智能輪胎下沉量實時監測系統設計

趙強，付宏勛，庫來運，喬歡波，王巖

（山東理工大學交通與車輛工程學院，山東，淄博 255049）

車輛安全問題一直是人們關注的焦點。輪胎作為汽車與路面接觸的唯一部件，其穩定性的好壞對于車輛行駛過程中的安全性、操縱穩定性等起著至關重要的作用。隨著智能汽車技術的發展，人們對于車輛的主動安全性能越來越重視，催生了智能輪胎系統這一概念。智能輪胎系統是根據需要將不同類型的傳感器嵌入到輪胎內部，獲取不同的輪胎特征，實現對輪胎狀態、輪胎動力學特性以及道路信息的判斷，如胎壓、輪胎力、路面附著情況等。

利用智能輪胎系統實現對輪胎承載狀態的實時監測一直以來都是研究的重點方向，微機電系統（Micro Electro Mechanical System，MEMS）加速度傳感器也憑借其體積小，成本低，可靠性高的優勢得到廣泛應用。黃小靖等利用三軸加速度傳感器，搭建嵌入式無線智能輪胎系統，以徑向加速度信號為特征，辨識輪胎接地印跡長度，并建立垂向載荷與接地印跡長度的關系，實現對輪胎垂向載荷的測量。趙健等利用三軸加速度信號的典型特征，通過BP神經網絡算法對輪胎力進行了估算。XU Nan等基于RPROP（Resilient Backpropagation）算法，使用加速度傳感器采集的數據和實測的輪胎力訓練神經網絡，實現了在不同驅動條件下輪胎力的預測。雖然加速度原理已經得到廣泛應用，但加速度傳感器對路面噪聲較為敏感，會加大提取有效數據特征的難度，因此，后續研究工作中還需針對智能輪胎系統的工作原理作進一步的探究。

為此，本文設計了一款智能輪胎下沉量實時監測系統，通過輪胎內部溫度、氣壓及測距傳感器，實現對不同工況下輪胎下沉量的實時測量，并通過無線傳輸的方式將測量結果傳至上位機實時顯示，以此判斷輪胎在不同工況下的承載狀態。

1 系統設計基礎

輪胎下沉量的大小可直接反映輪胎的承載情況，輪胎等效下沉量計算公式為：

式中：為下沉量，mm；為徑向載荷，N；K為徑向剛度，N/mm。相關研究表明，輪胎的徑向剛度與輪胎充氣壓力具有直接聯系，當輪胎的充氣壓力一定、施加載荷較小時，輪胎徑向下沉量與載荷呈非線性增長趨勢；當載荷增加至一定數值，且該值小于普通乘用車整備質量作用下單條輪胎所承受的載荷時，輪胎徑向下沉量與載荷就會呈近似線性的增長趨勢，即K基本保持恒定。因此，當K處于基本恒定狀態時，利用傳感器技術實現對輪胎充氣壓力和下沉量的測量，通過式（1）即可實現對輪胎承載情況的實時監測，保證車輛行駛的安全性。

從目前智能輪胎系統開發中使用不同類型傳感器測量輪胎特定部位變形中得到的啟發，提出設計一款智能輪胎下沉量實時監測系統，利用安裝在輪胎內部的測距、氣壓和溫度傳感器實時獲取的輪胎下沉量、充氣壓力及溫度，實現對輪胎承載狀態的判斷。輪胎下沉量測量原理如圖1所示。

圖1 輪胎下沉量測量原理圖

由圖1可知，測距傳感器固定安裝在輪輞表面，當輪胎未充氣且未加載時，測距傳感器測得的數據為。將輪胎充氣并安裝在汽車上后，輪胎受胎壓和垂直載荷的影響發生變形。在輪胎滾動過程中，當測距傳感器測量點滾動至輪胎接地區域中心位置時，傳感器測得的數據為。此時對比前后測得的數據即可計算得到輪胎產生的下沉量為：

2 系統硬件設計

智能輪胎下沉量實時監測系統硬件結構主要包括：電源模塊、測距模塊、胎壓測量模塊、溫度測量模塊、無線通信模塊以及上位機組成。系統結構如圖2所示。

圖2 實時監測系統硬件結構

2.1 單片機處理模塊

單片機處理模塊選用STM32F103最小系統板，搭載STM32F103ZET6芯片，主要用來實現對其他各個傳感器的集成控制，接收處理傳感器采集的數據。本設計所應用到的硬件資源有模擬數字轉換器（Analog to Digital Converter，ADC）、集成電路總線（Inter-Integrated Circuit，IIC）、串口、USB轉串口接口、5 V、3.3 V電源輸入輸出接口、通用IO口。

