轮胎纵向刚度估计的数学模型， 通过该模型，可以只利用轮速信号对轮胎纵向刚度进行优化估计，根据胎压变化与纵向 刚度近似成反比的关系1 2 5 j ，实现对轮胎气压间接监测。 2 基于d s p 的轮胎压力监测系统硬件平台设计 按照系统要求完成监测系统的整体功能设计，详细介绍系统开发板的选型及其特点， 设计信号进入处理器之前的处理电路及输出电路，搭建以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片开发板为 核心的系统开发硬件平台，完成轮速信号的实时采集。 3 基于t m s 3 2 0 f 2 81 2 的轮胎压力监测系统软件设计 以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 嵌入式d e c 2 8 1 2 v 1 0 控制板和s e e d _ x d $ 5 1 0 仿真器为硬件平台， 在c c s 2 0 0 0 集成开发环境下，根据系统功能，确定胎压监测系统的车速、加速度计算与 9 山东理t 大学硕l j 学f 口论艾第一章弓f 。苦 纵向刚度估计等模块的相应算法，选择相应的编程语言对各模块进行软件编写与开发。 4 对胎压监测系统的各个子模块程序进行在线仿真与调试，并将各个子模块程序融 合以验证系统的可行性与正确性。 1 6 本章小结 本章阐述了轮胎压力监测系统的研究背景， 统的分类，及其目前国内外的研究和发展状况； l o 目的及意义；扼要的介绍了胎压监测系 简述了本文的研究内容及其意义。 【j j 东础t 人学硕f j 学f 节论文第：章轮腧纵向刚度估计模型的建市 詈曼曼! ! 曼曼曼曼詈曼! ! ! 曼曼曼! ! 曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼舅m m _ _ mmm l 曼曼蔓曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼毫曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼! 量 第二章轮胎纵向刚度估计模型的建立 2 1 轮胎纵向力与轮胎滑移率之间的关系 p a c c j k a 的“魔术公式，【1 ，2 6 1 是近期在汽车操纵动力学研究中比较流行的公式，它采用 特殊三角函数多项式来近似轮胎纵向摩擦力与纵向滑移率、侧向摩擦力与侧滑角以及回 正力矩与侧滑角之间的数值关系，并具有以下形式： y ( x ) = ds i n ( ：ca r c t a n ( b x e ( b x a r c t a n ( s x ) ) ) ) 】，( x ) = 少( 工) + s ， x = x + s 式中，】，( x ) _ 倾0 向力、纵向力或回正力矩； x 表示侧滑角口或滑移率s ； d 对应特性曲线的最大值( 除去偏移量s ，) ； c 一形状参数，决定曲线在峰值附近的形状； b 、c 、d 一为起始点，即滑移率( 侧滑角) z = 0 附近曲线的斜率； e 决定曲线沿横坐标方向的伸缩； 瓯轮胎锥度、外倾、滚动阻力等因素引起的曲线水平方向的偏移； 鼠- 轮胎锥度、外倾、滚动阻力等因素引起的曲线垂直方向的偏移。 “魔术公式”的最重要的特点是无论对轮胎所受的侧向摩擦力、纵向摩擦力还是回正 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 1 是“魔术公式”轮胎模型典型的力滑移率曲线，从图中可以看出，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l 2 ，因此，在这个线性区域内，两者之间的关系可以描述为下面 的线性形式： f = c ，s( 2 1 ) 式中，f 轮胎所受的纵向力； c ，轮胎的纵向刚度； s 轮胎的滑移率。 【i f 东职t 人学硕l 学位论文第：章轮胎纵向川度f 1 计模型的缱口 l i ： i ， l ； r：， 一 z r f： | | 窿煊五特， 一 弓 ili 槽移军( ) 图2 1 魔术公式轮胎模型的力滑移率曲线 根据s a e t 2 7 】的定义，轮胎滑移率为： s ：( v - r c o ) 1 0 0 ( 2 2 ) v 式中，v 轮胎中心的速度；r 轮胎的滚动半径；国轮胎的角速度。 在上述线性区域内，由式( 2 1 ) 和式( 2 - 2 ) 可得： f ：cx v - i r c _ o ( 2 - 3 ) i 从式( 2 3 ) 可以看出，在一定条件下，c ，、r 、f 、缈及v 之间具有确定的关系， 如果己知v 、国及轮胎所受的纵向力，那么就可以对c 。、r 进行优化估计，而c 。、尺 的变化对应轮胎气压的变化，因此只要首先确定f 、缈及v ，就可以利用这一模型估计 c ，、r ，以监测轮胎气压的变化。