汽车智能轮胎监测系统的设计

汽车智能轮胎监测系统的设计摘要随着车速的提高，汽车的操纵稳定性、平顺性、安全性、燃油经济性和舒适性等性能变得越来越重要，而轮胎气压是影响这些性能特别是安全性的重要因素。本文介绍了智能轮胎的发展、国内外先进的智能轮胎监测技术，探讨将TPMS集成到RKE中的整合系统设计方法，该系统可以实时监测每个轮胎的压力和温度，能够确定故障轮胎并发出声光报警，以确保安全驾驶。1发展智能轮胎的意义2l世纪汽车/轮胎的发展主题将是人性化、智能化，其内涵包括便利、绿色、安全等。智能轮胎监测技术对促进轮胎、汽车、交通等行业的发展，对节能环保、提高行驶安全性都具有重大意义。尽管轮胎是保障汽车性能的最重要因素之一，但许多汽车司机往往忽视了轮胎的重要性及其存在的隐患。不恰当的轮胎压力可能破坏汽车的稳定性并影响汽车的驾驶和制动，较低的轮胎压力几乎与所有涉及制动的撞车有关。据统计，每年由轮胎而导致的交通事故高达数十万起，大约占汽车交通事故的6％，而其中又有85％是由于轮胎气压不足造成的。适当充气的轮胎不仅可以增强安全性和性能，还能节省燃料并延长轮胎的寿命。然而，20％的轮胎仍处于40％的亚充气状态(under-inflated)，这不仅显著地降低了轮胎的寿命，而且还增加了燃料消耗。根据Goodyear公司的数据，汽车轮胎处在亚充气状态下时，每下降3个PSI，将使燃料消耗增加1％。在智能轮胎发展的初期，主要停留在轮胎压力检测范围内，当汽车压力不当时，系统向驾驶员发出警报，以保证汽车行使的安全性。未来数年内，安全性一直是推动轮胎压力监控系统(TPMS)发展的主要动力，因为许多交通事故的发生都与轮胎的缺陷有直接关系。2智能轮胎的功能智能轮胎的功能是在汽车正常行驶时，当温度过高或轮胎气压太低时，及时向驾驶员发出警报，以防止发生事故，或使轮胎在不同行驶条件下保持最佳运行状况，提高安全系数。更为先进的智能轮胎还能感知光滑的冰面，探测出结冰路面后而使轮胎自动变软，增大轮胎与路面的附着力；在探测出路面潮湿后，甚至还能自动改变轮胎的花纹，以防打滑。2.1内压监测充气内压严重影响轮胎使用性能。轮胎欠压行驶将无法承载额定负荷，甚至导致轮胎早期损坏。轮胎过压会降低汽车的行驶平顺性和乘坐舒适性等，并有可能导致爆胎而有翻车的危险。此外，充气内压不达标还影响到其它操作性能正常发挥。当额定充气内压为700kPa（10psi）时，欠压将导致滚动阻力增加2%；对驱动轴轮胎而言，相当于油耗增加了0.5%，磨耗加快了5%。如果轮胎长期在欠压状态下行驶，将损害轮胎的结构完整性和胎体可翻性。因此，监测轮胎充气内压并使之维持良好状态应是智能轮胎的首要功能。通过安装轮胎充气内压监测装置，即可达到上述的目的，一旦发现轮胎充气内压不足，该装置立刻向驾驶者发出警报，提示驾驶者停车检查轮胎或由车载电脑自动作出应急处置。目前己有多种轮胎充气内压监测装置局部投入使用。2.2自动补充轮胎内压仅仅及早发现轮胎漏气是不够的，还应当及时让逐渐轮胎重新鼓起来。把车载气泵系统与轮胎有机地结合起来，是智通轮胎的发展方向之一。一旦轮胎漏气，装有的智能系统将根据充气内压监测装置提供的数据信息，自动启动车载气泵，向轮胎内充入气体，使轮胎保持合理的充气内压。2.3追溯性记录追溯性记录，即历程可追溯性记录，就是说，轮胎从在造、出厂到使用及维修、翻新、最后报废的全过程中，每一个阶段均形成资料并储存起来，以便可以随时提档查阅。历程可追溯性记录资料一般应包括四个部分：（1）轮胎的身份，亦即轮胎的产品资料，通常包括轮胎品牌、生产序列号、生产厂厂址、生产日期等；（2）轮胎的户籍，亦即装车资料，通常包括汽车主轴号码、轮辋号码等；（3）轮胎的使用资料，包括历次出车时轮胎的温度、充气内压、速度、受大、变形等数据，以及历次翻新、修补情况等；（4）轮胎报废资料，包括报废原因、报废日期等。历程可追溯性记录引进了电子注册和电子数据库管理，如果与远程信息系统联接，只要这条轮胎仍在路上使用，在信息网所覆盖的范围就能找到它。