黃小靖，張 峰，張士文，Zhengqi WU，魏 勝，王 鋒

（1.上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200240； 2.山東玲瓏輪胎股份有限公司，煙臺 265400）

前言

根據高速公路事故統(tǒng)計，我國高速公路70%以上的交通事故是由輪胎爆胎引起的［1］。輪胎爆胎的機理十分復雜，涉及到負載、溫度、氣壓、磨損和外物刺穿等因素［2］，現在還難以做到輪胎爆胎的準確預測，但簡單的輪胎狀態(tài)信息的獲取技術已較為成熟。

胎壓監(jiān)測系統(tǒng)（tire pressure monitoring system）可以監(jiān)測輪胎的氣壓和溫度［3］。而更為完善的輪胎狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，又稱智能輪胎系統(tǒng)，通過采集更多的有用信號以實現更多的功能。它是將微型傳感器埋入輪胎內部，直接監(jiān)測輪胎的各項參數（輪胎胎壓、胎溫、垂向載荷、磨損狀況、六分力和輪胎-路面附著系數）等信息，并提供給車輛的動力控制系統(tǒng)［4-5］。

實時獲取輪胎受力信息是智能輪胎的一個重要研究內容，對汽車力學控制有著重要的意義，輪胎力的實時測量一直備受國內外學者關注［6］。然而由于輪胎系統(tǒng)的非線性，難以直接獲取輪胎力信息，諸多研究中大多是通過間接的方式推導或估算得到輪胎力。文獻［6］中提取智能輪胎加速度信號的典型特征并結合輪速等影響提出了基于BP神經網絡的輪胎縱向和垂向力估計方法；文獻［7］中介紹了基于滑膜觀測器技術估計輪胎縱向力和垂向力的方法；文獻［8］中采用了MEMS加速度傳感器，提出了基于SWIFT TIRE輪胎模型的輪胎垂向力預測算法；文獻［9］中采用有限元仿真的方法得到加速度數據，進而擬合得到垂直載荷與接地印痕長度和胎壓的關系；文獻［10］中對輪胎垂向、周向和側向3個方向的載荷都進行了估測，并提出了用于輪胎垂向載荷預測的ANN模型。

加速度傳感器因其自身具有的通頻帶寬、尺寸小、成本低廉、可靠性高和魯棒性好等優(yōu)勢受到國內外研究者的廣泛關注［11］，同時加速度傳感器進入接地區(qū)域時能承受外部的沖擊力，可更直接地采集與力相關的參數，能相對完整地還原輪胎運動時的動力學和運動學性狀，進而分析提取更多的輪胎特征信息。本文中介紹的智能輪胎系統(tǒng)，是以嵌裝于輪胎內部的加速度傳感器和胎壓溫度傳感器等模塊采集實時輪胎基礎數據的智能輪胎載荷測試系統(tǒng)，它計算輪胎運行速度，提取輪胎徑向加速度的典型特征，并結合胎壓數據來構建數學模型，獲得輪胎垂向載荷，并通過多工況室內臺架試驗和實車試驗進行了驗證。

1 系統(tǒng)硬件架構

以ARM（advanced RISC machines）為核心的智能輪胎系統(tǒng)硬件架構如圖1所示。其中，輪胎內部采集系統(tǒng)是整個系統(tǒng)功能實現的核心，它在采樣周期內以固定的頻率采集輪胎內部須感知的傳感信息，如胎壓、溫度、振動和加速度等，并將這些傳感信息以暫存在本地或無線發(fā)送的方式傳遞給車載接收模塊；采樣完畢后根據建立的數學模型對輪胎狀態(tài)信息進行計算，并將其上傳至車載無線終端。車載無線終端會通過無線的方式接收多個輪胎的實時計算數據，然后通過藍牙連接到手持終端，進行輪胎狀態(tài)的顯示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

1.1 主芯片

綜合考慮芯片硬件的要求，系統(tǒng)選用德州儀器（TI）公司的CC1310芯片作為核心控制芯片。CC1310是TI推出的經濟高效型超低功耗2.4 GHz和Sub-1GHz的RF器件。它含有32、64和128 kB 3種可選系統(tǒng)內編程閃存、20 kB超低泄露SRAM、多路12位模數轉換器（ADC）、2個同步串行接口（SPI）和多個通用IO口，支持I2C接口協議。芯片的工作溫度范圍為-40～85℃，工作電壓范圍為1.8～3.8 V，滿足工作環(huán)境要求。

