汽車輪胎爆胎預警系統綜述

李 敏，趙繼印，陳興文，楊亞寧

(大連民族學院信息與通信工程學院，遼寧大連 116605)

汽車輪胎爆胎預警系統綜述

李 敏，趙繼印，陳興文，楊亞寧

(大連民族學院信息與通信工程學院，遼寧大連 116605)

分析了汽車輪胎爆胎預警系統的國內外技術現狀，討論了汽車輪胎爆胎預警系統實現的各種主流方法，并提出了目前汽車輪胎爆胎預警系統存在的關鍵技術問題和今后的技術發展趨勢，為該領域的研究者指明研究方向，共同促進汽車輪胎爆胎預警系統的實用化。

汽車輪胎;爆胎預警;TPMS;汽車電子

據公安部和交通部聯合統計數據顯示:2008年國內高速公路70%的意外交通事故是由爆胎引起的;時速120 Km以上的任何一個前胎爆破，翻車事故死亡率100%［1］。美國汽車工程師協會的調查統計表明，每年由輪胎故障引起的交通事故超過26萬起，其中由于輪胎欠壓、滲漏及胎溫過高引起的輪胎故障占75%［2］。輪胎故障引起的交通事故給社會造成了巨大的損失，如何防止輪胎爆胎已成為汽車電子技術的一項重要的研究課題。輪胎爆胎預警系統已經成為車載電子系統的關鍵單元和部件，是未來智能型汽車必備的功能要素之一。

2000年11月美國總統克林頓簽署批準了國會關于修改聯邦運輸法的提案，要求2003年后所有出廠的輕型車輛都需把TPMS(汽車輪胎壓力監測系統，Tire Pressure Monitoring System)作為標準配置，2007年9月1日新注冊的車輛必須100%安裝TPMS。美國政府于2003年通過立法程序，建立輪胎氣壓監測系統的強制性標準［3］。2008年5月，歐盟也做出類似的標配法規［4］。因此，TPMS是繼國外ABS、安全氣囊后又一國家強制安裝車規標配的產品，被稱為第三大汽車安全系統。中國在TPMS方面的研究起步較晚，還沒有出臺相關的強制性標準和行業標準。2007年7月成立了TPMS標準起草工作組，先后組織了3次起草組工作會議［5］。2008年9月，由國家發改委提出、全國汽車標準化技術委員會組織起草了《汽車輪胎氣壓監測系統標準》的征求意見稿，規定了TPMS的性能要求［6］。縱觀中國汽車產業，在所有國產轎車中，只有少數高檔轎車配備了 TPMS，TPMS在國產轎車中的配備率僅有5.7%［7］。這一方面與TPMS居高不下的價格有關，另一方面也反映出TPMS產品缺乏實用性和可靠性，可見在目前情況下輪胎壓力監測技術被期待著有進一步的突破。本文著重討論汽車輪胎爆胎預警系統的技術現狀和存在的問題，明確今后的技術發展趨勢，為汽車安全、汽車電子領域TPMS的研究、設計和開發人員提供參考和借鑒。

1 汽車輪胎爆胎預警系統的類型

目前，從技術原理的角度可將汽車輪胎爆胎預警系統分為間接式、直接式和復合式3種。

間接式技術出現較早，它是通過計算輪胎滾動半徑來對氣壓進行監測，不需要增加任何硬件設備，而是與汽車防抱死制動系統(ABS)一起使用。但是間接式TPMS有一定的局限性。第一，不能確定故障輪胎;第二，在某些情況下該系統會無法正常工作，例如同軸或2個以上輪胎的胎壓都處于低位時、車速100 km/h以上時等情況［8］。

直接式技術采用固定在每個車輪中的壓力傳感器直接測量每個輪胎的壓力和溫度，并將檢測到的數據傳送給安裝在汽車駕駛室內的主控制器進行處理，目前大多數系統采用無線的方式進行壓力和溫度數據的傳送，其結構框架如圖1。直接式技術可直接測量每個輪胎的氣壓，并能確定故障輪胎，因此已成為汽車輪胎爆胎預警系統的主流。