具有这种功能的轮胎一旦出现产品质量问题，汽车厂商和轮胎商可以很快确定召回范围，提高召回效率。2.4轮胎温度监测轮胎使用性能的优劣是以吨·英/小时来衡量的，并受到负荷和额定速度两者的制约。轮胎的温度和轮胎使用寿命密切相关，因而温度历程监测同样重要，应当要记录轮胎的使用历程，至少应记录温度峰值或时间表/温度历程。探测、传输轮胎数据由植入轮胎内的集成电路片完成，而配套的接收器/数据读出器则装在驾驶室内。美国推广的第二代“智能”轮胎还具有以下功能：（1）漏气保用轮胎，能够自动提醒轮胎已经漏气，并能在突然爆胎后继续以每小时55英里在的速度安全行驶125英里。（2）测量胎内温度的轮胎将一种带有感应器的特殊气阀安装在轮胎胎面和侧壁上。（3）测量承重量的轮胎。这种轮胎能自动测出每个轮胎的承重量。过多重量会增加对轮胎的压力，使胎内温度升高，从而破坏轮胎部件之间的粘合力。（4）接通互联网的轮胎这种轮胎能把行驶间轮胎突然发生问题的信息传到互联网上，司机就会接到一个电话，告诉他最近的汽车维修点方位，尽快去那里进行修理。智能轮胎监测技术能够收集、记录、传输与轮胎所处环境相关的信息，并对这些信息作出正确的判断和处理。它使未来的轮胎将不再是车辆上的被动橡胶复合体，而是影响车辆驾驶安全性和舒适性的车辆控制系统的重要组成部分，能为车内和车外用户的控制系统提供所关心的数据信息。3胎压监测系统（TPMSs）目前的智能轮胎监测技术主要是TPMSs（TirePressureMonitoringSystem，轮胎气压监测系统），它可以监测轮胎的气压，有直接型和间接型两种类型。3.1NHTSA法案关于TPMSs系统的规定2002年，美国交通部国家高速公路交通安全管理署NHTSA（NationalHighwayTrafficSafetyAdministration）发布了轮胎气压监测装置标准的正式条例，要求条例中规定的车辆必须配备轮胎气压监测装置，自2003年11月1日起生效。规定在从生效之日起到2006年10月31日期间，汽车制造商生产的整备质量为4536kg以下的轿车、载货汽车、客车和MPV等，要逐步安装TPMSs。第一年安装数量须达到10％，第二年须达到35％，第三年须达到65％。2006年11月1日以后，上述类型车辆必须全部安装TPMSs，同时将根据第一阶段的实施情况对条例的某些部分作相应的调整或修改。条例还在TPMSs的监测性能要求、监测系统的类型及监测能力、气压不足产生的安全问题、安装TPMSs后的效益以及安装费用等方面都做了详细的评估与规定。条例中用“显著低压”来描述TPMSs低压报警的阈值，规定当汽车上的1～4条轮胎，其充气压力等于或低于制造商推荐的最小冷充气压力的25％或138kPa时，TPMSs必须向驾驶员报警。压力监控系统早在多年前就已实现，但只装备在高端的豪华汽车上。当代的TPMS基于压力传感器，包含了专门用来调节压力和温度信号的ASIC。然而，新的法令将使得TPMS成为各种型号汽车的标准配置。3.2直接型TPMSs直接型TPMSs需要在每个轮胎中安装压力传感器，直接测量轮胎充气压力。传感器将压力信息通过RF（RadioFrequency，射频）信号发送到中央接收单元进行数据处理。直接型TPMSs能够监测所有轮胎的压力，只要轮胎出现压力损失，即使很小也能监测到，可靠性与灵敏度较高，直接型TPMSs同时也能监测胎内气体的温度。直接型TPMSs（有源）主要由压力与温度传感器、胎内微控制器与发射器、车内中央处理单元（包括接收器）、报警显示单元四部分组成。传感器和胎内微控制器与发射器组成胎内电子包，图1为系统工作示意图。图1直接型TPMSs传感器测出气压信息和温度信息并转换为电信号，微控制器对电信号进行A／D转换、数字信号调制、信源编码，由射频发送芯片以一定的频率（通常为315MHz或434MHz的中心频率）、一定的模式（通常为OOK／FSK）发射出去。