基于場(chǎng)強(qiáng)技術(shù)的輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)定位的改善方法

史衛(wèi)華　傅國(guó)鋒　孫波（1.同濟(jì)大學(xué)，上海01804；.上海保隆汽車科技股份有限公司，上海01619）

·基礎(chǔ)研究·

基于場(chǎng)強(qiáng)技術(shù)的輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)定位的改善方法

史衛(wèi)華1，2傅國(guó)鋒2孫波2
（1.同濟(jì)大學(xué)，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(xiàn)有輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在輪胎定位過程中ID匹配不準(zhǔn)確的問題，分析了現(xiàn)有系統(tǒng)中利用場(chǎng)強(qiáng)技術(shù)的自動(dòng)定位方法的優(yōu)缺點(diǎn)，基于理論計(jì)算和對(duì)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，提出了雙軸加速度與場(chǎng)強(qiáng)識(shí)別技術(shù)相結(jié)合的改善方案，并給出了實(shí)際控制方法和策略。在不同路況條件下進(jìn)行了實(shí)車測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，改進(jìn)后的系統(tǒng)自動(dòng)定位成功率較高，定位效果明顯改善。

主題詞：TPMS場(chǎng)強(qiáng)識(shí)別定位

1 前言

輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Tire Pressure Monitoring System，TPMS）因其在整車安全性和經(jīng)濟(jì)性方面的重要作用，如今已經(jīng)越來(lái)越受到市場(chǎng)和用戶的關(guān)注，國(guó)內(nèi)外整車廠紛紛將其作為整車標(biāo)準(zhǔn)配置。TPMS一般由安裝在輪胎上的用于檢測(cè)輪胎壓力和溫度等狀態(tài)的傳感器以及安裝在車箱內(nèi)的用于接收傳感器信號(hào)的接收端構(gòu)成。TPMS要可靠地工作，接收端必須能識(shí)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(shí)別所需要監(jiān)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(duì)應(yīng)關(guān)系，存儲(chǔ)起來(lái)。接收端收到傳感器發(fā)送的無(wú)線信號(hào)后，首先提取傳感器的ID，并根據(jù)存儲(chǔ)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(jù)其位置信息進(jìn)行處理和顯示；如果不是，則丟棄不予處理。當(dāng)傳感器ID或輪胎位置發(fā)生變化，均需要重新進(jìn)行TPMS的輪胎定位。因此，輪胎定位技術(shù)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(chǎng)合［1～3］。

在整車裝配線上一般會(huì)讀取安裝于4個(gè)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(hào)干擾等原因，會(huì)導(dǎo)致寫入接收端的傳感器ID出錯(cuò)，這些錯(cuò)誤在整車生產(chǎn)線上很難自動(dòng)檢測(cè)，從而導(dǎo)致售后階段需召回車輛重新匹配。整車生產(chǎn)線或產(chǎn)品工作模式設(shè)計(jì)不合理均會(huì)產(chǎn)生較多的誤寫入問題。目前長(zhǎng)安、東風(fēng)乘用車、鄭州日產(chǎn)等整車廠均遇到過類似問題。即使整車廠嚴(yán)格控制生產(chǎn)流程確保車輛出廠時(shí)傳感器ID匹配正確，在車輛售后階段進(jìn)行輪胎換位或更換傳感器等需要重新進(jìn)行TPMS的輪胎定位時(shí)，依然存在同樣問題。

2 國(guó)內(nèi)外T PMS定位技術(shù)介紹

目前TPMS的定位技術(shù)主要有以下幾種：

a.基于專有設(shè)備或者工具實(shí)現(xiàn)，需要人工操作，且需要投入的設(shè)備或工具成本較高。此類設(shè)備一般采用低頻喚醒技術(shù)。若專有設(shè)備發(fā)出的喚醒功率低，監(jiān)測(cè)模塊相隔距離較遠(yuǎn)，易出現(xiàn)無(wú)法喚醒的情況；若專有設(shè)備發(fā)出的喚醒功率大，易出現(xiàn)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(cuò)。

b.在輪胎附近安裝低頻喚醒裝置［1］。需要讀取傳感器信號(hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng)低頻喚醒裝置發(fā)送低頻信號(hào)，激活傳感器發(fā)送信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)定位功能。此方案需要布置4個(gè)低頻喚醒裝置，而低頻喚醒裝置的成本高達(dá)20～30元，幾乎等同于傳感器的價(jià)格。

c.基于場(chǎng)強(qiáng)的定位技術(shù)［2］。由于前2種方法成本高且可靠性低，國(guó)內(nèi)外TPMS廠商展開了自動(dòng)定位技術(shù)的研究，出現(xiàn)了利用射頻信號(hào)強(qiáng)弱實(shí)現(xiàn)定位的技術(shù)（Wheel Autolocation，WAL）。但在WAL技術(shù)中，輪胎旋轉(zhuǎn)及車重變化均會(huì)對(duì)傳感器信號(hào)強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響，易導(dǎo)致WAL定位失敗。