圖1 直接式技術的結構圖

直接式技術又分為主動式和被動式兩種，主要區別是主動式中的輪胎模塊需要電池提供能量，而被動式無須電池。主動式技術的優點是技術比較成熟，開發出來的模塊可適用于各廠牌的輪胎;缺點是感應模塊需要電池供電，存在系統使用壽命問題。被動式也叫無源式，它是基于聲表面波(SAW)的性質來設計的，用一個中央收發器代替了一般直接式系統中的中央接收器［9］。雖然此技術不用電池供電，但是它需要將轉發器整合至輪胎中，這牽涉到各輪胎制造商需建立共同的標準才有可能。因此，無電池式系統短期內還難以流行。

復合式技術兼有間接式技術和直接式技術的優點，是在兩個互成對角的輪胎內裝備傳感器，并裝備一個4輪間接系統。該技術在一定程度上可以降低成本，克服間接式技術不能檢測出多個輪胎同時出現氣壓過低的缺點。但是，它仍然不能提供所有輪胎的實時壓力數據。

2 汽車輪胎爆胎預警系統的技術現狀及發展趨勢

2.1 國外研究現狀

國外對于TPMS系統的研究起步較早，20世紀70年代末歐洲的一些發達國家就開始對輪胎氣壓監控系統進行研究。文獻［10］中論述了英國Lucas公司早在1981年就推出了駕駛室設置接受器和每個車輪均有傳感器裝置模型以及德國Wabco公司和Bosch公司在1989年推出了利用ABS傳感器監測輪胎壓力的新裝置。文獻［11］指出，1996年豐田就有一種系統應用于當時生產的MarkⅡ型車上，它利用車輪速度傳感器探測四個車輪的速度與振動波，根據輪胎氣壓降低即輪胎剛度下降，引起簧下諧波頻率降低的特性，將上述信息傳遞給ECU分析是否某輪胎胎壓不足，克服了直接測量氣壓的方法存在的可靠性、耐久性不足，成本高等缺點。這種系統不能直接測量輪胎壓力，并存在容易產生誤差的因素，數據的時效性與準確性也存在不足。但作為初期輪胎氣壓實時監測系統，它的技術個性與時代特性值得借鑒。

德國BEAU公司與美國Lear公司聯合推出的將電子門鎖裝置與電子輪胎氣壓實時監測系統集成在一起是近期推出的一種極具價格競爭力的整體解決方案，是唯一一個得到德國汽車制造商許可采用的原裝壓力監測系統［12］。該系統主要是測量輪胎壓力值與標準值的偏差，當偏差超過極限值時，系統將向駕駛員發出警告，以便及時采取必要措施。不足之處是車輪電子裝置對使用環境清潔度有較高要求，所以在使用保養時必須加以注意。目前，在幾種先進的實用輪胎氣壓實時監測系統中，非常具有代表性。

法國米其林集團公司與德國Wabco公司合作開發的一種輪胎充氣內壓監測裝置，是專供商用車使用的監測裝置，它由安裝在車輪上負責測量輪胎充氣壓力的微型組件和安裝在駕駛室內的電子控制儀表兩大部分組成，整套裝置具有裝卸容易的特點［13］。輪胎哨兵(Tire Guard)為西門子VDO汽車配件公司自主開發的監測裝置［14］，它具有如下特點:①傳感器安裝采取外掛式，即安裝在汽車輪輞上，具有較強的適應性;②監測靈敏度高，能檢測輪胎額定充氣內壓的5%。輪胎守護神(Tyreshield)是英國A.I.R.汽車配件公司生產和銷售的監測裝置［15］，其特點為:①傳感器為圓筒狀，通過螺紋連接在輪胎氣門桿上;②信號發射器和傳感器裝在一起，負責將無線電信號發射出去;③無線電接收器安裝在汽車的前部，負責接收由發射器發射的無線電信號并將其轉送到駕駛室內的監測器;④具有輪胎壓力和溫度超限報警的功能。約翰遜公司的輪胎氣壓實時監測系統被國際汽車工程(Ael)評為2002年度20個最有價值的汽車產品之首［16］。這個系統包括一個特殊設計的車內后視鏡、四個胎壓傳感器和發射、接收設備。系統工作時胎壓數據是通過集成在輪胎氣門閥內的發射機傳送給風擋內的集成接收機，然后在后視鏡上利用射頻技術顯示出來。這個系統在工作時可以將每個輪胎的壓力數據實時顯示，有較高的實用性和可行性。目前，國外正在大量研究利用聲表面波無源傳感器來測量輪胎壓力值，開發智能輪胎監測技術［17］。

