基于ABS信号的轮胎压力监测系统_TPMS

基于ABS信号的轮胎压力监测系统_TPMS
基于ABS信号的轮胎压力监测系统_TPMS

2007年第4期农业装备与车辆工程基于ABS信号的轮胎压力监测系统(TPMS)

谭德荣,张峰,王艳阳

(山东理工大学交通与车辆工程学院,山东淄博255049)

摘要:介绍了四种以ABS轮速信号为基础的间接式轮胎压力监测系统。从不同的角度建立有关不同参数的轮胎滚动模型,利用ABS轮速传感器获取准确的轮速信号,通过相应的算法来间接实现对轮速的监测。它们分别运用轮速比较、有效滚动半径、扭转刚度以及纵向刚度等参量并通过不同的算法来监测气压的变化,并预测了今后发展的趋势。关键词:ABS;TPMS;轮胎压力;扭转刚度;纵向刚度中图分类号:U463.341

文献标识码:A

文章编号:1673-3142(2007)04-0016-03

收稿日期:2006-11-09

作者简介:谭德荣(1963-),男,山东胶南人,副教授,研究方向为车辆电子技术、智能交通系统。

TirePressureMonitoringSystemBasedonABSSignal

TANDe-rong,ZHANGFeng,WANGYan-yang

(TransportationandVehicleEngineeringSchool,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049China)

Abstract:ThepaperintroducedfourindirecttirepressuremonitoringsystembasedonwheelspeedgainedfromABS(anti-blockingsystem).Itusesrimspeedcomparison,effectiverollingradius,torsionalstiffnessandlongitudinalstiffnessasparametersandusedifferentmethodstomonitortirepressure.Alsothedevelopingdirectioninthefutureisproposed.KeyWords:ABS;TPMS;tirepressure;torsionalstiffness;longitudinalstiffness

农业装备与车辆工程

AGRICULTURALEQUIPMENT&VEHICLEENGINEERING

2007年第4期(总第189期)

No.42007

(Totally189)

0引言

TPMS是汽车轮胎压力检测系统“Tirepressure

monitoringsystem”

的英文缩写,主要用于在汽车行驶时实时地对轮胎气压进行自动监测,对轮胎漏气和低气压进行报警,以保障行车安全,是驾驶员、乘员的生命安全保障预警系统。

美国新颁布的公路安全法规,使胎压监测系统(TPMS)一跃而成汽车行业发展最为迅猛的领域。

2005年4月,美国国家高速公路交通安全管理局(NHTSA)发布的最终规定要求,总重在4563kg或

以下的车辆(单轴双轮的车辆除外)都需要安装一套TPMS。

到2007年9月1日,所有生产商生产的轻型车辆都必须符合该标准要求。美国每年大约生产

1700万辆车,这为TPMS创造了一个飞速增长的市

场。据估计,到2008年,TPMS在全球车市的渗透率将超过30%。

目前TPMS主要有三种实现方式:直接式TPMS、

间接式TPMS和正在推出的混合式TPMS。值得注意的是,美国新颁布的这个法规在技术上对直接和间接系统的态度保持中立。直接TPMS在每个轮胎内都设有胎压传感器,这些传感器通过射频(RF)信号将压力和其他信息传送到中央接收器里,

而间接TPMS没有压力传感器,需要依靠ABS(Anti-blockingsystem)内的速度传感器来侦测轮胎转速的不同,并通过不同的算法来估算出胎压的变化。

从ABS轮速传感器获取准确的轮速信号,是本文介绍的几种轮胎压力监测系统最基本的前提。对于ABS轮速信号的获取主要包括两方面的内容:一是能对轮速原始信号中的粗大误差加以识别、剔除,或者抑制粗大误差的影响,这部分误差主要由外界强电磁干扰和路面粗糙不平引起;二是系统本身的测量误差的处理,如齿圈制造的不均匀、

整形电路的触发误差以及计数电路的计数误差等的处理。接下来的几种方法就可以以获取的轮速信号为基础,通过不同的算法来实现对轮胎压力变化的监控。

1轮速比较法监测胎压

轮速比较式胎压监测系统的原理和算法都比较简单,ABS采用车轮转速传感器测量每个车轮的转速,当一个轮胎的气压减小时,由于滚动半径减小,车轮的旋转速度就相应地加快,如图1所示,reff表示有效轮胎半径。

这个比率η可用下列等式来表达

η=

ωFL?ωRR

ωFR?ωRL

≈rFR

?rRLrFL?rRR其中,ωFL、ωRR、ωFR和ωRL分别为左前、右前、

?16?

2007年4月

左后和右后四个轮胎的角速度;rFL、rFR、rRR和rRL分别为左前、右前、左后和右后四个轮胎的滚动半径。

如果这个比率η偏离设定的公差,一个或更多轮胎就会过于膨胀或处于充气不足状态,然后,指示灯会提示司机,有一个轮胎处于低压状态。该系统外加组件数量少,只需在原有的系统上增加报警程序和报警提示装置,系统成本很低。但是,轮速比较式TPMS存在着很大的局限性,第一是指示灯无法指出是哪个轮胎处于低压状态。第二,当同一车轴或同一侧的两个轮胎都处于低压状态时,它无法检测出究竟是哪个轮胎充气不足。第三,如果所有四个轮胎都处于低压状态,该系统不会发现这一故障。另外,气压不足时轮胎直径的减少和气压的降低非常微小。对于轮胎来说,69kPa的压降只会使直径减小1mm。这种压降不符合美国的最终判定规则(FinalRuling)所规定的25%原则,因此该方法现在已经淘汰不用。

