基于輪胎扭轉高階頻點的汽車胎壓監測信號分析

周福強 王少紅 蘭寧 徐小力

摘要：輪胎氣壓的盈虧影響了汽車的安全性、經濟性和操縱穩定性。胎壓監測系統（ TPMS）越來越成為汽車的標準配備。胎壓監測系統主要有直接式、間接式和混合式三種。間接式胎壓監測系統由于其沒有額外的硬件支出、不影響輪胎動平衡特性而具有一定優勢。本文分析輪胎扭轉高階頻點，得出輪胎扭轉高階頻點與胎壓變化的相關特征，建立了間接式胎壓監測算法，實現了根據單一車輛輪速信號進行輪胎欠壓預報，為胎壓監測系統的建立提出一種新方法。

關鍵詞：輪胎壓力監測系統;輪速信號;扭轉頻率

中圖分類號：U463.34 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（ 2021） 06-0007-05

Analysis of Tire Pressure Monitoring SystemBased on Torsional

High-order Frequency Points

ZHOU Fu-qiang l， WANG Shao-hong l， LAN Ning2， XU Xiao-Iil （ 1.Key Laboratory of Modern Measurement&Control Technology， Ministry of Education，

Beijing Information Science&Technology University， Beijing 100192， China;

2.Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences， Beijing 100083， China）

Abstract： The profit and loss of tire pressure affects the safety， economy and handling stabilityof the vehicle. Tire pressure monitoring system （TPMS） is increasingly becoming the standardequipment for cars. There are three ways to monitor tire pressure： direct， indirect and hybrid. Theindirect tire pressure monitoring system has some advantages because it has no additional hardwareand does not affect the tire dynamic balance characteristics. Based on the torsional high-orderfrequency points， the correlation between torsional high-order frequency pointsand tire pressure isobtained， and an indirect tire pressure monitoring algorithm is established. The prediction of singletire under pressure based on wheel speed signal is realized， which provides a new method for theestablishment of tire pressure monitoring system.

Key Words： Tire Pressure Monitoring System; Wheel Speed Signal; Torsional Frequency

1 引言

隨著經濟的發展和人們生活水平的提高，汽車的生產和占有量不斷擴大。其在道路交通中引發的各類問題也越來越突出，而輪胎作為車輛唯一接地部位，在整車中占有重要的地位，它影響著車輛的操縱穩定性、舒適性以及安全性等。影響輪胎性能的一個重要因素是輪胎氣壓。胎壓過大，輪胎彈性下降，摩擦系數下降，車輛容易側滑、顛簸、胎冠磨損加重。胎壓不足，行駛阻力增大，燃油消耗增多，輪胎溫度升高，胎肩磨損增大，甚至誘發爆胎。保障輪胎氣壓處于正常范圍非常重要。因此，輪胎壓力監測系統（ Tire PressureMonitoring System，簡稱TPMS）對提高行車安全性、降低燃油消耗及減少輪胎磨損等都具有重要意義…，越來越成為汽車的標準配備。

輪胎氣壓監測系統主要有直接式[2]、間接式[3]和混合式[4]三種。韓宗奇教授研究了汽車轉彎工況下間接式TPMS的監測方法，利用車輛轉彎過程中車輪轉彎半徑的關系，對標準脈沖數進行修正，給出汽車在彎道行駛時監測輪胎氣壓的方法[5]。葉嘉俊等[6]基于整車模型和輪胎半經驗模型，建立了輪胎氣壓和車輛行駛狀態間的聯系，反應不同工況下整車橫擺角速度、橫向運動速度、俯仰角速度等的運動規律，從整車角度探討輪胎欠壓的識別診斷。國內多個大學和企業對胎壓監測系統進行了研究，其中包括基于輪胎有效滾轉半徑[7]、縱向剛度模型[8-11]、扭轉剛度模型[11]、ABS輪速信號[12]、頻域分析方法[13-14]、BP神經網絡[15]等等多種方法，除采用傳統輪速時域計數并作相應處理外，還采用卡爾曼濾波算法、遺傳算法、小波變換等等處理輪速數據。

本文提出僅根據車輛已有的輪速信號即可計算胎壓信號。對輪胎扭轉頻率進行分析，得出車輪扭轉高階頻點與胎壓變化的相關特性。進行了輪胎胎壓監測試驗，采集了不同載重、車速，不同胎壓下大量的輪胎試驗數據，通過對輪胎滾轉頻域分析，以轉速傳感器頻域分析第一特征點作為欠壓判據，建立了間接式胎壓監測算法，實現了根據輪速信號直接進行輪胎欠壓預報。避免輪胎滾動半徑方法的缺點，又不顯著增多運算負荷，為胎壓監測系統的建立提出分析基礎。2輪胎環模型

