基于轮速差变化的间接式轮胎气压监测方法的研究

摘 要：针对轮胎气压异常造成的突发通事故对轮胎气压监测方法进行研究。根据汽车动力学和轮胎学理论建立基于轮胎转速与轮胎滚动半径关系的数学模型，再结合滚动半径与接近开关式轮速传感器采集的脉冲信号间的线性关系，在传统间接式气压监测方法基础上添加误差比较法，确立系统软件算法。根据上述方法组建基于轮速脉冲数比较的间接式气压监测模拟系统，并进行系列室内实验平台的模拟仿真实验，完成对轮胎气压异常监测方法的可行性和精确性验证，拓展了传统间接式气压监测的应用范围。

关键词：间接式；气压监测；误差比较法；报警

1 引言

轮胎气压监测系统（Tire Pressure Monitoring System，简称TPMS），主要用于对轮胎气压状态实时监测，对轮胎气压异常进行报警，使驾驶员及时对轮胎故障作出反应，有效地遏制因轮胎故障引起的突发通事故的发生。TPMS主要有间接式和直接式两种。直接式TPMS是将压力传感器直接安装在轮胎轮毂上或气门咀上，把轮胎气压再信息转化为电信号通过无线通讯传输给处理器分析处理。该方法虽然准确性高，但开发难度大，而且必须在特制轮胎上（或轮胎内）安装额外的传感器组件，成本高，而且一旦损坏不易维修，同时易受环境因素干扰。而间接式TPMS是通过计算机算法对轮胎物理参数的变化间接推导出各轮胎气压状态。该方法主要从成本低和性能稳定双方面考虑，而且硬件简单便于安装，在中国大多数中低档汽车上适合配配[1]。

2 间接式轮胎气压监测方法的基本原理

2.1 轮胎转速与轮胎滚动半径的关系

假设汽车前轮为驱动轮，在行驶过程中，则每个驱动轮所受的驱动力为汽车驱动力的一半，即：

（1）

而在汽车实际行驶过程中，车轮会出现滑移。车轮的滑移是指其切向速度小于其中心速度的现象，一般用S来表示轮胎滑移的程度。根据定义[2，3，4]，滑移率的表达式为：

（2）

则每个驱动轮所受的力与滑移率的关系为：

（3）

式中：Cx为轮胎的纵向刚度。

在高速公路上，坡度阻力很小。因此，坡度阻力也可以忽略。因此，（1）式可简化为：

（4）

因此，（4）式可进一步转化为：

式中：CD为空气阻力系数；A为汽车的迎风面积；m为汽车质量；a为汽车加速度；R为轮胎滚动半径；？棕为轮胎转速。

由上式可知，在汽车匀速直线行驶过程中，若某轮胎发生气压故障（假设漏气）时，汽车重量会使该轮胎的半径比其它正常轮胎的半径小，在汽车速度不变情况下，发生故障的轮胎的转速与其它轮胎相比会逐渐变大，即匀速直线运动时轮胎滚动半径与转速成反比。

2.2 车轮的滚动半径与传感器发出的脉冲数的关系

设车轮每转动1圈发出z个脉冲信号。当车轮滚动距离为S，脉冲计数器记录N个脉冲时，滚动半径R为：

由上式可知：在相同的采样周期内和汽车行驶相同路程内，轮胎滚动半径与接近开关式轮速传感器采集的轮速信号脉冲数成反比[5]。

2.3 传统间接式监测系统的基本算法

在汽车行驶中，四个气压正常的轮胎符合下面静态非线性原则[6]：

式中：？浊为轮胎速率，为定值1；？棕为轮胎转速；F/R为前/后；L/R为左/右。

根据汽车运动学有： （8）

假设滑动角？琢很小（cos？琢≈1），且在同一轴上轮胎的滑动系数S相等，轮胎关系可以写为：

式中：N1、N2、N3和N4分别为单位时间内采集的四个轮胎脉冲数；i=1，2，3，4分别为汽车的左前轮、右前轮、左后轮和右后轮。

间接式气压监测方法是通过？浊是否为1来判断是否有轮胎出现故障的，对有些情况不能判定：（1）同轴的两个轮胎出现相同的气压异常；（2）同侧的两个轮胎爆胎出现相同的气压异常；（3）四个轮胎出现相同的气压异常；（4）对出现气压异常的轮胎不能确定该位置[7]。

2.4 对传统间接式算法的补充

由于上述方法有些情况不能作出判定，在该基础上添加均值误差比较法。均值误差比较法是在？浊=1情况下，将一次采样周期内的四路轮速脉冲信号数值分别与它们的平均值比较得到各路相对误差，再利用单片机比较相对误差大小来判别轮胎气压状况。计算四路脉冲数平均值N和第i个轮胎脉冲数与平均值比较的相对误差？荦N分别如下：

