CN111016552A - 一种间接式胎压监测系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种间接式胎压监测系统和方法，系统包括按信号流向依次连接的信号预处理模块、角速度计算模块、工况补偿模块、轮胎自适应模型补偿模块、滑移率计算模块、牵引力分析模块和轮胎相对半径差计算模块；本发明的方法通过对轮速传感器的原始轮速信号和车辆已有信号进行数据融合分析得到轮胎的压力信息，实现轮胎压力监测的功能；本发明既可通过低成本硬件实现，也可以集成到车辆ABS/ESC系统中，实用性强，拓展功能多，应用移植性好，在日常使用中无需硬件维护，有效降低了车辆的硬件成本；本发明有效避免了直接式胎压监测系统在信号传输过程中信号延时、易受干扰等缺点，增强了监测功能的稳定性。

Description

一种间接式胎压监测系统和方法
技术领域
本发明属于汽车电子技术领域，具体涉及一种间接式胎压监测系统和方法。
背景技术
自世界上第一辆汽车诞生起，人类的生活、工作等各方面都发生了巨大变化。汽车从一个简单的代步工具变化为人类生活中不可或缺的一部分，人们对汽车安全性的需求也在不断提高。轮胎作为整个车辆中唯一与地面接触的部件，与整车的安全性密切相关，爆胎会对司乘人员生命安全造成巨大的威胁。统计表明，交通事故中爆胎原因所占的比例高达60％，如果车速超过160公里/小时，前轮爆胎的生存几率几乎为零。75％的爆胎都是由胎压不足造成的，当胎压不足时，轮胎侧面因受挤压而弯曲，进而造成轮胎温度升高引发爆胎。
现有常见的胎压监测系统是通过在轮胎中安装具有无线发射功能的传感器来获取胎压，称为直接式胎压监测系统，分为外置式和内置式，部分直接式胎压监测系统还支持获取轮胎内部的温度信息。直接式胎压监测系统有以下不足：
1.直接式胎压监测需要的硬件支持较多，需要四个带电池和无线传输模块的胎压传感器、胎压监测接收以及显示器、报警信号传输线路，成本较高(单车约250-500元)；
2.需要定期更换电池，拆除、安装和调校轮胎，重新校对传感器，如果传感器损坏，还需要进行更换，增加用户使用成本；
3.信号传输过程中有丢失、延时以及电磁干扰问题发生，而且胎压传感器的电量、磨损程度也影响功能稳定性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种间接式胎压监测系统和方法，实现无额外硬件支持的稳定的胎压监测功能。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种间接式胎压监测系统，包括按信号流向依次连接的信号预处理模块、角速度计算模块、工况补偿模块、轮胎自适应模型补偿模块、滑移率计算模块、牵引力分析模块和轮胎相对半径差计算模块；信号预处理模块的信号输入端口与传感器连接，用于接收传感器信号，并对收到的信号进行滤波以消除噪声；角速度计算模块用于对经过预处理的信号进行齿圈角速度计算；工况补偿模块用于补偿特殊工况；轮胎自适应模型补偿模块用于根据轮胎特性建立自适应模型或根据轮胎规格型号调用对应的自适应模型、根据模型进行补偿以提高功能精度；滑移率计算模块用于计算车轮滑移率；牵引力分析模块用于计算轮端牵引力，并得到轮端牵引力与车轮滑移率的关系；轮胎相对半径差计算模块的信号输出端口与上位机连接，用于计算当前轮胎的相对半径差，与该轮胎的相对半径差的标定值对比并向上位机输出判断结果，实现胎压监测功能。
按上述方案，信号预处理模块包括巴特沃斯型FIR低通滤波器，用于对收到的原始轮速数据进行基于事件的插值与带通滤波，滤除噪声尖刺，防止出现数据丢失导致的误报警。
按上述方案，工况补偿模块包括信号失效补偿模块、车辆制动补偿模块、车辆换挡补偿模块、车辆倒挡补偿模块、车辆转向补偿模块、车辆ABS/ESC介入补偿模块、车轮打滑补偿模块和粗糙路面补偿模块。
基于一种间接式胎压监测系统的监测方法，包括以下步骤：
S1：系统上电初始化，标定轮胎在标准胎压下的相对半径差并保存；
S2：接收包括原始轮速信号和其他辅助车辆信号的信息并保存；
S3：根据步骤S2得到的信息计算当前轮胎的相对半径差，判断当前轮胎的相对半径差是否较步骤S1得到的轮胎在标准胎压下的相对半径差的标定值增大，若是则认为当前轮胎漏气，若否则认为当前轮胎不漏气；将对比结果发送到上位机。
