基于无线传输机理的轮胎监测系统的研究

0 引言
    轮胎是汽车上与路面接触的惟一部件，行驶过程中通过轮胎花纹与地面间产生驱动力和制动力；充气后的轮胎具有一定的刚度和硬度，可以用来承载整车质量；充气轮胎又具有一定的弹性，可以缓和来自于车上质量和路面不平带来的冲击，提高车辆的平顺性和乘坐舒适性。而轮胎的刚度、硬度及其他性能，除了与轮胎本身的材质和生产工艺有关外，在很大程度上还受到其工作状态时的气压和温度的影响。实践证明，适当的气压和温度可以有效地减少轮胎的磨损、提高轮胎的附着性能、改善汽车的行驶安全性。

1 轮胎气压和温度对汽车使用的影响
    当轮胎的气压过低时，汽车行驶时轮胎的弹性迟滞损失明显变大，不仅会增加汽车的行驶阻力，还会使胎面过早地出现龟裂和老化现象；当汽车高速行驶时，又会由于轮胎内外摩擦使得轮胎温度升高，进而轮胎气压上升，严重时可能会出现爆胎现象，导致交通事故，危机生命财产安全。据统计，约有30％的交通事故是由于轮胎气压和温度不正常引起的，高速公路上这一比例更高。
    实践表明，当轮胎充气压力与额定值不一致、轮胎温度超过90℃时，轮胎的磨损程度就会加剧，寿命将会大大缩短，如压力低于额定值0．03 MPa，寿命缩短25 ％；压力高于额定值0．06 MPa，寿命缩短15％以上；轮胎温度高于95℃且高速行驶时，就有可能导致爆胎发生。因此，需要对轮胎的气压和温度进行实时监测。

2 轮胎气压和温度监测的意义
    在行车过程中驾驶员很难依据感觉和经验来判断轮胎的气压和温度，也不可能经常停车使用专用仪器来检测，因此轮胎气压和温度的监测具有以下几个方面的意义：
    (1)能够实时监测轮胎气压和温度，可以及时发现轮胎气压和温度状况，便于驾驶员尽快调整汽车的行驶状态，使轮胎的气压和温度能够尽快恢复常态，能够有效防止爆胎和交通事故的发生，属于“主动”型安全保护；
    (2)通过监测可以使汽车轮胎尽可能多的处于标准气压下工作，从而延长轮胎使用寿命，并能在一定程度上降低油耗；
    (3)可以保证各个轮胎气压均匀，减少造成制动跑偏和侧滑的发生，避免转向系统和悬架系统等相关部件的磨损。

3 国外轮胎监测系统的类型及优缺点
    国外的轮胎监测系统的研制起步较早，配置的车型也较多，因轮胎温度与气压存在一定的数值关系，所以国外轮胎监测系统直接监测的指标均为气压，归纳起来可将其分为直接式、间接式和混合式三种。
3．1 直接式系统
    直接式系统是将压力传感器直接安装到各个轮胎上，各压力传感器将监测到的压力值以电信号的形式通过无线发射器传至中央处理模块，经信号转换后将压力不正常的轮胎位置在驾驶室内的监视装置上显示出来。直接式系统的优点是能够监测出各轮胎的瞬时气压，且定位准确、显示醒目，但结构较复杂，传感器安装不方便。
3．2 间接式系统
    间接式系统相对于直接式系统结构简单、成本较低。它不是直接监测轮胎的气压，而是通过对轮胎其他参数(如轮胎的振动或轮胎的滚动半径)的分析间接计算出轮胎的压力。如果计算出来的各轮胎压力的差值超过报警阈值，监视器将会报警显示有轮胎气压不正常情况，具体是哪一个轮胎气压不正常，无法显示；另外如果有两个以上轮胎的气压同时下降时，系统也不能报警；另外受车速的影响较大，车速升高，间接式系统的监测精度也会随之下降。
3．3 混合式系统
    混合式系统是直接式系统和间接式系统的综合，同时兼顾了两个系统的优点。在四轮汽车上仅安装两个压力传感器，这样便可以对多个轮胎同时出现压力不正常的情况进行监测，克服了间接式系统的缺点；由于结构上进行了简化，其成本也较低；但是无法测出每个轮胎的实时气压。

4 国内轮胎监测系统的应用及其特点
    目前，对于轮胎监测系统国家没有相应的强制性规定要求必须安装，许多车主也没有意识到轮胎状况监测的重要性，安装时又要产生一笔额外的费用，因此无论是私家车主还是运输企业主，都不会去主动安装此类系统；而且系统安装时需要在车内接线和固定，影响美观等，这也在一定程度上影响了我国轮胎监测系统的应用。
    目前装配了轮胎监测系统的车型有：奥迪系列、宝马系列、奔驰系列、雪铁龙的CS、上海通用的别克、朗逸1．6 L品轩版、朗逸2．0 L品轩版、荣威550G1．8 T品仕版等，这些车型装配的都是轮胎气压监测系统。其特点是当汽车上的某一轮胎出现气压不正常现象时，位于
驾驶室内的显示装置将会点亮一黄色报警灯，并显示“LOWTIRE”或其他警示字样，以提醒驾驶员采取相应的措施，从而确保行车安全。就目前国内这些车型所安装的轮胎监测系统的组成及其工作原理来看，主要存在以下不足之处：
    (1)没有与车型绑定，需人工设定标准胎压，而且需用的传感器较多，系统结构复杂，安装较繁琐；
    (2)系统工作受车速的影响较大，当车速超过30 m／s时，所监测气压值的误差较大，无法在汽车高速行驶时起到安全报警的需要；
    (3)必须使用原厂轮胎，如果换用其他轮胎，系统无法消除由于轮胎不一致而造成的影响；
    (4)语音抗干扰能力较差，射频效率不高，编码纠错性较差；
    (5)当汽车行驶所处环境条件恶劣时易出现漏报现象；
    (6)另外，还存在有传感器寿命短、耐久性差等问题。[page]

5 基于无线传输机理的轮胎监测系统的设计
    针对国内轮胎监测系统的这种状况，在总结前人研究经验的基础上，吸收其优点，针对其不足之处进行优化设计，充分考虑汽车轮胎压力和温度对汽车动力性、燃油经济性、操纵稳定性和行驶平顺性的影响，通过建立数学模型、设计电子电路和硬件、编制相应的控制软件的方法来实现整个系统的设计，设计流程如图1所示。

    通过系统的设计，可实现如下技术指标：
    (1)实现无线数据收发，拟采用433 MHz射频芯片配合外围电路组成无线收发模块。通过对采样数据FSK调制并发送，提高通信的抗干扰能力；
    (2)编写冗余检错码，实现通信协议和数据纠错，使其与同步头和数据一起放人数据包中，通过下位机连续发送数据包至上位机的方法对数据进行冗余检错；
    (3)能够自动识别不同规格的车轮和轮胎；
    (4)扩大可靠性工作的车速范围，当车速在0～120 km／h范围时，能够准确、可靠地监测轮胎的气压和温度，并对异常情况进行报警。

6 结论
    通过综合分析轮胎气压和温度对汽车的动力性、燃油经济性、操纵稳定性、行驶平顺性的影响，应用无线传输机理设计轮胎监测系统，能够实现根据具体车辆的实际情况给出合理的轮胎充气压力和车辆装载重量，并在出现危险状况时报警，具有功耗低、信号传输可靠、成本
低的特点。