CC BY
67
Разработка внешней косвенной системы контроля давления в
пневматических шинах
д.т.н. проф. Иванов А.М., к.т.н. Шадрин С.С., к.т.н. Карпухин К.Е.
МАДИ
8-499-155-03-84, [email protected]
Аннотация. В статье рассмотрены существующие системы контроля давления в шинах, описаны основные алгоритмы, использующиеся в работе косвенных систем. Приводятся результаты эксперимента с использованием комбинированного алгоритма для запуска на внешних к автомобилю устройствах.
Ключевые слова: автомобиль, пневматическая шина, система контроля давления в шинах.
Введение
Разработке и совершенствованию систем контроля давления в шинах (TPMS) отводится важное значение, т.к. правильное давление в шинах играет определяющую роль при формировании пятна контакта с опорной поверхностью [1]. При наличии систем контроля давления в шинах непредвиденные аварийные ситуации могут быть сведены к минимуму, при этом улучшится как срок службы шин, так и топливная экономичность автомобиля.
Существующие системы контроля давления в шинах разделяются на две группы:
• непосредственные или директивные (непосредственно измеряющие давления в шинах с помощью соответствующих датчиков);
• косвенные или индирективные (измеряют относительное изменение уровня давления в шинах при помощи косвенных факторов).
Определение недостаточного давления в шинах
Косвенная система контроля давления в шинах, основанная на принципе анализа радиуса качения колеса, использует тот факт, что динамический радиус качения колеса уменьшается при падении давления в шине [2]. Это, пожалуй, наиболее интуитивный способ обнаружения недостаточного давления в шине путем мониторинга угловых скоростей колес.
Определяющим фактором, на который ссылаются управляющие элементы систем автомобиля, является параметр z. Отличие этого параметра от нуля - это сигнал отклонения давления в шинах от рекомендуемых значений. Один из распространенных примеров - это так называемый «осевой» алгоритм [3], описываемый следующей формулой:
zo = С (1)
ш2 ш3
Угловые скорости колес coi обозначены следующим образом: ш1 - угловая скорость переднего левого колеса (колесо 1); c2 - угловая скорость переднего правого колеса (колесо 2); ш3 - угловая скорость заднего правого колеса (колесо 3); ю4 - угловая скорость заднего левого колеса (колесо 4).
Потери давления обнаруживаются в том случае, когда в результате испытания величина z0 становится неравной нулю. Отсюда сразу вытекает недостаток: тест не может обнаружить равные потери давления на одной оси или стороне автомобиля, а также невозможно определить, какое конкретное колесо спущено.
Электронный блок управления (ЭБУ) автомобиля высчитывает линейные скорости колес, значения которых присутствуют в высокоскоростной шине CAN, исходя из изначально прописанных в памяти ЭБУ значений радиусов колес при рекомендуемом давлении ( r0). Тогда, формула (1) может быть преобразована следующим образом:
z _о± = V • r0 _ v4 • r = 21 _ V4
0 Ш2 w3 R0 • V2 R0 • V3 v2 v3 '
где: vi - значения линейных скоростей колес автомобиля, сигналы которых присутствуют в
высокоскоростной шине CAN.
Существует и другой алгоритм, основанный на таком же принципе, который называется «диагональным» [4]. Показатель zd для «диагонального» алгоритма будет описываться следующей формулой:
z =wi_Wi = V2 _Vi (3)
d w4 w3 V4 V3 '
Недостаток «диагонального» алгоритма в следующем: тест не может обнаружить равные потери давления на одной оси или по диагонали автомобиля, а также невозможно определить, какое конкретное колесо спущено.
Комбинация «осевого» и «диагонального» алгоритмов позволяет исключить невозможность определения недостатка давления на одной стороне автомобиля и по диагонали автомобиля, но нерешенной остается проблема равных потерь давления на одной оси автомобиля [5]. Также становится возможным определить, какое конкретное колесо спущено. Метод определения спущенного колеса по значениям параметров z0 и zd представлен в таблице 1.
