王貴勇,左進(jìn)鵬,申立中,胡東寧

(1.昆明理工大學(xué)云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,昆明 650500;2.英飛凌科技(中國)有限公司,上海 200000)

在汽車行駛過程中,輪胎欠壓、過壓和輪胎溫度過高都會(huì)縮短輪胎使用壽命,并且給駕駛員以及乘客帶來安全風(fēng)險(xiǎn),嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)駕駛員以及乘客產(chǎn)生人生安全威脅。TPMS(Tire Pressure Monitoring System)就是一種能對(duì)汽車輪胎氣壓、溫度進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測,并對(duì)輪胎異常情況進(jìn)行報(bào)警的預(yù)警系統(tǒng)[1-6]。TPMS包含位于輪胎內(nèi)的發(fā)射模塊和車上的TPMS接收模塊。位于輪胎內(nèi)的發(fā)射模塊測量胎內(nèi)壓力、溫度信息,通過射頻發(fā)送到位于車上的接收模塊。對(duì)輪胎壓力進(jìn)行監(jiān)測并報(bào)警需要進(jìn)行輪胎定位,識(shí)別FL(左前輪)、FR(右前輪)、RL(左后輪)和RR(右后輪)輪胎,將輪胎位置和相應(yīng)輪胎的胎壓、溫度信息結(jié)合后發(fā)送至接收模塊以進(jìn)行儀表顯示和報(bào)警。

傳統(tǒng)的TPMS定位方法是基于每個(gè)TPMS發(fā)射模塊內(nèi)的胎壓傳感器的ID進(jìn)行識(shí)別的,將傳感器ID與所處的輪胎的安裝位置建立一一對(duì)應(yīng)關(guān)系[7-9]。并在TPMS接收機(jī)里面輸入各個(gè)輪胎的傳感器ID,當(dāng)TPMS接收機(jī)接收到來自發(fā)送模塊的信息時(shí),TPMS接收機(jī)將收到的信息中的傳感器ID信息提取出來與儲(chǔ)存好的ID信息比對(duì),從而識(shí)別出各個(gè)輪胎的位置,最后將各個(gè)輪胎的胎內(nèi)壓力和溫度按照輪胎位置顯示。而在汽車的使用過程中,由于車的前后左右輪負(fù)荷不均,導(dǎo)致的輪胎磨損不均,為使輪胎達(dá)到同步均勻的磨損的效果,常常需要更換輪胎。在更換輪胎后,之前的對(duì)應(yīng)關(guān)系被打破,需要用戶重新將輪胎位置和傳感器ID重新匹配,給用戶和廠商造成很多不便。

另一種方法就是采用TPMS發(fā)射模塊的IFSP(Inter Frame Spacing Pattern)[10]。但是這種方法也存在更換輪胎之后需要在TPMS接收模塊中

更新幀間隔模式和輪胎的對(duì)應(yīng)關(guān)系才能實(shí)現(xiàn)正確定位。

利用雙軸加速度傳感器結(jié)合場強(qiáng)識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)輪胎自動(dòng)定位方法則可以解決上述問題[11-13]。在該方法中通常利用左右輪胎旋轉(zhuǎn)時(shí)雙軸加速度的相位差不同的方法來識(shí)別左右輪胎,但是該方法在計(jì)算相位值時(shí)會(huì)出現(xiàn)左右輪胎相位值相等的情況而導(dǎo)致判別失誤。本文根據(jù)雙軸加速度傳感器提出一種新的左右輪胎識(shí)別算法,該算法主要利用雙軸加速度中的其中一軸向前或向后移動(dòng)一定角度后與另外一軸加速度的和差值不同的特點(diǎn)進(jìn)行左右輪胎識(shí)別。與采用相位差的方法相比能夠更加準(zhǔn)確地識(shí)別左右輪胎。

