CN204432265U - 多算法融合型商用车胎压监测系统及该商用车 - Google Patents

Abstract

提供一种多算法融合型商用车胎压监测系统及该商用车，其基于轮速，可在车辆行驶时实时对胎压监测和报警。系统通过监测安装在商用车每轴侧的轮速传感器获得轮速信号，控制器通过CAN总线连接仪表，识别胎压异常并判断位置后，控制器将信息传递给仪表，仪表以声光形式预警提示给驾驶员；控制器采用对角线比较法模块可以测算出胎压异常；控制器采用共振频率响应法模块，用基于扭转弹簧的共振频率响应法可以测算出具体胎压异常的轴侧位置；控制器采用均值阈比较法模块测算出胎压变化速率，实现胎压快速泄漏检测。本实用新型具有成本低、使用寿命长的特点，适用于商用车应用，多算法融合使得该胎压监测系统具有预警全面、可靠性高、虚警率低的特点。

Description

多算法融合型商用车胎压监测系统及该商用车

技术领域

本实用新型属于车辆安全领域，涉及传感器技术、电子技术、通讯技术、嵌入式系统、软件等技术，具体涉及一种商用车胎压监测系统，用于在车辆行驶时实时对胎压监测和报警。

背景技术

随着道路运输量的不断增加，商用车引发的重特大交通事故率呈上升趋势，并且40％的事故与轮胎相关，而轮胎压力是评价轮胎工作性能的关键指标。目前国内汽车行业胎压监测系统应用还处于开始阶段，仅少量乘用车配置，并且多数是基于压力传感器，无线收发式的主动胎压监测系统，该系统因为需要在每个轮胎上安装压力监测发射单元，安装维护成本非常高，商用车应用非常困难。

国标已经要求重型商用车标配防抱死制动系统，轮速传感器安装越来越普及，轮速与胎压存在密切关联关系，通过监测轮速可以监测出胎压异常变化，监测胎压异常的算法有很多种，各自都有局限性，实际应用存在虚警率高，易受干扰的问题。

实用新型内容

针对以上的一个或多个技术问题，提供一种多算法融合型商用车胎压监测系统及该商用车，其具有成本低、使用寿命长的特点，适用于商用车应用，多算法融合使得该胎压监测系统具有预警全面、可靠性高、虚警率低的特点。

本实用新型的技术方案是：

一种多算法融合型商用车胎压监测系统，包括电源、轮速传感器、控制器，具体地：

轮速传感器成对安装在车桥上，用于对轮速信号进行采样分析，轮速传感器连接控制器；

控制器通过CAN总线连接仪表，控制器识别胎压异常并判断位置后，控制器包括胎压异常程度输出模块、胎压异常位置输出模块，胎压异常程度输出模块、胎压异常位置输出模块均连接仪表，仪表以声光形式预警提示给驾驶员；

控制器包括对角线比较法测算模块、共振频率响应法测算模块、均值阈比较法测算模块，其中对角线比较法测算模块采用对角线比较法可以测算出胎压异常；共振频率响应法测算模块采用基于扭转弹簧的共振频率响应法可以测算出胎压异常，也可以测算出具体胎压异常的轴侧位置；均值阈比较法测算模块采用均值阈比较法可以测算出胎压变化速率。

进一步地，轮速传感器采集分析每轴侧的轮速传感器信号，在轮速传感器及控制器之间通过隔离放大电路连接，隔离放大电路将信号进行隔离放大处理，隔离是防止胎压监测系统影响传感器所属的防抱死制动系统，放大是提高系统信号适应性。

进一步地，在所述的隔离放大电路与控制器之间设有信号调理装置，信号调理装置包括滤波、整形电路及信号处理模块。

进一步地，在所述的信号调理装置与控制器之间设有定时-计数器。

进一步地，控制器包括相连的单片机MCU及数字信号处理器DSP，单片机包括瞬时轮速数据获取模块，瞬时轮速数据获取模块分别连接对角线比较法测算模块、共振频率响应法测算模块，共振频率响应法测算模块连接数字信号处理器DSP。

进一步地，控制器能够通过控制器能够通过从轮速传感器采集的轮速信号，经过数字滤波处理后，通过对角线比较法测算模块、共振频率响应法测算模块、均值阈比较法测算模块进行胎压检测，并将检测结果传送到声光仪表进行显示和报警，同时将检测结果通过CAN总线向车载系统发布。

进一步地，还包括学习系统，学习系统与控制器连接，学习系统包括学习开关、学习指示灯、标定模块，标定模块能够通过标定，适应更换不同种类和规格的轮胎，以及不同的初始胎压；标定模块包括精确标定模块和一般标定模块，精确标定模块由车厂和服务站借助标定设备进行标定；一般标定模块为司机通过学习开关，系统进行自学习标定。

