Development of external indirect control pressure in pneumatic tires

Abstract

This article describes the existing tire pressure monitoring systems, describes the basic algorithms of indirective systems used in the work. The results of the experiment with the use of complex algorithm to start on the external to automobile devices are presented.

Full Text

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: . (1) Угловые скорости колес обозначены следующим образом: - угловая скорость переднего левого колеса (колесо 1); - угловая скорость переднего правого колеса (колесо 2); - угловая скорость заднего правого колеса (колесо 3); - угловая скорость заднего левого колеса (колесо 4). Потери давления обнаруживаются в том случае, когда в результате испытания величина 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 ( ). Тогда, формула (1) может быть преобразована следующим образом: , (2) где: - 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 для «диагонального» алгоритма будет описываться следующей формулой: . (3) 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 и представлен в таблице 1. Таблица 1 Определение спущенного колеса по показателям zo и zd Спущенное колесо 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 транспортных 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, 6, 10 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 1 минуты (10 с. на определение, 50 с. на подтверждение) при падении давления в одном из колес более чем на 30% 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 1 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.