基于場強技術的輪胎壓力監測系統自動定位的改善方法

史衛華　傅國鋒　孫波（1.同濟大學，上海01804；.上海保隆汽車科技股份有限公司，上海01619）

·基礎研究·

基于場強技術的輪胎壓力監測系統自動定位的改善方法

史衛華1，2傅國鋒2孫波2
（1.同濟大學，上海201804；2.上海保隆汽車科技股份有限公司，上海201619）

為解決現有輪胎壓力監測系統在輪胎定位過程中ID匹配不準確的問題，分析了現有系統中利用場強技術的自動定位方法的優缺點，基于理論計算和對實際測試數據的分析，提出了雙軸加速度與場強識別技術相結合的改善方案，并給出了實際控制方法和策略。在不同路況條件下進行了實車測試，測試結果表明，改進后的系統自動定位成功率較高，定位效果明顯改善。

主題詞：TPMS場強識別定位

1 前言

輪胎壓力監測系統（Tire Pressure Monitoring System，TPMS）因其在整車安全性和經濟性方面的重要作用，如今已經越來越受到市場和用戶的關注，國內外整車廠紛紛將其作為整車標準配置。TPMS一般由安裝在輪胎上的用于檢測輪胎壓力和溫度等狀態的傳感器以及安裝在車箱內的用于接收傳感器信號的接收端構成。TPMS要可靠地工作，接收端必須能識別輪胎傳感器的ID以及輪胎的安裝位置（左前輪、右前輪、右后輪、左后輪等）。TPMS中的輪胎定位是指接收端識別所需要監控的傳感器ID，并將傳感器ID與該傳感器所處的輪胎安裝位置建立一一對應關系，存儲起來。接收端收到傳感器發送的無線信號后，首先提取傳感器的ID，并根據存儲的傳感器ID和輪胎位置信息判定是否為本車傳感器：如果是，根據其位置信息進行處理和顯示；如果不是，則丟棄不予處理。當傳感器ID或輪胎位置發生變化，均需要重新進行TPMS的輪胎定位。因此，輪胎定位技術除用于整車廠裝配線外，還用于售后輪胎換位以及傳感器更換等需要重新定位的場合［1～3］。

在整車裝配線上一般會讀取安裝于4個輪胎的傳感器ID，并寫入TPMS的接收端。但由于誤操作或者射頻信號干擾等原因，會導致寫入接收端的傳感器ID出錯，這些錯誤在整車生產線上很難自動檢測，從而導致售后階段需召回車輛重新匹配。整車生產線或產品工作模式設計不合理均會產生較多的誤寫入問題。目前長安、東風乘用車、鄭州日產等整車廠均遇到過類似問題。即使整車廠嚴格控制生產流程確保車輛出廠時傳感器ID匹配正確，在車輛售后階段進行輪胎換位或更換傳感器等需要重新進行TPMS的輪胎定位時，依然存在同樣問題。

2 國內外T PMS定位技術介紹

目前TPMS的定位技術主要有以下幾種：

a.基于專有設備或者工具實現，需要人工操作，且需要投入的設備或工具成本較高。此類設備一般采用低頻喚醒技術。若專有設備發出的喚醒功率低，監測模塊相隔距離較遠，易出現無法喚醒的情況；若專有設備發出的喚醒功率大，易出現誤喚醒的情況。如果采用手持式工具，則需要人為選擇輪胎位置，易出錯。

b.在輪胎附近安裝低頻喚醒裝置［1］。需要讀取傳感器信號時，驅動低頻喚醒裝置發送低頻信號，激活傳感器發送信號，從而實現定位功能。此方案需要布置4個低頻喚醒裝置，而低頻喚醒裝置的成本高達20～30元，幾乎等同于傳感器的價格。

c.基于場強的定位技術［2］。由于前2種方法成本高且可靠性低，國內外TPMS廠商展開了自動定位技術的研究，出現了利用射頻信號強弱實現定位的技術（Wheel Autolocation，WAL）。但在WAL技術中，輪胎旋轉及車重變化均會對傳感器信號強度產生較大影響，易導致WAL定位失敗。