Таблица 1
Определение спущенного колеса по показателям zo и zd
Спущенное колесо zo zd
переднее левое (1) >0 <0
переднее правое (2) <0 >0
заднее правое (3) >0 >0
заднее левое (4) <0 <0
Для проверки работоспособности данных алгоритмов был спланирован, подготовлен и проведен натурный эксперимент с использованием в качестве объекта испытаний транспортного средства категории М1 - Chevrolet Orlando 1.8 LT AT 2012 года выпуска, оснащенного системой сбора и записи данных с бортовой высокоскоростной шины передачи данных CAN [6, 7]. Использовалось следующее оборудование (рисунок 1):
• декодер высокоскоростной шины CAN «NI-8473s» (National Instruments);
• компрессор автомобильный MegaPower Automotive;
• ноутбук, соединительные провода.
Рисунок 1. Подключение измерительного оборудования к автомобилю
Рассматриваемый автомобиль, как и большинство современных колесных транспорт-
Известия МГТУ «МАМИ» № 3(21), 2014, т. 1 17
ных средств, оснащен в штатной комплектации высокоскоростной шиной CAN передачи данных, которая в данном случае относится к шинам CAN класса «С» со скорость передачи данных 500 Кбит/с. Индивидуальные значения скоростей колес не относятся к стандартизованным параметрам OBD и, соответственно, не могут быть получены с помощью отправки стандартных запросов в ЭБУ ДВС. Однако, известно, что автомобиль оборудован системой ABS, которая предполагает наличие соответствующих датчиков скоростей колес, и значит, значения скоростей колес присутствуют в бортовой шине CAN.
Для определения сообщений CAN, содержащих значения скоростей колес исследуемого автомобиля, было применено ноу-хау МАДИ «Методика декодирования данных, передаваемых по CAN-шинам транспортных и технологических машин».
В архитектуре шины CAN применены 11-битные идентификаторы сообщений. Были декодированы и впоследствии использовались в алгоритмах TPMS следующие данные:
• приведенная линейная скорость движения автомобиля;
• линейные скорости четырех колес;
• угол поворота рулевого колеса;
• положение педали газа;
• положение педали тормоза.
Испытания проводились в условиях движения в городской среде [8] со скоростями движения в пределах 60 км/ч по замкнутой траектории, протяженностью 2,46 км. Было выполнено 10 заездов с различным давлением в пневматических шинах. Рекомендуемое давление для шин объекта испытаний составляло 2,4 кгс/см2, программа испытаний представлена в таблице 2, нумерация колес идентична приведенной в формуле (1). Целью эксперимента было путем использования двух вышеуказанных алгоритмов обнаружить спущенное колесо.
Таблица 2
Программа испытаний
# Время начала заезда Давление в шинах (# колеса - давление) Файл записи данных
1 14:32 1, 2, 3, 4 - 2,4 кгс/см2 (рекомендуемое) o1.mat
2 14:43 1, 2, 3 - 2,4 кгс/см2 4 - 2,2 кгс/см2 o2.mat
3 14:53 1, 2, 3 - 2,4 кгс/см2 4 - 2,0 кгс/см2 o3.mat
4 15:05 1, 2, 3 - 2,4 кгс/см2 4 - 1,5 кгс/см2 o4.mat
5 15:14 1, 2, 3 - 2,4 кгс/см2 4 - 1,0 кгс/см2 o5.mat
6 15:30 1, 2 - 2,4 кгс/см2 3 - 2,0 кгс/см2 4 - 1,5 кгс/см2 o6.mat
7 16:01 1, 2 - 2,4 кгс/см2 3, 4 - 2,0 кгс/см2 o7.mat
8 16:12 2 - 2,4 кгс/см2 1, 3, 4 - 2,0 кгс/см2 o8.mat
9 16:23 1, 2, 3, 4 - 2,0 кгс/см2 o9.mat
10 16:36 2, 3, 4 - 2, 4 кгс/см2 1 - 1,5 кгс/см2 o10.mat
Для устранения погрешностей при определении спущенного колеса было введено условие, согласно которому доля сигналов недостаточного давления, приходящихся на одно колесо, должна составлять не менее 40% от сигналов недостаточного давления, приходящихся на все колеса.
