1、前言

現(xiàn)代車輛電子信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)包括：信息采集（傳感器技術(shù)）、信息傳輸（通信技術(shù)）和信息處理（計(jì)算機(jī)技術(shù)），傳感器屬于現(xiàn)代車輛電子信息技術(shù)的前沿產(chǎn)品。

輪胎的故障是誘發(fā)和導(dǎo)致交通事故的主要原因之一，對(duì)輪胎、車輛和路面的狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確可靠和容錯(cuò)的連續(xù)監(jiān)控，是傳統(tǒng)傳感器難于精確完成的一項(xiàng)復(fù)雜的工作，可采用基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的虛擬傳感器測(cè)定路面與輪胎間的摩擦、路面條件、輪胎壓力和輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)平衡狀態(tài)等參數(shù)。虛擬傳感器是基于傳感器硬件和計(jì)算機(jī)平臺(tái)、并通過軟件開發(fā)而成的，并可利用軟件完成傳感器的標(biāo)定及校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)車輛最佳性能指標(biāo)的控制。傳感器通過數(shù)據(jù)采集器接至計(jì)卜算機(jī)，由計(jì)算機(jī)完成傳感器的檢查、傳感器參數(shù)的讀取、傳感器設(shè)置和記錄工作。

2、虛擬傳感器組成

車輛輪胎虛擬傳感器的硬件部分主要包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、優(yōu)良性能的輪速傳感器、輪壓傳感器、以及連接件和儀表。虛擬傳感器還必須包括其軟件程序包，即數(shù)據(jù)處理程序、補(bǔ)償程序和測(cè)試處理程序等。

虛擬傳感是一種信號(hào)處理技術(shù)，用于估計(jì)系統(tǒng)中不能放置物理傳感器的位置處的響應(yīng)。研究車輛輪胎虛擬傳感器可進(jìn)一步研究路面和輪胎之間的摩擦、輪胎膨脹壓力與車輪的不平衡等影響輪胎參數(shù)的因素，多傳感器融合系統(tǒng)將來自于各個(gè)傳感器的資料結(jié)合起來，描述被觀測(cè)系統(tǒng)，以取得較使用單個(gè)傳感器更為準(zhǔn)確、更為具體的結(jié)論。

利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，虛擬傳感器可以僅僅采用普通的傳感器，即車輪轉(zhuǎn)速傳感器、車輪轉(zhuǎn)矩傳感器以及車輛的CAN總線傳輸信息，再根據(jù)一定的計(jì)算機(jī)算法，完成對(duì)車輛輪胎摩擦模型的計(jì)算，從而獲得有關(guān)輪壓的有效信息。其測(cè)量的輸入與輸出如圖1所示。研究開始主要是估計(jì)路面摩擦系數(shù)，然后估計(jì)車輪壓力。

3、路面附著特性

車輛輪胎的模型之一是依據(jù)地面機(jī)器系統(tǒng)力學(xué)理論，由該理論可知：不同的地面條件產(chǎn)生的附著系數(shù)是有差異的。車輛驅(qū)動(dòng)力、附著系數(shù)與車輛輪胎滑轉(zhuǎn)率的關(guān)系如圖2。從圖中可以看出：在附著系數(shù)一定，輪胎滑轉(zhuǎn)率s=0時(shí)，驅(qū)動(dòng)力與車輛重量的比值Fφ/G最大，滑轉(zhuǎn)率s從。開始增加時(shí)，附著系數(shù)φ隨之增加，當(dāng)車輛輪胎滑轉(zhuǎn)率s=0.10～0.20時(shí)，附著系數(shù)達(dá)到最大φmax，如果滑轉(zhuǎn)率繼續(xù)增加，附著系數(shù)開始下降。當(dāng)輪胎滑轉(zhuǎn)率s達(dá)到100%時(shí)，輪胎發(fā)生完全滑轉(zhuǎn)。?

滑轉(zhuǎn)率通常定義為車輪的相對(duì)速度與切向速度的比。其表達(dá)式為公式（1）。附著系數(shù)為φ＝Fφ/G。在滑轉(zhuǎn)率十分小的情況下，車輪滑轉(zhuǎn)率與附著系數(shù)滿足線性方程φ=ks，其與輪胎的特性有關(guān)，也與路面的摩擦有關(guān)。

模型表明精確的車輪滑移率是驅(qū)動(dòng)力的一次函數(shù)μ加上一個(gè)均值白噪聲，均值白噪聲主要是由于前后車輪半徑的不同所造成的。

轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)出各個(gè)輪胎上工作轉(zhuǎn)速ω，并從CAN總線上獲得發(fā)動(dòng)機(jī)傳送至各個(gè)輪胎上的轉(zhuǎn)矩M，通過計(jì)算機(jī)對(duì)模型求解，可初步獲得各個(gè)輪胎的滑轉(zhuǎn)率和附著系數(shù)。

4、虛擬傳感器測(cè)量車輛輪胎壓力的算法

目前，國(guó)外對(duì)胎壓檢測(cè)的虛擬傳感器算法進(jìn)行了大量研究與開發(fā)工程，其中申請(qǐng)的專利有40多個(gè)，大多利用了標(biāo)準(zhǔn)車輪轉(zhuǎn)速傳感器，主要的方法有：

4.1振動(dòng)分析算法

利用輪胎橡膠在受到路面沖擊時(shí)的彈性特性，對(duì)車輪轉(zhuǎn)速的頻譜進(jìn)行抽樣分析，并去除車輛其它部分引起振動(dòng)時(shí)所導(dǎo)致的擾動(dòng)。振動(dòng)分析可通過快速傅里葉變換FFT的檢測(cè)方法完成。