3 場強定位技術分析

無線信號的空間衰減程度與空間距離相關，距離越遠，衰減越多。利用這個原理，可通過測量接收機收到的胎壓信號的強弱實現位置的區分［2］。如圖1所示，接收機接收到的信號強弱與和輪胎位置關系是：左前輪＞右前輪＞左后輪＞右后輪。

圖1　場強定位原理示意

通過理論分析，場強定位技術是可行的，而且在靜止的車輛模型上也是可靠的。

但是，信號強度對距離的衰減一致性需要在穩定的空間衰減環境下才能實現。在實際車輛上，接收機與輪胎之間除空氣外，還有金屬結構，因此具體的衰減數值并不能用直線距離進行等效，需要對車輛進行信號衰減強度的標定測量，這也是目前大多數場強定位技術用于提高定位準確性的手段。然而批量化應用后發現定位準確度仍然不是很高，而且定位成功所需的邊界條件較為嚴格，例如車輛需要維持在平坦道路、穩定的速度范圍，車內貨物和人員數量均在一定范圍內等。

進一步分析發現如下因素存在較大影響：

a.輪胎在旋轉過程中信號發射的位置不穩定，導致接收機接收到的信號強度不穩定，即便空間距離不一致，不同輪胎的信號強度仍然存在重疊區域。輪胎信號發射模型如圖2所示。

圖2　傳感器輪胎位置和接收端位置示意

根據胎壓傳感器在輪胎上的位置不同，區分為8個點，其在3m處的接收信號強弱數據見表1。

表1　傳感器處于輪胎不同位置的接收端場強

通過表1可以看出，傳感器在輪胎上旋轉1周，不同位置發出的信號在接收端處的強度差異可達11 dBm。

同一接收端接收不同位置輪胎的場強值測試結果見表2。

由表2可以看出，4個輪胎在不同位置的信號強度有較大的重疊區域，這導致依據傳感器隨機發送的信號強度可能無法區分其位置。

b.接收機安裝在車箱內，人員和貨物的增減影響了信號傳輸路徑，導致信號衰減程度發生變化，從而使得某些情況下信號衰減產生重疊區域，接收機判定位置不準確。

表2　同一接收端接收不同位置輪胎的場強

4 改善方案設計

針對上述分析提出了3個改善點：利用雙軸加速度傳感器區分左、右位置，在此基礎上，再利用場強大小區分前、后位置；通過加速度的采集和計算，擬合輪胎旋轉時的加速度曲線，計算出旋轉周期，通過控制發送時間進行定點發送，消除輪胎旋轉對信號強弱的影響［4］；接收端安裝方式由安裝在車箱內改為安裝到車箱外，避免車箱內貨物和人員對信號衰減產生影響，使得信號傳播途徑穩定。

4.1 利用雙軸加速度傳感器區分左、右位置的算法設計

本文選用集成有X軸/Z軸的雙軸加速度傳感器的TPMS傳感器芯片，雙軸加速度傳感器實際上測量了輪胎旋轉時的切向加速度（X軸）和離心加速度（Z軸），由于輪胎的安裝位置不同，左、右側輪胎上傳感器X軸向的加速度存在相反的矢量關系，即車輛前進時，左側輪胎逆時針旋轉，右側輪胎順時針旋轉。因此左、右側輪胎的X軸和Z軸的加速度相位差剛好相反，如圖3和圖4所示。

圖3　左側傳感器加速度曲線

圖4　右側傳感器加速度曲線

利用這個差異，傳感器可以識別自身所處的位置是左側還是右側。

軟件策略上，進入到定位算法模式下，密集采集X軸和Z軸加速度，進行兩者夾角差異計算，根據計算結果判定自己所處位置是左側還是右側，然后加載到射頻數據中發射出去。具體定位流程如圖5所示。

