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[導(dǎo)讀]介紹了一種基于數(shù)字信號處理的新型車載減震檢測方法,本方法利用汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)檢測的加速度信號(系統(tǒng)在進(jìn)行胎壓監(jiān)測的同時(shí),自動為減震系統(tǒng)提供檢測數(shù)據(jù)),并用數(shù)字信號處理方法提取出震動加速度值。給出了此方法的理論推導(dǎo)及其軟件仿真實(shí)例。

摘 要:介紹了一種基于數(shù)字信號處理的新型車載減震檢測方法,本方法利用汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)檢測的加速度信號(系統(tǒng)在進(jìn)行胎壓監(jiān)測的同時(shí),自動為減震系統(tǒng)提供檢測數(shù)據(jù)),并用數(shù)字信號處理方法提取出震動加速度值。給出了此方法的理論推導(dǎo)及其軟件仿真實(shí)例。
關(guān)鍵詞:汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS);數(shù)字信號處理(DSP);FFT;DFT;濾波

  本方法利用TPMS(汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng))檢測到的車輪加速度信號工作。TPMS系統(tǒng)在進(jìn) 行輪胎壓力監(jiān)測的同時(shí),利用其內(nèi)置的加速度傳感器為減震檢測系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。

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(yīng)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(jī)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(dú)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(bào)警設(shè)備。他的功能是對輪胎壓力/溫度/加速度等信號進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和顯示,并當(dāng)壓力出現(xiàn)異常情況時(shí)產(chǎn)生報(bào)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(gè)安裝于輪胎(真空胎)內(nèi)部的無線數(shù)字傳感器(下位機(jī))和一臺帶無線收發(fā)電路的主機(jī)系統(tǒng)組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。上位機(jī)與各下位機(jī)之間采用主從式異步無線串行通信方式。

  下位機(jī)負(fù)責(zé)檢測輪胎內(nèi)部信息,上位機(jī)顯示信息,并當(dāng)壓力與溫度等狀態(tài)達(dá)到危險(xiǎn)值時(shí),產(chǎn) 生報(bào)警信號。下位機(jī)與上位機(jī)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(diǎn)1所示,他能檢測壓力、溫度、加速度信號;上位機(jī)顯示界面安裝在駕駛室內(nèi)的儀表面板上。


2本方法的設(shè)計(jì)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(dāng)汽車在不同路況下行駛時(shí),控制系統(tǒng)根據(jù)車身震動狀況對汽車的減震裝置進(jìn)行相應(yīng)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(yīng)更直接、更靈敏。同時(shí)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(jìn)行評價(jià)并及時(shí)定位懸掛系統(tǒng)的故障。

3理論推導(dǎo)
  傳感器位于輪轂邊緣其運(yùn)動加速度模型如下:

3.1理想平整路面行駛時(shí)的輪子邊緣一點(diǎn)的運(yùn)動模型

  在理想平整路面行駛時(shí)的輪子邊緣一點(diǎn)的運(yùn)動模型,如圖3所示。

  設(shè)輪子半徑為R,沿平面做無滑滾動,圓心C點(diǎn)的速度Vc=v,加速度為α,方向均沿y軸,并設(shè)x軸與y軸方向?yàn)閕,j,以C為基點(diǎn),得P點(diǎn)總加速度為:
  
  原來P點(diǎn)總加速度由車輪本身前進(jìn)方向的線加速度、輪子邊緣點(diǎn)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(xiàng)的原因是:傳感器本身重力加速度是一個(gè)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(gè)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(shè)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(shè)在一次采樣時(shí)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(gè)脈沖。稱此方程式(4)為頻域展開方程。此3個(gè)脈沖分別是:
  
  
從物理意義上來講,他是與車輪車速直接相關(guān)的。

3.2引入路況震動條件下提取震動加速度值

  假設(shè)汽車在正常路面行駛狀態(tài)下,下位機(jī)檢測的總加
 
  
難點(diǎn)在于,采樣周期T要隨著角速度變化而變化:
  

  
(2)車速過低時(shí),T太大造成系統(tǒng)能耗浪費(fèi)。
  解決方法:將T按Ω0值分為幾個(gè)等級。
  假設(shè)一個(gè)采樣正確與否的判據(jù):若系統(tǒng)頻域展開為單個(gè)或3個(gè)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(shè)為上次正確采樣時(shí)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(gè)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(dāng)v為0~18 km/h時(shí),T=200 ms;
  當(dāng)v為18~36 km/h時(shí),T=100 ms;
  當(dāng)v為36~72 km/h時(shí),T=50 ms;
  當(dāng)v為72~144 km/h時(shí),T=25 ms。
  設(shè)R=0.3 m,震動加速度是幅值為10v的隨機(jī)噪聲信號。

4.2仿真結(jié)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(dāng)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(shí),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(diǎn),但是對減震裝置來說是可以接受的。

5結(jié)語
  
本方法在提取震動信號的同時(shí)也分離出了車輪的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動時(shí)傳感器需多次重復(fù)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(jìn)行的,目前還不能取代對實(shí)時(shí)性要求很高的ABS轉(zhuǎn)速檢測傳感器。要實(shí)現(xiàn)此功能必須使下位機(jī)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(shù)方案。

參考文獻(xiàn)

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