操纵性的汽车安全行驶监测系统设计
目录
1 引言 5
1.1 基于操纵性的汽车安全行驶监测系统研究意义 6
1.2 汽车安全行驶监测系统国内外研究现状 6
2 汽车安全行驶的基本原理 8
2.1 汽车操纵性与汽车行驶安全的关系分析 9
2.2 汽车操纵性的主要影响因素 9
2.3 汽车安全行驶监测策略研究 10
2.4 基于操纵性的汽车安全行驶监测原理及方法 12
3 基于操纵性的汽车安全行驶监测系统设计 13
3.1 汽车轮胎压力监测系统（TPMS）总体结构设计 13
3.2 TPMS 系统的安装 15
3.3 TPMS 系统设计要求 15
4 TPMS 系统硬件设计 16
4.1 胎压测量发射模块设计 16
4.2 接收显示模块设计 19
4.3 硬件低功耗设计 20
5 TPMS 系统软件设计 21
5.1 胎压测量发射部分软件设计 21
5.2 接收显示部分总体软件流程设计 27
5.3 软件低功耗设计 28
结论 29
致谢 30
参考文献 31
1 引言
节能、环保、安全是当今汽车发展的三大主题，随着道路状况的不断改善，特别是高速公路的快速发展，汽车行驶车速的不断提高，人们普遍关注到了汽车的行驶安全性。许多国内外的汽车公司都把汽车安全作为汽车设计的一个重要考虑因素，汽车轮胎是汽车安全的着重点。由于轮胎工作在速度高、负荷高、温度高的恶劣环境下，如果作用在轮胎上的负荷超过了它本身所能承受的极限负荷时，便会迅速爆裂， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
汽车的操纵性就会丧失，这样就很有可能造成汽车侧滑、侧翻、碰撞等严重交通事故。道路交通事故是所有国家都面临的一个严重问题，而爆胎、疲劳驾车、超速行驶是我国道路交通公认的三大杀手。
因此，轮胎的性能对汽车安全及其使用寿命影响非常大。轮胎性能的影响因素有很多，除本身的结构、材料外，胎压和温度都会直接影响轮胎的性能，从而对汽车的操纵性有很大影响。作为影响汽车操纵性的一个重要因素，轮胎的气压过高、过低都会影响汽车的操纵性。如果汽车前后左右轮胎气压不同，汽车就会失去平衡，导致汽车操纵性变差；当轮胎气压不足时，高速行驶时还会发生“驻波”现象，长时间行驶可能会导致爆胎，造成车辆严重侧翻、跑偏等，严重影响汽车的操纵性；轮胎驶过积水处时，气压过低、车速过高或积水过深，还可能导致“水滑”现象，引起汽车的侧滑或翻车，严重影响汽车的操纵性。汽车“驻波”和“水滑”现象都会直接影响到汽车的操纵性，给汽车行驶安全带来隐患。
1.1 基于操纵性的汽车安全行驶监测系统研究意义
如今，节能、环保、安全成为汽车发展的主要目标，汽车安全汽车发展的一个重要课题，国内外也越来越重视对轮胎胎压的监测，制定了相应的一些法规，要求现在生产出来的所有汽车必须配置轮胎压力监测系统，以提高汽车的安全性。但由于缺乏理论指导和原理分析，目前的轮胎压力监测系统存在一定的局限性，极大地影响了汽车高速行驶安全性。因此，研究轮胎气压和车速对汽车操纵性的影响，实时监测汽车运行过程中的胎压和车速，并提醒驾驶员，避免汽车发生水滑、驻波和失稳等现象，可以很好地提高汽车高速行驶安全。
1.2 汽车安全行驶监测系统国内外研究现状
1.2.1 轮胎水滑
2012 年，刘娜，程钢，贺腾学者[1]研究介绍轮胎水滑现象的主要过程，通过仿真轮胎在干、湿路面上的行驶过程，比较了这两种情况下随汽车行驶速度的增大轮胎与地面接触力的变化，并应用动量定理建立动力水滑临界速度公式，得出了轮胎水滑临界速度与充气压力及载荷之 1/2 成正比的关系。
