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科研训练
学校代码:
10128
学号:
科研训练报告
题目:
汽车TPMS仿真研究
学生姓名:
国文举
学生学号:
201230302072
学院:
能动学院
班级:
交运12-3班
指导教师:
郑培
2015年1月10日
1、选题背景和意义
1.1选题背景和目的
70%的交通事故由爆胎引起
随着汽车的迅速普及,交通事故不断增多,汽车高速行驶时轮胎故障是驾驶员最难以预料的危险,轮胎故障造成了大量的交通事故。
据统计在高速公路上发生的交通事故约有70%以上是由于爆胎引起,爆胎引发的重大交通事故占全部交通事故的35%,在美国交通事故为轮胎气压问题引发的比例高达80%。
引发爆胎的原因比例为,轮胎气压过高占20%,轮胎气压不足占57%,其它才占23%,轮胎状态发生问题是目前汽车交通事故的重大杀手之一!
橡胶轮胎质量监督中心的专家分析得出,保持标准的车胎气压行驶和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。
美国凡世通轮胎的胎面突然断裂所造成的交通事故导致174名美国人死亡,70多人受伤。
2001年,福特公司宣布,招回当时正在使用的1300万只存在问题的凡世通轮胎,随后断绝了与凡世通公司长达95年的合作关系。
凡世通事件直接导致了美国政府通过立法,在新出厂的汽车上强制安装实时监视轮胎压力的装置,确保行车安全。
如何防止爆胎己成为汽车安全行驶需要解决的一个重要课题。
轮胎是汽车行驶系的重要组成部分之一,在汽车上起一个支撑元件和行走的作用。
其主要功能是支承负荷,向地面传递制动力、驱动力和转向力,以及缓冲减振。
轮胎性能的优劣直接影响汽车行驶的安全性、经济性和平顺性,而且它对汽车的环保性能和运输效率等也有重要的影响。
影响轮胎性能的一个重要因素是轮胎气压,可以说“气压是轮胎的生命”。
充气压力过高或者过低,都会给轮胎的能和使用寿命带来影响[1]。
保持标准胎压是保障行车安全的关键
保持标准轮胎压力对于保障行车安全和延长轮胎的使用寿命有显著作用。
胎压正常时的轮胎与地面充分贴合,胎体受力均匀;胎压过高,会引起轮胎中央过度磨损,从而缩短轮胎的寿命;帘布层经常保持紧张,这时轮胎极容易受外伤。
当气压过高的轮胎冲击路面的石子或经过凸凹不平的路面时,就会因为应力的瞬间集中而发生爆裂。
轮胎的气压不足,除了胎侧外凸和离地更近从而极易受外伤,还会因轮胎的变形剧烈,内部温度迅速升高,致使胎冠剥离;帘线的挠曲,致使胎侧升温,以致帘布剥离,帘布破裂。
此外,还会使胎肩过度磨损,缩短轮胎的使用寿命。
轮胎气压不足还会导致发生“驻波”现象。
轮胎在行驶过程中,轮胎与地面的接触部分因为荷重而使周边产生弯曲,旋转离开地面时,弯曲部分随着胎内压力恢复原状,但如果胎压不足或速度太快,弯曲部分来不及恢复原状,这时轮胎就会产生波状变形,表现在轮胎与接地部位的后半圆附近,俗称“驻波”。
“驻波”发生时,轮胎的滚动阻力急剧上升,轮胎在短时间内吸收驻波能量,致使温度急剧上升。
此时,如果继续高速行驶,会发生胎面胶被甩掉,进而引起轮胎爆裂。
1.2国内外相关研究现状、发展趋势及研究意义
国外对直接式TPMS监测系统的研究较早。
20世纪70年代末的一些发达国家进行了TPMS研究。
如美国固特异轮胎公司推出的Unisteel智能轮胎、法国的MEMS轮胎、德国的CGT轮胎及芬兰诺基亚公司推出的ITT轮胎都集成了汽车电子方面的技术,其技术手段及方法路线已达到了世界高端先进水平。
对间接式TPMS也进行深入的研究。
德国Wabco公司和Bosch公司在1989年推出了利用ABS(制动防抱死系统)传感器监测轮胎压力的新装置。
国内对TPMS研究最近才一起步。
最新的中华人民共和国国家标准“机动车运行安全技术条件,中的安全防护装置条款中有一条:
“车长大于6m的长途客车和旅游客车和最大设计总质量大于12000kg的载货汽车和载货牵引车应安装轮胎压力报警装置”,“有关部分机动车应安装轮胎压力报警装置的要求,自本标准发布之日起第25个月开始对新注册车实施。
”可见我国政府已经开始重视汽车轮胎胎压监测设备的研究和应用。
