嵌入式無線智能輪胎系統設計

黃小靖， 張 峰， 張士文

（上海交通大學電工電子國家級實驗教學示范中心，上海200240）

0 引 言

汽車作為人們出行的交通工具，已經占據了生活中不可替代的地位，而行車安全更是人們出行時所關心的重點。隨著自動駕駛、智能交通技術的不斷發展，智能輪胎技術也越來越受到人們的密切關注。傳統的輪胎狀態檢測主要依靠人工來完成，而在汽車長時間運行時難以做到對輪胎運行狀態進行實時監測，存在不小的安全隱患。根據高速公路事故統計，在中國的高速公路上，有70%的交通事故是由輪胎爆胎引起的［1］。發生輪胎爆胎故障，往往導致駕駛員措手不及，會造成重大的交通事故，導致人員傷亡。爆胎導致的交通事故如此難以預防，究其原因是因為駕駛員對輪胎狀態信息的缺失導致的，若駕駛員能夠在事故發生前得知輪胎的狀態，像車輛儀表盤上的燃油存量指示燈一樣，提醒駕駛員，輪胎處于爆胎邊緣，那么肯定能預防這次事故，智能輪胎的研究應運而生。當然，輪胎爆胎的機理十分復雜，涉及負載、溫度、氣壓、磨損和外物刺穿等因素［2］，現在還難以做到準確的輪胎爆胎預測，但是簡單的輪胎狀態信息的獲取技術已經較為成熟。胎壓監測系統（Tire Pressure Monitoring System，TPMS）就是為了獲得輪胎氣壓和溫度信息而出現的［3-4］。

TPMS系統是將氣壓等傳感器放置在輪胎內部來采集相應信息，并利用無線通信技術將數據信息上報給用戶知曉，如在車輛儀表盤中有專門的圖標顯示輪胎氣壓狀態，并在輪胎處于異常狀況時向駕駛員報警，如氣壓過低，輪胎溫度過高等［5］。TPMS系統在提高行車安全性和降低油耗上有重要意義［6］。然而，TPMS系統在采集輪胎狀態信息上依然存在一些不足，如采集信息的不夠全面，輪胎狀態信息除了胎壓和溫度外，還包括輪胎的負荷、磨損情況、與路面摩擦力、下沉量等。這些輪胎運行狀態的實時數據的獲取，對于目前相關的無人駕駛技術和車輛輔助駕駛技術等研究熱點具有重要的支撐作用。因此，需要一個更為完善的輪胎狀態監測系統來完成對輪胎狀態信息全方位的監測。

國外很早就開始了對輪胎狀態監測的研究應用，特別是TPMS也是起源于美國。在經歷了2000年的費爾斯通大型輪胎召回案之后，輪胎安全得到了人們的廣泛關注重視［7］。近年來各國相繼將輪胎監測安全寫入法規強制要求，促進了國外在相關方面的研究技術發展和統一規范。

2017年7月，美國杜克大學Franklin等［8］的團隊發明了一種通過氣溶膠噴墨打印含金屬碳納米的傳感器，能夠識別出附著的橡膠厚度，同時這種傳感器不會對材料進行損害，該傳感器對橡膠厚度的識別靈敏度能夠達到毫米級別。

對于輪胎狀態監測的研究應用，我國相對于國外雖然起步較晚，但隨著國內汽車市場的逐漸壯大，也有了較多的研究應用成果［9］。

2007年，同濟大學汽車學院就輪胎均勻磨損特性建立了基于輪胎刷子模型的輪胎接地模型［10］。同年，北京交通大學發表了基于小波分解和閾值分割的混合模板匹配方法來識別檢測輪胎磨損，該方法基于圖像識別的方式獲取輪胎胎面數據［11］。2017年，Wang等［12］發表了一種基于光點分析的非接觸式胎面深度測量方法。2008年，吉利汽車公司創新提出了爆胎監測與安全控制系統（Blow-out Monitoring and Brake System，BMBS）［13］，該系統在監測到輪胎爆胎后，主動接管車輛控制權，實現運動軌跡平穩停車，有效降低爆胎事故危害，保障行車安全［14］。

本文設計了基于嵌入式無線傳輸的智能輪胎系統，在輪胎內部安裝多種傳感器采集多種輪胎運行狀態數據的基礎上，通過智能輪胎算法實現了對輪胎胎壓、轉速、載荷、磨損狀況等狀態信息獲取，并通過無線傳輸到上位機，在顯示終端上實時顯示。

1 智能輪胎系統設計

智能輪胎系統在傳統TPMS基礎上，主要實現針對輪胎的均勻磨損及不均勻磨損等磨損情況進行輪胎磨損程度的識別判定，并且測量輪胎垂向載荷，上報給用戶知曉，并結合胎壓和溫度信息，實現輪胎安全預警的功能，提高汽車運行的安全性，達到系統設計的目的。

從功能角度來說，智能輪胎系統在提供輪胎磨損程度監測及輪胎垂向載荷測算功能的同時，需要搭配現有的TPMS的胎壓和溫度監測功能，即智能輪胎系統是TPMS的升級。因此，在設計智能輪胎系統時，可以以現有的TPMS技術作為基礎，并且通過增加適當的傳感器采集不同的輪胎運行數據，然后通過智能輪胎數據處理算法，分析得出輪胎的各種狀態信息，主要體現為實現上述兩個主要功能。然而，雖然兩者都是對輪胎信息的采集上報，但在原理上有很大的不同。胎壓和溫度信息均為直接采集信息，系統實現較為簡單；而輪胎的磨損情況難以通過直接測量的方式得到，需要對輪胎基礎數據進行處理才能得到輪胎磨損狀態及載荷狀態的信息，著重通過數據處理的方式得到輪胎磨損信息，開發和研究的重點是如何對所采集的輪胎基礎數據進行處理，及智能輪胎載荷和磨損算法的開發，因此兩個系統在技術難度上有本質的不同。