Разработка алгоритма работы системы косвенного определения давления в пневматических шинах осуществлялась в среде MatLab. Для исключения ложных срабатываний были наложены ограничения на управляющие воздействия водителя и минимальный порог скорости автомобиля для начала работы системы. Разработанный алгоритм позволил определить максимально спущенное колесо в заездах # 4, 5, б, 1G проведенных испытаний.
В результате была разработана для объекта испытаний внешняя система косвенного определения давления в пневматических шинах со следующими характеристиками: определение спущенного колеса при движении в городских условиях в течение l минуты (lG с. на определение, 5G с. на подтверждение) при падении давления в одном из колес более чем на 3G% от рекомендуемого (от 2,4 кгс/см2).
Результаты и выводы
Таким образом, в результате проведенного исследования была:
1) установлена возможность использования значений параметров движения автомобиля, получаемых в реальном времени с высокоскоростной шины CAN, для работы внешних приложений [9];
2) разработан алгоритм системы косвенного определения давления в шинах;
3) подтверждина работоспособность предлагаемых подходов, что позволило обнаружить пневматическую шину с недостаточным уровнем давления. Время срабатывания системы составило l минуту при движении в городских условиях.
В дальнейшем для выбранного объекта испытаний представляется целесообразным разработать алгоритм косвенного определения давления в пневматических шинах методом резонансных частот [10] для сравнения с разработанным. Данный материал может быть полезен в образовательных целях.
Литература
1. Иванов A.M. Экспериментальная проверка методов оценки эффективности систем динамической стабилизации ATC / A.M. Иванов, A.A. Ревин, Э.Н. Никульников, Е.В. Балаки-на, A.A. Барашков, CA. Лосев, С.С. Шадрин, Ю.Н. Козлов // Aвтомобильная промышленность. - 2009. - №7. - С. 31-33.
2. N. Persson et al., "Tire Pressure Estimation", International patent application WOG187647, 1999.
3. United States Department of Transportation, National Highway Traffic Safety Administration. August 2GG1, "Tire Pressure Special Study: Methodology."
4. N. Persson et al., "Indirect Tire Pressure Monitoring Using Sensor Fusion", Society of Automotive Engineers, 2002-01-1250.
5. F. Braun et al., "Method and apparatus for monitoring the tyre pressure of motor vehicle wheels", EP 938987, 1999.
6. Шадрин С.С. Возможности использования бортовых сетей передачи данных автотранспортных средств в задачах интеллектуальных транспортных систем / С.С. Шадрин, A.M. Иванов // Aвтотранспортное предприятие. - 2014. - № 5. - C. 43-46.
7. Шадрин С.С. Идентификация параметров сопротивления движению колесных транспортных средств в эксплуатации / С.С. Шадрин // Известия ЫГТУ «MAMH». - 2013. -№2(16), т.1. - С. 248-251
В. Шадрин С.С. Расчетно-экспериментальный метод определения углов поворота управляемых колес транспортного средства при проведении полигонных испытаний / С.С. Шадрин // Вестник - 2013. - Вып. 4(35). - С. 13-17.
9. Иванов A.M. Разработка системы межобъектного взаимодействия интеллектуальных транспортных средств / A.M. Иванов, С.С. Шадрин // Известия ВолгГТУ. Серия «Наземные транспортные системы». Вып. 7 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2G13. - № 21 (124). - C. 74-77.
10. N. Persson and F. Gustafsson, "Event Based Sampling with Application to Vibration Analysis in Pneumatic Tires", in ICASSP 2GG1.
Известия ЫГТУ «MAMM» № 3(21), 2014, т. 1
19