进一步的，所述的步骤S1中，具体步骤为：
S11：对轮胎充好气后标定气压值；
S12：系统上电初始化，设当前胎压为标准胎压；
S13：检查当前轮胎是否有标准胎压下的相对半径差Δrc的历史标定数据，若有则判断历史标定数据的存储日期距当前日期是否大于等于设定值，若历史标定数据的存储日期距当前日期小于设定值，则不进行标定；若历史标定数据的存储日期距当前日期大于等于设定值或无历史数据，则标定轮胎在标准胎压下的相对半径差Δrc并保存。
进一步的，所述的步骤S3中，具体步骤为：
S31：信号预处理模块接收车辆的轮速传感器或ABS/ESC系统发送的原始轮速信号和其他辅助车辆信号，通过巴特沃斯型FIR低通滤波器对原始轮速数据进行基于事件的插值与带通滤波以滤除噪声尖刺，将经过预处理的信号发送到角速度计算模块；
S32：角速度计算模块根据收到的经过预处理的轮速信号计算齿圈角速度，并发送到工况补偿模块；
S33：工况补偿模块根据收到的信号判断车辆当前状态属于何种工况，按对应工况补偿方法对收到的信号进行补偿，将补偿后的信号发送到轮胎自适应模型补偿模块；
S34：轮胎自适应模型补偿模块根据收到的信号和当前轮胎的特性建立自适应模型，或根据当前轮胎的规格型号调用对应的自适应模型，对步骤S33得到的信号进行补偿，将补偿后的信号发送到滑移率计算模块；
S35：滑移率计算模块根据收到的信号、轮胎半径、加速度信号以及其他辅助信号计算车轮滑移率，并发送到牵引力分析模块；
S36：牵引力分析模块根据收到的信号、扭矩信号计算轮端牵引力，通过最小二乘法得到轮端牵引力与车轮滑移率的关系，并发送到轮胎相对半径差计算模块；
S37：轮胎相对半径差计算模块根据轮端牵引力与车轮滑移率的关系计算当前轮胎的相对半径差Δrn，判断Δrn是否较步骤S1得到的轮胎在标准胎压下的相对半径差Δrc增大，若是则认为当前轮胎漏气，向上位机输出报警信号；若否则认为当前轮胎不漏气，向上位机输出判断结果；
S38：上位机判断收到的信号是否为报警信号，若是则向系统发送标定命令，系统收到标定命令后重新标定轮胎在标准胎压下的相对半径差Δrc并保存；若否则从步骤S31开始循环。
进一步的，所述的步骤S13中，根据车辆行驶的不同速度区间，系统对轮胎在标准胎压下的相对半径差Δrc的标定分别进行多次并保存。
进一步的，所述的步骤S37中，轮胎在标准胎压下的相对半径差Δrc的标定值数量达到轮胎的相对半径差的比较要求数量时，判断Δrn是否较步骤S1得到的轮胎在标准胎压下的相对半径差Δrc增大；轮胎在标准胎压下的相对半径差Δrc的标定值数量不满足轮胎的相对半径差的比较要求数量时，从步骤S1开始循环。
本发明的有益效果为：
1.本发明的一种间接式胎压监测系统既能通过低成本硬件平台实现，也能集成到车辆ABS/ESC系统中，实用性强，拓展功能多，应用移植性好，有效降低了车辆的硬件使用成本；在日常使用中无需硬件维护，降低了客户的维护成本。
2.本发明有效避免了直接式胎压监测系统在信号传输过程中信号延时、易受干扰等缺点，增强了监测功能的稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例的流程图。
图2是本发明实施例的计算原理图。
图3是本发明第一种实施例的功能框图。
图4是本发明第一种实施例的电路原理图。
图5是本发明第二种实施例的功能框图。
图6是本发明第二种实施例的系统组成图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的一种间接式胎压监测系统，包括按信号流向依次连接的信号预处理模块、角速度计算模块、工况补偿模块、轮胎自适应模型补偿模块、滑移率计算模块、牵引力分析模块和轮胎相对半径差计算模块。信号预处理模块的信号输入端口与传感器连接，用于接收传感器信号，并对收到的信号进行滤波以消除噪声；信号预处理模块包括巴特沃斯型FIR低通滤波器，用于对收到的原始轮速数据进行基于事件的插值与带通滤波，滤除噪声尖刺，防止出现数据丢失导致的误报警。角速度计算模块用于对经过预处理的信号进行齿圈角速度计算；工况补偿模块包括信号失效补偿模块、车辆制动补偿模块、车辆换挡补偿模块、车辆倒挡补偿模块、车辆转向补偿模块、车辆ABS/ESC介入补偿模块、车轮打滑补偿模块和粗糙路面补偿模块，用于补偿上述模块对应的各种特殊工况；轮胎自适应模型补偿模块用于根据轮胎特性建立自适应模型或根据轮胎规格型号调用对应的自适应模型、根据模型进行补偿以提高功能精度；滑移率计算模块用于计算车轮滑移率；牵引力分析模块用于计算轮端牵引力，并得到轮端牵引力与车轮滑移率的关系；轮胎相对半径差计算模块的信号输出端口与上位机连接，用于计算当前轮胎的相对半径差，与该轮胎的相对半径差的标定值对比并向上位机输出判断结果，实现胎压监测功能。