对间接式TPMS研究,近几年中科院自动化研究所、东北大学、吉林大学等高校在完善算法及功能的研究上有了一定的突破。
中科院自动化研究所设计的用于轮胎胎压监测的轮胎故障观测器、东北大学建立的车轮垂向振动模型及燕山大学设计的在每一个车轮上安装一脉冲计数传感器[2-4],都是利用传感器性能建立轮胎模型,通过相应算法监测轮胎压力。
这些算法促进了间接式TPMS系统在理论创新、算法优化上的创新。
2研究内容与预期研究成果
2.1研究目标
TPMS(胎压监测系统)是汽车重要的安全配置,主要用于汽车行驶时实时地对轮胎气压和温度等信息进行自动监测,当轮胎处于漏气和低压等异常状态时,进行报警以保障行车安全。
目前汽车TPMS多采用直接式系统:
4个传感器+1个接收机,属于无线通信系统,而无线通信系统中发射和接收天线布局的合理性直接影响系统通信性能。
本文通过对汽车、TPMS发射、接收天线及车体模型精确建模,仿真分析接收天线布置在整车不同位置处,TPMS发射天线随轮毂转动时,系统间电磁能量损耗情况,获取TPMS接收天线整车最佳布置位置。
并通过实验验证了方法的有效性。
2.2主要研究内容
TPMS是汽车重要的安全配置,用于汽车行驶时实时地对轮胎气压和温度等信息进行自动监测,当轮胎处于漏气和低压等异常状态时,进行报警以保障行车安全。
目前TPMS可分为直接式和间接式两种,多采用直接式,由4个传感器和1个接收机构成。
影响TPMS系统通信性能的主要因素有:
①数据帧的长度;②数据包中的数据帧数;③调制类型;④通信频率;⑤传感器发射信号的功率等级;⑥数据传输率;⑦发射天线和接收天线的增益及整车布局[5]。
在保证传感器使用寿命的基础上,可通过调整通信协议对前6个影响因素加以优化,以保证系统通信信性能,第7个影响因素则只能通过对优化发射天线和接收天线的设计,以及对天线布局位置的仿真和实测分析,以提升系统通信性能。
对TPMS天线布局的研究过去多采用测试和试验的方法,但测试和试验耗时多,且TPMS传感器天线随轮毂转动时,接收器接收天线布局在天线不同位置处时,天线阻抗都有一定的差异,这细微的差异直接影响测试结果的准确性。
随着计算机技术和计算电磁学的快速发展,电磁仿真技术被应用于相关工程问题的研究中。
目前对单独的天线布局研究较多:
单一或混合算法的应用,利用矩量法、时域有限差分法对简易车体模型上的单根天线电参数性能进行了分析[6-8],利用有限积分法对汽车不同位置处的鞭天线电磁特性进行了分析[9]。
但总的来说,存在两个缺点:
一是车体模型比较简单二是天线类型大都为线天线,与实际天线不符,由于TPMS传感器安装在轮毂上,需结合发射天线随轮毂转动,接收天线接收到传感器发射天线的实际信号加以评估。
本文结合工程实际运用,首先采用多软件对车体模型精确建模[10],以及在高频仿真软件HFSS中对TPMS发射天线、接收天线精确建模,并将传感器天线模型按照实车要求导入轮毂模型中。
通过将接收天线布局在汽车不同位置处,仿真得到不同位置处系统间电磁能量损耗情况,由于需评估前后左右四个轮毂上的传感器天线与接收天线间的能量传播情况,数据多,难度大。
通过对在不同位置得到的仿真结果进行数值分析,获取TPMS接收天线整车最佳布局位置。
2.3研究方案及技术路线
(1)图1表述了无线电信号的传播模型[11]:
包括发射机、传播路径和接收机,其中发射机和接收机分别又由发射/接收电路、发射/接收天线和电路与天线之间的阻抗匹配网络等部分构成。
图1无线电信号传播模型
假设发射电路与发射天线间的匹配网络的端口为Port1,接收电路与接收天线间的匹配网络的端口为Port2,如图1所示,则接收电路接收到的功率与发射电路发射功率的比值为:
(1)
其中Pr为接收电路接收到来自Port2的功率;Pt为发射电路给Port1的功率;S11、S22分别为发射天线与发射电路间的反射系数、接收天线与接收电路间的反射系数;Gt和Gr分别为发射天线和接收天线的增益;fP为空间能量损耗函数,若无线电在自由空间传播,则fp为
.若发射天线经过匹配网络与发射电路、接收天线经过匹配网络与接收电路阻抗完全匹配,即S11和S22都为0,接收电路接收到的功率与发射电路的发射功率的比值则可用以下公式表述:
(2)