中央处理单元的接收芯片以相同模式接收由发射器发送的射频信号并传送到微控制器，微控制器检查数据帧后进行数据处理，并与轮胎低压限定值及温度设定值进行比较，如果出现异常，指示灯和液晶显示器就会显示报警。直接型TPMSs的胎压监测模块的射频链接运用了与遥控车门开（RKE）系统相同的射频原理和频率范围，TPMS的接收器装置也是基于与RKE接收器类似的技术。由于RKE系统已经广泛地应用于现代汽车中，因此这种射频链接可以与RKE系统共享资源，甚至可以将TPMS和RKE集成至一套系统中，这样能显著地降低成本。胎压监测模块通过射频发射器装置，使每个轮胎都能够发送压力信息至驾驶室的仪表盘中，而车身控制器也能判断信号来自哪个轮胎。但如果驾驶员正在更换或旋转轮胎时，需要通过其他方法解决轮胎定位的问题，可以采用如下方法：每个车轮都安装专用的射频接收器；感应测量不受速度的影响，测量包含ABS/ESP信息；射频信号(RSSI)的放大分析；双向射频链接；低频唤醒。低频唤醒（LFwakeup）案的成本相对低廉并能实现可靠的立即识别，小低频驾驶室天线（125KHz）发送唤醒信号至特定的胎压监测模块，胎压监测模块通过射频链接发送响应信号。低频唤醒必须在驾驶室天线与胎压监测模块之间弥合约1m的距离，这已被证明完全可行，飞利浦半导体公司的无源遥控开锁（PassiveKeylessEntry,PKE）技术即能实现。P2SC方案能提供低频唤醒和高频返回信号的直接测量，这意味着系统可以“请求”每个轮胎报告当前的压力状况并将这些信息中继给驾驶员。一旦汽车启动点火，每个轮胎就被“唤醒”，并在驾驶员开动汽车之前汇报轮胎上的状态信息。在整个行程中，轮胎将保持“唤醒”状态并定期更新状态信息。如果出现压力骤降情况，轮胎将自动将该信息中继给驾驶员，而无需进行先期唤醒。驾驶员将能利用仪表盘上的图标显示或虚拟汽车，获得轮胎压力信息。3.3间接型TPMSs与直接型相比较，间接型TPMSs不需要额外安装传感器，目前的间接型TPMSs借用ABS中的轮速传感器测量4个车轮的转速。当某个轮胎的压力下降时，滚动半径减小，车轮转速相应增大，系统主要通过比较两条对角线上车轮转速的总和来判断是否出现压力下降。这是因为在车辆任意角度的转向中，外侧轮胎的转速一定比内侧轮胎的转速高。如果间接型TPMSs把某个车轮的轮速与4个车轮轮速的平均值相比较，则车辆在转弯或曲线行驶时，系统会发出错误报警。同理，如果把其中某个车轮的轮速和另外3个车轮的轮速分别比较，由于在转弯或曲线行驶时，外侧轮胎的转速比内侧轮胎的高，系统也会发出错误报警。目前的间接型TPMSs有明显的局限性：1．只有在1个轮胎或对角线上的2个轮胎以及3个轮胎的压力低于其它轮胎压力30％以上，才能监测到低压现象。如果4个轮胎全部处于明显低压状态，间接型TPMSs将不能报警。2．如果同轴或同侧的2个轮胎处于明显低压状态，间接型TPMSs也不能监测。3．系统没有识别功能，只能提示轮胎压力不足，不能判定是哪一个轮胎出现不足，必须人工检查才能确定。4．系统反应速度慢。ABS中央处理单元需要进行繁琐的数据处理和自我检测，以防系统出现误诊断，因此向驾驶员发出的信号迟缓。在车速超过100km／h时系统不能进行判断。5．NHTSA在调查中发现，使用目前的间接型TPMSs的轮胎，在处于明显低压状态时只有占调查总数的50％发生了报警，而直接型TPMSs都能发出报警。通过以上对直接型和间接型TPMSs的比较可发现，虽然直接型TPMSs比间接型TPMSs需要额外的硬件设备，价格相对昂贵，但其可靠性远远高于间接型TPMSs。随着电子技术以及传感技术的发展，直接型TPMSs的成本将会迅速下降，如果生产形成规模，成本将不再是推广直接型TPMSs的障碍。4国外较有特色的智能轮胎监测技术4.1西门子公司开发的智能轮胎监测技术该智能轮胎监测技术适用于所有标准的原装胎和样胎，不仅可以监测胎内的压力和温度，即具有TPMSs的功能外，还可测定轮胎的加速度和监测轮胎转速，并把每个轮胎的转速与操作参