参见图3和图4，本发明的实施例1通过独立的低成本硬件平台实现。包括数据采集模块、数据分析模块、数据存储模块和数据传输模块；数据采集模块的信号输入端分别与传感器的信号输出端、车辆信号系统的输出端连接，用于接收传感器和车辆信号系统发送的信号；数据分析模块的信号输入端与数据采集模块的信号输出端连接，用于接收数据采集模块转发的信息；数据分析模块的信号收发端与数据存储模块的信号收发端连接，用于向数据存储模块存入和取出数据；数据传输模块的信号输入端与数据分析模块的信号输出端连接，用于接收数据分析模块发送的信息并向上位机转发；
以STM32F103RCT6作为核心板，采用车辆上常见的5V USB接口供电。此方案的硬件部分体积小、功耗低、性能可靠，满足标准工业产品的设计规范和要求；且成本低，价格在20元以内。
数据采集模块通过光耦隔离的IO口采集轮速传感器的原始轮速信号，通过CAN通信模块接收车辆现有的其他辅助信号；
数据存储模块采用EEPROM和SD卡。EEPROM用于存储标定数据，防止掉电丢失数据；SD卡用于存储获得的原始轮速信号和其他辅助信号，用于在线胎压监测或后期离线分析；
数据分析模块包括按信号流向依次连接的信号预处理模块、角速度计算模块、工况补偿模块、轮胎自适应模型补偿模块、滑移率计算模块、牵引力分析模块和轮胎相对半径差计算模块，通过调用、分析和计算数据存储模块中的原始轮速信号和其他辅助信号得到当前车辆的胎压状况；
在数据分析模块外围提供WIFI通信、串口通信接口，用于将数据分析模块的运行状态及相关故障信息传输到上位机软件，供驾驶员或维护人员通过上位机显示界面实时掌握车辆的胎压状况。
参见图5和图6，本发明的实施例2通过相关协议集成在车辆的ABS/ESC系统软件中，通过接收ABS/ESC系统提供的原始轮速信号，结合车辆的GPS定位数据等其他辅助信号，实现无额外硬件支持的胎压监测功能。
本发明用于监测车辆在10km/h到最大车速的行驶速度区间中任意1～3个轮胎的压力下降信息。本发明的检测原理是通过比较当前车轮相对半径差与标准胎压下车轮相对半径差来判断轮胎是否漏气。在胎压监测前需要对标准胎压和标准胎压下的车轮相对半径差进行标定，在保证胎压为标准胎压的前提下，标定过程在系统复位(通过物理按键或人机交互界面完成)后自发进行，无需人工干预，也不影响车辆的驾驶功能。在正常驾驶情况下，标定过程持续时间约为半小时到三小时之间；在极端情况下，一个完整的标定过程持续数日。标定数据存储在EEPROM中，车辆断电后标定数据不会丢失。在标定过程中，本发明的单轮和多轮报警功能在获取足够多的标定数据后依次开放，整个过程不需要人工干预，避免对驾驶员造成干扰。
参见图1，一种间接式胎压监测方法，包括以下步骤：
S1：系统上电初始化，标定轮胎在标准胎压下的相对半径差并保存：
S11：对轮胎充好气后标定气压值；
S12：系统上电初始化，设当前胎压为标准胎压；
S13：检查当前轮胎是否有标准胎压下的相对半径差Δrc的历史标定数据，若有则判断历史标定数据的存储日期距当前日期是否大于等于设定值，若历史标定数据的存储日期距当前日期小于设定值，则不进行标定；若历史标定数据的存储日期距当前日期大于等于设定值或无历史数据，则根据车辆行驶的不同速度区间，分别对轮胎在标准胎压下的相对半径差Δrc进行多次标定并保存。
S2：接收包括原始轮速信号和其他辅助车辆信号的信息并保存；
S3：根据步骤S2得到的信息计算当前轮胎的相对半径差，判断当前轮胎的相对半径差是否较步骤S1得到的轮胎在标准胎压下的相对半径差的标定值增大，若是则认为当前轮胎漏气，若否则认为当前轮胎不漏气；将对比结果发送到上位机。