S11、S22通常以dB作单位,则公式
(1)可表述为:
(3)
通常以S21表达,若以dB为单位,则可表述为:
(4)
由于经4个传感器天线发射的高频信号传输至接收机天线,在传输过程中会由于车体的影响存在反射、衍射等现象,fp同时跟接收天线、发射天线不同方向上的增益Gt和Gr有关,故各种因素导致fp分析较为复杂。
故本文将发射/接收天线的增益与空间能量损耗函数综合考虑为TPMS系统能量损耗情况,设系统能量损耗函数
则:
(5)
(6)
2.4拟解决的关键技术
(1)汽车模型和天线模型的建立
影响系统能量损耗函数Fp的最主要因素发射、接收天线的增益和高频信号经发射天线后到达接收天线前的由于自由空间、车体反射和衍射等现象导致的能量损耗,故精确的车体和天线模型是仿真结果精确的必要条件。
对于整车的建模,整车长4620mm,宽1820mm,高1490mm。
本文采用文献[4]的建模方法,首先在有限元处理软件Hypermesh对车体CAD模型进行必要的简化,车体的细小空隙、接缝都被很好地填满,车体的复杂曲面结构也由细小的三角面结构替代,这样可减少有限元仿真时曲面逼近所带来的误差,得到车体有限元模型。
并通过Matlab编程将有限元模型导入HFSS中转换为实体模型,在HFSS中车体模型如车身、轮毂等部分的电参数根据实际数据手册进行设置。
整车实体模型如图2所示。
图2整车实体模型
TPMS发射天线和接收天线仿真模型根据某车型搭载的TPMS系统而建:
通过TPMS传感器和接收器CAD模型得到发射/接收天线、PCB板和铺铜等关重部分的准确尺寸,在HFSS中进行精确建模;通过数据手册查得到天线、PCB板等关重部分的介电常数和损耗角正切等电参数信息,在HFSS中正确设置模型的电参数信息。
天线建模完成后,按照实际装车安装要求,将发射天线模型导入整车左前、右前、左后和右后四个轮毂中。
(2)接收天线布局在整车不同位置及系统能量损耗大小仿真
实际工程应用中,由于整车配置日趋丰富,相关零部件也日益增多,但不同级别的整车尺寸并未有较大变化,导致零部件布置也越来越困难。
零部件布置部门为了完成布置分析,通常未考虑布置位置对TPMS等无线通信系统通信性能的影响,TPMS接收机的布置位置并不一定是其通信性能的最佳位置,有时候甚至是非常糟糕的布置位置。
目前,对于如TPMS,RKE等车载无线系统接收机在车内较理想的布置位置有左右侧A柱、C柱、D柱和车内顶灯附近等位置,本文TPMS接收机的四个布置分别为:
A:
右侧A柱;B:
车内顶灯;C:
扶手箱靠后处;D:
右侧C柱。
如图3所示:
图4接收机不同布置位置
当汽车高速行驶时,传感器内的发生天线相对接收器内的接收天线的距离和角度都会随转动的四个轮毂变化而变化。
轮毂转动一周为360°,本文首先在模拟轮毂转动时,选取发射天线在0°,30°,…,330°时,仿真得到发射/接收天线的S参数,如表1-4所示。
然后再根据式(5),计算得到不同位置处系统间能量损耗,如表5所示。
2.5预期研究成果
(1)仿真结果分析
TPMS接收天线整车布局分析,需综合考虑当接收天线布置在A、B、C和D四个不同位置处,与安装在左前、右前、左后和右后轮毂发射天线系统间的RF信号损耗,即能量损耗Fp的大小。
本文对接收天线布置在A、B、C和D四个不同位置时Fp的均值和方差进行评估,若天线布置在某位置Fp的均值相对最小,表明系统间损耗相对最小;若接收天线布置在该位置,Fp的方差也相对较小,则表明系统间的能量损耗趋于相似水平,稳定性较好,布置在该位置处TPMS接收天线接收性能最好,即该位置是接收天线的最佳布置位置。
按照均值公式:
(7)
计算得到接收天线布置在A、B、C和D四个位置处Fp的均值:
按照方差公式:
(8)
计算得到接收天线布置在A、B、C和D四个位置处Fp的方差:
表6不同位置处pF的方差
综上,接收天线布置在C处,Fp的均值和方差均最小,即接收天线与安装在四个轮毂上的传感器发射天线系统间的能量损耗最小,且波动最小,稳定性最好。
(2)实验验证
为验证上述TPMS天线整车布局仿真分析方法的精确度是否满足工程化要求,本文采用如下方法进行实际验证:
鉴于TPMS传感器都是内部灌胶封装成型的,直接在实车上通过网络分析仪测试TPMS系统的S11、S22和S21值是非常困难的。