2有效滚动半径法检测胎压

轮胎的有效滚动半径的变化同轮胎气压变化之间有着直接的联系,如图2所示,当气压降低时,轮胎着力点的变形将增大,其有效滚动半径将变小,根据车速v=ω?r的关系,在汽车速度不变的情况下,气压不足的轮胎的角速度ω将变大,如下关系式:

ω=vr0=v

r-δ

式中,r为轮胎初始半径,δ表示由于轮胎变形引起的半径变化量,胎压的变化导致δ变化,从而引起轮角速度ω变化。以轮胎有效滚动半径分析为基础的气压报警系统,其实质是通过估算滚动半径减小的程度来检测轮胎气压降低的程度。

与轮速比较法相比,这里采用的算法增加了纵向与横向动态分析法。纵向动态分析是利用纵向摩擦模型对驱动轮与从动进行比较;横向动态分析是利用横摆速率模型对左右两侧的车轮速度进行比

较;这样的算法处理,就避免了轮速比较法中当同一车轴或同一侧的两个轮胎都处于低压状态时无法辨别的问题,作为对第一种方法的改进,运用有效滚动半径监测胎压实现的关键是进行算法的改进和参数的精确获得,以便提高精度。

3轮胎扭转刚度法估计胎压

如图3所示,把轮胎看作是理想的扭转弹簧。扭转弹簧的扭转刚度和轮胎压力之间呈线性关系,并且在车速在20km/h以上时,扭转刚度值不随车速的变化而变化,这为利用扭转刚度来监测胎压提供了理论依据。

任何时刻对于从动轮来说,轮轴的驱动力矩等于看作扭转弹簧的轮胎所受力矩。轮胎在受到轮轴的驱动力矩后,一方面产生扭转,一方面会有能量的损失,这一部分损失的能量简化成等效粘性阻尼来处理。用看作扭转弹簧的轮胎的角速度、转动惯量、扭转刚度、等效粘性阻尼系数等参数建立动力学微分方程式,然后利用现代控制理论的状态观测器的方法估计出扭转刚度的变化,由扭转刚度的变化间接揭示出轮胎压力的变化。

虽然用扭转刚度来进行轮胎压力估计的算法比

图3轮胎的扭转弹簧模型

谭德荣等:基于ABS信号的轮胎压力监测系统(TPMS)图1气压与滚动半径的关系

reff

eff

reff

图2轮胎有效滚动半径模型

ω

ψ

瞬心

?17?

2007年第4期农业装备与车辆工程

有所提高,爬坡度下降并不明显,说明这种优化在汽车动力性变化很小的情况下使得经济性得到了一定程度的改善。所以本文提出的优化算法为汽车传动系的优化匹配提供了一种可行的方法。

参考文献

[1]陈立周.工程离散变量优化设计方法[M].北京:机械工业出版

社,1989-12.

[2]何仁.汽车动力性燃料经济性模拟计算方法及应用[M].北京:机械工业出版社,1996-04.

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前两种都复杂,但是精度提高了,能够满足美国公路安全法规要求。实际应用中还需要注意几个问题:第一,以上的分析是针对从动轮的,对于驱动轮由于受力不同,还需要进一步研究。第二,涉及参数需要进行准确标定,以免影响最后的估计结果;第三,估计的准确度还取决于算法中状态观测器的性能,如零极点配置等。

4轮胎纵向刚度法估计胎压

同扭转刚度法相似,这里选取的参数是纵向刚度,假定轮胎是完全刚性的,当车辆行驶的时候,由于轮胎和地面之间的作用力,轮胎始终存在着滑移。图4是在不同的摩擦系数路面上,魔术公式(Magic

Formula)轮胎模型的典型的力-滑移率曲线,力与滑

移率之间具有很强的非线性关系,但可以看出当轮胎的滑移率低于3%时,轮胎所传递的纵向力和滑移率之间近似成线性关系,而在车辆的正常行驶中,轮胎的滑移率很少超过2%。因此,在这一线性区域,力、滑移率之间的关系可定义为:

F=Cx(v-Rwv

式中,F为轮胎传递的纵向力,Cx为轮胎的纵

向刚度,显然在该理想状态下,轮速和纵向刚度之间关系容易求得,这样就可以根据轮速判断出纵向刚

度的变化。而纵向刚度跟胎压又是线性关系,这样,通过纵向刚度就可以估计胎压的变化了,据文献,胎压每升高10%,轮胎的纵向刚度降低约10%。由此可见用纵向刚度对胎压的变化非常敏感,因而,利用纵向刚度估计胎压的精度较高。

5总结

以上介绍的几种间接式轮胎压力检测系统,它们无一例外都是在ABS轮速信号的基础上,采用间接方法进行检测胎压,在很大程度上依赖于轮胎和负载因子。轮速比较式的胎压监测系统只在美国及欧洲应用,但在美国市场遭受了太多的索赔,现在应用已经不多;上海通用别克轿车轮胎上采用了基于有效滚动半径的监测胎压的方法;日本丰田汽车的某些车型应用的则是扭转刚度估计胎压的方法。

随着汽车行车安全性和经济性要求的不断提高,轮胎气压监测系统将成为每辆汽车的标准配件,对于该系统未来的发展方向,笔者认为不应该是独立的发展,而是多项技术的融合。TPMS将会与

ABS/ESP(ElectronicStabilityProgram)相结合,

TPMS系统将轮胎的信息如轮胎气压、

重力,甚至温度、路况和轮胎类型等提供给ESP系统,这也是未

来智能轮胎的发展趋势。

参考文献

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[5]ChristopherR.CarlsonEstimationwithapplicationsforautomobile

deadreckoningandcontrol,GraduateStudiesofStanfordUniversityforDoctorDegree.April2004.

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图4魔术公式轮胎模型曲线

力(N)

8000600040002000

0-2000-4000-6000-8000

摩擦系数

-100-75-50-25

255075100

滑移率(%)

?18?

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