基于無線傳輸機(jī)理的輪胎監(jiān)測系統(tǒng)的研究

摘要：當(dāng)輪胎氣壓和溫度出現(xiàn)異常時，會造成汽車行駛的安全隱患，因此必須進(jìn)行監(jiān)測。在綜合分析國內(nèi)外輪胎監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于無線傳輸機(jī)理的輪胎監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，能夠?qū)喬サ膶?shí)際狀況進(jìn)行監(jiān)測并報警。
關(guān)鍵詞：無線傳輸；輪胎氣壓；溫度監(jiān)測；監(jiān)測系統(tǒng)

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(chǎn)生驅(qū)動力和制動力；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(zhì)量；充氣輪胎又具有一定的彈性，可以緩和來自于車上質(zhì)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(zhì)和生產(chǎn)工藝有關(guān)外，在很大程度上還受到其工作狀態(tài)時的氣壓和溫度的影響。實(shí)踐證明，適當(dāng)?shù)臍鈮汉蜏囟瓤梢杂行У販p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(dāng)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(xiàn)龜裂和老化現(xiàn)象；當(dāng)汽車高速行駛時，又會由于輪胎內(nèi)外摩擦使得輪胎溫度升高，進(jìn)而輪胎氣壓上升，嚴(yán)重時可能會出現(xiàn)爆胎現(xiàn)象，導(dǎo)致交通事故，危機(jī)生命財(cái)產(chǎn)安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(shí)踐表明，當(dāng)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(dǎo)致爆胎發(fā)生。因此，需要對輪胎的氣壓和溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

2 輪胎氣壓和溫度監(jiān)測的意義
    在行車過程中駕駛員很難依據(jù)感覺和經(jīng)驗(yàn)來判斷輪胎的氣壓和溫度，也不可能經(jīng)常停車使用專用儀器來檢測，因此輪胎氣壓和溫度的監(jiān)測具有以下幾個方面的意義：
    (1)能夠?qū)崟r監(jiān)測輪胎氣壓和溫度，可以及時發(fā)現(xiàn)輪胎氣壓和溫度狀況，便于駕駛員盡快調(diào)整汽車的行駛狀態(tài)，使輪胎的氣壓和溫度能夠盡快恢復(fù)常態(tài)，能夠有效防止爆胎和交通事故的發(fā)生，屬于“主動”型安全保護(hù)；
    (2)通過監(jiān)測可以使汽車輪胎盡可能多的處于標(biāo)準(zhǔn)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(cè)滑的發(fā)生，避免轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)等相關(guān)部件的磨損。

3 國外輪胎監(jiān)測系統(tǒng)的類型及優(yōu)缺點(diǎn)
    國外的輪胎監(jiān)測系統(tǒng)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(shù)值關(guān)系，所以國外輪胎監(jiān)測系統(tǒng)直接監(jiān)測的指標(biāo)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(tǒng)
    直接式系統(tǒng)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(jiān)測到的壓力值以電信號的形式通過無線發(fā)射器傳至中央處理模塊，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換后將壓力不正常的輪胎位置在駕駛室內(nèi)的監(jiān)視裝置上顯示出來。直接式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是能夠監(jiān)測出各輪胎的瞬時氣壓，且定位準(zhǔn)確、顯示醒目，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，傳感器安裝不方便。
3．2 間接式系統(tǒng)
    間接式系統(tǒng)相對于直接式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本較低。它不是直接監(jiān)測輪胎的氣壓，而是通過對輪胎其他參數(shù)(如輪胎的振動或輪胎的滾動半徑)的分析間接計(jì)算出輪胎的壓力。如果計(jì)算出來的各輪胎壓力的差值超過報警閾值，監(jiān)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(tǒng)也不能報警；另外受車速的影響較大，車速升高，間接式系統(tǒng)的監(jiān)測精度也會隨之下降。
3．3 混合式系統(tǒng)
    混合式系統(tǒng)是直接式系統(tǒng)和間接式系統(tǒng)的綜合，同時兼顧了兩個系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。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(xiàn)壓力不正常的情況進(jìn)行監(jiān)測，克服了間接式系統(tǒng)的缺點(diǎn)；由于結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了簡化，其成本也較低；但是無法測出每個輪胎的實(shí)時氣壓。

4 國內(nèi)輪胎監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用及其特點(diǎn)
    目前，對于輪胎監(jiān)測系統(tǒng)國家沒有相應(yīng)的強(qiáng)制性規(guī)定要求必須安裝，許多車主也沒有意識到輪胎狀況監(jiān)測的重要性，安裝時又要產(chǎn)生一筆額外的費(fèi)用，因此無論是私家車主還是運(yùn)輸企業(yè)主，都不會去主動安裝此類系統(tǒng)；而且系統(tǒng)安裝時需要在車內(nèi)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(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用。
    目前裝配了輪胎監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)。其特點(diǎn)是當(dāng)汽車上的某一輪胎出現(xiàn)氣壓不正?，F(xiàn)象時，位于
駕駛室內(nèi)的顯示裝置將會點(diǎn)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(yīng)的措施，從而確保行車安全。就目前國內(nèi)這些車型所安裝的輪胎監(jiān)測系統(tǒng)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(shè)定標(biāo)準(zhǔn)胎壓，而且需用的傳感器較多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝較繁瑣；
    (2)系統(tǒng)工作受車速的影響較大，當(dāng)車速超過30 m／s時，所監(jiān)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(tǒng)無法消除由于輪胎不一致而造成的影響；
    (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(dāng)汽車行駛所處環(huán)境條件惡劣時易出現(xiàn)漏報現(xiàn)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(jī)理的輪胎監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
    針對國內(nèi)輪胎監(jiān)測系統(tǒng)的這種狀況，在總結(jié)前人研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，吸收其優(yōu)點(diǎn)，針對其不足之處進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分考慮汽車輪胎壓力和溫度對汽車動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性和行駛平順性的影響，通過建立數(shù)學(xué)模型、設(shè)計(jì)電子電路和硬件、編制相應(yīng)的控制軟件的方法來實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

    通過系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)如下技術(shù)指標(biāo)：
    (1)實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā)，擬采用433 MHz射頻芯片配合外圍電路組成無線收發(fā)模塊。通過對采樣數(shù)據(jù)FSK調(diào)制并發(fā)送，提高通信的抗干擾能力；
    (2)編寫冗余檢錯碼，實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議和數(shù)據(jù)糾錯，使其與同步頭和數(shù)據(jù)一起放人數(shù)據(jù)包中，通過下位機(jī)連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包至上位機(jī)的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余檢錯；
    (3)能夠自動識別不同規(guī)格的車輪和輪胎；
    (4)擴(kuò)大可靠性工作的車速范圍，當(dāng)車速在0～120 km／h范圍時，能夠準(zhǔn)確、可靠地監(jiān)測輪胎的氣壓和溫度，并對異常情況進(jìn)行報警。

6 結(jié)論
    通過綜合分析輪胎氣壓和溫度對汽車的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性、行駛平順性的影響，應(yīng)用無線傳輸機(jī)理設(shè)計(jì)輪胎監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)具體車輛的實(shí)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(xiàn)危險狀況時報警，具有功耗低、信號傳輸可靠、成本
低的特點(diǎn)。