基于轮胎扭转高阶频点的汽车胎压监测信号分析

周福强 王少红 兰宁 徐小力

摘要：轮胎气压的盈亏影响了汽车的安全性、经济性和操纵稳定性。胎压监测系统（ TPMS）越来越成为汽车的标准配备。胎压监测系统主要有直接式、间接式和混合式三种。间接式胎压监测系统由于其没有额外的硬件支出、不影响轮胎动平衡特性而具有一定优势。本文分析轮胎扭转高阶频点，得出轮胎扭转高阶频点与胎压变化的相关特征，建立了间接式胎压监测算法，实现了根据单一车辆轮速信号进行轮胎欠压预报，为胎压监测系统的建立提出一种新方法。

关键词：轮胎压力监测系统;轮速信号;扭转频率

中图分类号：U463.34 文献标识码：A 文章编号：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

隨着经济的发展和人们生活水平的提高，汽车的生产和占有量不断扩大。其在道路交通中引发的各类问题也越来越突出，而轮胎作为车辆唯一接地部位，在整车中占有重要的地位，它影响着车辆的操纵稳定性、舒适性以及安全性等。影响轮胎性能的一个重要因素是轮胎气压。胎压过大，轮胎弹性下降，摩擦系数下降，车辆容易侧滑、颠簸、胎冠磨损加重。胎压不足，行驶阻力增大，燃油消耗增多，轮胎温度升高，胎肩磨损增大，甚至诱发爆胎。保障轮胎气压处于正常范围非常重要。因此，轮胎压力监测系统（ Tire PressureMonitoring System，简称TPMS）对提高行车安全性、降低燃油消耗及减少轮胎磨损等都具有重要意义…，越来越成为汽车的标准配备。

轮胎气压监测系统主要有直接式[2]、间接式[3]和混合式[4]三种。韩宗奇教授研究了汽车转弯工况下间接式TPMS的监测方法，利用车辆转弯过程中车轮转弯半径的关系，对标准脉冲数进行修正，给出汽车在弯道行驶时监测轮胎气压的方法[5]。叶嘉俊等[6]基于整车模型和轮胎半经验模型，建立了轮胎气压和车辆行驶状态间的联系，反应不同工况下整车横摆角速度、横向运动速度、俯仰角速度等的运动规律，从整车角度探讨轮胎欠压的识别诊断。国内多个大学和企业对胎压监测系统进行了研究，其中包括基于轮胎有效滚转半径[7]、纵向刚度模型[8-11]、扭转刚度模型[11]、ABS轮速信号[12]、频域分析方法[13-14]、BP神经网络[15]等等多种方法，除采用传统轮速时域计数并作相应处理外，还采用卡尔曼滤波算法、遗传算法、小波变换等等处理轮速数据。

本文提出仅根据车辆已有的轮速信号即可计算胎压信号。对轮胎扭转频率进行分析，得出车轮扭转高阶频点与胎压变化的相关特性。进行了轮胎胎压监测试验，采集了不同载重、车速，不同胎压下大量的轮胎试验数据，通过对轮胎滚转频域分析，以转速传感器频域分析第一特征点作为欠压判据，建立了间接式胎压监测算法，实现了根据轮速信号直接进行轮胎欠压预报。避免轮胎滚动半径方法的缺点，又不显著增多运算负荷，为胎压监测系统的建立提出分析基础。2轮胎环模型

汽车的轮胎由车轮和轮胎胎体两部分组成。车轮是介于轮胎和车轴之间承受负荷的旋转组件，它由轮毂、轮辋以及这两元件间的连接部分（轮辐）所组成。轮速传感器可认为固定为轮心位置的电磁式或霍尔式计数器，每当轮胎旋转一定角度，发送一个电子脉冲。这里采用扭转振动环模型作为研究目标，且将地面输入也简化为弹簧振子模型。为仿真计算方便，将旋转刚度及角速度折算为质量和线速度，将该模型等效为线性弹簧振子模型。如图1所示：

其中Cφ、Dφ为轮胎扭转刚度、阻尼，Ct、D，为路面输入刚度、阻尼，JR（mR）为轮辋旋转刚度及等效质量，JB（mB）为轮胎带束的旋转刚度及等效质量。轮胎轮辋、带束分别以φR、φB旋转。

根据轮胎环模型建立Simulink仿真模型如图2，路面激励为一正弦信号，将输出的角位移做频域变换，获得图3结果，可见在旋转主频率外，还存在反应轮胎高阶特性的频率。设想提取该振动频率反应胎压变化。

3 胎压变化试验及数据分析

3.1试验测试方案

轮胎压力降低，轮胎有效滚动半径减小，导致轮胎的转速增大。通过对行驶距离、车速、胎压、轮胎转速的监测，获得上述参量的相互规律。间接式胎压监测系统技术路线框图如图4所示，从ABS获取各个轮胎轮速信号，提取特征信号，辨识出欠压轮胎，对胎压异常进行预报。