汽車的輪胎由車輪和輪胎胎體兩部分組成。車輪是介于輪胎和車軸之間承受負荷的旋轉組件，它由輪轂、輪輞以及這兩元件間的連接部分（輪輻）所組成。輪速傳感器可認為固定為輪心位置的電磁式或霍爾式計數器，每當輪胎旋轉一定角度，發送一個電子脈沖。這里采用扭轉振動環模型作為研究目標，且將地面輸入也簡化為彈簧振子模型。為仿真計算方便，將旋轉剛度及角速度折算為質量和線速度，將該模型等效為線性彈簧振子模型。如圖1所示：

其中Cφ、Dφ為輪胎扭轉剛度、阻尼，Ct、D，為路面輸入剛度、阻尼，JR（mR）為輪輞旋轉剛度及等效質量，JB（mB）為輪胎帶束的旋轉剛度及等效質量。輪胎輪輞、帶束分別以φR、φB旋轉。

根據輪胎環模型建立Simulink仿真模型如圖2，路面激勵為一正弦信號，將輸出的角位移做頻域變換，獲得圖3結果，可見在旋轉主頻率外，還存在反應輪胎高階特性的頻率。設想提取該振動頻率反應胎壓變化。

3 胎壓變化試驗及數據分析

3.1試驗測試方案

輪胎壓力降低，輪胎有效滾動半徑減小，導致輪胎的轉速增大。通過對行駛距離、車速、胎壓、輪胎轉速的監測，獲得上述參量的相互規律。間接式胎壓監測系統技術路線框圖如圖4所示，從ABS獲取各個輪胎輪速信號，提取特征信號，辨識出欠壓輪胎，對胎壓異常進行預報。

將上述方法應用在實車上進行道路試驗驗證，試驗車輛選用上海通用別克君威，輪胎型號為Maxxis品牌的215/70 R15 98S。在試驗車輛上安裝CJPS衛星定位系統，記錄車速、行駛里程;從ABS抽引四個輪速傳感器信號，將上述信號接入DEWE-43數據采集系統中，設置信號采樣率為5000Hz。分別以右前輪胎（驅動輪）壓力變化和右后輪胎（從動輪）壓力變化兩種情況，兩種載重工況，在40、60、80、100、120km/h五種車速下行駛，將輪胎的充氣壓力調整為1.4、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8、3.Obar九種壓力工況（2.4bar為標準胎壓），共獲得261組數據。在上述各種工況下進行測試。同一工況同一路段至少往返一次，以消除風載、路面坡度等的影響。試驗測試設備如圖5所示：

輪速傳感器齒數為前輪50個，后輪38個。當齒尖轉過傳感器時，產生一定幅值的電脈沖，對實測獲得的電壓值直接傅里葉變化，而不是先累加輪速傳感器信號個數轉為車輪的角速度再頻域計算，因為累加圈數就把高頻信號掩蓋了，相當于信號的移動平滑濾波處理。對電壓信號傅里葉變化得到的是輪速傳感器齒的頻率，再除以齒數50（ 38），就是車輪的轉動頻率以及隱藏其中的路面、胎壓、輪軸等信息。

3.2 實測數據分析

輪胎除繞軸心旋轉外，還存在著微小的扭轉振動，這在輪速傳感器上反映為除了旋轉主頻率外，還存在其他頻點上的尖峰。而通過路面激勵，作用在輪胎上的高頻扭轉振動，略微改變輪胎轉速，在輪速信號那里反應出來就是輪速信號的頻率（疏密程度）有微小變化，而與一般的噪聲疊加信號不同，在正弦信號上疊加了高頻毛刺。這類高頻毛刺信號，在頻域變換后幅值較小。將實測輪胎轉速信號進行頻域轉換，快速傅里葉變換，得到如圖6所示的結果。其中主要頻率為輪胎旋轉頻率。圖中實圈為車輪旋轉主頻信號，虛圈反應了胎壓情況。

采用高通濾波進行濾波，設置通過頻率為1000Hz，可以將路面不平度信號、驅動軸剛度信號濾除，降低車速信號主頻[16-17]。顯示主要扭轉頻率如圖7所示，濾波器設置如圖8所示?？梢妶D7中，降低了車輪旋轉信號，突出胎壓信息，便于提取分析。

當胎壓變化后，輪胎扭轉頻率發生變化。分析實測數據的扭轉頻率，對比如圖9所示，每隔200采樣點進行一次FFT變換，濾波得出扭轉頻點，并隨時間順序畫出。將高通濾波后的輪速信號進行傅里葉變換，并采用最高峰值法，獲取主要的扭轉頻率，比較胎壓異常與胎壓正常的扭轉頻率，在每段采集數據，均進行濾波、取最高頻點、比較，并移動至下一時間點上繼續進行比較。圖9為“RRP24W4BV80-120”文件（車速80km/h和車速120km/h右后輪胎壓2.4bar，正常胎壓）采樣數據?？梢娮笥仪拜嗩l率相同，左右后輪頻率相同。前后輪有所區別主要是受輪胎質量、懸架等等因素影響。