1.2 胎壓溫度采集芯片

選用英飛凌的SP370芯片進行胎壓和溫度采集，SP370是一款高度集成的、滿足TPMS系統(tǒng)所有必要功能的系統(tǒng)芯片，包含了氣壓傳感器、電池電壓傳感器、溫度傳感器和單軸的加速度傳感器。它有很寬的工作電壓范圍，即1.9～3.6 V，可保證電池電量的充分利用。另一方面具有極低的待機電流（＜0.7μA），可保證較長的產品生命周期，同時也有很寬的工作溫度范圍（-45～125℃），滿足了汽車產品的要求。

1.3 加速度傳感器

從量程、頻率和帶寬等方面綜合考慮，選擇ADXL372加速度傳感器進行振動信息的采集。其技術指標如表1所示。

表1 ADXL372技術指標

1.4 應變計

電阻應變片將輪胎的內表面形變信息轉換為自身的電阻阻值的變化，但這個阻值的變化微小且不方便直接測量，可通過惠斯通電橋電路將其轉為電壓信號，便于測量，應變片電橋組合電路如圖2所示。

圖中R1、R2和R3為純電阻，Rg為應變計電阻，E為供電電壓，輸出電壓e0一般表示為

圖2 惠斯通電橋電路

選取合適的電阻值可在降低系統(tǒng)功耗的同時，達到電橋平衡。當應變計隨著輪胎形變而發(fā)生阻值變化時，輸出電壓隨之變化，使用主芯片CC1310的ADC測量該電壓即可得到輪胎的形變信息。

1.5 傳感器安裝

為便于傳感器的安裝和精確采集胎面不同部位的數據，各傳感器模塊均采用模塊化設計，硬件獨立于主控電路，采用FPC連接線與主控電路進行連接。圖3為加速度和胎壓溫度傳感器安裝實物圖。傳感器模塊通過專用膠水粘貼在輪胎胎冠內側中央，兩路應變計以圖中中心線對稱等距離貼于輪胎內表面。

圖3 傳感器安裝實物圖

2 智能輪胎試驗方案

為達到較好的效果和對輪胎垂向載荷測量算法進行驗證，須進行大量試驗以采集各種運行工況下傳感器的數據，采用本文設計的硬件測試系統(tǒng)，分別進行了室內臺架單輪試驗和室外實車試驗。

2.1 室內輪胎試驗

室內單輪試驗在耐久性試驗機上進行。以便于調控輪胎垂向載荷和滾動速度和內部氣壓等運行參數，并使輪胎在不同運行工況下穩(wěn)定勻速滾動，使用上述輪胎內部采樣系統(tǒng)，采集不同工況下的輪胎基礎數據。表2示出對輪胎滾動速度、垂向載荷和胎壓的不同設定值，不同參數的組合可得到72種工況條件。當胎壓為270 kPa時，輪胎垂向載荷設定為圖4中左圖所示，每個載荷值輪胎運行在4個不同的滾動速度下，系統(tǒng)采集到的輪胎徑向加速度數據如圖4中右圖所示。

表2 試驗參數設定

圖4 系統(tǒng)采集數據

2.2 室外實車試驗

試驗選擇的道路為NVH和舒適性道路，跑道單邊直行段長度600 m，光滑瀝青路面，如圖5所示。輪胎型號為玲瓏輪胎205／55 R16，輪胎直徑為D＝631.9 mm，試驗車輛為大眾GOLF 230TSI。試驗中設定的參數有車輛行駛速度、車輛配重、輪胎壓力和胎壓各參數的設定如表3所示。

圖5 NVH和舒適性道路

表3 試驗參數設定

3 智能輪胎垂向載荷測量

3.1 垂向載荷測量原理

SWIFT TIRE輪胎模型表明，輪胎垂向載荷和胎壓的變化會改變輪胎接地印痕的長度和寬度［8］，其函數關系為

式中：a為接地印痕半長；R0為輪胎自由滾動半徑；FZ為垂向力；CZ為垂向剛度；a1和b1為待擬合的系數；m和n為待擬合的次數。

由式（2）可知，輪胎的垂向力和垂向剛度影響輪胎進入接地區(qū)域時的接地印痕長度。同時還可得到，不同的垂向載荷會對輪胎進入接地區(qū)域的狀態(tài)產生不同的影響，如果可以通過傳感器獲取輪胎的加速度信息，對接地區(qū)域的加速度信號進行分析提取特征信息，再結合胎壓和車速等狀態(tài)量便可反推計算出輪胎的垂向載荷。

