ABS实现软件胎压监控系统原理

胎压监测意义

汽车轮胎胎压的高低，直接影响到整车安全行驶的安全性、舒适性以及燃油经济性。爆胎的引发交通事故的主要原因之一，保持轮胎胎压正常和及时发现轮胎漏气是防止爆胎的关键。汽车轮胎胎压监测系统（TPMS）主要用于汽车行驶时实时监测轮胎胎压，对轮胎漏气和低胎压进行报警，是驾车者和乘车人员生命安全的保障性预警系统。

轮胎是汽车行驶系的重要组成部分之一，在汽车起一个支撑原件和行走的作用。汽车轮胎的主要功能是支撑负荷，向地面传递制动力、驱动力和转向力，以及缓冲减震。轮胎对汽车性能具有十分重要的影响，它不仅影响汽车的行驶安全性、经济性和平顺性，而且影响汽车的环保性能和运输效率等。影响轮胎性能的一个重要因素是轮胎调压。轮胎胎压超过正常值时，将使轮胎与地面接触面积减少，摩擦系数降低，导致车辆侧滑、颠簸、爆胎，容易发生危险；轮胎胎压低于正常值时，轮胎变形增加，轮胎和路面接触面积增大，摩擦系数成倍增长，使轮胎温度急剧上升，就会导致车辆在高速行驶中热量迅速集中，最后导致爆胎，如果车辆在低速状态下行驶，就会因轮胎变形过大而是轮胎损伤更大。保持轮胎正常胎压，不但是延长轮胎使用寿命，减小滚动阻力，还是减少油耗，提高车辆使用经济性。因此，汽车行驶中，实时在线地监测轮胎胎压是否正常对保证行驶安全至关重用。

近些年来，由于轮胎问题引发的重大交通事故呈逐年上升趋势。据报道，全国众多交通事故中因轮胎引发的事故约占20.8%。高速公路每百公里事故率为普通公路的4倍多，事故死亡率是普通公路的5倍，其中70%是由于轮胎爆胎而引起的，而在美国这一比例则高达80%。

胎压监测系统简介:

TPMS是轮胎胎压监测系统“Tire Pressure Monitoring System”的英文缩写，主要用于在汽车行驶过程中对轮胎胎压的实时自动监测，对轮胎漏气和低胎压进行报警，以保证行车安全，是驾驶者和乘车人员的生命安全保障预警系统。

轮胎胎压监测系统实现在汽车安全产业发展的一个重要方向，众多研究者都在尽力找到更好的压力监测方法。目前轮胎胎压监测系统主要分两类：直接式TPMS和间接式TPMS。

直接式TPMS：

利用安装在没哟个轮台里的压力传感器和温度传感器来直接测量轮胎的压力和温度，并对各轮胎胎压进行显示和监控。典型的直接轮眼胎压监测系统可以分为轮胎模块和中央接收模块，其原理如图:

目前，直接式TPMS可分为主动式和被动式两种：

（1）主动式TPMS是利用安装在每一个轮台里的锂电子电池为电源的压力传感器来直接测量轮胎的胎压，并通过无线调制发射到安装在驾驶台的监视器上。当轮胎胎压太低或有渗漏时，系统就会自动报警。

（2）被动式TPMS也叫无电池TPMS，它用一个中央收发器代替了一般的中央接收器。安装台轮胎中的转发器接受来自中央收发器的信号，同时利用这个信号的能量发射一个反馈信号到中央收发器，由中央收发器实现自动报警。

间接式TPMS：

间接式TPMS就是在压力监测过程中，利用汽车已经装有的ABS轮速传感器或者气态的传感信号，通过相应的模型和算法间接监测轮胎胎压，即压力信号并非由传感器直接得出，而是通过某一中间量直接得出。

目前常见的间接式TPMS有计算式和磁敏式两种：

（1）计算式间接TPMS：

介绍四种以ABS 轮速信号为基础的间接式轮胎压力监测系统。从不同的角度建立有关不同参数的轮胎滚动模型，利用ABS 轮速传感器获取准确的轮速信号，通过相应的算法来间接实现对轮速的监测。它们分别运用轮速比较、有效滚动半径、扭转刚度以及纵向刚度等参量并通过不同的算法来监测气压的变化，以下是对这几种方法的研究。

1 轮速比较式

轮速比较式胎压监测系统是早期的间接式胎压监测系统，原理和算法都比较简单。该系统利用ABS 轮速传感器测量每一个轮胎的轮速当一个轮胎的气压减小时，由于滚动半径减小，车轮的旋转速度就相应地加快，如图2.1 所示，r eff 表示有效轮胎半径：

因此可以设定一个比率η来监测汽车轮胎胎压的状态是否正常：

其中，r FL、r FR、r RR、r RL 分别为左前、右前、左后和右后四个轮胎的滚动半径。如果这个比率η偏离设定的公差，一个或更多轮胎就会过于膨胀或处于充气不足状态，然后，指示灯会提示司机，有一个轮胎处于低压状态。

该系统外加组件数量少，只需在原有的系统上增加报警程序和报警提示装置，系统成本很低。但是，轮速比较式TPMS 存在着很大的局限性：

第一是指示灯无法指出是哪个轮胎处于低压状态；

第二是当同一车轴或同一侧的两个轮胎都处于低压状态时，它无法检测出究竟是哪个轮胎充气不足；

第三是如果所有四个轮胎都处于低压状态，该系统不会发现这一故障。

2 有效滚动半径式

轮胎的有效滚动半径的变化同轮胎气压变化之间有着直接的联系，如下图所示，当气压降低时，轮胎着力点的变形将增大，其有效滚动半径将变小，根据车速V=ω·r的关

系，在汽车速度不变的情况下，气压不足的轮胎的角速度ω将变大，如下关系式：

式中，r为轮胎初始半径，δ表示由于轮胎变形引起的半径变化量，胎压的变化导致δ变化，从而引起轮角速度ω变化。以轮胎有效滚动半径分析为基础的气压报警系统，其实质是通过估算滚动半径减小的程度来检测轮胎气压降低的程度。

与轮速比较法相比，这里采用的算法增加了纵向与横向动态分析法。纵向动态分析是利用纵向摩擦模型对驱动轮与从动轮进行比较；横向动态分析是利用横摆速率模型对左右两侧的车轮速度进行比较。

这样的算法处理，就避免了轮速比较法中当同一车轴或同一侧的两个轮胎都处于低压状态时无法辨别的问题，作为对第一种方法的改进，运用有效滚动半径监测胎压实现的关键是进行算法的改进和参数的精确获得，以便提高精度。

3 扭转刚度式胎压监测系统

如下图所示，把轮胎看作是理想的扭转弹簧。扭转弹簧的扭转刚度和轮胎压力之间呈线性关系，并且在车速在20km/h 以上时，扭转刚度值不随车速的变化而变化，这为利用扭转刚度来监测胎压提供了理论依据。