2011年，东南大学学者张凡针对积水路面可能出现滑水现象，分析轮胎和水膜之间的力关系，提出了临界水膜厚度的概念，基于动量定理，推出了临界水膜厚度与车速关系的公式。
总结以上内容可以发现，在轮胎水滑方面的研究没有就水滑现象对整车行驶状态的影响机理进行系统化和理论化的研究，缺乏实时的监测和提示，主要是靠人为经验，降低了汽车行驶安全。
1.2.2 轮胎驻波
2010年，英国学者 Victor V. Krylov，Oliver Gilbert针对目前轮胎驻波的物理显示理论，研究轮胎参数对驻波的临界车速和波形影响，同时分析了胎压和胎面厚度对临界车速的影响，最后验证了此理论能够很好的解释和预测轮胎驻波模型。
2007年，中国科学技术大学的学者郝勇、李子然等人利用 ABAQUS 软件建立了轮胎驻波现象的有限元模型，进行仿真分析，得出的驻波临界速度与试验值相似。重点分析了载荷及充气压力对临界速度的影响，分析结果表明，增大轮胎充气压力会明显提高临界车速，而载荷对其的影响可以忽略不计。
总结以上内容可以发现，在轮胎驻波方面的研究没有就驻波现象对整车行驶状态的影响进行系统化和理论化的研究，没有实时的监测和提示，主要是通过人为经验，降低了汽车的行驶安全性。
1.2.3 轮胎气压对操纵性影响
2013 年，重庆理工大学学者欧健，周鑫华等人提出在 Matlab /Simulink 中建模，包括横摆运动、侧倾运动的八自由度整车动力学模型和车辆参考模型，实现ESC系统对车辆的稳定性控制。仿真结果表明：所制定的控制策略可有效地实现横摆稳定性控制，而且减小了侧向加速度，使汽车具有一定的抗侧翻能力，提高了汽车的稳定性和安全性。
2010年，荷兰埃因霍温理工大学的学者 Besselink，Schmeitz 等人开展了轮胎充气压力的变化对准静态压力、转矩特性和轮胎包络特性影响的研究。提出了改进后的魔术公式，引进了一些与充气压力相关的轮胎基本性质。
2013年，江苏大学的学者王国林等人[2]提出利用非线性轮胎模型，建立考虑载荷转移的二自由度汽车模型。基于逆动力学原理，使用神经网络理论方法，构建汽车前后轮胎特性与操纵稳定性评价指标之间的映射关系。结果表明，通过该方法建模能较准确地得出满足汽车操稳性要求的轮胎侧偏刚度组合，从而指导汽车开发过程中轮胎的选择工作。
总结以上内容可见在轮胎气压对操纵性影响方面，国内外学者研究大部分都是以单个轮胎为研究对象，研究轮胎胎压对轮胎相关特性的影响，很少有建立整车模型来进行研究；很少有学者研究在汽车高速行驶时，四个轮胎的胎压不一样对整车操纵性的影响情况。
汽车安全性
主动安全性： 行驶安全性、环境安全性、感觉安全性、操纵安全性
被动安全性： 车外安全： 车身变形情况、车身外部形状、表面光滑
车内安全： 车厢强度、约束装置、车内冲及范围、转向系统、成员解救
一般安全性： 燃料系统强度、内饰阻燃性、行李箱的开启
汽车行驶安全性是汽车主动安全性中的重要内容，提高汽车行驶安全性对减少交通事故的发生具有重要意义。汽车行驶安全性是指汽车的装备保证汽车运行安全，同时具有最佳动态性能的能力。主要包括操纵稳定性、制动性能、动力性、通过性等。在汽车行驶过程中，提高操纵稳定性和制动性是提高汽车行驶安全的主要措施。汽车操纵稳定性的好坏直接影响到汽车行驶安全，操稳性不好的汽车，严重时，可能会导致侧滑或侧翻而造成严重的交通事故。汽车的操纵稳定性是决定高速汽车安全行驶的一个主要性能，故称其为“高速车辆的生命线”。
1 引言 5