3.2 輪胎三向加速度

圖6為試驗所采集得到的三向加速度原始數據。從圖中可以看出，側向加速度在輪胎運動過程中幾乎沒有變化，由于輪胎運動過程中和地面接觸的部分會發(fā)生彈性形變，所以周向加速度和徑向加速度會有規(guī)律且明顯的變化。

圖6 實測三向加速度波形

周向加速度反映了輪胎前進方向上傳感器粘貼位置的加速度變化情況，故而從周向加速度可以看出輪胎前進或后退的運動狀態(tài)。當傳感器處于非接地區(qū)域時，其數值在零值附近波動；當傳感器進入接地區(qū)域時，周向加速度會產生一個向下的尖峰，而在離開地面時，會形成一個反向尖峰。

三向加速度芯片的Z向輪胎徑向加速度采集的是垂直于芯片本身方向的加速度信號，當加速度采集系統(tǒng)以與胎面平行的姿態(tài)貼裝在輪胎內部內襯部位時，系統(tǒng)采集到的數據即為輪胎運動時輪胎貼裝部位的加速度，可將其視為輪胎內部某一點P指向輪胎圓心的實際加速度數據。當車速相對穩(wěn)定時，徑向加速度數據在車輪旋轉一周且未進入接地區(qū)域的過程中幾乎保持不變。但由于輪胎是在地面上滾動前進的，當P點位置向前滾動進入接地區(qū)域的瞬間，會有一段短暫的上升階段并達到一個峰值，當P點位置與地面完全接觸后，此時徑向加速度為零，當輪胎繼續(xù)向前滾動，P點會離開地面區(qū)域，此時有一個與之相反的運動過程，徑向加速度先達到另一個對稱的峰值再逐漸下降，而恢復到常值附近并保持不變，周而復始。而這又與輪胎的狀態(tài)包括內部氣壓、垂直載荷、實際速度和磨損狀態(tài)息息相關。

3.3 中值濾波

中值濾波是一種非線性平滑濾波技術，它可有效抑制和消除椒鹽噪聲和高斯噪聲，濾除尖峰毛刺等數據點，使數據平滑化。中值濾波器是一個含有奇數個數據點的窗口，在處理后，將窗口正中的數據點用窗口內各數據點的中值來代替。中值濾波表達式為式（3），其中F為濾波輸出，f為濾波輸入數據。文中對徑向加速度數據采取窗口為7的中值濾波進行數據平滑，濾波效果如圖7所示。

圖7 濾波效果

3.4 車速計算

由圖7可知，車輛行駛過程中加速度傳感器每次到達接地區(qū)域中心時，徑向加速度達到最小值（理論上為0），取兩次達到最小值的間隔就是輪胎轉動一圈的時間，加速度頻率為fs＝3200 Hz，設兩次谷值之間間隔的樣本點數為L，輪胎直徑為D＝631.9 mm，則車速v（km／h）計算公式為

以胎壓為270 kPa、整車總質量為1 606 kg車況為例，根據式（4）利用Matlab計算得到車速曲線如圖8所示。

圖8 車速計算曲線

3.5 加速度特征提取

如圖9所示，對加速度數據進行濾波去均值處理后，進而從采集到的輪胎徑向加速度信號中選取合適的特征信息，以構建輪胎垂向載荷測量模型。從輪胎運動學角度考慮，輪胎進入地面的部分承擔了輪胎的垂向載荷，反映到加速度信號上即為波谷區(qū)域，即非常值區(qū)域。對于谷形區(qū)域，自左肩處峰值起至右肩處峰值有5個位置特殊的點，分別為左肩峰值a、左零點b、最低點c、右零點d和右肩峰值e。在車輛的實際行駛過程中輪胎的接地區(qū)域的長度難以進行測量，在研究中，實際觀察到輪胎徑向加速度可體現出輪胎進入地面的持續(xù)時間，從而可在一定程度上反映出輪胎的接地印痕長度。因此選取輪胎接觸地面的時間間隔占整個輪胎滾動周期的比例來表征輪胎的垂向載荷：

圖9 特征提取示意圖

式中：T為兩點間的時間間隔；H1和H2為不同的接地區(qū)域時間占比。

從原理上分析，式（5）所示的兩個測量指標皆可對接地區(qū)域進行相應的描述，但在實際的測試中發(fā)現，當加速度傳感器進入地面區(qū)域時其抖動較為劇烈，對兩肩峰值的選取有一定干擾，故加速度信號兩肩處的波形波動會對計算指標H2產生影響，因此最終選取H1作為輪胎垂向載荷的測量指標接地占比。

