基于數字信號處理的新型車(chē)載減震檢測方法研究

　　1汽車(chē)輪胎壓力監測系統(TPMS)

　　隨著(zhù)集成電路的發(fā)展和微處理器的廣泛應用，汽車(chē)電子產(chǎn)品得到了飛速發(fā)展。目前，汽車(chē)電子產(chǎn)品大致可歸納為以下幾類(lèi)：汽車(chē)發(fā)動(dòng)機電子控制系統、汽車(chē)傳動(dòng)和行駛控制系統、汽車(chē)安全和故障診斷系統、汽車(chē)信息顯示系統、汽車(chē)用多路傳輸總線(xiàn)、汽車(chē)環(huán)保類(lèi)電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車(chē)等，種類(lèi)繁多，可以說(shuō)已經(jīng)形成了自己獨立的汽車(chē)電子產(chǎn)業(yè)。TPMS是汽車(chē)安全和故障診斷系統中主要的汽車(chē)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(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和顯示，并當壓力出現異常情況時(shí)產(chǎn)生報警信號。TPMS有助于提高輪胎使用壽命與車(chē)輛駕駛安全性。

　　TPMS由若干個(gè)安裝于輪胎（真空胎）內部的無(wú)線(xiàn)數字傳感器（下位機）和一臺帶無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路的主機系統組成，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(wú)線(xiàn)串行通信方式。

　　下位機負責檢測輪胎內部信息，上位機顯示信息，并當壓力與溫度等狀態(tài)達到危險值時(shí)，產(chǎn) 生報警信號。下

　　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(chē)，在這些汽車(chē)中很多都具有根據路面狀況自動(dòng)調節減震裝置特性的功能?，F有路況檢測方法基于安裝在車(chē)身上的加速度傳感器。當汽車(chē)在不同路況下行駛時(shí)，控制系統根據車(chē)身震動(dòng)狀況對汽車(chē)的減震裝置進(jìn)行相應的調整，使行駛更安全、更舒適。

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

　　本方法的優(yōu)勢在于車(chē)輪加速度信號沒(méi)有經(jīng)過(guò)懸掛裝置過(guò)濾，因此對路況的反應更直接、更靈敏。同時(shí)通過(guò)對比車(chē)輪震動(dòng)加速度與車(chē)身震動(dòng)加速度，可對懸掛裝置的性能進(jìn)行評價(jià)并及時(shí)定位懸掛系統的故障。

　　3理論推導

　　傳感器位于輪轂邊緣其運動(dòng)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)的運動(dòng)模型

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

　　設輪子半徑為R，沿平面做無(wú)滑滾動(dòng)，圓心C點(diǎn)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(diǎn)，得P點(diǎn)總加速度為：

　　原來(lái)P點(diǎn)總加速度由車(chē)輪本身前進(jìn)方向的線(xiàn)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域，而所要提取的震動(dòng)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域。

　　離散化處理：

　　設車(chē)輪角速度為Ω0，車(chē)輪模擬角頻率為Ω=Ω0/2π，取采樣周期為T(mén)，則數字角頻率ω0=2πΩT=Ω0T。

　　假設在一次采樣時(shí)間內v與α為常數。

　　對式（2）離散化處理后得：

　　故可說(shuō)明，|αP2(n)|其頻域展開(kāi)只有3個(gè)脈沖。稱(chēng)此方程式（4）為頻域展開(kāi)方程。此3個(gè)脈沖分別是：

　　從物理意義上來(lái)講，他是與車(chē)輪車(chē)速直接相關(guān)的。

　　3.2引入路況震動(dòng)條件下提取震動(dòng)加速度值

　　假設汽車(chē)在正常路面行駛狀態(tài)下，下位機檢測的總加

　　難點(diǎn)在于，采樣周期T要隨著(zhù)角速度變化而變化：

　　(2)車(chē)速過(guò)低時(shí)，T太大造成系統能耗浪費。

　　解決方法：將T按Ω0值分為幾個(gè)等級。

　　假設一個(gè)采樣正確與否的判據：若系統頻域展開(kāi)為單個(gè)或3個(gè)脈沖，則采樣正確。

　　3.3程序框圖

　　由系統生成可以自動(dòng)循環(huán)調用采樣周期T的程序。T的初值可根據需要設為上次正確采樣時(shí)的T值，這樣可減少循環(huán)次數。若采樣錯誤則繼續調用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(shuō)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(shí)，T＝200 ms；
當v為18～36 km/h時(shí)，T＝100 ms；
當v為36～72 km/h時(shí)，T＝50 ms；
當v為72～144 km/h時(shí)，T＝25 ms。
設R＝0.3 m，震動(dòng)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(shuō)明問(wèn)題，如圖5所示。

　　由圖5可發(fā)現，當車(chē)在勻速行駛狀態(tài)下，本方法所提取震動(dòng)加速度信號是很有效的，并且不會(huì )受汽車(chē)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(zhù)車(chē)速增大，效果會(huì )變差一點(diǎn)，但是對減震裝置來(lái)說(shuō)是可以接受的。

    5結語(yǔ)

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

　　目前TPMS從安裝于汽車(chē)翼子板上的無(wú)線(xiàn)饋電裝置獲取電能，在車(chē)輪轉動(dòng)時(shí)傳感器需多次重復接近充電線(xiàn)圈才能累積足夠的工作能量，因此測量是斷續進(jìn)行的，目前還不能取代對實(shí)時(shí)性要求很高的ABS轉速檢測傳感器。要實(shí)現此功能必須使下位機自主發(fā)電或尋找其他高效率的能量傳送方法。目前正在研究這方面的技術(shù)方案。

　　參考文獻

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