1 利用雙軸加速度結(jié)合場強(qiáng)識(shí)別技術(shù)的輪胎自動(dòng)定位方法

射頻信號(hào)在空間進(jìn)行傳播時(shí),射頻信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)隨著距離的增加而逐漸衰退。接收機(jī)根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)弱來區(qū)分輪胎的位置,如圖1所示。

圖1 場強(qiáng)定位原理示意

從圖1中可以看出,后面兩個(gè)車輪距接收機(jī)的距離比前面的兩個(gè)車輪距接收機(jī)的距離較遠(yuǎn)。在4個(gè)輪胎的射頻發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度一致的情況下,接收機(jī)接收到的FL和FR兩個(gè)輪胎內(nèi)的射頻信號(hào)較強(qiáng),而接收到RL和RR兩個(gè)輪胎內(nèi)的射頻信號(hào)較弱,所以接收機(jī)通過射頻信號(hào)強(qiáng)度可以識(shí)別前后軸的輪胎。但由于位于同軸的兩個(gè)輪胎相距接收器的距離差距不大,再加上輪胎在旋轉(zhuǎn)過程中距離接收機(jī)的距離會(huì)發(fā)生變化,接收機(jī)接收到同軸的兩個(gè)輪胎會(huì)出現(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度一致的時(shí)刻,所以無法區(qū)分左右輪胎[9]。利用雙軸加速度傳感器來區(qū)分左右輪胎位置,再利用接收機(jī)接收到射頻信號(hào)的大小來區(qū)分前后位置就可以成功定位輪胎的位置。

2 利用雙軸加速度傳感器對(duì)左、右輪胎進(jìn)行識(shí)別的算法

2.1 理論分析

在TPMS發(fā)射模塊上安裝兩個(gè)單軸加速度傳感器,加速度傳感器1的方向?yàn)閆軸,加速度傳感器 2的方向?yàn)閄25軸。其中X25軸的方向與輪胎切向X軸方向呈25°夾角,如圖2所示。

圖2 雙軸加速度方向示意圖

當(dāng)輪胎旋轉(zhuǎn)時(shí),加速度傳感不僅受重力影響而且受離心力的影響,現(xiàn)在剔除離心力的影響,只考慮Z軸和X25軸加速度傳感器受重力影響。由于輪胎的安裝位置不同,從車輛兩側(cè)往中間看,車輛向前行走時(shí),左側(cè)輪胎為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),右側(cè)輪胎為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)輪胎從圖2所示位置順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一周時(shí),Z軸方向加速度Z、左邊輪胎(逆時(shí)針)旋轉(zhuǎn)時(shí)X25軸方向的加速度X25L和右邊輪胎(順時(shí)針)旋轉(zhuǎn)時(shí)X25軸方向的加速度X25R的大小分別如式(1)～式(3)所示。

Z=gcosθ

(1)

X25R=gcos(θ+115π/180)

(2)

X25L=gcos(θ+245π/180)

(3)

式中:g為重力加速度;θ為輪胎旋轉(zhuǎn)角度。

左側(cè)輪胎和右側(cè)輪胎轉(zhuǎn)一周時(shí)的Z軸和X25軸(左側(cè)輪胎X25軸的加速度值為X25L、右側(cè)輪胎X25軸的加速度值為X25R)所得到理論加速度曲線如圖3所示。

圖3 左側(cè)、右側(cè)輪胎旋轉(zhuǎn)一周Z軸和X25軸的理論加速度曲線

將Z軸理論加速度對(duì)輪胎旋轉(zhuǎn)角度θ求導(dǎo)得

dz/dθ=-gsinθ

(4)

左側(cè)輪胎和右側(cè)輪胎旋轉(zhuǎn)一周時(shí)dz/dθ與X25軸的理論加速度曲線如圖4所示。

圖4 左、右側(cè)輪胎旋轉(zhuǎn)一周dz/dθ與 X25軸加速度曲線

定義變量“DL”為左邊輪胎位置識(shí)別決定值,“DR”為右邊輪胎位置識(shí)別決定值。DL和DR的計(jì)算公式如(5)、(6)所示。

(5)

