基于數(shù)字信號(hào)處理的新型車(chē)載減震檢測(cè)方法研究

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

1汽車(chē)輪胎壓力監(jiān)測(cè)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(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(jī)電子控制系統(tǒng)、汽車(chē)傳動(dòng)和行駛控制系統(tǒng)、汽車(chē)安全和故障診斷系統(tǒng)、汽車(chē)信息顯示系統(tǒng)、汽車(chē)用多路傳輸總線、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(dú)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(tǒng)中主要的汽車(chē)安全報(bào)警設(shè)備。他的功能是對(duì)輪胎壓力/溫度/加速度等信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)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(hào)。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(nèi)部的無(wú)線數(shù)字傳感器（下位機(jī)）和一臺(tái)帶無(wú)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(wú)線串行通信方式。

　　下位機(jī)負(fù)責(zé)檢測(cè)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(hào)。下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信由RF高頻信號(hào)完成。下位檢測(cè)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(cè)壓力、溫度、加速度信號(hào)；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(chē)，在這些汽車(chē)中很多都具有根據(jù)路面狀況自動(dòng)調(diào)節(jié)減震裝置特性的功能?，F(xiàn)有路況檢測(cè)方法基于安裝在車(chē)身上的加速度傳感器。當(dāng)汽車(chē)在不同路況下行駛時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)車(chē)身震動(dòng)狀況對(duì)汽車(chē)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(cè)到的輪轂邊緣加速度信號(hào)工作，利用數(shù)字信號(hào)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(shì)在于車(chē)輪加速度信號(hào)沒(méi)有經(jīng)過(guò)懸掛裝置過(guò)濾，因此對(duì)路況的反應(yīng)更直接、更靈敏。同時(shí)通過(guò)對(duì)比車(chē)輪震動(dòng)加速度與車(chē)身震動(dòng)加速度，可對(duì)懸掛裝置的性能進(jìn)行評(píng)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(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(yùn)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(yùn)動(dòng)模型，如圖3所示。

　　設(shè)輪子半徑為R，沿平面做無(wú)滑滾動(dòng)，圓心C點(diǎn)的速度V_c=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(lái)P點(diǎn)總加速度由車(chē)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(dòng)加速度信號(hào)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(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(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(duì)式（2）離散化處理后得：
　　
　　
　　故可說(shuō)明，|α_P²(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(shè)汽車(chē)在正常路面行駛狀態(tài)下，下位機(jī)檢測(cè)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(chē)速過(guò)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(jí)。
　　假設(shè)一個(gè)采樣正確與否的判據(jù)：若系統(tǒng)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(tǒng)生成可以自動(dòng)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(cuò)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(cuò)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(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(dòng)加速度是幅值為10v的隨機(jī)噪聲信號(hào)。

4.2仿真結(jié)果
　　(1)勻速狀態(tài)下，對(duì)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(xiàn)，當(dāng)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(hào)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(duì)各v值仿真分析，如圖6所示。

??

　　隨著車(chē)速增大，效果會(huì)變差一點(diǎn)，但是對(duì)減震裝置來(lái)說(shuō)是可以接受的。

5結(jié)語(yǔ)
　　本方法在提取震動(dòng)信號(hào)的同時(shí)也分離出了車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)，如果能提高檢測(cè)的可靠性甚至 可以取代汽車(chē)ABS系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速檢測(cè)傳感器。

　　目前TPMS從安裝于汽車(chē)翼子板上的無(wú)線饋電裝置獲取電能，在車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)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(cè)量是斷續(xù)進(jìn)行的，目前還不能取代對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高的ABS轉(zhuǎn)速檢測(cè)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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