基于數(shù)字信號處理的新型車載減震檢測方法研究

1、    基于數(shù)字信號處理的新型車載減震檢測方法研究摘要：介紹了一種基于數(shù)字信號處理的新型車載減震檢測方法，本方法利用汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)檢測的加速度信號（系統(tǒng)在進(jìn)行胎壓監(jiān)測的同時，自動為減震系統(tǒng)提供檢測數(shù)據(jù)），并用數(shù)字信號處理方法提取出震動加速度值。給出了此方法的理論推導(dǎo)及其軟件仿真實(shí)例。關(guān)鍵詞：汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)；數(shù)字信號處理(DSP)；FFT；DFT；濾波本方法利用TPMS（汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)）檢測到的車輪加速度信號工作。TPMS系統(tǒng)在進(jìn)行輪胎摘要：介紹了一種基于數(shù)字信號處理的新型車載減震檢測方法，本方法利用汽車輪胎壓力監(jiān)

2、測系統(tǒng)(TPMS)檢測的加速度信號（系統(tǒng)在進(jìn)行胎壓監(jiān)測的同時，自動為減震系統(tǒng)提供檢測數(shù)據(jù)），并用數(shù)字信號處理方法提取出震動加速度值。給出了此方法的理論推導(dǎo)及其軟件仿真實(shí)例。關(guān)鍵詞：汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)；數(shù)字信號處理(DSP)；FFT；DFT；濾波本方法利用TPMS（汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)）檢測到的車輪加速度信號工作。TPMS系統(tǒng)在進(jìn) 行輪胎壓力監(jiān)測的同時，利用其內(nèi)置的加速度傳感器為減震檢測系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。1汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)隨著集成電路的發(fā)展和微處理器的廣泛應(yīng)用，汽車電子產(chǎn)品得到了飛速發(fā)展。目前，汽車電子產(chǎn)品大致可歸納為以下幾類：汽車發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)、汽車傳動和行駛控制

3、系統(tǒng)、汽車安全和故障診斷系統(tǒng)、汽車信息顯示系統(tǒng)、汽車用多路傳輸總線、汽車環(huán)保類電子產(chǎn)品、電動汽車等，種類繁多，可以說已經(jīng)形成了自己獨(dú)立的汽車電子產(chǎn)業(yè)。TPMS是汽車安全和故障診斷系統(tǒng)中主要的汽車安全報警設(shè)備。他的功能是對輪胎壓力/溫度/加速度等信號進(jìn)行實(shí)時檢測和顯示，并當(dāng)壓力出現(xiàn)異常情況時產(chǎn)生報警信號。TPMS有助于提高輪胎使用壽命與車輛駕駛安全性。TPMS由若干個安裝于輪胎（真空胎）內(nèi)部的無線數(shù)字傳感器（下位機(jī)）和一臺帶無線收發(fā)電路的主機(jī)系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)如圖所示。上位機(jī)與各下位機(jī)之間采用主從式異步無線串行通信方式。下位機(jī)負(fù)責(zé)檢測輪胎內(nèi)部信息，上位機(jī)顯示信息，并當(dāng)壓力與溫度等狀態(tài)達(dá)到危險值時，

4、產(chǎn) 生報警信號。下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信由RF高頻信號完成。下位檢測裝置安裝在輪胎輪轂邊緣部位如圖2中輪子邊緣點(diǎn)1所示，他能檢測壓力、溫度、加速度信號；上位機(jī)顯示界面安裝在駕駛室內(nèi)的儀表面板上。2本方法的設(shè)計目的與功能目前安裝TPMS的多為中高檔汽車，在這些汽車中很多都具有根據(jù)路面狀況自動調(diào)節(jié)減震裝置特性的功能?，F(xiàn)有路況檢測方法基于安裝在車身上的加速度傳感器。當(dāng)汽車在不同路況下行駛時，控制系統(tǒng)根據(jù)車身震動狀況對汽車的減震裝置進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，使行駛更安全、更舒適。本方法根據(jù)TPMS檢測到的輪轂邊緣加速度信號工作，利用數(shù)字信號處理方法分離出車輪由路面波動引起的震動加速度值。本方法的優(yōu)勢在于車輪加速