2.2 國內研究現狀

2004年上半年，TPMS開始逐漸引入中國市場，目前很多中高級車可以選裝TPMS。據中國汽車工業協會相關市場調查表明，國內眾多中小企業都推出了自己的產品，如佛山的TOPCHEK輪胎氣壓監測系統、偉力通胎壓報警器、南京泰晟科技輪胎監測系統等等，但真正形成產業規模的企業還沒有［18］。吉林大學、清華大學、同濟大學和東北大學等高校都有學者對TPMS的相關技術進行理論研究，提出了很多技術方案，也有一些監測報警裝置申報了專利，但是由于其可靠性、穩定性和靈敏性等方面遠遠達不到使用要求，所以很少得到應用［19－21］。

現階段的汽車輪胎爆胎預警系統大多采用直接式技術，通過購買國外的關鍵芯片來組裝產品。應用在這個領域的傳感器有英飛凌的SP系列、飛思卡爾的MPXY系列以及通用公司的NPX系列等流行產品，并且不斷地更新換代，以提高系統的各種性能。但直接主動式TPMS的主要缺點是在輪輞上安裝壓力傳感器破壞了車輪的動平衡，同時傳感器感應模塊電池供電困難，而且對無線通信可靠性要求較高。這類直接式TPMS成本較高，一般中檔以下汽車極少安裝。針對直接式技術的問題，有不少研究者提出了自己的解決方案。文獻［22］將低頻喚醒技術運用到輪胎里的發射模塊上解決系統的節能問題，這種設計技術通過了權威檢測部門檢測;文獻［23］采用電感耦合方式實現能量恢復的無源TPMS方案，避免了有源TPMS由于帶電池而存在的缺點。文獻［24］利用加速度傳感器數據控制TPMS的發射模塊定位發射以及估算車速的方法，提高TPMS系統的數據會使質量和降低發射模塊的發射功率，有效地改善TPMS的性能。文獻［25］提出了一種求取數據幀CRC校驗碼的半字節快速查表法，該方法大大降低了RF通信誤碼率，提高汽車輪胎爆胎預警系統無線通訊的可靠性。文獻［26］介紹了一種新型外置直接式數字胎壓監測系統，該系統的胎壓監測節點安裝在輪胎氣嘴上，直接監測胎內氣壓，再通過射頻信號傳送至駕駛室內的上位接收機。該系統主要針對由于成本因素而造成已有車輛不可能回到汽車生產原廠補裝TPMS系統所設計，填補了國內TPMS后裝市場的空白，有著廣泛的應用前景。

2.3 發展趨勢

縱觀國內外汽車輪胎爆胎預警系統的技術研究現狀，研究系統的實現方式較多，而研究汽車輪胎爆胎的機理較少。汽車輪胎爆胎預警系統的預警門限是否科學準確，直接關系到系統的爆胎預警效果。大多數的預警系統都采用國家標準中規定的輪胎使用標準氣壓作為系統的預警門限，也有部分系統考慮到環境溫度對輪胎壓力的影響而采用軟件補償法對壓力門限閾值進行溫度補償。但是，輪胎壓力和溫度對輪胎爆胎的作用機理存在著不確定性，制約著汽車輪胎監測技術的發展和產品開發，其瓶頸問題就是汽車輪胎爆胎機理的研究缺乏完備性和理論依據，爆胎預警門限的確立缺乏科學性，這是汽車輪胎爆胎預警系統亟待解決的核心技術問題。

