利用數(shù)字信號處理和汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的車載減震檢測方法研究

1、 汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）

隨著集成電路的發(fā)展和微處理器的廣泛應用，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)動機電子控制系統(tǒng)、汽車傳動和行駛控制系統(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、電動汽車等，種類繁多，可以說已經(jīng)形成了自己獨立的汽車電子產(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警設備。他的功能是對輪胎壓力/溫度/加速度等信號進行實時檢測和顯示，并當壓力出現(xiàn)異常情況時產(chǎn)生報警信號。TPMS有助于提高輪胎使用壽命與車輛駕駛安全性。

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

下位機負責檢測輪胎內(nèi)部信息，上位機顯示信息，并當壓力與溫度等狀態(tài)達到危險值時，產(chǎn) 生報警信號。下 位機與上位機之間的通信由RF高頻信號完成。下位檢測裝置安裝在輪胎輪轂邊緣部位如圖2中輪子邊緣點1所示，他能檢測壓力、溫度、加速度信號；上位機顯示界面安裝在駕駛室內(nèi)的儀表面板上。

2 、本方法的設計目的與功能

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)路面狀況自動調(diào)節(jié)減震裝置特性的功能?，F(xiàn)有路況檢測方法基于安裝在車身上的加速度傳感器。當汽車在不同路況下行駛時，控制系統(tǒng)根據(jù)車身震動狀況對汽車的減震裝置進行相應的調(diào)整，使行駛更安全、更舒適。

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

本方法的優(yōu)勢在于車輪加速度信號沒有經(jīng)過懸掛裝置過濾，因此對路況的反應更直接、更靈敏。同時通過對比車輪震動加速度與車身震動加速度，可對懸掛裝置的性能進行評價并及時定位懸掛系統(tǒng)的故障。

3、 理論推導

傳感器位于輪轂邊緣其運動加速度模型如下：

3.1 理想平整路面行駛時的輪子邊緣一點的運動模型

在理想平整路面行駛時的輪子邊緣一點的運動模型，如圖3所示。

設輪子半徑為R，沿平面做無滑滾動，圓心C點的速度Vc=v，加速度為α，方向均沿y軸，并設x軸與y軸方向為i，j，以C為基點，得P點總加速度為：

原來P點總加速度由車輪本身前進方向的線加速度、輪子邊緣點的向心加速度與傳感器本身重力加速度合成。這里只考慮前兩項的原因是：傳感器本身重力加速度是一個常量，在傅里葉變換后，能量集中在頻率為零的區(qū)域，而所要提取的震動加速度信號是個快速變化的量，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。

假設在一次采樣時間內(nèi)v與α為常數(shù)。

對式（2）離散化處理后得：

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

從物理意義上來講，他是與車輪車速直接相關的。

3.2 引入路況震動條件下提取震動加速度值

假設汽車在正常路面行駛狀態(tài)下，下位機檢測的總加

難點在于，采樣周期T要隨著角速度變化而變化：

（2）車速過低時，T太大造成系統(tǒng)能耗浪費。

解決方法：將T按Ω0值分為幾個等級。

假設一個采樣正確與否的判據(jù)：若系統(tǒng)頻域展開為單個或3個脈沖，則采樣正確。

3.3 程序框圖

由系統(tǒng)生成可以自動循環(huán)調(diào)用采樣周期T的程序。T的初值可根據(jù)需要設為上次正確采樣時的T值，這樣可減少循環(huán)次數(shù)。若采樣錯誤則繼續(xù)調(diào)用T的最小值，依次循環(huán)下去，直至最后一個值。若都錯誤，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v為0～18 km/h時，T＝200 ms；

當v為18～36 km/h時，T＝100 ms；

當v為36～72 km/h時，T＝50 ms；

當v為72～144 km/h時，T＝25 ms。

設R＝0.3 m，震動加速度是幅值為10v的隨機噪聲信號。

4.2 仿真結果

（1）勻速狀態(tài)下，對各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)，當車在勻速行駛狀態(tài)下，本方法所提取震動加速度信號是很有效的，并且不會受汽車駕駛速度的影響。

（2）取α=0.5 m/s2時，對各v值仿真分析，如圖6所示。

隨著車速增大，效果會變差一點，但是對減震裝置來說是可以接受的。

5 、結語

本方法在提取震動信號的同時也分離出了車輪的轉動信號，如果能提高檢測的可靠性甚至 可以取代汽車ABS系統(tǒng)的轉速檢測傳感器。

目前TPMS從安裝于汽車翼子板上的無線饋電裝置獲取電能，在車輪轉動時傳感器需多次重復接近充電線圈才能累積足夠的工作能量，因此測量是斷續(xù)進行的，目前還不能取代對實時性要求很高的ABS轉速檢測傳感器。要實現(xiàn)此功能必須使下位機自主發(fā)電或?qū)ふ移渌咝实哪芰總魉头椒?。目前正在研究這方面的技術方案。

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