进一步地，系统包括多级门槛报警装置，多级门槛报警装置包括多种报警语音信息，多级门槛报警装置连接控制器，根据控制器得到的胎压数据的异常百分比，发出对应的报警语音信息给仪表。

一种商用车，采用上述多算法融合型商用车胎压监测系统。

本系统通过监测安装在商用车每轴侧的轮速传感器获得轮速信号，采用对角线比较法可以测算出胎压异常；采用基于扭转弹簧的共振频率响应法可以测算出具体胎压异常的轴侧位置；采用均值阈比较法可以测算出胎压变化速率，实现胎压快速泄漏检测。本系统主要特点是：

1.成本低。系统基于商用车普遍配置的防抱死制动系统轮速传感器，传感器自身成本不高，并且仅需加装防抱死制动系统未覆盖的轴侧，系统传感器成本低。控制器采用嵌入式控制系统，技术成熟、成本低。系统仅在重新充气或换胎时需要自学习一次，不需要额外的维护成本。系统没有损耗件，寿命可与车体寿命相同。

2.预警全面、可靠性高、虚警率低。对角线比较法可以有效避免车辆转向、温度变化引起的虚警问题，但对于同轴或同侧轮胎均匀缺气时无法检测；基于扭转弹簧的共振频率响应法通过识别轮胎的特征速度频谱特性检测胎压变化，可以判断出哪一轴侧胎压异常，但易受路况、轮胎磨损等因素影响产生虚警；采用均值阈比较法可以测算出胎压变化速率，弥补了前两种无法进行快速泄漏检测的缺陷。多算法融合使得该胎压监测系统具有预警全面、可靠性高、虚警率低的特点。

3.系统具有多级门槛报警功能，可根据胎压异常百分比，发出对应的报警语音信息，让驾驶员对车辆胎压的具体情况能够详细掌握。

4.系统具有自学习和标定功能，系统能够实现通过标定适应更换不同种类和规格的轮胎，确保系统工作的可靠性。

本实用新型的有益效果是：以很低的成本，可靠地实现了商用车胎压监测的功能，并且胎压监测精度满足相关标准要求。

附图说明

图1为多算法融合的商用车胎压监测系统的电气连接示意图；

图2为多算法融合的商用车胎压监测系统预警控制流程图；

图3为多算法融合的商用车胎压监测系统控制器ECU硬件原理框图；

图4为弹簧-阻尼系统示意图；

图5为弹簧阻尼模型图：

图6为轮胎扭转弹簧共振频率和轮胎气压变化关系图；

图7为多算法融合的商用车胎压监测系统的一种实施例的结构图。

具体实施方式

现结合附图与具体实施例对本实用新型作进一步地说明：

如图1所示，轮速传感器成对安装在车桥上，对轮速信号进行采样分析，识别胎压异常并判断位置后，通过CAN总线报给仪表，仪表以声光形式预警提示给驾驶员。

因为基于扭转弹簧的共振频率响应法检测胎压精度较高，但也敏感，易受干扰，先用其检测是否存在胎压异常的可能。如果是单侧胎气压异常，则用对角线比较法进行校核确认，确认后发送预警信息。未得到确认的，仍需进行均值阈比较法判断，检查是否存在虽未达到低气压报警阈值，但已经有快速泄漏的可能，如果存在快速泄漏的，也发送预警信息。对于同侧、同轴等无法用对角线校核的情况，采用延时多周期连续表决的方法确认胎压异常，可提高可靠性，降低虚警率。

如图3所示，由于轮速传感器的输出信号是车载ABS的主要原始输入信号，所以要求系统对该信号的影响要降至最低。因此设置了隔离放大电路，并将其输出信号经过诸如滤波、整形等处理后送进信号处理模块进行后续的处理。

MCU的作用是读取轮速数据并加以缓存，经过数字滤波处理后，通过对角线轮速比较算法进行胎压检测，并将检测结果通过声光信号进行显示和报警，同时将检测结果通过CAN总线向车载系统发布。CAN总线收发功能的实现需要通过外部的CAN总线收发器件加以实现。

MCU接收来自于轮速传感器的轮速信号，是通过片内的高精度定时-计数器对其每一方波信号进行周期检测，获取高精度且具有一定数据率的瞬时轮速数据，经缓存和滤波后进行后续的处理。

