CN102107591B - 载货汽车轮胎压力异常状态辨识方法 - Google Patents

载货汽车轮胎压力异常状态辨识方法 Download PDF

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Abstract

载货汽车轮胎压力异常状态辨识方法属汽车安全状态检测技术领域,本发明包括:建立包含轮胎型号、负荷与初始充气压力关系、轮胎实时压力、负荷、车速、外界环境温度的轮胎状态数据库;按设定的数据采集频率测量轮胎状态参数,并输入工控机内的轮胎状态数据库;基于滚动轮胎压力与其影响因素关系试验,确定轮胎压力异常状态辨识的预警阈值;编写轮胎压力异常状态辨识数据处理程序,分别对汽车启动且驻车和行驶状态下轮胎的压力状态进行监测预警。本发明有效解决了滚动轮胎压力预警阈值随使用工况变化而改变的难题,可大大降低误报和漏报的概率,提高轮胎压力异常状态预警准确性,同时可为轮胎压力监测预警系统预警规则的设定提供理论依据。

Description

载货汽车轮胎压力异常状态辨识方法
技术领域
本发明属汽车安全状态检测技术领域,具体涉及载货汽车轮胎压力异常状态的辨识方法。
背景技术
轮胎是汽车行驶系的重要部件之一,其性能的优劣将直接影响汽车的运行效率和行车安全。轮胎充气压力超过或低于标准压力值,轻则增加汽车燃油消耗,缩短轮胎使用寿命,重则威胁行车安全。据公安部交通管理部门,在高速公路上有46%的交通事故是由于轮胎故障引起的,其中70%的故障是轮胎爆胎,这对人们的生命和财产安全造成了巨大的潜在威胁。轮胎爆胎、疲劳驾驶和超速行驶已成为造成高速公路交通事故的三个最主要的原因。汽车高速行驶时的轮胎爆胎是最难预防的,也是突发性交通事故发生最主要的原因之一。轮胎气压试验证明:80%的轮胎爆胎是有预兆的,至少在爆胎发生前一个小时,轮胎压力会出现异常,这为轮胎压力监测预警的实现提供了可能。由此可见,轮胎压力监测预警系统设计的关键在于如何辨识轮胎压力的异常状态。现有的轮胎压力监测预警系统的预警规则具有一定的盲目性和不科学性,经常存在误报或漏报现象。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于轮胎实时压力、负荷、车速、初始充气压力和外界环境温度的轮胎压力异常状态辨识方法。
本发明包括下列步骤:
1.建立具有轮胎静态参数和轮胎动态参数的轮胎状态数据库;轮胎静态参数包括:轮胎型号、轮胎负荷与初始充气压力对应关系;轮胎动态参数包括:轮胎实时压力、负荷、车速和外界环境温度;
2.分别利用轮胎压力传感器、拉线式位移传感器、GPS和车载温度计,按照设定的数据采集频率,测量轮胎压力、负荷、车速和外界环境温度,通过ADAM-4017数据采集模块和RS232串口,将采集到的轮胎状态参数输入工控机的轮胎状态数据库;
3.在研华UNO2170工控机内的Windows CE操作系统下,以Embedded Visual C++为开发工具,编写轮胎压力异常状态辨识数据处理程序;
4.采用均匀试验法进行滚动轮胎压力与其影响因素关系试验,利用最小二乘法得出每组试验中轮胎压力随时间的变化关系,再通过多元线性回归分析得出滚动轮胎压力与初始充气压力、负荷、车速和外界环境温度的数值分析关系模型;基于对轮胎动态特性的分析,确定轮胎压力异常状态辨识的阈值;
5.按照步骤(3)获得的轮胎压力异常状态辨识数据处理程序和步骤(4)中确定轮胎压力异常状态辨识的阈值,对“汽车启动且驻车”和“汽车行驶”两种工作状态下轮胎的压力状态进行辨识。