另据文献【2 8 】，胎压每升高1 0 ，轮胎的纵向刚度降 低约1 0 ，可见轮胎的纵向刚度对胎压的变化非常敏感，因此，我们利用纵向刚度作为 间接估计胎压的中间变量是可行的。 2 2 汽车行驶方程 汽车由静止状态启动并保持运动，必须有外力的作用，这个推动汽车行驶的外力称 为汽车行驶驱动力。同时汽车行驶过程中，受到各种阻力的作用，这些阻碍汽车行驶的 力称为汽车的行驶阻力。根据力的平衡关系，在汽车行驶过程中其驱动力和行驶阻力应 保持平衡，这种力的平衡关系式称为汽车行驶方程1 2 7 1 。 汽车的行驶方程可以表示为： 【j i 东理t 人学硕l j 学位论艾第二帚轮j 】台纵向川度估计模犁的建、z 曼i 一；i 一一i 一一i i 一_ 一。一1 _ 一| 曼曼皇曼曼曼曼曼曼量曼舅 f = 兄( k = f ，w ，f ，)( 2 - 4 ) 七 式中，f 汽车的驱动力； e 汽车的行驶阻力之和。 k 汽车在水平路面上等速直线行驶时，必须克服来自地面与轮胎之问相互作用而产生 的滚动阻力和来自车身与空气相互作用而产生的空气阻力。当汽车沿直线坡道行驶时， 还必须克服其重力沿坡道的分力，坡度阻力。汽车如直线加速行驶时，还要克服汽车本 身的惯性力，即加速阻力。因此： ；足= + l + f + c ( 2 5 ) 式中，凡辕动阻力，n ； 凡一空气阻力，n ； f 坡度阻力，n ； f i - a n 速阻力，。 由式( 2 - 4 ) 、( 2 5 ) 可得： f t = f f 七f 。七f l 七f j 2 3 轮胎纵向刚度模型及其简化分析 ( 2 6 ) 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；因此对每个驱动 轮来说，它受到的驱动力c 应为汽车所受驱动力的一半，即： 1 p q = e ( 2 - 7 ) 目前，国内市场上的轿车大部分为两轮驱动汽车，汽车所受的纵向力主要作用于驱 动轮，因此c 可以认为是作用于一个驱动轮上的驱动力，即单个驱动轮所受的纵向力【2 5 】。 由式( 2 3 ) 、( 2 6 ) 及( 2 7 ) 可得： 乃+ e + 只+ c _ 2 c ，( 竿) ( 2 - 8 ) 式( 2 8 ) 即为汽车驱动轮轮胎纵向刚度估计的数学模型。 对于模型( 2 8 ) 中的各种汽车行驶阻力，由于车速、路面等因素的不同，对汽车的动 力性以及模型的估计精度影响程度是不同的，为了便于研究，可以对各种行驶阻力进行 研究分析，忽略对模型影响较小的因素，以简化估计模型。 1 滚动阻力 车轮滚动时，轮胎与路面接触区域产生法向、切向的相互作用力以及相应的轮胎和 山东理t 人学仍! 卜学1 t 论文币：章轮胎纵向川腰f 汁梗型的建、， 支承路面的变形。轮胎和支承面之i 、日j 的相对刚度决定了变形的特点，当弹性轮胎在硬路 面( 混凝土路、沥青路) 上滚动时，轮胎的变形是主要的，此时由于轮胎有内部摩擦产 生弹性迟滞损失，使轮胎变形时对它作的功不能全部回收，迟滞损失表现为阻碍车轮滚 动的一种阻力偶。 当车轮不滚动时，地面对车轮的法向反作用力的分布是前后对称的，但当车轮滚动 时，在法线n n7 前后相对应点的变形虽然相同，但由于弹性迟滞现象，处于压缩过程 的前部的地面法向反作用力就会大于处于恢复过程的后部的地面法向反作用力，这样， 就使地面法向反作用力的分布前后并不对称，而使它们的合力p 相对于法线n - n7 向前 移了一个距离“图2 捌，它随弹性迟滞损失的增大而变大，且合力f 与法向载荷w 大 小相等，方向相反。如果将法向反作用力p 平移至与通过车轮中心的垂线重合，则从动 轮在硬路面上滚动时的受力情况可画成图( 2 2 b ) 所示的形式，即滚动时有滚动阻力偶矩 丁，= 只口阻碍车轮滚动，欲使从动轮在硬路面上等速滚动，必须在车轮中心加一推力 e ，根据平衡条件，它引起地面切向反力毋，此力阻碍车轮滚动，故称为滚动阻力只， 此二力大小相等，方向相反，并构成一力偶矩来克服上述滚动阻力偶【i 孤2 9 1 ，可用下式 表示： 弓= 耳，= e 。口或= e 詈 式中，车轮半径。 4 一一 。、 f 。、左| 弋i。) 。l ef i , , - v l r , 0 2 ,f 、- r 譬，1 一 、 b ) 图2 2 驱动轮在硬路面上滚动时的受力情况 令厂= 了a ，考虑到c 2 ，e = c 。 得 - 2w f 或2 等 式中，厂- 滚动阻力系数。 可见，滚动阻力系数是车轮在一定条件下滚动时所需之推力与车轮负荷之比，即单 1 4 山东婵t 人学硕l j 学f t 论文第一：章轮胎纵向h 0 度f + 汁模犁| 佝建、z 位汽车重力所需之推力。换言之，滚动阻力等于滚动阻力系数与车轮负荷之乘积，即 乃= 町或乃= 孚( 2 - 9 ) 因此，在分析汽车行驶阻力时，不必具体考虑车轮滚动时所受到的滚动阻力偶矩， 而只要知道滚动阻力系数求出滚动阻力便可以了。 滚动阻