且通过仿真结果可知,不同位置处S11、S22和S21值几乎一样,即随着轮毂的转动,天线与电路的匹配几乎不受影响。
本文对仿真结果进行实验验证时,实验原理框图如图5所示:
接收机端,将接收机分别布置在A—D四个位置,并通
过CAN总线连接至带CAN信息分析功能的计算机;TPMS传感器端,转动汽车至特定位置,使TPMS传感器的位置满足仿真要求,通过低频触发设备发射125kHz的低频信号,触发传感器发射433.92MHz的高频信号。
接收机接收该高频信号并处理后,通过CAN总线将TPMS传感器信息上传至计算机。
计算机实时显示接收机接收到的TPMS传感器信号的强度值。
不同位置处,接收机收到的传感器信号强度值见表7:
图5实验验证原理框图
按照均值计算公式(6)和方差计算公式(7)计算得到接收机实测得到的TPMS传感器信号强度的均值和方差,如表9所示:
综上,接收机布置在C处,接收的传感器信号强度均值最大,方差最小,即接收机最佳布置位置是C处。
且不同在位置处,实测的传感器信号强度的均值和方差,与仿真得到的系统间的能量损耗均值和方差趋势能很好的吻合,证明本文所述TPMS天线整车布局分析的有效性。
TPMS是汽车重要的安全配置,其工作方式基于无线通信,其传感器发射天线、接收器接收天线的设计和接收天线的整车布置位置对TPMS通信性能有着直接且非常重要的影响。
本文基于精确的车体、发射和接收天线模型,通过将接收天线布置在整车不同位置,仿真评估在不同位置处系统间能量损耗大小,分析得到该TPMS系统接收天线在整车的最佳布置位置,并用实际测试结果验证了该方法准确有效,为提升TPMS系统通信性能提供了一条行之有效的方法。
3、主要参考文献
[1]韩加蓬,周孔亢,孙春玲.影响轮胎滚动半径的因素研究.农机化研究,2007
(1)
[2]周群植.基于模型的汽车安全预警和控制研究「D].中国科学院自动化研究所,2004.
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[6]PanayistisATirkasandConstantineABalanis.FiniteDifferenceTime-DomainMethodforAntennaRadiation[J],IEEETransactionsonAntennasandPropagation,March1992,40(3).
[7]MHussein,ASebak,ApplicationoftheFinite-DifferenceTime-DomainMethodtotheAnalysisofMobileAntennas[J],IEEETransactionsonVehicularTechnology,August
1996,45(3).
[8]RGJobava,FGBogdanov,ALGheonjian,SFrei,AnalysisofinfluenceofvehiclebodyshellonthecharacteristicsofwireantennasusinganewMoM-basedEM/EMCsolver[C],IEEEInternational
SymposiumonAntennasandPropagationSociety,June2003,4(22-27);831-834.
[9]俞集辉,马晓雷.车载鞭天线电磁特性及耦合度的仿真研究[J],计算机仿真,2008年1月,第25卷第1期.
[10]李旭等.复杂整车结构的电磁兼容多软件联合建模[J],微波学报,2014年1月,第1期.
[11]HuaZeng,Member,IEEE,andToddHHubing,Fellow,IEEETheEffectoftheVehicleBodyonEMPropagationinTirePressureMonitoringSystems[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation,VOL.60,NO.8,Ausust2012.
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