步骤(5)中所述的“汽车启动且驻车”工作状态下轮胎的压力状态辨识包括下列步骤:
(1)汽车启动后设备初始化;
(2)轮胎压力传感器、拉线式位移传感器、GPS和车载温度计按照设定的数据采集频率分别测量轮胎压力、轮胎负荷、车速和外界环境温度;
(3)辨识程序通过轮胎型号自动从轮胎状态数据库获取轮胎负荷与初始充气压力对应关系表;
(4)以轮胎负荷为自变量、轮胎充气压力为因变量,线性插值计算轮胎在18℃、当前负荷状态下轮胎应具有的初始充气压力值,其表达式为:
P ( m ) = P 0 + P 1 - P 0 m 1 - m 0 ( m - m 0 )
式中:P(m)为轮胎当前载荷状态下应具有的初始充气压力;m为轮胎负荷的测量值;m0,m1和P0,P1分别为轮胎负荷与初始充气压力对应关系表中距m点最近的轮胎负荷值和对应的轮胎初始充气压力值;
(5)根据环境温度对轮胎压力的影响关系,将实测的轮胎初始充气压力换算为18℃状态下的压力当量P
①当外界环境温度为-1℃~-40℃时,轮胎初始充气压力换算为P=P+0.025T;
②环境温度高于24℃时,轮胎初始充气压力值换算为
Figure GDA00002437609500022
(6)按照预设的轮胎压力异常状态辨识程序和轮胎压力异常状态辨识的阈值判断轮胎的工作状态,当轮胎状态出现异常时进行预警。
步骤(5)中所述的“汽车启动且驻车”工作状态下轮胎的压力状态辨识规则如下:
①若P0≤P≤P1,轮胎压力监测预警系统不预警;
②若P<P0,则轮胎欠压,根据计算结果确定轮胎故障为“欠压”,并指出故障轮胎的方位;
③若P>P1,则轮胎过压,根据计算结果确定轮胎故障为“过压”,并指出故障轮胎的方位;
④若P>Pmax,根据计算结果确定轮胎故障为“超载”,并指出故障轮胎的方位;
其中:Pmax为被监测轮胎最大载荷状态下轮胎应具有的初始充气压力。
步骤(5)中所述的“汽车行驶”工作状态下轮胎的压力状态辨识规则如下:
①压力不足:当汽车在行驶过程中滚动轮胎压力Pd在10秒钟内持续小于实测的轮胎初始充气压力P时,根据计算结果确定轮胎故障为“欠压”,并指出故障轮胎的方位,P<P的主要原因为汽车轮胎漏气;
②压力过高:当汽车在行驶过程中滚动轮胎压力Pd在10秒钟内持续大于最高允许车速行驶时滚动轮胎压力稳态值Prmax时,根据计算结果确定轮胎故障为“过压”,并指出故障轮胎的方位,P>Prmax的主要原因为汽车超速行驶;
③压力持续下降:当汽车在行驶过程中滚动轮胎压力Pd在1分钟内以大于0.5kPa/S的速率持续下降,即便轮胎压力未达到①中规定的轮胎压力下限值时,根据计算结果确定轮胎故障为“漏气”,并指出故障轮胎的方位,轮胎压力持续快速下降的原因为轮胎漏气。
本发明提出一种基于轮胎压力、负荷、车速和外界环境温度的轮胎压力异常状态辨识方法,有效地解决了滚动轮胎压力预警阈值随使用工况变化而改变的难题,可大大降低误报和漏报的概率,提高轮胎压力异常状态预警的准确性,同时可为轮胎压力监测预警系统预警规则的设定提供理论依据。
附图说明
图1为轮胎压力异常状态辨识流程图
图2为轮胎压力状态监测系统架构示意图
图3为轮胎状态数据库关系模型示意图
图4为轮胎压力在不同的运行工况下随时间的变化关系视图
其中:1.左前轮胎压力传感器发射器  2.右前轮胎压力传感器发射器  3.右后轮胎压力传感器发射器  4.左后轮胎压力传感器发射器  5.轮胎压力传感器信号接收器  6.工控机7.ADMA-4017数据采集模块  8.左前拉线式位移传感器  9.右前拉线式位移传感器  10.右后拉线式位移传感器  11.左后拉线式位移传感器  12.全球定位系统(GPS)  13.RS232串口14.车载温度计