(6)

式中:i為一組計(jì)算數(shù)據(jù)的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù);X25i為左邊或右邊輪胎X25軸的加速度值;dz/dθ為Z軸加速度對(duì)θ求導(dǎo)。

從圖4可以看出,dz/dθ相對(duì)于圖3中Z軸加速度向前偏移90°。當(dāng)左邊輪胎(逆時(shí)針)旋轉(zhuǎn)時(shí),DL>DR;當(dāng)右邊輪胎(順時(shí)針)旋轉(zhuǎn)時(shí),DL

2.2 左右輪胎識(shí)別算法設(shè)計(jì)

在實(shí)際的應(yīng)用過程中,Z軸和X25軸加速度傳感器都會(huì)受離心力的影響而產(chǎn)生離心加速度。計(jì)算時(shí)需要去除離心加速度對(duì)Z軸和X25軸的影響,當(dāng)輪胎旋轉(zhuǎn)時(shí)采集Z軸加速度和X25軸加速度的值計(jì)算DL和DR值,再通過比較DL與DR兩個(gè)變量的大小提出TPMS左右輪胎識(shí)別算法。算法流程圖如圖5所示。

圖5 左右輪胎識(shí)別算法流程圖

在程序流程圖中,利用離散函數(shù)的差分近似導(dǎo)數(shù)的概念,對(duì)Z軸加速度信號(hào)求差分,結(jié)果如式(7)所示。

(dz/dθ)i=Zi+1-Zi

(7)

對(duì)Z軸加速度求差分的過程中已將Z軸的離心加速度去除。對(duì)于Z25軸,利用原始加速度值減去平均值來去除離心加速度,具體計(jì)算公式如式(8)所示。

(8)

式中:i為采樣點(diǎn)序號(hào),Xg25i為去除離心加速度后的X25軸的值。

而在實(shí)際應(yīng)用中則需要考慮SP40PLUS內(nèi)部片上儲(chǔ)存空間大小以及ADC模塊資源。所以在采集Z軸加速度以及X25軸加速度考慮采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

本文選用英飛凌公司的最新一代的TPMS胎壓監(jiān)測傳感器SP40PLUS結(jié)合日本村田公司的PKGS-25TA-R單軸加速度傳感器構(gòu)成的TPMS發(fā)射模塊。SP40PLUS的加速度傳感器方向?yàn)閆軸,PKGS-25TA-R加速度傳感器方向?yàn)閄25軸。

SP40PLUS是一款結(jié)合了胎內(nèi)壓力、溫度和電池電壓監(jiān)測、加速度傳感器、ADC、RF射頻發(fā)送、LF接收等模塊為一體的胎壓監(jiān)測傳感器,并且其內(nèi)部集成了8051內(nèi)核方便用戶編程。PKGS-25TA-R單軸加速度傳感器的加速度軸方向偏離X軸方向25°角。SP40PLUS和PKGS-25TA-R在輪胎上方向如圖2所示。

2.3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

在實(shí)驗(yàn)中,我們采用一個(gè)伺服電機(jī)帶動(dòng)一個(gè)直徑為21寸的圓盤來模擬輪胎的順時(shí)針和逆時(shí)針旋,通過軟件控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速來模擬不同的車速。將TPMS發(fā)射模塊安裝在圓盤的邊緣,通過RF接收器接收TPMS發(fā)射模塊發(fā)送出來的信息。具體試驗(yàn)臺(tái)架如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)臺(tái)架

2.3.2 硬件框架設(shè)計(jì)