S31：信号预处理模块接收车辆的轮速传感器或ABS/ESC系统发送的原始轮速信号和其他辅助车辆信号，通过巴特沃斯型FIR低通滤波器对原始轮速数据进行基于事件的插值与带通滤波以滤除噪声尖刺，将经过预处理的信号发送到角速度计算模块；
S32：角速度计算模块根据收到的经过预处理的轮速信号计算齿圈角速度，并发送到工况补偿模块；
S33：工况补偿模块根据收到的信号判断车辆当前状态属于何种工况，按对应工况补偿方法对收到的信号进行补偿，将补偿后的信号发送到轮胎自适应模型补偿模块；
S34：轮胎自适应模型补偿模块根据收到的信号和当前轮胎的特性建立自适应模型，或根据当前轮胎的规格型号调用对应的自适应模型，对步骤S33得到的信号进行补偿，将补偿后的信号发送到滑移率计算模块；
S35：滑移率计算模块根据收到的信号、轮胎半径、加速度信号以及其他辅助信号计算车轮滑移率，并发送到牵引力分析模块；
S36：牵引力分析模块根据收到的信号、扭矩信号计算轮端牵引力，通过最小二乘法得到轮端牵引力与车轮滑移率的关系，并发送到轮胎相对半径差计算模块；
S37：轮胎相对半径差计算模块根据轮端牵引力与车轮滑移率的关系计算当前轮胎的相对半径差Δrn；判断步骤S1得到的轮胎在标准胎压下的相对半径差Δrc的标定值的数量是否达到轮胎的相对半径差的比较要求数量，若未达到则从步骤S1开始循环；若达到则判断Δrn是否较轮胎在标准胎压下的相对半径差Δrc增大，若是则认为当前轮胎漏气，向上位机输出报警信号；若否则认为当前轮胎不漏气，向上位机输出判断结果；
S38：上位机判断收到的信号是否为报警信号，若是则向系统发送标定命令，系统收到标定命令后重新标定轮胎在标准胎压下的相对半径差Δrc并保存；若否则从步骤S31开始循环。
参见图2，以右前轮漏气为例，当右前轮漏气达到一定程度时，导致前轴车轮相对半径差Δr前明显增大，推断前轴有轮胎漏气；同时导致右侧车轮相对半径差Δr右明显增大，从而推断右前轮漏气。
综上所述，本发明的一种间接式胎压监测系统和方法通过对轮速传感器的原始轮速信号和车辆已有信号进行数据融合分析得到轮胎的压力信息，实现轮胎压力监测的功能；本发明既可通过低成本硬件平台实现，也可以集成到车辆ABS/ESC系统中，实用性强，拓展功能多，应用移植性好，在日常使用中无需硬件维护，有效降低了车辆的硬件成本；本发明有效避免了直接式胎压监测系统在信号传输过程中信号延时、易受干扰等缺点，增强了监测功能的稳定性。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种间接式胎压监测系统，其特征在于：包括按信号流向依次连接的信号预处理模块、角速度计算模块、工况补偿模块、轮胎自适应模型补偿模块、滑移率计算模块、牵引力分析模块和轮胎相对半径差计算模块；
信号预处理模块的信号输入端口与传感器连接，用于接收传感器信号，并对收到的信号进行滤波以消除噪声；
角速度计算模块用于对经过预处理的信号进行齿圈角速度计算；
工况补偿模块用于补偿特殊工况；
轮胎自适应模型补偿模块用于根据轮胎特性建立自适应模型或根据轮胎规格型号调用对应的自适应模型、根据模型进行补偿以提高功能精度；
滑移率计算模块用于计算车轮滑移率；
牵引力分析模块用于计算轮端牵引力，并得到轮端牵引力与车轮滑移率的关系；轮胎相对半径差计算模块的信号输出端口与上位机连接，用于计算当前轮胎的相对半径差，与该轮胎的相对半径差的标定值对比并向上位机输出判断结果，实现胎压监测功能。
2.根据权利要求1所述的一种间接式胎压监测系统，其特征在于：信号预处理模块包括巴特沃斯型FIR低通滤波器，用于对收到的原始轮速数据进行基于事件的插值与带通滤波，滤除噪声尖刺，防止出现数据丢失导致的误报警。
3.根据权利要求1所述的一种间接式胎压监测系统，其特征在于：工况补偿模块包括信号失效补偿模块、车辆制动补偿模块、车辆换挡补偿模块、车辆倒挡补偿模块、车辆转向补偿模块、车辆ABS/ESC介入补偿模块、车轮打滑补偿模块和粗糙路面补偿模块。
4.基于权利要求1～权利要求3中任意一项权利要求所述的一种间接式胎压监测系统的监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：系统上电初始化，标定轮胎在标准胎压下的相对半径差并保存；
