周福強(qiáng) 王少紅 蘭寧 徐小力

摘要：輪胎氣壓的盈虧影響了汽車的安全性、經(jīng)濟(jì)性和操縱穩(wěn)定性。胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（ TPMS）越來越成為汽車的標(biāo)準(zhǔn)配備。胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有直接式、間接式和混合式三種。間接式胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由于其沒有額外的硬件支出、不影響輪胎動(dòng)平衡特性而具有一定優(yōu)勢(shì)。本文分析輪胎扭轉(zhuǎn)高階頻點(diǎn)，得出輪胎扭轉(zhuǎn)高階頻點(diǎn)與胎壓變化的相關(guān)特征，建立了間接式胎壓監(jiān)測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)單一車輛輪速信號(hào)進(jìn)行輪胎欠壓預(yù)報(bào)，為胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立提出一種新方法。

關(guān)鍵詞：輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng);輪速信號(hào);扭轉(zhuǎn)頻率

中圖分類號(hào)：U463.34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（ 2021） 06-0007-05

Analysis of Tire Pressure Monitoring SystemBased on Torsional

High-order Frequency Points

ZHOU Fu-qiang l， WANG Shao-hong l， LAN Ning2， XU Xiao-Iil （ 1.Key Laboratory of Modern Measurement&Control Technology， Ministry of Education，

Beijing Information Science&Technology University， Beijing 100192， China;

2.Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences， Beijing 100083， China）

Abstract： The profit and loss of tire pressure affects the safety， economy and handling stabilityof the vehicle. Tire pressure monitoring system （TPMS） is increasingly becoming the standardequipment for cars. There are three ways to monitor tire pressure： direct， indirect and hybrid. Theindirect tire pressure monitoring system has some advantages because it has no additional hardwareand does not affect the tire dynamic balance characteristics. Based on the torsional high-orderfrequency points， the correlation between torsional high-order frequency pointsand tire pressure isobtained， and an indirect tire pressure monitoring algorithm is established. The prediction of singletire under pressure based on wheel speed signal is realized， which provides a new method for theestablishment of tire pressure monitoring system.

Key Words： Tire Pressure Monitoring System; Wheel Speed Signal; Torsional Frequency

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，汽車的生產(chǎn)和占有量不斷擴(kuò)大。其在道路交通中引發(fā)的各類問題也越來越突出，而輪胎作為車輛唯一接地部位，在整車中占有重要的地位，它影響著車輛的操縱穩(wěn)定性、舒適性以及安全性等。影響輪胎性能的一個(gè)重要因素是輪胎氣壓。胎壓過大，輪胎彈性下降，摩擦系數(shù)下降，車輛容易側(cè)滑、顛簸、胎冠磨損加重。胎壓不足，行駛阻力增大，燃油消耗增多，輪胎溫度升高，胎肩磨損增大，甚至誘發(fā)爆胎。保障輪胎氣壓處于正常范圍非常重要。因此，輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（ Tire PressureMonitoring System，簡(jiǎn)稱TPMS）對(duì)提高行車安全性、降低燃油消耗及減少輪胎磨損等都具有重要意義…，越來越成為汽車的標(biāo)準(zhǔn)配備。

輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有直接式[2]、間接式[3]和混合式[4]三種。韓宗奇教授研究了汽車轉(zhuǎn)彎工況下間接式TPMS的監(jiān)測(cè)方法，利用車輛轉(zhuǎn)彎過程中車輪轉(zhuǎn)彎半徑的關(guān)系，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)脈沖數(shù)進(jìn)行修正，給出汽車在彎道行駛時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎氣壓的方法[5]。葉嘉俊等[6]基于整車模型和輪胎半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停⒘溯喬鈮汉蛙囕v行駛狀態(tài)間的聯(lián)系，反應(yīng)不同工況下整車橫擺角速度、橫向運(yùn)動(dòng)速度、俯仰角速度等的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從整車角度探討輪胎欠壓的識(shí)別診斷。國內(nèi)多個(gè)大學(xué)和企業(yè)對(duì)胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，其中包括基于輪胎有效滾轉(zhuǎn)半徑[7]、縱向剛度模型[8-11]、扭轉(zhuǎn)剛度模型[11]、ABS輪速信號(hào)[12]、頻域分析方法[13-14]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[15]等等多種方法，除采用傳統(tǒng)輪速時(shí)域計(jì)數(shù)并作相應(yīng)處理外，還采用卡爾曼濾波算法、遺傳算法、小波變換等等處理輪速數(shù)據(jù)。

本文提出僅根據(jù)車輛已有的輪速信號(hào)即可計(jì)算胎壓信號(hào)。對(duì)輪胎扭轉(zhuǎn)頻率進(jìn)行分析，得出車輪扭轉(zhuǎn)高階頻點(diǎn)與胎壓變化的相關(guān)特性。進(jìn)行了輪胎胎壓監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，采集了不同載重、車速，不同胎壓下大量的輪胎試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過對(duì)輪胎滾轉(zhuǎn)頻域分析，以轉(zhuǎn)速傳感器頻域分析第一特征點(diǎn)作為欠壓判據(jù)，建立了間接式胎壓監(jiān)測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)輪速信號(hào)直接進(jìn)行輪胎欠壓預(yù)報(bào)。避免輪胎滾動(dòng)半徑方法的缺點(diǎn)，又不顯著增多運(yùn)算負(fù)荷，為胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立提出分析基礎(chǔ)。2輪胎環(huán)模型