對各種車況下的單輪試驗數據和整車試驗數據分別計算接地占比H，胎壓為250 kPa時的計算結果分別如圖10和圖11所示。另外兩個胎壓下的接地占比也有類似的結果。從圖中可以看出，在某種確定的胎壓和車速狀態(tài)下，計算指標接地占比H和輪胎垂向載荷之間呈線性關系。

圖10 單輪試驗接地占比

圖11 整車試驗接地占比

Pearson相關系數是統(tǒng)計學中常用的一種線性相關系數，記為r，用來衡量兩個隨機變量之間的線性相關程度。r值介于-1～1之間，絕對值越大表明相關性越強。Pearson相關系數計算公式為

式中：X、Y為隨機變量；N為隨機變量取值的個數。

以單輪試驗胎壓為250 kPa、車速為40 km／h車況下的計算數據為例，計算Pearson相關系數為0.999 8，故所選特征指標接地占比和輪胎垂向載荷具有密切的正線性相關關系。

同時可以看出：整車試驗數據點的波動比單輪試驗數據大，這是由于整車試驗是在真實的車輛和道路上完成的，采集的加速度數據有一定波動從而對接地占比也產生一定影響；而單輪試驗是在特殊的裝置上完成的，雖然也模擬了實際的輪胎運行狀況，但其運行調控均由程序設定完成，運行時更為平穩(wěn)，加速度數據情況更良好，使計算指標接地占比波動更小，因此造成了兩種試驗數據上的差異。

3.6 數據處理

由以上分析可知，輪胎垂向載荷mZ計算的核心在于推導關于胎壓p、車速v和接地區(qū)域占比H的數學模型，即

利用MATLAB對單輪試驗計算數據進行一次多項式擬合。3個氣壓條件下的擬合結果分別如表4～表6所示。

表4 胎壓為270 k Pa時的擬合結果

表5 胎壓為250 k Pa時的擬合結果

表6 胎壓為220 k Pa時的擬合結果

基于以上擬合，給定胎壓和車速情況下接地占比可由式（8）給出。在不同的胎壓和車速條件下，表達式的斜率和截距由表4～表6給出。

進一步對各車況下擬合結果中的擬合系數斜率和截距與車況參數再次進行多項式擬合，對斜率與車況參數的多項式擬合結果如圖12所示。

圖12 斜率與胎壓和車速的多項式擬合

最終擬合得到的表達式為

優(yōu)度指標列于表7。

表7 斜率多項式擬合優(yōu)度

同樣地，對各車況下擬合結果中的擬合系數截距與車況參數再次進行多項式擬合，擬合結果如圖13所示。

最終擬合得到的表達式為

優(yōu)度指標如表8所示。

由表7和表8可以看出，斜率和截距的多項式擬合結果均較優(yōu)，由以上處理過程可以得出，通過加速度傳感器采樣得到的加速度數據可計算出接地占比和車速，結合胎壓傳感器采集的胎壓數據，代入到以上基于多項式擬合建立的輪胎垂向載荷的分析模型中可計算得到輪胎垂向載荷。計算模型如圖14所示。

圖13 截距與胎壓和車速的多項式擬合

表8 截距多項式擬合優(yōu)度

圖14 計算模型

以整車試驗為例對算法進行驗證，整車配重和各輪胎的載荷分配如表9所示。將不同車況下采集數據代入到模型中，得到各工況下的垂向載荷計算值，計算結果如表10所示?？梢钥闯龈鬏喬ゴ瓜蜉d荷計算值波動相對較大，波動最大值約為10%，而整車載荷波動相對較小，計算值與給定值之間的最大誤差為6.25%，同時有90%以上的輪胎載荷計算值誤差在5%以內，有30%以上的數據計算誤差保持在3%以內。由此可以得出，基于智能輪胎系統(tǒng)加速度數據和胎壓數據計算輪胎垂向載荷的算法具有較高的精度和可靠性。

表9 整車載荷分配

表10 垂向載荷計算精度

4 結論

提出一種基于多傳感信息融合的輪胎垂向載荷實時測量系統(tǒng)，通過采集輪胎內部某點的加速度和胎壓信息等，提取徑向加速度的特征信息來表征輪胎垂向載荷，使用多項式擬合的方法建立的垂向載荷分析數學模型得到輪胎載荷計算值，可通過無線的方式上傳至用戶，同時實現智能輪胎垂向載荷的在線測量。

多工況室內臺架試驗和整車實測試驗結果表明，多傳感信息融合系統(tǒng)設計方案可行，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，輪胎載荷算法精度能夠滿足工程應用要求?；谠摕o線嵌入式低成本的輪胎信息采集系統(tǒng)還可用于輪胎磨損等其他方面。