瞬时轮速数据既可以用于对角线轮速比较法又可以用于共振频率分析法。在采用对角线比较法时，数据在MCU中就可以完成处理，而采用频率分析法时，由于算法复杂程度较高，相关数据需要送入DSP处理器芯片中才能完成必需的处理任务。

DSP芯片的主要功能是与MCU进行数据通信，获取MCU测量得到的瞬时轮速数据，经过等周期数据采样率处理、数字滤波、频谱分析和比较处理后，将检测结果回送进MCU处理器。

1.轮速信号的采集和处理：轮速信号是通过电磁感应式轮速传感器采集的，传感器输出的信号是在轮胎转过相同的角度时产生的电磁感应电压波形，轮速是不断变化的，这就意味着波形是一个变频变幅信号。瞬时轮速信号采样及数字化的方式是：对轮速传感器输出的信号进行整形处理，使其转化为标准的连续方波波形，通过对每个方波波形周期的精确测量(通过MCU的定时-计数器)，即可获取满足精度要求的轮胎瞬时转动速度数据。为了适应软件算法使用，该信号还需要进行诸如数字滤波、周期化等预处理工作。

2.基于扭转弹簧的共振频率响应法：

2.1轮胎振动模型

轮胎是车辆在加速、制动和转向时进行控制的机械装置，可以产生相应作用力。从现代动力学的角度考虑，轮胎基本可视为一个弹簧-阻尼系统，它减缓由于路面不平所带来的冲击，并与车身和非悬挂重量的垂直运动相互作用，形成一个具有共振频率的动态系统，它的共振频率域轮胎的气压息息相关，它随胎压的减少而降低，基本呈线性关系，因此根据计算出来的共振频率即可求得轮胎气压，实现对轮胎气压的监控。

图4所示了一个关于振动的常用简单模型，把轮胎看作是一个在扭转和垂直方向的弹簧阻尼系统。垂直的弹簧阻尼系统会导致下述两种情况：

首先，在稳定状态下，影响轮胎有效滚动半径长短的因素只有弹簧系数k和轮胎所受的压力V，若设轮胎的角速度为ω，则有：

   (式1)

式(1)中Δk表示由于气压变化引起的弹簧系数k的变化量，r表示标准的轮胎滚动半径。当某轮胎气压发生变化，比如降低时，会导致弹簧系数k也随之下降，这就意味着轮胎的有效滚动半径变小。

其次，汽车轮胎半径变化量会围绕着一个特定的频率范围振动。而造成这个现象的主要原是因为地面的粗糙和不平整，间接地导致轮速在相对固定的频率点上下波动。当汽车轮胎气压不足时，弹簧系数的降低会使共振频率降低：

f_res＝f_norm-g(Δk)   (式2)

式(2)中fnorm是标准胎压时的共振频率，g是Δk弹簧系数变化量和振动频率之间函数关系。

2.2连续时间振动模型

图3并不能把轮速信号包含的所有信息都完全解释，该图只是简要地说明振动的基本特性，图3所示为轮胎与路面间的弹簧阻尼模型，这里只使用垂直方向的弹簧阻尼系统，但是分析得出的结果对扭转方向同样有效。并且扭转方向上的共振频率比垂直方向大得多。

图5中，y是在垂直弹簧模型中汽车胎圈的上偏移量或是扭转弹簧模型中汽车轮圈的角速度，他们的初始状态都是静态平衡的。k表示弹簧系数，b表示阻尼系数，m表示轮圈的重量或是表示扭转弹簧共振模型中的转动惯量。根据牛顿第二运动定律，可以得到以下的一些运动方程：

$\stackrel{\·\·}{y}\left(t\right)+\frac{b}{m}\stackrel{\·}{y}\left(t\right)+\frac{k}{m}y\left(t\right)=F\left(t\right)$    (式3a)

$\frac{b}{m}\stackrel{\·}{X}\left(t\right)+\frac{k}{m}X\left(t\right)=F\left(t\right)$    (式3b)

式(3)中，F(t)表示作用在汽车轮胎上的力。其主要是由于路面不平整引起的，X是表征路面特性的不规则函数。方程中，假设对该系统静态平衡点造成影响的只有车身的非接触质量。方程(3a)可以化简为标准的运动振动方程：

$\stackrel{\·\·}{y}\left(t\right)+2\mathrm{\γ}\stackrel{\·}{y}\left(t\right)+{f_0}^{2}y\left(t\right)=F\left(t\right)$    (式4)

其中：

$\mathrm{\γ}=\frac{b}{2m},f_0=\sqrt{\frac{k}{m}}$    (式5)

公式(4)运用拉普拉斯变换可以得到：

Y(s)＝H(s)F(S)   (式6)