2.2 測距模塊

本設計選用的測距模塊為VL53L0X激光測距傳感器，主要實現對輪胎下沉量的實時測量。該傳感器是基于飛行時間（Time of Flight，TOF）原理的激光測距傳感器，并且采用了第2代Flight Sense技術，通過測量光子從發射到被障礙物反射飛回的飛行時間，根據光速計算獲取距離，從而實現直接測距的功能。同樣，根據不同的測量需求，傳感器具有默認、高精度、長距離、高速4種測量模式，最高精度為±1 mm，且體積小，質量輕，整體滿足使用要求。此外，激光測距傳感器模塊自帶2.8 V超低壓差穩壓芯片，可選用3.3 V/5 V電源為VL53L0X芯片供電，其工作原理如圖3所示。

圖3 激光測距傳感器模塊原理圖

2.3 胎壓測量模塊

胎壓測量模塊主要用來實現對輪胎內部充氣壓力的測量，選用了型號為RSCM17100KP501的氣壓傳感器。該傳感器的氣壓量程為0～500 kPa，能夠充分滿足使用要求，其內部包含了溫度補償、自動校準和差分放大等電路，可以直接輸出1個0.5～4.5 V的模擬電壓信號，該信號和氣壓測量值呈線性的對應關系，單片機處理模塊的ADC口讀取該電壓后便可計算獲取相應的壓力值。

2.4 溫度測量模塊

溫度測量模塊主要用來監測輪胎內部溫度。輪胎在正常運行過程中，最高溫度可以達到110℃，所以系統中的溫度傳感器須具有足夠大的量程，同時體積也要足夠小。DS18B20是美信公司出品的一款溫度傳感器，量程為-55～125℃，體積小質量輕，可以滿足設計要求，采用單總線方式輸出數字信號，與單片機通信簡單且抗干擾性高。

2.5 無線通訊模塊

對于該系統而言，無線通訊模塊必須具有體積小、能耗低、傳輸速率滿足需求的特點，藍牙傳輸正好滿足這一要求。本設計中采用基于藍牙4.2協議標準的JDY-16藍牙模塊進行無線數據傳輸，該模塊可以將單片機處理后的數據按照藍牙4.2的BLE協議打包成數據幀，通過天線進行數據發送，實現與手機等上位機的無線通信。

2.6 電源模塊

電源模塊選用12 V鋰電池為整個系統供電。

3 系統軟件設計

本設計采用的單片機處理模塊為STM32，其開發軟件為Keil MDK5，編寫程序使用的語言為C語言。輪胎滾動過程中，整個系統需要激光測距傳感器進行連續數據測量并輸出數據，以保證準確地獲取表征輪胎下沉量的有效數據。相比之下，輪胎內部的充氣壓力和溫度的變化過程相對緩慢，無需進行連續測量和輸出。因此，整個系統以激光測距傳感器的數據采集輸出次數為基準循環工作，以提升系統工作效率。

智能輪胎下沉量實時監測系統工作流程如圖4所示。系統開始工作后，首先定義表征輸出測距數據次數的變量，單片機初始化后，激光傳感器進行初始化并配置測量模式，開始進行第1次測量并輸出測量數據。當輸出的測量數據次數小于100次時，系統會繼續進行測距循環，直至輸出100次測距數據后，系統開始執行1次溫度和氣壓測量并輸出相關數據，然后將被置0，整個系統進入下一個工作循環。

圖4 系統工作流程

3.1 激光測距傳感器程序設計

對VL53L0X激光測距傳感器進行的編程，主要實現了通過IIC通訊獲取測量數據。

3.2 A/D轉換程序設計

氣壓傳感器主要使用STM32的ADC功能進行數據的采集。本設計中使用具有AD轉換功能的PA1引腳作為電壓信號的輸入引腳，進行單次轉換的配置。軟件編程的詳細步驟為：