在1情况下，当？荦N超过单片机设定的报警阀值时，则该路轮胎气压异常[8]，未超过阀值时，则轮胎气压正常。通过两种算法的结合拓展了传统间接式气压监测适用范围，更好地完成轮胎气压的实时监测。

3 轮胎气压监测系统的设计

轮胎气压监测系统是通过接近开关式轮速传感器采集的轮速信号，利用单片机分析变化幅度来判断轮胎状态，异常时报警。硬件构成如图1所示。

图1 监测系统硬件结构

（1）转速信号输出部分：通过室内台架四路直流电机旋转产生四路转速信号为信号输出。（2）信号采集部分：利用有源传感器里霍尔式接近开关轮速传感器对轮速信号进行采集。不用ABS系统中轮速传感器是由于该传感器输出信号弱，而且需经过整形放大才能引进单片机，容易产生误差。（3）脉冲信号比较分析部分：该部分采用MSP430系列单片机作为比较分析等任务的处理器[9]，包括记录各路轮速信号的脉冲数、脉冲相对误差法的执行以及显示和报警系统的触发。该单片机是超低功耗16位单片机，运行速度和处理任务能力比较理想（4）报警系统与显示系统：通过单片机开发板上触发二极管亮和蜂鸣器响完成声光二重报警，提醒驾驶员对轮胎气压异常采取措施，同时利用液晶屏对各路轮胎气压状态进行显示。

整个硬件工作流程图如图2所示。

4 轮胎气压监测方法

整个系统的监测重点是通过判断论速率？浊的值是否为1来进行的。当检测到？浊不为1时，进行数据分析，并同时进行声光报警和显示系统的显示。当？浊的值为1时，则进行四均值比较法来判断是否有轮胎出现故障。具体监测系统判断算法流程图如图3所示。

5 室内试验台仿真验证

在试验台架上控制四路直流电机的转速，实验通过仿真实车行驶中轮胎气压变化引起转速变化过程来验证监测系统的可行性。模拟实验方法：记录四路转速信号并计算其？浊值。系统设定|？浊-1|？燮0.4%范围内即定为？浊=1。当？浊≠1时，系统报警；当？浊=1时，继续按均值误差大小判定，超过报警阀值？着=0.8%，系统报警。每组试验都进行5次，避免偶然误差，表1为试验中的部分数据。

由表1可知，样品系统在？浊=1情况下，采用脉冲均值误差法对四路脉冲信号进行比较，对超过报警阀值的脉冲信号进行相应的报警，及时且有效地监测出超出限定阀值的转速，间接地模拟出对气压轮胎异常的报警的可行，拓展了传统间接式气压监测方法的适用范围。

表1 验证样品精确性的部分试验

6 结束语

（1）本文根据轮胎转速与滚动半径关系以及滚动半径与采集的脉冲数关系确立间接式气压监测方法的基本理论，建立基于轮胎脉冲误差大小的比较算法，模拟对轮胎气压间接监测的可行性和准确性。该模拟监测方法成本低，结构简单，性能稳定。（2）实验方法在传统间接式监测判断方法基础上补充均值误差比较法，有效地对传统间接式气压监测方法的适用范围进行拓展，同时运用多重防误报算法消除误报，误差较小，可信度高。

参考文献

[1]郑安文.我国高速公路交通事故的基本特点与预防对策[J].公路交通科技，2002，19（4）：109-112.

[2]余志生.汽车理论第4版[M].北京：机械工业出版社，2006.

[3]庄继德.汽车轮胎学[M].北京：北京理工大学出版社，1996.

[4]Christopher R. Carlson. Nonlinear Estimation of Longitudinal Tire Slip Under Several Driving Conditions[D].Mathematics and Computers in Simulation 67，2004：235-249.

[5]臧怀泉，田超，赵保军.嵌入式汽车轮胎气压监测系统设计[J].北京理工大学学报，2008，10（28）.

[6]娄云，朱命怡.上海别克轿车轮胎气压监视系统检测[J].汽车电器，2003（6）：47.

[7]牟恒，孙萌，Martin Fischer.车辆压力监测系统简述及两种实现方案[J].汽车电器，2005，11：54-56.

[8]韩宗奇，刘全有，王立强.基于标准脉冲数比较法的汽车轮胎压力监测与报警系统研究[J].中国机械工程，2010，1.

[9]Chris Nagy. Embedded Systems Design using the TI MSP430 Series[M].Embedded Technology Series（USA），2003：4-11.