TPMS發(fā)送模塊的硬件框架如圖7所示。

圖7 TPMS發(fā)送模塊的硬件框架圖

SP40PLUS芯片內(nèi)部集成了Z軸加速度傳感器、胎內(nèi)壓力傳感器和胎內(nèi)溫度傳感器,利用軟件直接讀取其寄存器中的值即可得到當(dāng)前的Z軸加速度、輪胎壓力和輪胎溫度信息。外部的PKGS-25TA-R振動(dòng)傳感器則需經(jīng)過放大電路后輸入到SP40PLUS的ADC(模/數(shù)轉(zhuǎn)換)模塊中,利用軟件讀取X25軸的加速度?？紤]TPMS的低功耗需求,SP40PLUS外部PKGS-25TA-R振動(dòng)傳感器和運(yùn)算放大器采用SP40PLUS的I/O口供電,在不需要采集加速度值時(shí)關(guān)閉,減少電流消耗。軟件利用得到的Z軸加速度值和X25軸的加速度值計(jì)算得到輪胎左右位置。最后在TPMS接收機(jī)上的軟件利用接收到的左右輪胎位置結(jié)合接收信號(hào)的強(qiáng)度識(shí)別出各個(gè)輪胎的具體位置、再根據(jù)各輪胎的位置將輪胎的胎內(nèi)壓力和胎內(nèi)溫度等信息顯示供駕駛員參考。LF(低頻)接收電路則用于無線程序下載以及和低頻手持工具通訊。

2.3.3 采樣頻率的選擇及采樣點(diǎn)數(shù)的優(yōu)化

在實(shí)際應(yīng)用中,利用圖5的左右輪胎識(shí)別算法進(jìn)行輪胎識(shí)別時(shí),需要采集Z軸和X25軸的加速度值進(jìn)行計(jì)算,為使左右輪胎識(shí)別更加精確,則需要對(duì)采樣頻率進(jìn)行選擇和采樣點(diǎn)數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

在采集Z軸和X25軸加速度過程中,根據(jù)采樣定理,采樣率應(yīng)大于原始信號(hào)最大頻率的2倍。設(shè)車速為V(km/h),車輪轉(zhuǎn)速為n(r/s)。安裝在TPMS模塊中的Z軸和X25軸加速度傳感器受重力影響產(chǎn)生的加速度信號(hào)的頻率f(Hz)等于車輪轉(zhuǎn)速n。加速度信號(hào)頻率與車速V的關(guān)系如式(9)所示。

(9)

式中:V為車速;R為車輪半徑。

在不同轉(zhuǎn)速下,分別設(shè)置采樣頻率fs(Hz)為加速度信號(hào)頻率f的4倍、6倍、8倍和10倍,即對(duì)應(yīng)采樣頻率fs分別為4f、6f、8f、10f。通過數(shù)據(jù)采集程序采集Z軸和X25軸的加速度并通過射頻將采集結(jié)果發(fā)送出來,通過射頻接收工具將采集到的數(shù)據(jù)收集到電腦中。具體的數(shù)據(jù)采集及處理流程圖如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集及處理流程圖

設(shè)計(jì)TPMS發(fā)射模塊時(shí),在0～100 km/h車速范圍內(nèi)選擇9 km/h、18 km/h、54 km/h三個(gè)車速下進(jìn)行加速度采集。在9 km/h、18 km/h和54 km/h三個(gè)不同車速下具體的采樣頻率fs圖表1所示。

表1 9 km/h、18 km/h和54 km/h車速下的采樣頻率fs

針對(duì)9 km/h、18 km/h和54 km/h 3個(gè)不同車速下分別用采樣頻率fs為4f、6f、8f、10f4種不同采樣頻率對(duì)Z軸和X25進(jìn)行加速度采樣。如圖9(a)、9(b)表示左右輪胎Z軸和X25軸在V=9 km/h時(shí)的左、右邊輪胎的加速度值。

圖9 V=9 km/h時(shí),左、右邊輪胎Z軸和X25軸4f【f〈f10f采樣頻率下的加速度

根據(jù)圖9所示,在采樣頻率fs為4f、6f、8f、10f的情況下都能恢復(fù)原始信號(hào)。但在利用圖5的左右輪胎識(shí)別算法時(shí)需要計(jì)算DL和DR的值,在計(jì)算DL和DR就需要選擇一個(gè)最優(yōu)的采樣頻率,并在該采樣頻率下對(duì)Z軸和X25軸的加速度進(jìn)行采樣,并確定采樣點(diǎn)數(shù)。