H(s)表示弹簧阻尼系统的传递函数，定义为：

$H\left(s\right)=\frac{1}{s^2+2\mathrm{\γs}+{f_0}^2}$    (式7)

式(7)中极点的幅值和辐角如下式所示：

   (式8)

$\arg \left(s\right)=\frac{\mathrm{\γ}}{f_0}=\frac{b}{2\sqrt{\mathrm{mk}}}$    (式9)

从传递函数式(7)中将s用j2πf来代替

${\left|H\left(j2\mathrm{\πf}\right)\right|}^2=\frac{1}{({\left(2\mathrm{\πf}\right)}^2-{f_0}^2)+{4\mathrm{\γ}}^2{\left(2\mathrm{\πf}\right)}^2}$    (式10)

式(10)中的共振频率定义为

$f_{\mathrm{res}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{f_0^2-2{\mathrm{\γ}}^2}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k}{m}-\frac{b^2}{2m^2}}$    (式11)

图6所示为轮胎扭转弹簧系数和气压变化的关系图。从图中可以看出汽车轮胎压力和扭转弹簧系数成正比，并且当车速超过20km/hr时这一特性将不再会随着车速的变化而改变。

如图6所示，当轮胎压力降低时，弹簧系数就会降低，同时阻尼系数就会增加。由式(5)和(10)可知，随着汽车轮胎气压的减小，共振频率也随之减小，表现为弹簧阻尼系统的传递函数H(s)的极点会向原点移动，相角会向实轴移动。因此通过估算弹簧-阻尼系统共振频率的变化可以检测出胎压的变化，也就可以准确地识别出具体哪一轴侧的轮胎胎压异常。

3.对角线比较法：

以4*2商用车，4通道ABS为例，对角线比较算法的核心是如下轮速度比较方程：

α＝(WLF×WRR)/(WRF×WLR)

式中：W为轮胎转速，下标第一位L/R表示左/右，下标第二位F/R表示前轴/后轴。

根据汽车运动学方程：

WLF＝V_LF/r_LF×(1-S_LF)×COSα_LF

式中：V_LF表示左前轮胎在车辆前进方向上的速度，r_LF表示左前轮胎的滚动半径，S_LF表示左前轮胎的转动滑移系数，α_LF表示滑移角度。假设为高附路面，滑移系数接近0，滑移角度很小(cosαLF≈1)，且同一轴上的轮胎滑动角度相等，则这个轮速度表达式就可以有效反映轮胎有效半径的关系，从而反映各轮胎压力的关系。

α＝(WLF×WRR)/(WRF×WLR)≈(r_LF×r_RR)/(r_RF×r_LR)

从上式可见，当α不等于1时，可以判断轮胎胎压异常。从式中也可看出如果某些轮胎均匀泄漏时，系统无法判断胎压异常。

4.均值阈比较法：在相对较长的周期内，连续采样计算轮速变化速率，当轮速变化速率呈稳定增加趋势，并且平均值超过设定阈值时，判定轮胎存在快速泄漏。

根据以上数据处理的已知方法，对监测系统进行配置，实施内容包括：

多算法融合型商用车胎压监测系统，包括电源、轮速传感器、控制器，轮速传感器成对安装在车桥上，用于对轮速信号进行采样分析，轮速传感器连接控制器；控制器通过CAN总线连接仪表，控制器识别胎压异常并判断位置后，控制器通过CAN总线连接仪表，控制器识别胎压异常并判断位置后，控制器包括胎压异常程度输出模块、胎压异常位置输出模块，胎压异常程度输出模块、胎压异常位置输出模块均连接仪表，仪表以声光形式预警提示给驾驶员；控制器包括对角线比较法测算模块、共振频率响应法测算模块、均值阈比较法测算模块，其中对角线比较法测算模块采用对角线比较法可以测算出胎压异常；共振频率响应法测算模块采用基于扭转弹簧的共振频率响应法可以测算出胎压异常，也可以测算出具体胎压异常的轴侧位置；均值阈比较法测算模块采用均值阈比较法可以测算出胎压变化速率。轮速传感器采集分析每轴侧的轮速传感器信号，在轮速传感器及控制器之间通过隔离放大电路、信号调理装置、定时-计数器进行连接，或者控制器内置隔离放大电路、信号调理装置、定时-计数器；隔离放大电路将输入的轮速脉冲信号前期进行隔离放大处理；信号调理装置包括滤波、整形电路及信号处理模块；控制器包括相连的单片机MCU及数字信号处理器DSP，单片机包括瞬时轮速数据获取模块，瞬时轮速数据获取模块分别连接对角线比较法测算模块、共振频率响应法测算模块，共振频率响应法测算模块连接数字信号处理器DSP；控制器能够通过CAN总线接口读取轮速报文数据并加以缓存，经过数字滤波处理后，通过对角线比较法测算模块、共振频率响应法测算模块、均值阈比较法测算模块进行胎压检测，并将检测结果传送到声光仪表进行显示和报警，同时将检测结果通过CAN总线向车载系统发布；还包括学习系统，学习系统与控制器连接，学习系统包括学习开关、学习指示灯、标定模块，标定模块能够通过标定，适应更换不同种类和规格的轮胎，以及不同的初始胎压；标定模块包括精确标定模块和一般标定模块，精确标定模块由车厂和服务站借助标定设备进行标定；一般标定模块为司机通过学习开关，系统进行自学习标定；系统包括多级门槛报警装置，多级门槛报警装置包括多种报警语音信息，多级门槛报警装置连接控制器，根据控制器得到的胎压数据的异常百分比，发出对应的报警语音信息给仪表。