圖5　左、右定位軟件流程

在實際使用過程中，輪胎變速運行，且變化是隨機的，另一方面車輛所處環境中干擾源多，如振動、打滑等，導致實際采樣數據與理論值差距很大，如圖6所示。

圖6　無濾波算法的Z軸加速度

為使計算結果準確，需要對采集到的數據進行濾波處理，將極差值濾除后，利用剩余的數據進行波形還原和分析計算，從而得出X軸和Z軸的加速度相位差。同時，通過計算不同最大值之間的時間差，可以計算出加速度的曲線周期。經過濾波后的加速度如圖7。

圖7　加入濾波算法的Z軸加速度

可以看出，濾波后的加速度值更接近實際，再根據上述的左、右定位軟件策略進行分析后，實際測量和計算的結果如圖8所示，可以準確地定位左、右側輪胎安裝的傳感器。

圖8　左、右側輪胎定位數據

為進一步提高準確性，在一次判定成功的基礎上再進行一次判定，若2次判定成功且結果一致，則認為判定結果正確。

4.2 定點發送算法設計

如前所述，可以通過加速度數據的測量和分析，從而計算出傳感器所處輪胎的旋轉周期，這樣就可以選擇相對固定的位置（傳感器處于輪胎上的角度如圖2所示）將信號發出。原理如圖9所示。

圖9　定點發送原理

針對表2中的車輛，在左、右定位的基礎上，可以選擇在180°的位置將胎壓數據發出，接收端接收到信號后，通過讀取接收的場強信號強度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）值，可以清晰地分析出傳感器所處的輪胎位置，從而準確定位。

4.3 接收端位置

如前所述，車箱內的乘員和貨物的變化關系會導致無線信號的傳輸條件發生變化，影響實際的信號強度，導致定位錯誤。因此，將接收器安裝在右后側輪胎附近（圖10），由于車輛底盤為金屬環境，車箱內的物品增減不會影響到底盤的空間環境，這樣就使得無線信號的傳輸環境相對穩定，信號強度也比較平穩，分析結果比較準確。

圖10　接收端位置示意

該位置實際場強測試值如圖11。

圖11　接收端位置實際場強

5 實車測試

采用本文所述方案進行了實車各種路況條件測試，分別在普通平坦道路、上下坡道路、轉彎道路等進行了24次測試，成功23次，失敗1次，有效定位平均耗時82.6 s，成功率95.83%。

測試過程中，基本在2min內完成定位，其中1次由于車速較低，定位數據量不足，直至10min的定時最大時間到，系統啟動定位算法，完成定位。定位失敗1次，原因同前。通過數據分析可知，在車速達到要求的情況下，該方法基本可以適應各種工況，滿足使用要求。

1吳曉君，張笑瀛.TPMS中輪胎自動定位功能的實現.汽車科技，2006（1）：14～16.

2韓文斌，韓云霄，傅國峰，等.場強識別技術在TPMS自動定位中的應用.汽車電器，2012（4）：64～68.

3江銳.LF低頻喚醒技術在TPMS中的應用.計算機與數字工程，2007（3）：155～157.

4劉占亞，付永慶，姜玉蕾.用加速度傳感器控制TPMS定位發射的方法.應用科技，2010（10）：41～43.

（責任編輯斛畔）

修改稿收到日期為2015年12月22日。

Im provement M ethod of TPMSAutolocation Based on Field Intensity Technology

ShiWeihua1，2，Fu Guofeng2，Sun Bo2
（1.Tongji University，Shanghai201804；2.Shanghai Baolong Automotive Corporation，Shanghai 201619）

【Abstract】ID Mismatching exists in tire location of the existing tire pressuremonitoring system（TPMS），to solve this problem，the advantages and disadvantages of current wheel autolocation technology of TPMS which uses field intensity technology are analyzed.Based on theoretical calculation and test data analysis，an improvementmethod including doubleshaft acceleration and field intensity identification technology is proposed，and practical control method and strategy are presented.Road tests in different road conditions show that the improved system features high autolocation ratio，and the autolocation effect is improved obviously.

TPMS，Field density identification，Autolocation

U463.61；TN98

A

1000-3703（2016）08-0014-04