3 場(chǎng)強(qiáng)定位技術(shù)分析

無(wú)線信號(hào)的空間衰減程度與空間距離相關(guān)，距離越遠(yuǎn)，衰減越多。利用這個(gè)原理，可通過測(cè)量接收機(jī)收到的胎壓信號(hào)的強(qiáng)弱實(shí)現(xiàn)位置的區(qū)分［2］。如圖1所示，接收機(jī)接收到的信號(hào)強(qiáng)弱與和輪胎位置關(guān)系是：左前輪＞右前輪＞左后輪＞右后輪。

圖1　場(chǎng)強(qiáng)定位原理示意

通過理論分析，場(chǎng)強(qiáng)定位技術(shù)是可行的，而且在靜止的車輛模型上也是可靠的。

但是，信號(hào)強(qiáng)度對(duì)距離的衰減一致性需要在穩(wěn)定的空間衰減環(huán)境下才能實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際車輛上，接收機(jī)與輪胎之間除空氣外，還有金屬結(jié)構(gòu)，因此具體的衰減數(shù)值并不能用直線距離進(jìn)行等效，需要對(duì)車輛進(jìn)行信號(hào)衰減強(qiáng)度的標(biāo)定測(cè)量，這也是目前大多數(shù)場(chǎng)強(qiáng)定位技術(shù)用于提高定位準(zhǔn)確性的手段。然而批量化應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)定位準(zhǔn)確度仍然不是很高，而且定位成功所需的邊界條件較為嚴(yán)格，例如車輛需要維持在平坦道路、穩(wěn)定的速度范圍，車內(nèi)貨物和人員數(shù)量均在一定范圍內(nèi)等。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)如下因素存在較大影響：

a.輪胎在旋轉(zhuǎn)過程中信號(hào)發(fā)射的位置不穩(wěn)定，導(dǎo)致接收機(jī)接收到的信號(hào)強(qiáng)度不穩(wěn)定，即便空間距離不一致，不同輪胎的信號(hào)強(qiáng)度仍然存在重疊區(qū)域。輪胎信號(hào)發(fā)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(jù)胎壓傳感器在輪胎上的位置不同，區(qū)分為8個(gè)點(diǎn)，其在3m處的接收信號(hào)強(qiáng)弱數(shù)據(jù)見表1。

表1　傳感器處于輪胎不同位置的接收端場(chǎng)強(qiáng)

通過表1可以看出，傳感器在輪胎上旋轉(zhuǎn)1周，不同位置發(fā)出的信號(hào)在接收端處的強(qiáng)度差異可達(dá)11 dBm。

同一接收端接收不同位置輪胎的場(chǎng)強(qiáng)值測(cè)試結(jié)果見表2。

由表2可以看出，4個(gè)輪胎在不同位置的信號(hào)強(qiáng)度有較大的重疊區(qū)域，這導(dǎo)致依據(jù)傳感器隨機(jī)發(fā)送的信號(hào)強(qiáng)度可能無(wú)法區(qū)分其位置。

b.接收機(jī)安裝在車箱內(nèi)，人員和貨物的增減影響了信號(hào)傳輸路徑，導(dǎo)致信號(hào)衰減程度發(fā)生變化，從而使得某些情況下信號(hào)衰減產(chǎn)生重疊區(qū)域，接收機(jī)判定位置不準(zhǔn)確。

表2　同一接收端接收不同位置輪胎的場(chǎng)強(qiáng)

4 改善方案設(shè)計(jì)

針對(duì)上述分析提出了3個(gè)改善點(diǎn)：利用雙軸加速度傳感器區(qū)分左、右位置，在此基礎(chǔ)上，再利用場(chǎng)強(qiáng)大小區(qū)分前、后位置；通過加速度的采集和計(jì)算，擬合輪胎旋轉(zhuǎn)時(shí)的加速度曲線，計(jì)算出旋轉(zhuǎn)周期，通過控制發(fā)送時(shí)間進(jìn)行定點(diǎn)發(fā)送，消除輪胎旋轉(zhuǎn)對(duì)信號(hào)強(qiáng)弱的影響［4］；接收端安裝方式由安裝在車箱內(nèi)改為安裝到車箱外，避免車箱內(nèi)貨物和人員對(duì)信號(hào)衰減產(chǎn)生影響，使得信號(hào)傳播途徑穩(wěn)定。

4.1 利用雙軸加速度傳感器區(qū)分左、右位置的算法設(shè)計(jì)