汽車的輪胎由車輪和輪胎胎體兩部分組成。車輪是介于輪胎和車軸之間承受負(fù)荷的旋轉(zhuǎn)組件，它由輪轂、輪輞以及這兩元件間的連接部分（輪輻）所組成。輪速傳感器可認(rèn)為固定為輪心位置的電磁式或霍爾式計(jì)數(shù)器，每當(dāng)輪胎旋轉(zhuǎn)一定角度，發(fā)送一個(gè)電子脈沖。這里采用扭轉(zhuǎn)振動(dòng)環(huán)模型作為研究目標(biāo)，且將地面輸入也簡(jiǎn)化為彈簧振子模型。為仿真計(jì)算方便，將旋轉(zhuǎn)剛度及角速度折算為質(zhì)量和線速度，將該模型等效為線性彈簧振子模型。如圖1所示：

其中Cφ、Dφ為輪胎扭轉(zhuǎn)剛度、阻尼，Ct、D，為路面輸入剛度、阻尼，JR（mR）為輪輞旋轉(zhuǎn)剛度及等效質(zhì)量，JB（mB）為輪胎帶束的旋轉(zhuǎn)剛度及等效質(zhì)量。輪胎輪輞、帶束分別以φR、φB旋轉(zhuǎn)。

根據(jù)輪胎環(huán)模型建立Simulink仿真模型如圖2，路面激勵(lì)為一正弦信號(hào)，將輸出的角位移做頻域變換，獲得圖3結(jié)果，可見在旋轉(zhuǎn)主頻率外，還存在反應(yīng)輪胎高階特性的頻率。設(shè)想提取該振動(dòng)頻率反應(yīng)胎壓變化。

3 胎壓變化試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

3.1試驗(yàn)測(cè)試方案

輪胎壓力降低，輪胎有效滾動(dòng)半徑減小，導(dǎo)致輪胎的轉(zhuǎn)速增大。通過對(duì)行駛距離、車速、胎壓、輪胎轉(zhuǎn)速的監(jiān)測(cè)，獲得上述參量的相互規(guī)律。間接式胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)路線框圖如圖4所示，從ABS獲取各個(gè)輪胎輪速信號(hào)，提取特征信號(hào)，辨識(shí)出欠壓輪胎，對(duì)胎壓異常進(jìn)行預(yù)報(bào)。

將上述方法應(yīng)用在實(shí)車上進(jìn)行道路試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)車輛選用上海通用別克君威，輪胎型號(hào)為Maxxis品牌的215/70 R15 98S。在試驗(yàn)車輛上安裝CJPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，記錄車速、行駛里程;從ABS抽引四個(gè)輪速傳感器信號(hào)，將上述信號(hào)接入DEWE-43數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，設(shè)置信號(hào)采樣率為5000Hz。分別以右前輪胎（驅(qū)動(dòng)輪）壓力變化和右后輪胎（從動(dòng)輪）壓力變化兩種情況，兩種載重工況，在40、60、80、100、120km/h五種車速下行駛，將輪胎的充氣壓力調(diào)整為1.4、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8、3.Obar九種壓力工況（2.4bar為標(biāo)準(zhǔn)胎壓），共獲得261組數(shù)據(jù)。在上述各種工況下進(jìn)行測(cè)試。同一工況同一路段至少往返一次，以消除風(fēng)載、路面坡度等的影響。試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備如圖5所示：

輪速傳感器齒數(shù)為前輪50個(gè)，后輪38個(gè)。當(dāng)齒尖轉(zhuǎn)過傳感器時(shí)，產(chǎn)生一定幅值的電脈沖，對(duì)實(shí)測(cè)獲得的電壓值直接傅里葉變化，而不是先累加輪速傳感器信號(hào)個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)為車輪的角速度再頻域計(jì)算，因?yàn)槔奂尤?shù)就把高頻信號(hào)掩蓋了，相當(dāng)于信號(hào)的移動(dòng)平滑濾波處理。對(duì)電壓信號(hào)傅里葉變化得到的是輪速傳感器齒的頻率，再除以齒數(shù)50（ 38），就是車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率以及隱藏其中的路面、胎壓、輪軸等信息。

3.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

輪胎除繞軸心旋轉(zhuǎn)外，還存在著微小的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，這在輪速傳感器上反映為除了旋轉(zhuǎn)主頻率外，還存在其他頻點(diǎn)上的尖峰。而通過路面激勵(lì)，作用在輪胎上的高頻扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，略微改變輪胎轉(zhuǎn)速，在輪速信號(hào)那里反應(yīng)出來就是輪速信號(hào)的頻率（疏密程度）有微小變化，而與一般的噪聲疊加信號(hào)不同，在正弦信號(hào)上疊加了高頻毛刺。這類高頻毛刺信號(hào)，在頻域變換后幅值較小。將實(shí)測(cè)輪胎轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行頻域轉(zhuǎn)換，快速傅里葉變換，得到如圖6所示的結(jié)果。其中主要頻率為輪胎旋轉(zhuǎn)頻率。圖中實(shí)圈為車輪旋轉(zhuǎn)主頻信號(hào)，虛圈反應(yīng)了胎壓情況。