現在的汽車大多已取消了內胎，為輪胎感應模塊的安裝帶來了極大的方便，因此，直接式技術會得到廣泛的應用。但在直接式技術中存在著系統的可靠性和電源問題需要研究和解決。首先，信號無線傳輸和接收的可靠性是系統的關鍵技術指標之一，它表現在系統具有抵抗其他電子設備干擾的能力、汽車高速行駛時中央控制模塊接收輪胎感應模塊信號的能力以及系統避免誤報警的能力。輪胎內的感應模塊肩負著監測輪胎狀況與發送信息的任務，其天線的設計在系統中起著至關重要的作用，它直接影響到系統的通信距離、可靠性和穩定性。其次，直接式技術主要采用鈕扣電池供電，電池能量有限，如何實現輪胎檢測模塊的低功耗，延長電池使用壽命也是當前研究的一個熱點。

汽車電子技術的不斷發展使汽車上安裝了越來越多的傳感器，這將促進汽車輪胎爆胎預警系統的發展，使其技術更加成熟，性能更加穩定，為間接式技術的汽車輪胎爆胎預警系統提供了發展的空間。直接式技術的高成本和安裝不便限制了產品的推廣和普及，而間接式技術可以降低成本，不必預先安裝在輪胎內，尤其是間接式技術避免了直接式技術中的天線設計和電源等關鍵問題。因此，如何利用車體上眾多傳感器來改進早期間接式技術中存在的缺陷，完善系統功能以滿足市場各方需求成為了汽車輪胎爆胎預警系統的未來研究課題。

3 汽車輪胎爆胎預警系統實現的關鍵技術問題

從國外TPMS的發展趨勢以及國內外市場對TPMS的需求來看，TPMS將在短期內有望成為國內汽車的標準配置。通過上述分析，可以總結出當前汽車輪胎爆胎預警系統實現的關鍵技術問題體現在以下幾點:①研究汽車輪胎爆胎機理模型，科學確定系統的爆胎預警門限;②研究直接式技術的天線設計，提高信號無線傳輸和接收的可靠性;③研究直接式技術中輪胎感應模塊的低功耗設計，延長電池的有效使用時間;④研究無源的TPMS技術，解決直接式技術的電源問題;⑤研究基于車身傳感器的間接式TPMS技術，開發汽車輪胎爆胎預警系統的后裝市場，降低系統成本，促進系統的應用和普及。

4 結語

汽車輪胎爆胎預警系統是駕車者和乘車人的生命安全保障預警系統，將是汽車電子最具發展前途的產品之一，汽車輪胎爆胎預警系統作為一項提高汽車主動安全性的措施也引起人們的普遍關注。本文論述了汽車輪胎爆胎預警系統的國內外技術現狀及發展趨勢，明確了汽車輪胎爆胎預警系統實現的關鍵技術問題，能夠為研究者在該領域的研究指明方向，為共同促進汽車輪胎爆胎預警系統的實用化而發揮作用。

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An Overview of Automobile Tire Burst Early－warning System

LI Min，ZHAO Ji－yin，CHEN Xing－wen，YANG Ya－ning
(College of Information and Communication Engineering，Dalian Nationalities University，Dalian Liaoning 116605，China)

The status of domestic and foreign technology about the automobile tire burst earlywarning system have been analyzed.The main methods of the system implementation and proposes the key technology issues and future trends of automobile tire burst early－warning system have been discussed.This paper will guide researchers in this field and promote development of the automobile tire burst early－warning system.

automobile tire;tire burst early－warning;TPMS;automobile electron

TP277;U463.341

A

1009－315X(2011)05－0454－04

2011－05－23

中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(DC10020117)。

李敏(1962－)，女，遼寧開原人，教授，主要從事智能信息處理與模式識別等研究。

(責任編輯 劉敏)