1 前　言

　　現代車輛電子信息技術的三大基礎包括：信息采集（傳感器技術）、信息傳輸（通信技術）和信息處理（計算機技術），傳感器屬于現代車輛電子信息技術的前沿產品。

　　輪胎的故障是誘發(fā)和導致交通事故的主要原因之一，對輪胎、車輛和路面的狀態(tài)進行準確可靠和容錯的連續(xù)監(jiān)控，是傳統傳感器難于精確完成的一項復雜的工作，可采用基于計算機技術的虛擬傳感器測定路面與輪胎間的摩擦、路面條件、輪胎壓力和輪胎轉動平衡狀態(tài)等參數。虛擬傳感器是基于傳感器硬件和計算機平臺、并通過軟件開發(fā)而成的，并可利用軟件完成傳感器的標定及校準，實現車輛最佳性能指標的控制。傳感器通過數據采集器接至計卜算機，由計算機完成傳感器的檢查、傳感器參數的讀取、傳感器設置和記錄工作。

　　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算機系統、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，即數據處理程序、補償程序和測試處理程序等。

　　虛擬傳感是一種信號處理技術，用于估計系統中不能放置物理傳感器的位置處的響應。研究車輛輪胎虛擬傳感器可進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的因素，多傳感器融合系統將來自于各個傳感器的資料結合起來，描述被觀測系統，以取得較使用單個傳感器更為準確、更為具體的結論。

　　利用計算機技術，虛擬傳感器可以僅僅采用普通的傳感器，即車輪轉速傳感器、車輪轉矩傳感器以及車輛的CAN總線傳輸信息，再根據一定的計算機算法，完成對車輛輪胎摩擦模型的計算，從而獲得有關輪壓的有效信息。其測量的輸入與輸出如圖1所示。研究開始主要是估計路面摩擦系數，然后估計車輪壓力。

　　3 路面附著特性

　　車輛輪胎的模型之一是依據地面機器系統力學理論，由該理論可知：不同的地面條件產生的附著系數是有差異的。車輛驅動力、附著系數與車輛輪胎滑轉率的關系如圖2。從圖中可以看出：在附著系數一定，輪胎滑轉率s=0時，驅動力與車輛重量的比值Fφ/G最大，滑轉率s從。開始增加時，附著系數φ隨之增加，當車輛輪胎滑轉率s=0.10～0.20時，附著系數達到最大φmax，如果滑轉率繼續(xù)增加，附著系數開始下降。當輪胎滑轉率s達到100%時，輪胎發(fā)生完全滑轉。

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

　　基于上述理論，利用了狀態(tài)矢量描述車輛滑移狀態(tài)，式中為縱向剛度，為前、后車輪半徑的差。車輛左右側輪胎的數學模型為

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

　　轉速傳感器測出各個輪胎上工作轉速ω，并從CAN總線上獲得發(fā)動機傳送至各個輪胎上的轉矩M，通過計算機對模型求解，可初步獲得各個輪胎的滑轉率和附著系數。

　　4　虛擬傳感器測量車輛輪胎壓力的算法

　　目前，國外對胎壓檢測的虛擬傳感器算法進行了大量研究與開發(fā)工程，其中申請的專利有40多個，大多利用了標準車輪轉速傳感器，主要的方法有：

　　4.1振動分析算法

　　利用輪胎橡膠在受到路面沖擊時的彈性特性，對車輪轉速的頻譜進行抽樣分析，并去除車輛其它部分引起振動時所導致的擾動。振動分析可通過快速傅里葉變換FFT的檢測方法完成。

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

　　不管是基于模型或者是FFT方法，在應用振動分析之前，都要對速度的測量進行濾波。運用擬合的最小二乘法，得出一個具．有改善了的干擾比率的速度信號。補償的速度信號波形清晰地顯示出45Hz左右的一種振動模式，如圖3所示。

　　利用FFT測量儀和一個低通過率的濾波器可以計算平均周期圖，每次測試中可自動計算出如圖4所示的峰值。離線后，可以檢測15%的輪胎壓力降，但是考慮自動設置閾值以及很低的錯誤警告率，檢測30％的輪胎壓力降更為可信。FFT是對數據的成批處理，有一定的滯后時間。圖4中利用了大量305的測試數據。

　　采用一個二次“阻尼一彈簧”模型時，計算輪胎壓力的相關參數值有

　　基于模型的振動分析容易引進擬合方法，圖5中所給出的就是利用擬合的最小二乘法得出的振動模式。利用這種濾波器，我們可以可靠地在5s之內檢測到30%的壓力降。這種濾波器能以最低1OOHz的頻率處理數據，計算量比FFT方法顯著下降。

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

　　4.2基于輪胎半徑的輪胎壓力計算

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

　　路面摩擦指示的卡爾曼濾波器的滑轉偏移量能很好反映相對的車輪半徑，測量數據是線性的，該方法對噪聲反應不靈敏。滑轉偏移量可以檢測左右車輪的相對誤差，利用橫擺率濾波器可計算前后車輪之間的相對誤差，從而計算出車輪半徑。

　　現有的車輪壓力測定方法大多是基于對車輪速度的靜態(tài)測試，設ω1／ω2=ω3/ω4,腳標為各車輪的代號（左前輪1，右前輪2，左后輪3，右后輪4）。當車輛勻速直線或圓周行駛時，此車輛車輪轉速方程的值為零。這種信號的低透過性形式具有不小于0的非正常偏差，這超過了TPI所能利用的基點值。另外，數據的非線性變換引起的不合要求的統計狀態(tài)、彎曲強度的不足、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，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）和絕對速度指示（AVI）濾波器，后兩者適合輪胎壓力測定，相關信息見表1。

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

　　經過實地試驗，對所有的方法進行了比較，得出的結論是最后一種方法在精確性、快速響應特性、強度和計算復雜性（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充，因此最終的算法系統應該是一種多算法的組合。

　　5　結　論

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