1.1 基于操纵性的汽车安全行驶监测系统研究意义 6
1.2 汽车安全行驶监测系统国内外研究现状 6
2 汽车安全行驶的基本原理 8
2.1 汽车操纵性与汽车行驶安全的关系分析 9
2.2 汽车操纵性的主要影响因素 9
2.3 汽车安全行驶监测策略研究 10
2.4 基于操纵性的汽车安全行驶监测原理及方法 12
3 基于操纵性的汽车安全行驶监测系统设计 13
3.1 汽车轮胎压力监测系统（TPMS）总体结构设计 13
3.2 TPMS 系统的安装 15
3.3 TPMS 系统设计要求 15
4 TPMS 系统硬件设计 16
4.1 胎压测量发射模块设计 16
4.2 接收显示模块设计 19
4.3 硬件低功耗设计 20
5 TPMS 系统软件设计 21
5.1 胎压测量发射部分软件设计 21
5.2 接收显示部分总体软件流程设计 27
5.3 软件低功耗设计 28
结论 29
致谢 30
参考文献 31
1 引言
节能、环保、安全是当今汽车发展的三大主题，随着道路状况的不断改善，特别是高速公路的快速发展，汽车行驶车速的不断提高，人们普遍关注到了汽车的行驶安全性。许多国内外的汽车公司都把汽车安全作为汽车设计的一个重要考虑因素，汽车轮胎是汽车安全的着重点。由于轮胎工作在速度高、负荷高、温度高的恶劣环境下，如果作用在轮胎上的负荷超过了它本身所能承受的极限负荷时，便会迅速爆裂， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
汽车的操纵性就会丧失，这样就很有可能造成汽车侧滑、侧翻、碰撞等严重交通事故。道路交通事故是所有国家都面临的一个严重问题，而爆胎、疲劳驾车、超速行驶是我国道路交通公认的三大杀手。
因此，轮胎的性能对汽车安全及其使用寿命影响非常大。轮胎性能的影响因素有很多，除本身的结构、材料外，胎压和温度都会直接影响轮胎的性能，从而对汽车的操纵性有很大影响。作为影响汽车操纵性的一个重要因素，轮胎的气压过高、过低都会影响汽车的操纵性。如果汽车前后左右轮胎气压不同，汽车就会失去平衡，导致汽车操纵性变差；当轮胎气压不足时，高速行驶时还会发生“驻波”现象，长时间行驶可能会导致爆胎，造成车辆严重侧翻、跑偏等，严重影响汽车的操纵性；轮胎驶过积水处时，气压过低、车速过高或积水过深，还可能导致“水滑”现象，引起汽车的侧滑或翻车，严重影响汽车的操纵性。汽车“驻波”和“水滑”现象都会直接影响到汽车的操纵性，给汽车行驶安全带来隐患。
1.1 基于操纵性的汽车安全行驶监测系统研究意义
如今，节能、环保、安全成为汽车发展的主要目标，汽车安全汽车发展的一个重要课题，国内外也越来越重视对轮胎胎压的监测，制定了相应的一些法规，要求现在生产出来的所有汽车必须配置轮胎压力监测系统，以提高汽车的安全性。但由于缺乏理论指导和原理分析，目前的轮胎压力监测系统存在一定的局限性，极大地影响了汽车高速行驶安全性。因此，研究轮胎气压和车速对汽车操纵性的影响，实时监测汽车运行过程中的胎压和车速，并提醒驾驶员，避免汽车发生水滑、驻波和失稳等现象，可以很好地提高汽车高速行驶安全。
1.2 汽车安全行驶监测系统国内外研究现状
1.2.1 轮胎水滑
2012 年，刘娜，程钢，贺腾学者[1]研究介绍轮胎水滑现象的主要过程，通过仿真轮胎在干、湿路面上的行驶过程，比较了这两种情况下随汽车行驶速度的增大轮胎与地面接触力的变化，并应用动量定理建立动力水滑临界速度公式，得出了轮胎水滑临界速度与充气压力及载荷之 1/2 成正比的关系。