在商用车，如轻卡、重型卡车、挂车及客车上装配该多算法融合型商用车胎压监测系统。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本案的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本案进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本案的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本案技术方案的精神，其均应涵盖在本案请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种多算法融合型商用车胎压监测系统，包括电源、轮速传感器、控制器，具体地：

轮速传感器成对安装在车桥上，用于对轮速信号进行采样分析，轮速传感器连接控制器；

控制器通过CAN总线连接仪表，控制器识别胎压异常并判断位置后，控制器包括胎压异常程度输出模块、胎压异常位置输出模块，胎压异常程度输出模块、胎压异常位置输出模块均连接仪表，仪表以声光形式预警提示给驾驶员；

控制器包括对角线比较法测算模块、共振频率响应法测算模块、均值阈比较法测算模块，其中对角线比较法测算模块采用对角线比较法可以测算出胎压异常；共振频率响应法测算模块采用基于扭转弹簧的共振频率响应法可以测算出胎压异常，也可以测算出具体胎压异常的轴侧位置；均值阈比较法测算模块采用均值阈比较法可以测算出胎压变化速率。

2.根据权利要求1所述的一种多算法融合型商用车胎压监测系统，其特征在于，轮速传感器采集分析每轴侧的轮速传感器信号，在轮速传感器及控制器之间通过隔离放大电路连接，隔离放大电路将信号进行隔离放大处理，隔离是防止胎压监测系统影响传感器所属的防抱死制动系统，放大是提高系统信号适应性。

3.根据权利要求2所述的一种多算法融合型商用车胎压监测系统，其特征在于，在所述的隔离放大电路与控制器之间设有信号调理装置，信号调理装置包括滤波、整形电路及信号处理模块。

4.根据权利要求3所述的一种多算法融合型商用车胎压监测系统，其特征在于，在所述的信号调理装置与控制器之间设有定时-计数器。

5.根据权利要求1至4任一种所述的一种多算法融合型商用车胎压监测系统，其特征在于，控制器包括相连的单片机MCU及数字信号处理器DSP，单片机包括瞬时轮速数据获取模块，瞬时轮速数据获取模块分别连接对角线比较法测算模块、共振频率响应法测算模块，共振频率响应法测算模块连接数字信号处理器DSP。

6.根据权利要求5所述的一种多算法融合型商用车胎压监测系统，其特征在于，控制器能够通过控制器能够通过从轮速传感器采集的轮速信号，经过数字滤波处理后，通过对角线比较法测算模块、共振频率响应法测算模块、均值阈比较法测算模块进行胎压检测，并将检测结果传送到声光仪表进行显示和报警，同时将检测结果通过CAN总线向车载系统发布。

7.根据权利要求6所述的一种多算法融合型商用车胎压监测系统，其特征在于，还包括学习系统，学习系统与控制器连接，学习系统包括学习开关、学习指示灯、标定模块，标定模块能够通过标定，适应更换不同种类和规格的轮胎，以及不同的初始胎压；标定模块包括精确标定模块和一般标定模块，精确标定模块由车厂和服务站借助标定设备进行标定；一般标定模块为司机通过学习开关，系统进行自学习标定。

8.根据权利要求7所述的一种多算法融合型商用车胎压监测系统，其特征在于，系统包括多级门槛报警装置，多级门槛报警装置包括多种报警语音信息，多级门槛报警装置连接控制器，根据控制器得到的胎压数据的异常百分比，发出对应的报警语音信息给仪表。

9.一种商用车，其特征在于，采用上述权利要求1至8任一种所述的一种多算法融合型商用车胎压监测系统。