具体实施方式
轮胎压力异常状态辨识流程如图1所示,以下结合附图及具体的实施方案对本发明作进一步描述。
本发明利用左前轮胎压力传感器发射器1、右前轮胎压力传感器发射器2、右后轮胎压力传感器发射器3、左后轮胎压力传感器发射器4、左前拉线式位移传感器8、右前拉线式位移传感器9、右后拉线式位移传感器10、左后拉线式位移传感器11全球定位系统(GPS)12和车载温度计14实时监测轮胎压力、负荷、车速和外界环境温度,分别通过ADMA-4017数据采集模块7和RS232串口13,将由传感器获取的轮胎状态数据传给工控机6中的轮胎状态数据库,按照预设的轮胎压力异常状态辨识程序,对轮胎状态数据中的轮胎静态信息和不同传感器采集的轮胎实时动态信息进行预处理,按照设定轮胎压力异常状态辨识规则对轮胎压力状态进行判别并预警。
本发明具体实施步骤如下:
1.轮胎压力与其影响因素关系模型建立
汽车在行驶过程中,影响滚动轮胎压力的因素主要有:轮胎初始充气压力、负荷、车速和外界环境温度,各因素的数据跨度大,试验点多,故本试验采用均匀试验法安排试验方案,在室内台架试验机上完成滚动轮胎气压与其影响因素的关系试验。
1)不同工况下轮胎压力随时间变化关系分析
以CA1046L2轻型载货汽车6.5-16LT轮胎为例,6.5-16LT轮胎分别在运行工况1(外界环境温度35℃,车速60Km/h,载荷为11.64kN,初始充气压力为803kPa)和运行工况2(外界环境温度30℃,车速70Km/h,载荷为18.11kN,初始充气压力为730kPa)下进行试验,得轮胎压力随时间的变化关系曲线(见图4)。不同型号的轮胎在不同运行工况下,轮胎压力随时间的变化趋势是一致的,只是拟合系数不同。
滚动轮胎压力随时间的变化关系数据处理方法如下:
设轮胎压力传感器数据采集的频率为1/Δt,即传感器每Δt秒钟提取一组轮胎压力状态参数。对应于t={Δt,2Δt,…nΔt}测得的轮胎压力为p={P1,P2…Pn}。设滚动轮胎压力随时间的变化关系如下式子所示:
1 p = a + b - 1 t
Figure GDA00002437609500042
Figure GDA00002437609500043
轮胎压力p与时间t之间的关系可以表示为:
P=a+bT
S ( a , b ) = Σ i = 1 n [ ( a + b T i ) - P i ] 2
S(a,b)分别对a,b求偏导得:
4 a ^ + b ^ Σ i = 1 4 T i = Σ i = 1 4 P i a ^ Σ i = 1 4 T i + b ^ Σ i = 1 4 T i 2 = Σ i = 1 4 T i P i
由上述方程组求解得
Figure GDA00002437609500046
Figure GDA00002437609500047
则所求的轮胎压力随时间变化的拟合曲线为:
1 p = a ^ + b ^ 1 t
2)滚动轮胎压力稳态值与其影响关系模型建立
通过上述分析可知,滚动轮胎压力最后达到一稳态值。利用多元线性回归分析6.5-16LT轮胎压力在各个不同运行工况下的稳态值,建立滚动轮胎压力稳态值与车速V、汽车载质量m、初始充气压力P′和外界环境温度T的关系模型。6.5-16LT轮胎不同运行工况下的压力稳态值与轮胎充气压力、负荷、车速和外界环境温度之间的关系如下:
P ^ = 0.9342 T + 2.2231 V + 12.6961 m + 1.1158 P ′ - 276.34
滚动轮胎压力稳态值与其影响因素的关系数据处理方法如下:
设轮胎压力p、车速V、轮胎载荷m、外界环境温度T和初始充气压力P′在不同的时刻t均满足线性关系:
p=a0+a1V+a2m+a3T+a4P′+ε
其中:a0,a1,a2,a3,a4是待定系数,ε是随机误差,且ε~N(0,σ2)。对于变量任意取定的一组数值Vt,mt,P′t,Tt(t=Δt,2Δt,3Δt,…nΔt)相应的
Figure GDA00002437609500053
其中ε1,ε2,…εn服从正态分布N(0,σ2)。对于变量V,m,T,P′和随机变量p的n组测量值,使得函数:
Q ( a 0 , a 1 , a 2 , a 3 , a 4 ) = Σ t = 1 n [ P t - ( a 0 + a 1 V + a 2 m + a 3 T + a 4 P ′ + ϵ t ) ] 2
取最小值的
Figure GDA00002437609500055
Figure GDA00002437609500057
Figure GDA00002437609500058
Figure GDA00002437609500059
是a0,a1,a2,a3,a4的最小二乘估计。函数Q对系数a0,a1,a2,a3,a4求偏导数得:
na 0 + a 1 Σ t = 1 n V t + a 2 Σ t = 1 n m t + a 3 Σ t = 1 n T t + a 4 Σ t = 1 n P ′ = Σ t = 1 n P t a 0 Σ t = 1 n V t + a 1 Σ t = 1 n V t 2 + + a 2 Σ t = 1 n V t m t + a 3 Σ t = 1 n V t T t + a 4 Σ t = 1 n V t P ′ = Σ t = 1 n V t P a 0 Σ t = 1 n m t + a 1 Σ t = 1 n V t m t + a 2 Σ t = 1 n m t 2 + a 3 Σ t = 1 n m t T t + a 4 Σ t = 1 n m t P ′ = Σ t = 1 n m t P t a 0 Σ t = 1 n T t + a 1 Σ t = 1 n V t T t + a 2 Σ t = 1 n m t T t + a 3 Σ t = 1 n T t 2 + a 4 Σ t = 1 n T t P ′ = Σ t = 1 n T t P t a 0 Σ t = 1 n P ′ + a 1 Σ t = 1 n V t P ′ + a 2 Σ t = 1 n m t P ′ + a 3 Σ t = 1 n T t P ′ + a 4 Σ t = 1 n P ′ 2 = Σ t = 1 n P ′ P t
通过上式可以解得a0,a1,a2,a3,a4的最小二乘估计值
Figure GDA00002437609500061
Figure GDA00002437609500062
Figure GDA00002437609500063
Figure GDA00002437609500064
Figure GDA00002437609500065
则p与V,m,T,P′的多元线性回归关系可以表示为:
P ^ = a ^ 0 + a ^ 1 V + a ^ 2 m + a ^ 3 T + a ^ 4 P ′
3)轮胎漏气时,轮胎压力随时间的变化率求解
轮胎压力传感器以设定的采样频率采集轮胎压力参数,一个采样周期内的轮胎压力变化率计算方法如下:设传感器数据采集频率为1/Δt,即轮胎压力传感器每Δt秒测量一次轮胎压力。设第n个周期内的轮胎压力为Pn,第n-1个周期内的轮胎Pn-1,则轮胎在nΔt时刻的轮胎压力变化率Δpn为:
Δ p n = p n - p n - 1 Δt
2.轮胎状态数据采集和管理
采用拉线式位移传感器1-4、轮胎压力传感器8-11、全球定位系统(GPS)12和车载温度计14按照设定的数据采集频率测量轮胎负荷、轮胎压力值、车速和外界环境温度,通过ADAM-4017数据采集模块7和RS232串口13将采集到的轮胎状态数据输入工控机6内的轮胎状态数据库。轮胎状态数据库包括轮胎静态参数(轮胎型号、轮胎负荷与初始充气压力对应关系表)和轮胎动态参数(轮胎实时压力、负荷、车速和外界环境温度)。轮胎状态数据库对轮胎的静态信息和由不同传感器获取的滚动轮实时状态信息进行统一管理。轮胎状态数据库关系模型如图3所示。
3.轮胎压力异常状态辨识规则
本发明将汽车工作状态分为:“启动且驻车”和“行驶中”两种,汽车在不同的状态下有不同的轮胎压力异常状态辨识规则,轮胎压力异常状态辨识流程如图1所示。基于上述(1)和(2)的研究内容,轮胎压力异常状态辨识规则详述如下:
1)汽车启动且驻车时
汽车启动后设备初始化,拉线式位移传感器1-4、轮胎压力传感器8-11、全球定位系统(GPS)12和车载温度计14按照设定的数据采集频率测量轮胎负荷、压力、车速和外界环境温度,通过轮胎型号从轮胎状态数据库中自动获取轮胎负荷与初始充气压力对应关系,下表为6.5-16LT轮胎负荷与压力对应关系:
(表中:“D”表示双胎并装时的负荷;“S”表示单胎使用时的负荷。)
以轮胎负荷为自变量、轮胎充气压力为因变量,插值计算轮胎在18℃、当前负荷状态下对应的轮胎初始充气压力值。插值法计算轮胎当前载荷状态下应具有的初始充气压力值的方法如下:
国家标准GB/T 2977-1977(载重汽车轮胎系列)中规定型号的轮胎负荷mi对应的轮胎压力值为Pi(i=0,1,2,…n),利用两点一次插值计算轮胎当前载荷下应具有初始充气压力值P(m),则有:
P ( m ) = P 0 + P 1 - P 0 m 1 - m 0 ( m - m 0 )
式中:P(m)为轮胎当前载荷状态下的应具有初始充气压力;m为轮胎负荷的测量值;m0,m1和P0,P1分别为距离m最近两点的轮胎负荷值和对应的轮胎初始充气压力值。
载重汽车轮胎系列中轮胎规定的充气压力是在18℃下给出的。汽车在静止状态下,轮胎压力会随着环境温度的变化而变化,因此需要利用环境温度对轮胎初始充气压力进行补偿计算。根据环境温度对轮胎压力的影响关系,将实测的轮胎充气压力换算为18℃状态下的压力当量:
①当外界环境温度为-1℃~-40℃时,轮胎初始充气压力换算为P=P+0.025T;
②环境温度高于24℃时,轮胎初始充气压力值换算为
Figure GDA00002437609500072
以CA1046L2的6.5-16LT轮胎为例,汽车启动后,
①若P0≤P≤P1,轮胎压力监测预警系统不预警;
②若P<P0,则轮胎欠压,根据计算结果确定轮胎故障为“欠压”,并指出故障轮胎的方位;
③若P>P1,则轮胎过压,根据计算结果确定轮胎故障为“过压”,并指出故障轮胎的方位;
④若P>Pmax=320kPa,根据计算结果确定轮胎故障为“超载”,并指出故障轮胎的方位;
其中,Pmax=320kPa为6.5-16LT轮胎最大载荷状态下轮胎应具有的初始充气压力。
2)汽车行驶过程中
汽车开始行驶则表明轮胎初始充气压力范围为(P0,P1)且车辆未出现超载/偏载等异常状态。汽车在行驶过程中,轮胎发生周期性的变形,轮胎温度升高使得轮胎压力升高。不同型号的轮胎在不同的行驶工况下,轮胎压力随时间的变化规律都与图4一致。汽车行驶过程中,轮胎压力异常状态辨识规则详述如下:
①压力不足:由图4知轮胎压力在行驶过程中始终高于初始充气P,若汽车在行驶过程中滚动轮胎压力Pd在10秒钟内持续小于实测的轮胎初始充气压力P时,根据计算结果确定轮胎故障为“欠压”,并指出故障轮胎的方位,P<P的主要原因为汽车轮胎漏气;
②压力过高:由图4知轮胎在不同的运行工况下经过一定时间后均趋于稳定值。根据滚动轮胎稳态压力值与初始充气压力、负荷、车速和外界环境温度的关系式,计算得到被监测车辆轮胎当前负荷、初始充气压力、外界环境条件下,以最高允许车速行驶时滚动轮胎压力稳态值Prmax。若实测的轮胎压力值P在10秒钟内持续大于Prmax,则根据计算结果确定轮胎故障为“过压”,并指出故障轮胎的方位,造成P>Prmax的主要原因为汽车超速行驶。
③压力持续下降:由图4知,汽车在运行过程中,轮胎的压力不发生突变,而是连续递增后趋于一个稳态值。汽车行驶过程中,轮胎压力在1分钟内以大于0.5kPa/S的速率持续下降,即便轮胎压力未达到①中规定的轮胎压力下限值,根据计算结果确定轮胎故障为“漏气”,并指出故障轮胎的方位,造成轮胎压力持续快速下降的原因是:轮胎扎胎漏气。

Claims (2)

1.一种载货汽车轮胎压力异常状态辨识方法,其特征在于包括下列步骤:
(1)建立具有轮胎静态参数和轮胎动态参数的轮胎状态数据库;轮胎静态参数包括:轮胎型号、轮胎负荷与初始充气压力对应关系;轮胎动态参数包括:轮胎实时压力、负荷、车速和外界环境温度;
(2)分别利用轮胎压力传感器、拉线式位移传感器、GPS和车载温度计,按照设定的数据采集频率,测量轮胎压力、负荷、车速和外界环境温度,通过ADAM-4017数据采集模块和RS232串口,将采集到的轮胎状态参数输入工控机的轮胎状态数据库;
(3)在研华UNO2170工控机内的Windows CE操作系统下,以Embedded Visual C++为开发工具,编写轮胎压力异常状态辨识数据处理程序;
(4)采用均匀试验法进行滚动轮胎压力与其影响因素关系试验,利用最小二乘法得出每组试验中轮胎压力随时间的变化关系,再通过多元线性回归分析得出滚动轮胎压力稳态值与初始充气压力、负荷、车速和外界环境温度的数值分析关系模型;基于对轮胎动态特性的分析,确定轮胎压力异常状态辨识的阈值;
(5)按照步骤(3)获得的轮胎压力异常状态辨识数据处理程序和步骤(4)中确定轮胎压力异常状态辨识的阈值,对“汽车行驶”工作状态下轮胎的压力状态进行辨识。
2.按权利要求1所述的载货汽车轮胎压力异常状态辨识方法,其特征在于步骤(5)中所述的“汽车行驶”工作状态下轮胎的压力状态辨识规则如下:
①压力不足:当汽车在行驶过程中滚动轮胎压力Pd在10秒钟内持续小于实测的轮胎初始充气压力P时,根据计算结果确定轮胎故障为“欠压”,并指出故障轮胎的方位,Pd<P的主要原因为汽车轮胎漏气;
②压力过高:当汽车在行驶过程中滚动轮胎压力Pd在10秒钟内持续大于最高允许车速行驶时滚动轮胎压力稳态值Prmax时,根据计算结果确定轮胎故障为“过压”,并指出故障轮胎的方位,Pd>Prmax的主要原因为汽车超速行驶;
③压力持续下降:当汽车在行驶过程中滚动轮胎压力Pd在1分钟内以大于0.5kPa/S的速率持续下降,即便轮胎压力未达到①中规定的轮胎压力下限值时,根据计算结果确定轮胎故障为“漏气”,并指出故障轮胎的方位,轮胎压力持续快速下降的原因为轮胎漏气。
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