2011年，东南大学学者张凡针对积水路面可能出现滑水现象，分析轮胎和水膜之间的力关系，提出了临界水膜厚度的概念，基于动量定理，推出了临界水膜厚度与车速关系的公式。
总结以上内容可以发现，在轮胎水滑方面的研究没有就水滑现象对整车行驶状态的影响机理进行系统化和理论化的研究，缺乏实时的监测和提示，主要是靠人为经验，降低了汽车行驶安全。
1.2.2 轮胎驻波
2010年，英国学者 Victor V. Krylov，Oliver Gilbert针对目前轮胎驻波的物理显示理论，研究轮胎参数对驻波的临界车速和波形影响，同时分析了胎压和胎面厚度对临界车速的影响，最后验证了此理论能够很好的解释和预测轮胎驻波模型。
2007年，中国科学技术大学的学者郝勇、李子然等人利用 ABAQUS 软件建立了轮胎驻波现象的有限元模型，进行仿真分析，得出的驻波临界速度与试验值相似。重点分析了载荷及充气压力对临界速度的影响，分析结果表明，增大轮胎充气压力会明显提高临界车速，而载荷对其的影响可以忽略不计。
总结以上内容可以发现，在轮胎驻波方面的研究没有就驻波现象对整车行驶状态的影响进行系统化和理论化的研究，没有实时的监测和提示，主要是通过人为经验，降低了汽车的行驶安全性。
1.2.3 轮胎气压对操纵性影响
2013 年，重庆理工大学学者欧健，周鑫华等人提出在 Matlab /Simulink 中建模，包括横摆运动、侧倾运动的八自由度整车动力学模型和车辆参考模型，实现ESC系统对车辆的稳定性控制。仿真结果表明：所制定的控制策略可有效地实现横摆稳定性控制，而且减小了侧向加速度，使汽车具有一定的抗侧翻能力，提高了汽车的稳定性和安全性。
2010年，荷兰埃因霍温理工大学的学者 Besselink，Schmeitz 等人开展了轮胎充气压力的变化对准静态压力、转矩特性和轮胎包络特性影响的研究。提出了改进后的魔术公式，引进了一些与充气压力相关的轮胎基本性质。
2013年，江苏大学的学者王国林等人[2]提出利用非线性轮胎模型，建立考虑载荷转移的二自由度汽车模型。基于逆动力学原理，使用神经网络理论方法，构建汽车前后轮胎特性与操纵稳定性评价指标之间的映射关系。结果表明，通过该方法建模能较准确地得出满足汽车操稳性要求的轮胎侧偏刚度组合，从而指导汽车开发过程中轮胎的选择工作。
总结以上内容可见在轮胎气压对操纵性影响方面，国内外学者研究大部分都是以单个轮胎为研究对象，研究轮胎胎压对轮胎相关特性的影响，很少有建立整车模型来进行研究；很少有学者研究在汽车高速行驶时，四个轮胎的胎压不一样对整车操纵性的影响情况。
汽车安全性
主动安全性： 行驶安全性、环境安全性、感觉安全性、操纵安全性
被动安全性： 车外安全： 车身变形情况、车身外部形状、表面光滑
车内安全： 车厢强度、约束装置、车内冲及范围、转向系统、成员解救
一般安全性： 燃料系统强度、内饰阻燃性、行李箱的开启
汽车行驶安全性是汽车主动安全性中的重要内容，提高汽车行驶安全性对减少交通事故的发生具有重要意义。汽车行驶安全性是指汽车的装备保证汽车运行安全，同时具有最佳动态性能的能力。主要包括操纵稳定性、制动性能、动力性、通过性等。在汽车行驶过程中，提高操纵稳定性和制动性是提高汽车行驶安全的主要措施。汽车操纵稳定性的好坏直接影响到汽车行驶安全，操稳性不好的汽车，严重时，可能会导致侧滑或侧翻而造成严重的交通事故。汽车的操纵稳定性是决定高速汽车安全行驶的一个主要性能，故称其为“高速车辆的生命线”。
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