将上述方法应用在实车上进行道路试验验证，试验车辆选用上海通用别克君威，轮胎型号为Maxxis品牌的215/70 R15 98S。在试验车辆上安装CJPS卫星定位系统，记录车速、行驶里程;从ABS抽引四个轮速传感器信号，将上述信号接入DEWE-43数据采集系统中，设置信号采样率为5000Hz。分别以右前轮胎（驱动轮）压力变化和右后轮胎（从动轮）压力变化两种情况，两种载重工况，在40、60、80、100、120km/h五种车速下行驶，将轮胎的充气压力调整为1.4、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8、3.Obar九种压力工况（2.4bar为标准胎压），共获得261组数据。在上述各种工况下进行测试。同一工况同一路段至少往返一次，以消除风载、路面坡度等的影响。试验测试设备如图5所示：

轮速传感器齿数为前轮50个，后轮38个。当齿尖转过传感器时，产生一定幅值的电脉冲，对实测获得的电压值直接傅里叶变化，而不是先累加轮速传感器信号个数转为车轮的角速度再频域计算，因为累加圈数就把高频信号掩盖了，相当于信号的移动平滑滤波处理。对电压信号傅里叶变化得到的是轮速传感器齿的频率，再除以齿数50（ 38），就是车轮的转动频率以及隐藏其中的路面、胎压、轮轴等信息。

3.2 实测数据分析

轮胎除绕轴心旋转外，还存在着微小的扭转振动，这在轮速传感器上反映为除了旋转主频率外，还存在其他频点上的尖峰。而通过路面激励，作用在轮胎上的高频扭转振动，略微改变轮胎转速，在轮速信号那里反应出来就是轮速信号的频率（疏密程度）有微小变化，而与一般的噪声叠加信号不同，在正弦信号上叠加了高频毛刺。这类高频毛刺信号，在频域变换后幅值较小。将实测轮胎转速信号进行频域转换，快速傅里叶变换，得到如图6所示的结果。其中主要频率为轮胎旋转频率。图中实圈为车轮旋转主频信号，虚圈反应了胎压情况。

采用高通滤波进行滤波，设置通过频率为1000Hz，可以将路面不平度信号、驱动轴刚度信号滤除，降低车速信号主频[16-17]。显示主要扭转频率如图7所示，滤波器设置如图8所示。可见图7中，降低了车轮旋转信号，突出胎压信息，便于提取分析。

当胎压变化后，轮胎扭转频率发生变化。分析实测数据的扭转频率，对比如图9所示，每隔200采样点进行一次FFT变换，滤波得出扭转频点，并随时间顺序画出。将高通滤波后的轮速信号进行傅里叶变换，并采用最高峰值法，获取主要的扭转频率，比较胎压异常与胎压正常的扭转频率，在每段采集数据，均进行滤波、取最高频点、比较，并移动至下一时间点上继续进行比较。图9为“RRP24W4BV80-120”文件（车速80km/h和车速120km/h右后轮胎压2.4bar，正常胎压）采样数据。可见左右前轮频率相同，左右后轮频率相同。前后轮有所区别主要是受轮胎质量、悬架等等因素影响。

由图可知两个前轮频率基本重合，两个后轮频率也基本重合，与GPS获得的速度曲线（图10）相同。

当选用欠压轮胎数据进行计算时，可得出如图11所示的结果（“RRP14W2AV80-120”采样数据，车速80km/h和120km/h右后轮胎压1.4bar，轮胎欠压）。每200采样点做频域变换，80km/h数据共完成1376次计算，120km/h数据共完成1360次计算。

由图可见左右前轮依旧重合，而左右后轮的频率产生了偏移。根据计算，約偏差1 - 2Hz。且不同速度下，都具有该规律。据此可以以最大扭转频率点作为判定依据，判断欠压的轮胎。

使用扭转频率比较的流程方法如图12所示。只需对200 - 2000个采样点进行计算获得扭转频率即可，对于胎压监测具有极好的适用性。

4 总结

本文提出轮胎扭转高阶频点判断胎压方法，建立轮胎扭转模型，提取轮速信号扭转高阶频点，作为轮胎欠压分析的判据;设计了轮胎胎压测试试验，在试验车上加装GPS导航系统，获取车轮轮速传感器信号，采集不同载重、车速、胎压下大量的轮胎试验数据。通过数据分析验证了算法的正确性。提出了轮胎胎压监测的一种新方法。

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[17]辛振祥，邓涛，王伟[M].北京：化学工业出版社，2011.6.P139.

专家推荐语

康润程

襄阳达安汽车检测中心有限公司

NVH专业副总师 研究员级高级工程师

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全文结构完整，论点明确、理论正确、论据有效、逻辑性强、可读性强，有创新，有较高的学术水平，有较好的理论价值。

周福强

毕业于中国农业机械化科学研究院，博士学位，现就职于北京信息科技大学现代测控技术教育部重点实验室，研究员，已发表论文《载货车轮胎近场噪声方向性的研究》等。

基金项目：北京学者计划资助（2015-025）