5、度信號沒有經(jīng)過懸掛裝置過濾，因此對路況的反應(yīng)更直接、更靈敏。同時通過對比車輪震動加速度與車身震動加速度，可對懸掛裝置的性能進(jìn)行評價并及時定位懸掛系統(tǒng)的故障。3理論推導(dǎo)傳感器位于輪轂邊緣其運(yùn)動加速度模型如下：3.1理想平整路面行駛時的輪子邊緣一點(diǎn)的運(yùn)動模型在理想平整路面行駛時的輪子邊緣一點(diǎn)的運(yùn)動模型，如圖3所示。設(shè)輪子半徑為R，沿平面做無滑滾動，圓心C點(diǎn)的速度Vc=v，加速度為，方向均沿y軸，并設(shè)x軸與y軸方向為i，j，以C為基點(diǎn)，得P點(diǎn)總加速度為：原來P點(diǎn)總加速度由車輪本身前進(jìn)方向的線加速度、輪子邊緣點(diǎn)的向心加速度與傳感器本身重力加速度合成。這里只考慮前兩項的原因是：傳感器本身重力加速度是一個

6、常量，在傅里葉變換后，能量集中在頻率為零的區(qū)域，而所要提取的震動加速度信號是個快速變化的量，其能量不可能集中于這一區(qū)域。離散化處理：設(shè)車輪角速度為0，車輪模擬角頻率為=0/2，取采樣周期為T，則數(shù)字角頻率0=2T=0T。假設(shè)在一次采樣時間內(nèi)v與為常數(shù)。對式（2）離散化處理后得：故可說明，|P2(n)|其頻域展開只有3個脈沖。稱此方程式（4）為頻域展開方程。此3個脈沖分別是：從物理意義上來講，他是與車輪車速直接相關(guān)的。3.2引入路況震動條件下提取震動加速度值假設(shè)汽車在正常路面行駛狀態(tài)下，下位機(jī)檢測的總加難點(diǎn)在于，采樣周期T要隨著角速度變化而變化：(2)車速過低時，T太大造成系統(tǒng)能耗浪費(fèi)。解決方法

7、：將T按0值分為幾個等級。假設(shè)一個采樣正確與否的判據(jù)：若系統(tǒng)頻域展開為單個或3個脈沖，則采樣正確。3.3程序框圖由系統(tǒng)生成可以自動循環(huán)調(diào)用采樣周期T的程序。T的初值可根據(jù)需要設(shè)為上次正確采樣時的T值，這樣可減少循環(huán)次數(shù)。若采樣錯誤則繼續(xù)調(diào)用T的最小值，依次循環(huán)下去，直至最后一個值。若都錯誤，則這次采樣失敗，程序框圖如圖4所示。4仿真分析4.1仿真條件說明采樣頻率取最高頻率的2倍；T值分布：當(dāng)v為018 km/h時，T200ms；當(dāng)v為1836 km/h時，T100 ms；當(dāng)v為3672 km/h時，T50 ms；當(dāng)v為72144 km/h時，T25 ms。設(shè)R0.3 m，震動加速度是幅值為10

8、v的隨機(jī)噪聲信號。4.2仿真結(jié)果(1)勻速狀態(tài)下，對各v值仿真分析。由于篇幅限制，本文僅用最小速度與最大速度值說明問題，如圖5所示。由圖5可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車在勻速行駛狀態(tài)下，本方法所提取震動加速度信號是很有效的，并且不會受汽車駕駛速度的影響。(2)取=0.5 m/s2時，對各v值仿真分析，如圖6所示。?隨著車速增大，效果會變差一點(diǎn)，但是對減震裝置來說是可以接受的。5結(jié)語本方法在提取震動信號的同時也分離出了車輪的轉(zhuǎn)動信號，如果能提高檢測的可靠性甚至 可以取代汽車ABS系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速檢測傳感器。目前TPMS從安裝于汽車翼子板上的無線饋電裝置獲取電能，在車輪轉(zhuǎn)動時傳感器需多次重復(fù)接近充電線圈才能累積足夠的工作能量，因此測量是斷續(xù)進(jìn)行的，目前還不能取代對實(shí)時性要求很高的ABS轉(zhuǎn)速檢測傳感器。要實(shí)現(xiàn)此功能必須使下位機(jī)自主發(fā)電或?qū)ふ移渌咝实哪芰總魉头椒?。目前正在研究這方面的技術(shù)方案。參考文獻(xiàn)1樓順天，李博菡.基于Matlab的系統(tǒng)分析與設(shè)計信號處理M.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1998.2趙巨才，師俊平.理論力學(xué)M.西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社,1995.3Ruan Lour