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(shí)際上測(cè)量了輪胎旋轉(zhuǎn)時(shí)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(cè)輪胎上傳感器X軸向的加速度存在相反的矢量關(guān)系，即車輛前進(jìn)時(shí)，左側(cè)輪胎逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，右側(cè)輪胎順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。因此左、右側(cè)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(cè)傳感器加速度曲線

圖4　右側(cè)傳感器加速度曲線

利用這個(gè)差異，傳感器可以識(shí)別自身所處的位置是左側(cè)還是右側(cè)。

軟件策略上，進(jìn)入到定位算法模式下，密集采集X軸和Z軸加速度，進(jìn)行兩者夾角差異計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果判定自己所處位置是左側(cè)還是右側(cè)，然后加載到射頻數(shù)據(jù)中發(fā)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(shí)際使用過程中，輪胎變速運(yùn)行，且變化是隨機(jī)的，另一方面車輛所處環(huán)境中干擾源多，如振動(dòng)、打滑等，導(dǎo)致實(shí)際采樣數(shù)據(jù)與理論值差距很大，如圖6所示。

圖6　無(wú)濾波算法的Z軸加速度

為使計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，將極差值濾除后，利用剩余的數(shù)據(jù)進(jìn)行波形還原和分析計(jì)算，從而得出X軸和Z軸的加速度相位差。同時(shí)，通過計(jì)算不同最大值之間的時(shí)間差，可以計(jì)算出加速度的曲線周期。經(jīng)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(shí)際，再根據(jù)上述的左、右定位軟件策略進(jìn)行分析后，實(shí)際測(cè)量和計(jì)算的結(jié)果如圖8所示，可以準(zhǔn)確地定位左、右側(cè)輪胎安裝的傳感器。

圖8　左、右側(cè)輪胎定位數(shù)據(jù)

為進(jìn)一步提高準(zhǔn)確性，在一次判定成功的基礎(chǔ)上再進(jìn)行一次判定，若2次判定成功且結(jié)果一致，則認(rèn)為判定結(jié)果正確。

4.2 定點(diǎn)發(fā)送算法設(shè)計(jì)

如前所述，可以通過加速度數(shù)據(jù)的測(cè)量和分析，從而計(jì)算出傳感器所處輪胎的旋轉(zhuǎn)周期，這樣就可以選擇相對(duì)固定的位置（傳感器處于輪胎上的角度如圖2所示）將信號(hào)發(fā)出。原理如圖9所示。

圖9　定點(diǎn)發(fā)送原理

針對(duì)表2中的車輛，在左、右定位的基礎(chǔ)上，可以選擇在180°的位置將胎壓數(shù)據(jù)發(fā)出，接收端接收到信號(hào)后，通過讀取接收的場(chǎng)強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)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(zhǔn)確定位。

4.3 接收端位置

如前所述，車箱內(nèi)的乘員和貨物的變化關(guān)系會(huì)導(dǎo)致無(wú)線信號(hào)的傳輸條件發(fā)生變化，影響實(shí)際的信號(hào)強(qiáng)度，導(dǎo)致定位錯(cuò)誤。因此，將接收器安裝在右后側(cè)輪胎附近（圖10），由于車輛底盤為金屬環(huán)境，車箱內(nèi)的物品增減不會(huì)影響到底盤的空間環(huán)境，這樣就使得無(wú)線信號(hào)的傳輸環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，信號(hào)強(qiáng)度也比較平穩(wěn)，分析結(jié)果比較準(zhǔn)確。

圖10　接收端位置示意

該位置實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試值如圖11。

圖11　接收端位置實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)

5 實(shí)車測(cè)試

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

測(cè)試過程中，基本在2min內(nèi)完成定位，其中1次由于車速較低，定位數(shù)據(jù)量不足，直至10min的定時(shí)最大時(shí)間到，系統(tǒng)啟動(dòng)定位算法，完成定位。定位失敗1次，原因同前。通過數(shù)據(jù)分析可知，在車速達(dá)到要求的情況下，該方法基本可以適應(yīng)各種工況，滿足使用要求。

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

2韓文斌，韓云霄，傅國(guó)峰，等.場(chǎng)強(qiáng)識(shí)別技術(shù)在TPMS自動(dòng)定位中的應(yīng)用.汽車電器，2012（4）：64～68.

3江銳.LF低頻喚醒技術(shù)在TPMS中的應(yīng)用.計(jì)算機(jī)與數(shù)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(fā)射的方法.應(yīng)用科技，2010（10）：41～43.

（責(zé)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，F(xiàn)u 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，F(xiàn)ield density identification，Autolocation

U463.61；TN98

A

1000-3703（2016）08-0014-04