采用高通濾波進(jìn)行濾波，設(shè)置通過頻率為1000Hz，可以將路面不平度信號(hào)、驅(qū)動(dòng)軸剛度信號(hào)濾除，降低車速信號(hào)主頻[16-17]。顯示主要扭轉(zhuǎn)頻率如圖7所示，濾波器設(shè)置如圖8所示。可見圖7中，降低了車輪旋轉(zhuǎn)信號(hào)，突出胎壓信息，便于提取分析。

當(dāng)胎壓變化后，輪胎扭轉(zhuǎn)頻率發(fā)生變化。分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的扭轉(zhuǎn)頻率，對(duì)比如圖9所示，每隔200采樣點(diǎn)進(jìn)行一次FFT變換，濾波得出扭轉(zhuǎn)頻點(diǎn)，并隨時(shí)間順序畫出。將高通濾波后的輪速信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，并采用最高峰值法，獲取主要的扭轉(zhuǎn)頻率，比較胎壓異常與胎壓正常的扭轉(zhuǎn)頻率，在每段采集數(shù)據(jù)，均進(jìn)行濾波、取最高頻點(diǎn)、比較，并移動(dòng)至下一時(shí)間點(diǎn)上繼續(xù)進(jìn)行比較。圖9為“RRP24W4BV80-120”文件（車速80km/h和車速120km/h右后輪胎壓2.4bar，正常胎壓）采樣數(shù)據(jù)?？梢娮笥仪拜嗩l率相同，左右后輪頻率相同。前后輪有所區(qū)別主要是受輪胎質(zhì)量、懸架等等因素影響。

由圖可知兩個(gè)前輪頻率基本重合，兩個(gè)后輪頻率也基本重合，與GPS獲得的速度曲線（圖10）相同。

當(dāng)選用欠壓輪胎數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可得出如圖11所示的結(jié)果（“RRP14W2AV80-120”采樣數(shù)據(jù)，車速80km/h和120km/h右后輪胎壓1.4bar，輪胎欠壓）。每200采樣點(diǎn)做頻域變換，80km/h數(shù)據(jù)共完成1376次計(jì)算，120km/h數(shù)據(jù)共完成1360次計(jì)算。

由圖可見左右前輪依舊重合，而左右后輪的頻率產(chǎn)生了偏移。根據(jù)計(jì)算，約偏差1 - 2Hz。且不同速度下，都具有該規(guī)律。據(jù)此可以以最大扭轉(zhuǎn)頻率點(diǎn)作為判定依據(jù)，判斷欠壓的輪胎。

使用扭轉(zhuǎn)頻率比較的流程方法如圖12所示。只需對(duì)200 - 2000個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算獲得扭轉(zhuǎn)頻率即可，對(duì)于胎壓監(jiān)測(cè)具有極好的適用性。

4 總結(jié)

本文提出輪胎扭轉(zhuǎn)高階頻點(diǎn)判斷胎壓方法，建立輪胎扭轉(zhuǎn)模型，提取輪速信號(hào)扭轉(zhuǎn)高階頻點(diǎn)，作為輪胎欠壓分析的判據(jù);設(shè)計(jì)了輪胎胎壓測(cè)試試驗(yàn)，在試驗(yàn)車上加裝GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，獲取車輪輪速傳感器信號(hào)，采集不同載重、車速、胎壓下大量的輪胎試驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證了算法的正確性。提出了輪胎胎壓監(jiān)測(cè)的一種新方法。

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專家推薦語

康潤程

襄陽達(dá)安汽車檢測(cè)中心有限公司

NVH專業(yè)副總師 研究員級(jí)高級(jí)工程師

論文通過分析輪胎扭轉(zhuǎn)高階頻點(diǎn)，得出輪胎扭轉(zhuǎn)高階頻點(diǎn)與胎壓變化的相關(guān)特征，建立了間接式胎壓監(jiān)測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)單一車輛輪速信號(hào)進(jìn)行輪胎欠壓預(yù)報(bào)，為胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立提出一種新方法。

全文結(jié)構(gòu)完整，論點(diǎn)明確、理論正確、論據(jù)有效、邏輯性強(qiáng)、可讀性強(qiáng)，有創(chuàng)新，有較高的學(xué)術(shù)水平，有較好的理論價(jià)值。

周福強(qiáng)

畢業(yè)于中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，博士學(xué)位，現(xiàn)就職于北京信息科技大學(xué)現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研究員，已發(fā)表論文《載貨車輪胎近場(chǎng)噪聲方向性的研究》等。

基金項(xiàng)目：北京學(xué)者計(jì)劃資助（2015-025）