S2：接收包括原始轮速信号和其他辅助车辆信号的信息并保存；
S3：根据步骤S2得到的信息计算当前轮胎的相对半径差，判断当前轮胎的相对半径差是否较步骤S1得到的轮胎在标准胎压下的相对半径差的标定值增大，若是则认为当前轮胎漏气，若否则认为当前轮胎不漏气；将对比结果发送到上位机。
5.根据权利要求4所述的一种基于间接式胎压监测系统的监测方法，其特征在于：所述的步骤S1中，具体步骤为：
S11：对轮胎充好气后标定气压值；
S12：系统上电初始化，设当前胎压为标准胎压；
S13：检查当前轮胎是否有标准胎压下的相对半径差Δrc的历史标定数据，若有则判断历史标定数据的存储日期距当前日期是否大于等于设定值，若历史标定数据的存储日期距当前日期小于设定值，则不进行标定；若历史标定数据的存储日期距当前日期大于等于设定值或无历史数据，则标定轮胎在标准胎压下的相对半径差Δrc并保存。
6.根据权利要求5所述的一种基于间接式胎压监测系统的监测方法，其特征在于：所述的步骤S3中，具体步骤为：
S31：信号预处理模块接收车辆的轮速传感器或ABS/ESC系统发送的原始轮速信号和其他辅助车辆信号，通过巴特沃斯型FIR低通滤波器对原始轮速数据进行基于事件的插值与带通滤波以滤除噪声尖刺，将经过预处理的信号发送到角速度计算模块；
S32：角速度计算模块根据收到的经过预处理的轮速信号计算齿圈角速度，并发送到工况补偿模块；
S33：工况补偿模块根据收到的信号判断车辆当前状态属于何种工况，按对应工况补偿方法对收到的信号进行补偿，将补偿后的信号发送到轮胎自适应模型补偿模块；
S34：轮胎自适应模型补偿模块根据收到的信号和当前轮胎的特性建立自适应模型，或根据当前轮胎的规格型号调用对应的自适应模型，对步骤S33得到的信号进行补偿，将补偿后的信号发送到滑移率计算模块；
S35：滑移率计算模块根据收到的信号、轮胎半径、加速度信号以及其他辅助信号计算车轮滑移率，并发送到牵引力分析模块；
S36：牵引力分析模块根据收到的信号、扭矩信号计算轮端牵引力，通过最小二乘法得到轮端牵引力与车轮滑移率的关系，并发送到轮胎相对半径差计算模块；
S37：轮胎相对半径差计算模块根据轮端牵引力与车轮滑移率的关系计算当前轮胎的相对半径差Δrn，判断Δrn是否较步骤S1得到的轮胎在标准胎压下的相对半径差Δrc增大，若是则认为当前轮胎漏气，向上位机输出报警信号；若否则认为当前轮胎不漏气，向上位机输出判断结果；
S38：上位机判断收到的信号是否为报警信号，若是则向系统发送标定命令，系统收到标定命令后重新标定轮胎在标准胎压下的相对半径差Δrc并保存；若否则从步骤S31开始循环。
7.根据权利要求6所述的一种基于间接式胎压监测系统的监测方法，其特征在于：所述的步骤S13中，根据车辆行驶的不同速度区间，系统对轮胎在标准胎压下的相对半径差Δrc的标定分别进行多次并保存。
8.根据权利要求7所述的一种基于间接式胎压监测系统的监测方法，其特征在于：所述的步骤S37中，轮胎在标准胎压下的相对半径差Δrc的标定值数量达到轮胎的相对半径差的比较要求数量时，判断Δrn是否较步骤S1得到的轮胎在标准胎压下的相对半径差Δrc增大；轮胎在标准胎压下的相对半径差Δrc的标定值数量不满足轮胎的相对半径差的比较要求数量时，从步骤S1开始循环。
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Assignee: Hubei Heliyuan Electronic Technology Co.,Ltd.

Assignor: WUHAN University OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2022420000025

Denomination of invention: An indirect tire pressure monitoring system and method

Granted publication date: 20210824

License type: Common License

Record date: 20220328

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