根據(jù)采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),在4f、6f、8f、10f4個(gè)不同采樣頻率下分別取6、9、12、15、18、21、24、27個(gè)采樣點(diǎn)為一組計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行左右輪胎識(shí)別計(jì)算。并在不同的采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)下采集多組數(shù)據(jù)進(jìn)行方向識(shí)別。具體的采集數(shù)據(jù)的組數(shù)情況如表2所示。

表2 不同采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)下的數(shù)據(jù)

統(tǒng)計(jì)不同情況下所有組所得到的左右輪胎識(shí)別結(jié)果來計(jì)算識(shí)別成功率,根據(jù)成功率選擇出最優(yōu)的采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。

在9 km/h、18 km/h和54 km/h時(shí),左右輪胎在采用不同采樣頻率和不同采樣點(diǎn)數(shù)下的左右輪胎識(shí)別成功率如圖10所示。

圖10 不同采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)對(duì)左右輪胎識(shí)別成功率的影響

從圖10中可以看出,在采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)小于15個(gè)點(diǎn)時(shí),左右輪胎識(shí)別成功率相對(duì)于15個(gè)采樣點(diǎn)以上偏低。原因是當(dāng)該組數(shù)據(jù)中的采樣點(diǎn)數(shù)較少時(shí),由原始加速度信號(hào)的誤差對(duì)DL和DR的計(jì)算影響較大。若采用太多的采樣點(diǎn)數(shù)會(huì)占用太多的SP40PLUS內(nèi)存,所以選擇采樣點(diǎn)數(shù)為每組計(jì)算數(shù)據(jù)采18個(gè)點(diǎn)。采樣頻率方面,從圖10(c)、10(e)看出,采樣頻率為4f時(shí),左右輪胎識(shí)別成功率偏低。原因主要是采樣頻率為4f時(shí),車輪加速或減速時(shí)由于采樣頻率較低而丟失了加速度的一部分值使DR和DL的值產(chǎn)生偏差。因此,采樣頻率應(yīng)選擇fs=6f,每組計(jì)算數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)數(shù)選擇18個(gè)點(diǎn)。

圖11 系統(tǒng)軟件流程圖

2.3.4 TPMS系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及方向識(shí)別結(jié)果測試

基于上述對(duì)Z軸和X25軸加速度值的采樣間隔和采樣點(diǎn)數(shù)分析結(jié)果,結(jié)合SP40PLUS為解決TPMS低功耗的需求而設(shè)置的幾種低功耗模式(包括Power Down State節(jié)電模式、Idle State睡眠模式、Run State運(yùn)行模式、Deep Idle State深度睡眠模式)設(shè)計(jì)了整體系統(tǒng)軟件。

通過采集Z軸和X25軸加速度值并結(jié)合濾波函數(shù)將不合理的加速度值移除,再結(jié)合圖5的識(shí)別算法進(jìn)行左右輪胎識(shí)別,并將識(shí)別結(jié)果通過RF發(fā)送出來。整體程序流程如圖11所示。

根據(jù)該軟件流程圖,TPMS模塊開始上電,程序進(jìn)入上電重置,設(shè)置相應(yīng)各個(gè)模塊,最后進(jìn)入Power Down模式。

由于間隔定時(shí)器計(jì)數(shù)到0,SP40PLUS被間隔定時(shí)器從Power down喚醒,給外部運(yùn)放供電的I/O打開,開始對(duì)間隔定時(shí)器配置。對(duì)采樣定時(shí)器初始化,根據(jù)選定的fs=6f的采樣頻率設(shè)置采樣間隔。設(shè)置完成之后則進(jìn)行第一次采樣,采樣完成之后進(jìn)入Deep Idle state。