該方法基本的思路是將輪胎看作一個(gè)“彈簧一阻尼”系統(tǒng)。根據(jù)輪胎模型和充氣壓力，最理想的振動(dòng)頻率一般在40-50Hz之間，但也有其他較高或較低的頻率。通過對(duì)不同輪胎的振動(dòng)進(jìn)行研究和篩選，監(jiān)控其振動(dòng)的頻率，從而得出正常頻率的值，同時(shí)檢測(cè)出非正常值。

不管是基于模型或者是FFT方法，在應(yīng)用振動(dòng)分析之前，都要對(duì)速度的測(cè)量進(jìn)行濾波。運(yùn)用擬合的最小二乘法，得出一個(gè)具．有改善了的干擾比率的速度信號(hào)。補(bǔ)償?shù)乃俣刃盘?hào)波形清晰地顯示出45Hz左右的一種振動(dòng)模式，如圖3所示。

利用FFT測(cè)量?jī)x和一個(gè)低通過率的濾波器可以計(jì)算平均周期圖，每次測(cè)試中可自動(dòng)計(jì)算出如圖4所示的峰值。離線后，可以檢測(cè)15%的輪胎壓力降，但是考慮自動(dòng)設(shè)置閾值以及很低的錯(cuò)誤警告率，檢測(cè)30％的輪胎壓力降更為可信。FFT是對(duì)數(shù)據(jù)的成批處理，有一定的滯后時(shí)間。圖4中利用了大量305的測(cè)試數(shù)據(jù)。

采用一個(gè)二次“阻尼一彈簧”模型時(shí)，計(jì)算輪胎壓力的相關(guān)參數(shù)值有

基于模型的振動(dòng)分析容易引進(jìn)擬合方法，圖5中所給出的就是利用擬合的最小二乘法得出的振動(dòng)模式。利用這種濾波器，我們可以可靠地在5s之內(nèi)檢測(cè)到30%的壓力降。這種濾波器能以最低1OOHz的頻率處理數(shù)據(jù)，計(jì)算量比FFT方法顯著下降。?

利用一臺(tái)僅以20Hz運(yùn)行的卡爾曼濾波器，在同等計(jì)算量的情況下比RLS具有更強(qiáng)的能力。圖6不同輪胎壓力下，卡爾曼濾波器的振動(dòng)估計(jì)模式，比原來少5倍的計(jì)算量，這種新的方法檢測(cè)到15%的壓力變化的速度與RLS算法檢測(cè)30％的一樣。

4.2基于輪胎半徑的輪胎壓力計(jì)算

最常見的輪胎壓力計(jì)算是基于靜態(tài)非線性變化的各輪胎速度的差值，當(dāng)車輪大小一致時(shí)這一值接近于零。

路面摩擦指示的卡爾曼濾波器的滑轉(zhuǎn)偏移量能很好反映相對(duì)的車輪半徑，測(cè)量數(shù)據(jù)是線性的，該方法對(duì)噪聲反應(yīng)不靈敏?；D(zhuǎn)偏移量可以檢測(cè)左右車輪的相對(duì)誤差，利用橫擺率濾波器可計(jì)算前后車輪之間的相對(duì)誤差，從而計(jì)算出車輪半徑。

現(xiàn)有的車輪壓力測(cè)定方法大多是基于對(duì)車輪速度的靜態(tài)測(cè)試，設(shè)ω1／ω2=ω3/ω4，腳標(biāo)為各車輪的代號(hào)（左前輪1，右前輪2，左后輪3，右后輪4）。當(dāng)車輛勻速直線或圓周行駛時(shí)，此車輛車輪轉(zhuǎn)速方程的值為零。這種信號(hào)的低透過性形式具有不小于0的非正常偏差，這超過了TPI所能利用的基點(diǎn)值。另外，數(shù)據(jù)的非線性變換引起的不合要求的統(tǒng)計(jì)狀態(tài)、彎曲強(qiáng)度的不足、不同的摩擦水平、輪胎磨損等等都限制了這種方法的可靠性。

我們發(fā)現(xiàn)，基于模型的方法能很好的顧及到上述問題，使用性能有顯．著的提高。所用的基本濾波器是路面摩擦指示濾波器（RFI），高精度橫擺率（HPY）和絕對(duì)速度指示（AVI）濾波器，后兩者適合輪胎壓力測(cè)定，相關(guān)信息見表1。

當(dāng)所有的輪胎氣體慢慢漏出時(shí)，車輛半徑與理論值的偏差可以用檢測(cè)儀器的diffusion功能鍵完成。

經(jīng)過實(shí)地試驗(yàn)，對(duì)所有的方法進(jìn)行了比較，得出的結(jié)論是最后一種方法在精確性、快速響應(yīng)特性、強(qiáng)度和計(jì)算復(fù)雜性（低階模型和低抽樣頻率）等方面具有最優(yōu)性能。

然而，在特定的情況下其它方法在某些方面可以作為一種很好的補(bǔ)充，因此最終的算法系統(tǒng)應(yīng)該是一種多算法的組合。

5、結(jié)論

虛擬傳感器通過其他傳感器的信號(hào)間接測(cè)得信息，測(cè)量路面和輪胎間的附著系數(shù)和輪胎壓力值，而所需要的專用傳感器是很昂貴的。通過精確測(cè)量車輛車輪速度信號(hào)，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)可得到摩擦和輪胎壓力。附著系數(shù)的虛擬傳感器技術(shù)現(xiàn)已日漸成熟，開始引入工程應(yīng)用中。輪胎壓力虛擬傳感器技術(shù)目前尚在研究階段，研究方法集中在基于振動(dòng)的虛擬傳感器技術(shù)，和基于車輪半徑模型的虛擬傳感器技術(shù)。但對(duì)于復(fù)雜多變的外部干擾因素需要CAN總線的修正信息。

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