基于無線傳輸機理的輪胎監測系統的研究

摘 要：當輪胎氣壓和溫度出現異常時，會造成汽車行駛的安全隱患，因此必須進行監測。在綜合分析國內外輪胎監測系統的基礎上，提出了一種基于無線傳輸機理的輪胎監測系統的設計方案，能夠對輪胎的實際狀況進行監測并報警。

關鍵詞：無線傳輸； 輪胎氣壓； 溫度監測； 監測系統

中圖分類號：TN911.734; U472 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X(2012)09016103

基金項目:國家自然科學基金(51105124)資助;浙江省自然科學基金(Y1090199)資助0 引 言

輪胎是汽車上與路面接觸的惟一部件，行駛過程中通過輪胎花紋與地面間產生驅動力和制動力［1］；充氣后的輪胎具有一定的剛度和硬度，可以用來承載整車質量［2］；充氣輪胎又具有一定的彈性，可以緩和來自于車上質量和路面不平帶來的沖擊，提高車輛的平順性和乘坐舒適性。而輪胎的剛度、硬度及其他性能，除了與輪胎本身的材質和生產工藝有關外，在很大程度上還受到其工作狀態時的氣壓和溫度的影響。實踐證明，適當的氣壓和溫度可以有效地減少輪胎的磨損、提高輪胎的附著性能、改善汽車的行駛安全性。

1 輪胎氣壓和溫度對汽車使用的影響

當輪胎的氣壓過低時，汽車行駛時輪胎的彈性遲滯損失明顯變大，不僅會增加汽車的行駛阻力，還會使胎面過早地出現龜裂和老化現象；當汽車高速行駛時，又會由于輪胎內外摩擦使得輪胎溫度升高，進而輪胎氣壓上升［3］，嚴重時可能會出現爆胎現象，導致交通事故，危機生命財產安全。據統計，約有30%的交通事故是由于輪胎氣壓和溫度不正常引起的，高速公路上這一比例更高。

實踐表明，當輪胎充氣壓力與額定值不一致、輪胎溫度超過90℃時，輪胎的磨損程度就會加劇，壽命將會大大縮短，如壓力低于額定值0.03 MPa，壽命縮短［4］25%；壓力高于額定值0.06 MPa，壽命縮短15%以上；輪胎溫度高于95℃且高速行駛時，就有可能導致爆胎發生［5］。因此，需要對輪胎的氣壓和溫度進行實時監測。

2 輪胎氣壓和溫度監測的意義

在行車過程中駕駛員很難依據感覺和經驗來判斷輪胎的氣壓和溫度，也不可能經常停車使用專用儀器來檢測，因此輪胎氣壓和溫度的監測具有以下幾個方面的意義：

(1) 能夠實時監測輪胎氣壓和溫度，可以及時發現輪胎氣壓和溫度狀況，便于駕駛員盡快調整汽車的行駛狀態，使輪胎的氣壓和溫度能夠盡快恢復常態，能夠有效防止爆胎和交通事故的發生，屬于“主動”型安全保護；

(2) 通過監測可以使汽車輪胎盡可能多的處于標準氣壓下工作，從而延長輪胎使用壽命，并能在一定程度上降低油耗；

(3) 可以保證各個輪胎氣壓均勻，減少造成制動跑偏和側滑的發生，避免轉向系統和懸架系統等相關部件的磨損。

3 國外輪胎監測系統的類型及優缺點

國外的輪胎監測系統的研制起步較早，配置的車型也較多，因輪胎溫度與氣壓存在一定的數值關系，所以國外輪胎監測系統直接監測的指標均為氣壓，歸納起來可將其分為直接式、間接式和混合式三種。

3.1 直接式系統

直接式系統是將壓力傳感器直接安裝到各個輪胎上，各壓力傳感器將監測到的壓力值以電信號的形式通過無線發射器傳至中央處理模塊，經信號轉換后將壓力不正常的輪胎位置在駕駛室內的監視裝置上顯示出來。直接式系統的優點是能夠監測出各輪胎的瞬時氣壓，且定位準確、顯示醒目，但結構較復雜，傳感器安裝不方便。