由圖可知兩個前輪頻率基本重合，兩個后輪頻率也基本重合，與GPS獲得的速度曲線（圖10）相同。

當選用欠壓輪胎數據進行計算時，可得出如圖11所示的結果（“RRP14W2AV80-120”采樣數據，車速80km/h和120km/h右后輪胎壓1.4bar，輪胎欠壓）。每200采樣點做頻域變換，80km/h數據共完成1376次計算，120km/h數據共完成1360次計算。

由圖可見左右前輪依舊重合，而左右后輪的頻率產生了偏移。根據計算，約偏差1 - 2Hz。且不同速度下，都具有該規律。據此可以以最大扭轉頻率點作為判定依據，判斷欠壓的輪胎。

使用扭轉頻率比較的流程方法如圖12所示。只需對200 - 2000個采樣點進行計算獲得扭轉頻率即可，對于胎壓監測具有極好的適用性。

4 總結

本文提出輪胎扭轉高階頻點判斷胎壓方法，建立輪胎扭轉模型，提取輪速信號扭轉高階頻點，作為輪胎欠壓分析的判據;設計了輪胎胎壓測試試驗，在試驗車上加裝GPS導航系統，獲取車輪輪速傳感器信號，采集不同載重、車速、胎壓下大量的輪胎試驗數據。通過數據分析驗證了算法的正確性。提出了輪胎胎壓監測的一種新方法。

參考文獻：

[1]張艷紅，張兆華，劉理天.TPMS的研究和設計[J].儀器儀表學報，2005，26（ S1）：441-442.

[2]陳保山.汽車胎壓監測系統的研究與電路設計U].電子測試，2020，453（ 24）：37-38.

[3]彭加耕，王宇岱，韓宗奇，等.高速工況下間接式胎壓監測的影響因素研究與優化[J].汽車技術，2020，540（9）：45-51.

[4]盧從娟，邵毅明，呂先洋，等.汽車輪胎壓力監測技術的發展[J].公路與汽運，2012，148 （1）：13-16.

[5]韓宗奇，鞠學坤，王立強，等，轉彎工況下汽車間接式TPMS監測方法[J].機械工程學報，2011，47（6）： 143-149.

[6]葉嘉俊，胡子正，孫華，輪胎氣壓異常時汽車狀態特征的仿真分析[J]機械設計與制造，2006，（3）：57-58.

[7]韓宗奇，宋健，蘇丹丹，等，基于滾動半徑法輪胎氣壓異常報警系統設計[J]汽車工程，2008，30 （8）：84-87.

[8]韓加蓬.基于輪胎縱向剛度估計理論的間接輪胎壓力監測技術研究[D].江蘇大學，2008.

[9]彭瑾，基于輪胎縱向剛度模型的汽車胎壓監測系統的研究與實現[D].武漢工程大學，2014.

[10]孫永麗.基于DSP的輪胎壓力監測系統研究與開發[D].山東理工大學，2009.

[11]張鋒，基于扭轉剛度的輪胎壓力監測方法研究[D].山東理工大學，2007.

[12]王艷陽，基于ABS輪速信號的間接胎壓監測技術研究[D].山東理工大學，2008.

[13]張圮.間接式頻率法輪胎壓力監測系統的關鍵技術研究[D].國防科學技術大學，2008.

[14]謝秀芬.基于頻率估計實現間接式輪胎壓力監測系統的關鍵技術研究[D].國防科學技術大學，2007.

[15]彭加耕，董倩倩，張宇，等.基于BP神經網絡的四輪胎壓監測算法研究[J]現代制造工程，2021， 485（2）： 43-48， 65.

[16]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社，2009.P208.

[17]辛振祥，鄧濤，王偉[M].北京：化學工業出版社，2011.6.P139.

專家推薦語

康潤程

襄陽達安汽車檢測中心有限公司

NVH專業副總師 研究員級高級工程師

論文通過分析輪胎扭轉高階頻點，得出輪胎扭轉高階頻點與胎壓變化的相關特征，建立了間接式胎壓監測算法，實現了根據單一車輛輪速信號進行輪胎欠壓預報，為胎壓監測系統的建立提出一種新方法。

全文結構完整，論點明確、理論正確、論據有效、邏輯性強、可讀性強，有創新，有較高的學術水平，有較好的理論價值。

周福強

畢業于中國農業機械化科學研究院，博士學位，現就職于北京信息科技大學現代測控技術教育部重點實驗室，研究員，已發表論文《載貨車輪胎近場噪聲方向性的研究》等。

基金項目：北京學者計劃資助（2015-025）