（1）PA1對應的ADC為ADC1、2、3，可以選擇其中任意一個進行AD轉換。本設計中開啟ADC1，使能ADC1的通道時鐘。

（2）設置分頻因子為6分頻。設置PA1為模擬通道輸出引腳，復位ADC1。

（3）初始化結構體。選擇ADC工作模式，設置為單通道模式單次轉換。選擇AD轉換的觸發信號為數據寄存器對齊格式。設置ADC采集通道數為1。

（4）開啟ADC1，然后復位校準寄存器。等待復位完成后開啟AD校準，等待校準完成。

（5）讀取ADC值。在上面的校準完成之后，ADC初始化完成。然后配置ADC通道轉換順序和時間，設置采樣周期為55.5。設置為轉換結束后開啟中斷，在中斷中讀取數據。開啟中斷后通過中斷函數返回數據，然后清除中斷標志。AD轉換流程如圖5所示。

圖5 AD轉換流程

通過以上幾個步驟的設置，可以使用STM32的ADC1的1通道，將PA1引腳輸入的模擬電壓信號AD轉換為12位數字信號。測得電壓與數字信號的關系為：

式中：4 096為2的12次方，由數字信號的位數決定；3.3為單片機的工作電壓。測得電壓值之后，可計算得到氣壓，kPa。

式中：0.553為傳感器的基礎電壓，每個傳感器略有不同，需要單獨測量校準；125為轉換系數，是固定值；101為標準大氣壓值。

3.3 溫度傳感器程序設計

DS18B20數字化溫度傳感器測量數據直接以“一線總線”的數字方式傳輸，可以使用STM32單片機直接讀出被測溫度，并且可根據實際要求通過簡單的編程實現9～12位的數字值讀取。使用DS18B20時，需要單片機與其通訊時遵循非常嚴格的信號時序，以保證數據完整性，并且可以提高抗干擾的能力。溫度讀取過程如圖6所示。

圖6 溫度讀取流程

4 系統功能測試

根據上述對系統硬件軟件的設計，搭建系統硬件系統，測試系統功能的穩定性。硬件系統實物連接圖及上位機數據顯示界面如圖7-8所示。

圖7 硬件系統實物連接圖

整個系統所用到的引腳及其對應功能，見表1。

表1 引腳連接關系及功能

圖8 上位機數據顯示

目前，整個系統尚未完成集成化設計，系統模塊線束較多，不便于安裝固定到輪胎內部輪輞表面，且系統的綜合性測試需要在多工況下進行，試驗過程復雜。為了能夠快速驗證系統功能的穩定性，為下一步的集成化設計提供參考，在目前實驗室條件下，以間接測量的方式，首先對輪胎下沉量進行測量驗證。

將輪胎固定到靜態加載試驗機上。為了獲得相同的試驗效果，將1塊長方形塑料板粘在輪輞上，安裝時下表面與地面平行，當輪胎發生徑向變形時，塑料板到地面的距離會發生變化，變化量與輪胎下沉量相等。同時，將激光測距傳感器通過環氧樹脂AB膠粘貼固定在塑料板底部，保證測距傳感器的安裝位置、測量點以及輪胎中心在同一縱軸線上。具體安裝位置如圖9所示。

圖9 輪胎下沉量測量示意圖

在250 kPa標準充氣壓力作用下，通過控制加載試驗機徑向電機，直接給予輪胎不同的徑向位移量，即準確的輪胎下沉量，使輪胎發生徑向變形，同時讀取保存傳感器采集的數據。由于測距傳感器采集的頻率為50 Hz，且采集的數據具有一定的波動性，因此，以30個數據為一個數據組，對傳感器采集到的數據作均值處理以獲取一個具體的下沉量，并與實際的下沉量進行對比分析，驗證傳感器測量精度。對比分析結果見表2。

表2 輪胎下沉量測量結果驗證分析

由表2可知，由傳感器測得的下沉量與實測下沉量之間的誤差均保持在10%以內，表明該系統能夠滿足測距要求。

5 結論

本文設計了一款智能輪胎下沉量實時監測系統，旨在實現對不同工況下輪胎下沉量的實時測量，以進一步實現對輪胎承載情況的實時監測，保證車輛行駛安全性，主要結論如下：

（1）基于測距原理，以直接測距的方式利用激光測距傳感器實時監測輪胎下沉量的變化，數據采集頻率快，且滿足高精度的需求。

（2）利用單片機模塊實現了對各個傳感器的集成控制，系統硬件設計結構簡單，工作原理復雜程度較低。

（3）系統各傳感器能夠穩定有序采集所需數據，且各數據能夠有效地通過無線傳輸的方式傳至上位機顯示，效率及可視化程度較高。