Разработка внешней косвенной системы контроля давления в пневматических шинах

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.

Полный текст

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.