由于采樣定時(shí)器計(jì)數(shù)到0,SP40PLUS被采樣定時(shí)器從Deep idle喚醒,進(jìn)入第二次采樣,第二次采樣完成之后,判定采樣值是否滿足要求,即通過濾波設(shè)置加速度值是否滿足所設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)。這里濾波設(shè)置可以考慮車輛行走遇到減速帶、洼坑路面對(duì)加速度的影響。判斷加速度滿足標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)行下一次采樣,依次將18個(gè)點(diǎn)采樣完成并儲(chǔ)存。

最后用儲(chǔ)存好的18個(gè)點(diǎn)為一組進(jìn)行方向識(shí)別,并將左右輪胎識(shí)別的兩個(gè)參數(shù)(DR、DL)和識(shí)別結(jié)果Direction通過RF發(fā)送。

左右輪胎識(shí)別時(shí)間T主要由采樣時(shí)間和結(jié)果傳送時(shí)間構(gòu)成。具體計(jì)算如式(10)所示。

(10)

式中:f如式(9)所示,Tt為RF接收時(shí)間。

RF的接收時(shí)間Tt僅為100 ms,在車速V為9 km/h時(shí),左右輪胎的識(shí)別時(shí)間T僅為2.1 s左右。

用上述系統(tǒng)控制軟件分別對(duì)18 km/h、30 km/h、60 km/h、90 km/h左右輪胎進(jìn)行方向識(shí)別結(jié)果測試。在上述每個(gè)轉(zhuǎn)速下分別測試100組數(shù)據(jù),其中的任意10組方向識(shí)別的主要參數(shù)、結(jié)果和識(shí)別時(shí)間如表3(a)～3(d)所示。

從表3(a)、3(b)可以看出,對(duì)左邊輪胎進(jìn)行測試時(shí),在相同轉(zhuǎn)速下的10組數(shù)據(jù)中,每組數(shù)據(jù)中的DR和DL的值都是在fs=6f時(shí),采樣18個(gè)點(diǎn)計(jì)算得來,所以DR和DL的值都趨于穩(wěn)定符合理論分析,并且DRDL,Direction=-1,能夠準(zhǔn)確的識(shí)別右邊輪胎。在測試的100組數(shù)據(jù)中,其余的90組數(shù)據(jù)跟表3(a)～3(d)中的10組數(shù)據(jù)相近,并且該算法在本次實(shí)驗(yàn)100組數(shù)據(jù)中的方向識(shí)別成功率為100%。方向識(shí)別所需要的時(shí)間在18 km/h只需1.1 s左右,在90 km/h僅需0.21 s左右。

表3 不同轉(zhuǎn)速下左、右輪胎識(shí)別主要參數(shù)、結(jié)果及時(shí)間

(b)V=60km/h、90km/h時(shí)左邊輪胎識(shí)別主要參數(shù)、結(jié)果及時(shí)間

(c)V=10km/h、30km/h時(shí)右邊輪胎識(shí)別主要參數(shù)、結(jié)果及時(shí)間

(d)V=60km/h、90km/h時(shí)右邊輪胎識(shí)別主要參數(shù)、結(jié)果及時(shí)間

3 結(jié)論

①基于雙軸加速度傳感器的輪胎自動(dòng)定位原理,提出了一種左右輪胎識(shí)別算法,并在TPMS模塊的系統(tǒng)軟件中實(shí)現(xiàn)了該算法。

②針對(duì)雙軸加速度左右輪胎識(shí)別算法,優(yōu)化了加速度采樣頻率和每組計(jì)算數(shù)據(jù)的采樣點(diǎn)數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明利用雙軸加速度左右輪胎識(shí)別算法能夠準(zhǔn)確快速地識(shí)別左右輪胎。

③針對(duì)TPMS低功耗要求,在硬件上采用SP40PLUS的I/O口給外部運(yùn)放供電,軟件上設(shè)計(jì)了在工作間隔期進(jìn)入低功耗模式的策略,有效減少電流消耗,延長工作壽命。