3.2 間接式系統

間接式系統相對于直接式系統結構簡單、成本較低。它不是直接監測輪胎的氣壓，而是通過對輪胎其他參數(如輪胎的振動或輪胎的滾動半徑)的分析間接計算出輪胎的壓力［6］。如果計算出來的各輪胎壓力的差值超過報警閾值，監視器將會報警顯示有輪胎氣壓不正常情況，具體是哪一個輪胎氣壓不正常，無法顯示；另外如果有兩個以上輪胎的氣壓同時下降時，系統也不能報警［7］；另外受車速的影響較大，車速升高，間接式系統的監測精度也會隨之下降。

3.3 混合式系統

混合式系統是直接式系統和間接式系統的綜合，同時兼顧了兩個系統的優點。在四輪汽車上僅安裝兩個壓力傳感器，這樣便可以對多個輪胎同時出現壓力不正常的情況進行監測，克服了間接式系統的缺點；由于結構上進行了簡化，其成本也較低；但是無法測出每個輪胎的實時氣壓。

4 國內輪胎監測系統的應用及其特點

目前，對于輪胎監測系統國家沒有相應的強制性規定要求必須安裝，許多車主也沒有意識到輪胎狀況監測的重要性，安裝時又要產生一筆額外的費用，因此無論是私家車主還是運輸企業主，都不會去主動安裝此類系統；而且系統安裝時需要在車內接線和固定，影響美觀等，這也在一定程度上影響了我國輪胎監測系統的應用。

目前裝配了輪胎監測系統的車型有：奧迪系列、寶馬系列、奔馳系列、雪鐵龍的CS、上海通用的別克、朗逸1.6 L品軒版、朗逸2.0 L品軒版、榮威550G1.8 T品仕版等，這些車型裝配的都是輪胎氣壓監測系統。其特點是當汽車上的某一輪胎出現氣壓不正常現象時，位于駕駛室內的顯示裝置將會點亮一黃色報警燈，并顯示“LOWTIRE”或其他警示字樣，以提醒駕駛員采取相應的措施，從而確保行車安全。就目前國內這些車型所安裝的輪胎監測系統的組成及其工作原理來看，主要存在以下不足之處：

(1) 沒有與車型綁定，需人工設定標準胎壓，而且需用的傳感器較多，系統結構復雜，安裝較繁瑣；

(2) 系統工作受車速的影響較大，當車速超過30 m/s時，所監測氣壓值的誤差較大，無法在汽車高速行駛時起到安全報警的需要；

(3) 必須使用原廠輪胎，如果換用其他輪胎，系統無法消除由于輪胎不一致而造成的影響［8］；

(4) 語音抗干擾能力較差，射頻效率不高，編碼糾錯性較差；

(5) 當汽車行駛所處環境條件惡劣時易出現漏報現象;

(6) 另外，還存在有傳感器壽命短、耐久性差等問題。

5 基于無線傳輸機理的輪胎監測系統的設計

針對國內輪胎監測系統的這種狀況，在總結前人研究經驗的基礎上，吸收其優點，針對其不足之處進行優化設計，充分考慮汽車輪胎壓力和溫度對汽車動力性、燃油經濟性、操縱穩定性和行駛平順性的影響［9］，通過建立數學模型、設計電子電路和硬件、編制相應的控制軟件的方法來實現整個系統的設計，設計流程如圖1所示。

可實現如下技術指標：

(1) 實現無線數據收發，擬采用433 MHz射頻芯片配合外圍電路組成無線收發模塊。通過對采樣數據FSK調制并發送，提高通信的抗干擾能力；

(2) 編寫冗余檢錯碼，實現通信協議和數據糾錯，使其與同步頭和數據一起放入數據包中，通過下位機連續發送數據包至上位機的方法對數據進行冗余檢錯［10］；

(3) 能夠自動識別不同規格的車輪和輪胎；

(4) 擴大可靠性工作的車速范圍，當車速在0～120 km/h范圍時，能夠準確、可靠地監測輪胎的氣壓和溫度，并對異常情況進行報警。

6 結 論

通過綜合分析輪胎氣壓和溫度對汽車的動力性、燃油經濟性、操縱穩定性、行駛平順性的影響，應用無線傳輸機理設計輪胎監測系統，能夠實現根據具體車輛的實際情況給出合理的輪胎充氣壓力和車輛裝載重量，并在出現危險狀況時報警，具有功耗低、信號傳輸可靠、成本低的特點。

參 考 文 獻

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作者簡介： 呂鳳軍 男，1976年出生，山東臨沂人，碩士研究生，講師，工程師。主要從事車輛工程和汽車運用工程方面的研究。