智能輪胎系統分為3層。

（1）輪胎內部信息采集系統（底層）。底層的數據采集采用TI公司推出的Sub-1GHz無限低功耗芯片CC1310作為主控芯片搭建硬件采樣系統，通過采集車輛運行時輪胎的胎壓、溫度、內表面形變信息以及胎冠內表面三軸加速度等基礎數據，通過智能輪胎載荷—磨損—算法的處理計算分析得到輪胎的垂向載荷和磨損程度，然后將胎壓、溫度、垂向載荷、磨損狀況等輪胎狀態信息通過433 MHz無線方式上傳至車載終端信息收集系統，底層系統結構框圖如圖1所示。

圖1 輪胎內部數據采集系統架構

加速度模塊采集輪胎內表面三軸的加速度數據，需貼裝于輪胎內表面中心位置，如圖2所示。其中Z軸為輪胎徑向，Y軸為輪胎切向，X軸為輪胎側向。

圖2 加速度模塊貼裝示意圖

（2）車載終端信息無線收集系統（中層）。系統中間層主要實現底層和上層之間的信息傳輸與交換功能，采用無線傳輸方式，收集不同輪胎內部信息采集系統上傳的信息。另外，通過藍牙協議與手持顯示終端進行通信，并以一定的自定義的信息傳輸格式與通信協議將收集到的各輪胎狀態信息以藍牙的方式無線發送至手持終端，如圖3所示。車載終端MCU通過串口完成與藍牙模塊的信息傳輸，本文采用雙微控制器模式，即藍牙底層協議與用戶應用程序分別由主機控制器和主機來實現［15］。

圖3 車載終端信息采集與傳輸的系統架構

（3）終端顯示系統（上層）。主要功能為對各輪胎狀態信息的顯示及越限預警，終端顯示APP按照通信協議不斷向車載終端發送信息傳輸指令，以更新輪胎狀態信息數據進行顯示，APP顯示界面的初始界面如圖4所示，可顯示溫度、速度、壓力、載荷和磨損等輪胎狀態信息。智能輪胎系統整體實拍圖如圖5所示。

圖4 終端顯示界面

采用全新子午線輪胎205／55R16型號輪胎，將如圖5所示的輪胎內部信息采集系統貼裝于輪胎內部，其中加速度模塊按照圖2所示方式貼裝于輪胎內部幾何中心線位置。運行工況為：車速20 km／h，胎壓270 kPa。采集到的輪胎三軸加速度信息和應變信息分別如圖6和圖7所示。當車速穩定時，三軸加速度以及輪胎應變數據都呈現出規律的周期性變化，非常值部分即為輪胎與地面接觸的區域所產生的數據。從圖中可以看出，當輪胎進入地面時，徑向加速度會產生一個谷形區域；軸向加速度會先產生一個正向尖峰并且在輪胎離開地面時產生一個反向尖峰；側向加速度幾乎無變化，這是由于車輛在運行時盡可能保持了直線行駛。另一方面，輪胎的應變信息可以一定程度上反映輪胎的形變程度，同樣當輪胎開始進入地面時，由于應變計未完全進入地面，致使其產生一個方向上的微小形變，當其完全進入地面時，由于受到地面的擠壓會產生一個相反方向上的較大的形變。從底層信息采集系統采集到的輪胎基礎數據通過智能輪胎載荷-磨損算法的分析計算，可以得出輪胎的垂向載荷以及磨損狀態信息。

圖5 智能輪胎系統實拍圖

圖6 加速度數據

圖7 應變計數據

2 系統實現及性能測試

為了驗證該智能輪胎系統設計方案的合理性，搭建了一套完整的智能輪胎系統，采用4條全新子午線輪胎205／55R16型號進行輪胎垂向載荷測試，測試條件為車速30 km／h，胎壓為270 kPa，在車輛交通道路直行路段進行了多次實車測試，各輪胎載荷配重的分配如圖8所示。然后采用本文設計的智能輪胎系統進行整車試驗，采集數據、運算獲得各輪胎的載荷數據。

圖8 各輪胎載重配重分配示意圖

整車實際測試試驗的各輪胎載荷數據和整車數據的測試結果如圖9所示。測試結果顯示，載荷測量值整體在某一數值上下波動，單一輪胎的載荷測量值波動較大，整車的動態測量值相對波動較小。由此得出，智能輪胎系統可以在一定誤差允許范圍內計算獲得輪胎的垂向載荷，數據精度滿足工程需求。

圖9 整車試驗測試結果

3 結 語

本文提出了一套采用TI超低功耗自主無線MCU芯片CC1310的智能輪胎設計方案，底層信息采集系統通過采集輪胎內部三軸加速度、應變計、溫度和胎壓等輪胎基礎數據，應用智能算法分析得出輪胎的垂向載荷和磨損程度等狀態信息。中層信息收集系統負責收集多個輪胎的狀態信息，采用藍牙方式按照一定通信協議無線傳輸上報給終端顯示，并且開發了一套基于Android系統的終端顯示APP。通過智能輪胎系統的整車測試，驗證了智能輪胎設計方案的可行性，取得了良好的效果。實現了對輪胎更多狀態信息的監測和系統設計的目標，提供的輪胎實時狀態數據，可以支撐無人駕駛技術和輔助駕駛技術的應用需求，降低車輛運行的危險性，保證車輛的安全出行。

·名人名言·

真正的科學家應當是個幻想家；誰不是幻想家，誰就只能把自己稱為實踐家。

——巴爾扎克