嵌入式無(wú)線智能輪胎系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃小靖， 張 峰， 張士文

（上海交通大學(xué)電工電子國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，上海200240）

0 引 言

汽車作為人們出行的交通工具，已經(jīng)占據(jù)了生活中不可替代的地位，而行車安全更是人們出行時(shí)所關(guān)心的重點(diǎn)。隨著自動(dòng)駕駛、智能交通技術(shù)的不斷發(fā)展，智能輪胎技術(shù)也越來(lái)越受到人們的密切關(guān)注。傳統(tǒng)的輪胎狀態(tài)檢測(cè)主要依靠人工來(lái)完成，而在汽車長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)難以做到對(duì)輪胎運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，存在不小的安全隱患。根據(jù)高速公路事故統(tǒng)計(jì)，在中國(guó)的高速公路上，有70%的交通事故是由輪胎爆胎引起的［1］。發(fā)生輪胎爆胎故障，往往導(dǎo)致駕駛員措手不及，會(huì)造成重大的交通事故，導(dǎo)致人員傷亡。爆胎導(dǎo)致的交通事故如此難以預(yù)防，究其原因是因?yàn)轳{駛員對(duì)輪胎狀態(tài)信息的缺失導(dǎo)致的，若駕駛員能夠在事故發(fā)生前得知輪胎的狀態(tài)，像車輛儀表盤(pán)上的燃油存量指示燈一樣，提醒駕駛員，輪胎處于爆胎邊緣，那么肯定能預(yù)防這次事故，智能輪胎的研究應(yīng)運(yùn)而生。當(dāng)然，輪胎爆胎的機(jī)理十分復(fù)雜，涉及負(fù)載、溫度、氣壓、磨損和外物刺穿等因素［2］，現(xiàn)在還難以做到準(zhǔn)確的輪胎爆胎預(yù)測(cè)，但是簡(jiǎn)單的輪胎狀態(tài)信息的獲取技術(shù)已經(jīng)較為成熟。胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Tire Pressure Monitoring System，TPMS）就是為了獲得輪胎氣壓和溫度信息而出現(xiàn)的［3-4］。

TPMS系統(tǒng)是將氣壓等傳感器放置在輪胎內(nèi)部來(lái)采集相應(yīng)信息，并利用無(wú)線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)信息上報(bào)給用戶知曉，如在車輛儀表盤(pán)中有專門(mén)的圖標(biāo)顯示輪胎氣壓狀態(tài)，并在輪胎處于異常狀況時(shí)向駕駛員報(bào)警，如氣壓過(guò)低，輪胎溫度過(guò)高等［5］。TPMS系統(tǒng)在提高行車安全性和降低油耗上有重要意義［6］。然而，TPMS系統(tǒng)在采集輪胎狀態(tài)信息上依然存在一些不足，如采集信息的不夠全面，輪胎狀態(tài)信息除了胎壓和溫度外，還包括輪胎的負(fù)荷、磨損情況、與路面摩擦力、下沉量等。這些輪胎運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的獲取，對(duì)于目前相關(guān)的無(wú)人駕駛技術(shù)和車輛輔助駕駛技術(shù)等研究熱點(diǎn)具有重要的支撐作用。因此，需要一個(gè)更為完善的輪胎狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)完成對(duì)輪胎狀態(tài)信息全方位的監(jiān)測(cè)。

國(guó)外很早就開(kāi)始了對(duì)輪胎狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究應(yīng)用，特別是TPMS也是起源于美國(guó)。在經(jīng)歷了2000年的費(fèi)爾斯通大型輪胎召回案之后，輪胎安全得到了人們的廣泛關(guān)注重視［7］。近年來(lái)各國(guó)相繼將輪胎監(jiān)測(cè)安全寫(xiě)入法規(guī)強(qiáng)制要求，促進(jìn)了國(guó)外在相關(guān)方面的研究技術(shù)發(fā)展和統(tǒng)一規(guī)范。

2017年7月，美國(guó)杜克大學(xué)Franklin等［8］的團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種通過(guò)氣溶膠噴墨打印含金屬碳納米的傳感器，能夠識(shí)別出附著的橡膠厚度，同時(shí)這種傳感器不會(huì)對(duì)材料進(jìn)行損害，該傳感器對(duì)橡膠厚度的識(shí)別靈敏度能夠達(dá)到毫米級(jí)別。

對(duì)于輪胎狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究應(yīng)用，我國(guó)相對(duì)于國(guó)外雖然起步較晚，但隨著國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)的逐漸壯大，也有了較多的研究應(yīng)用成果［9］。

2007年，同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院就輪胎均勻磨損特性建立了基于輪胎刷子模型的輪胎接地模型［10］。同年，北京交通大學(xué)發(fā)表了基于小波分解和閾值分割的混合模板匹配方法來(lái)識(shí)別檢測(cè)輪胎磨損，該方法基于圖像識(shí)別的方式獲取輪胎胎面數(shù)據(jù)［11］。2017年，Wang等［12］發(fā)表了一種基于光點(diǎn)分析的非接觸式胎面深度測(cè)量方法。2008年，吉利汽車公司創(chuàng)新提出了爆胎監(jiān)測(cè)與安全控制系統(tǒng)（Blow-out Monitoring and Brake System，BMBS）［13］，該系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)到輪胎爆胎后，主動(dòng)接管車輛控制權(quán)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡平穩(wěn)停車，有效降低爆胎事故危害，保障行車安全［14］。

本文設(shè)計(jì)了基于嵌入式無(wú)線傳輸?shù)闹悄茌喬ハ到y(tǒng)，在輪胎內(nèi)部安裝多種傳感器采集多種輪胎運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)智能輪胎算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)輪胎胎壓、轉(zhuǎn)速、載荷、磨損狀況等狀態(tài)信息獲取，并通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，在顯示終端上實(shí)時(shí)顯示。

1 智能輪胎系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能輪胎系統(tǒng)在傳統(tǒng)TPMS基礎(chǔ)上，主要實(shí)現(xiàn)針對(duì)輪胎的均勻磨損及不均勻磨損等磨損情況進(jìn)行輪胎磨損程度的識(shí)別判定，并且測(cè)量輪胎垂向載荷，上報(bào)給用戶知曉，并結(jié)合胎壓和溫度信息，實(shí)現(xiàn)輪胎安全預(yù)警的功能，提高汽車運(yùn)行的安全性，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的。

從功能角度來(lái)說(shuō)，智能輪胎系統(tǒng)在提供輪胎磨損程度監(jiān)測(cè)及輪胎垂向載荷測(cè)算功能的同時(shí)，需要搭配現(xiàn)有的TPMS的胎壓和溫度監(jiān)測(cè)功能，即智能輪胎系統(tǒng)是TPMS的升級(jí)。因此，在設(shè)計(jì)智能輪胎系統(tǒng)時(shí)，可以以現(xiàn)有的TPMS技術(shù)作為基礎(chǔ)，并且通過(guò)增加適當(dāng)?shù)膫鞲衅鞑杉煌妮喬ミ\(yùn)行數(shù)據(jù)，然后通過(guò)智能輪胎數(shù)據(jù)處理算法，分析得出輪胎的各種狀態(tài)信息，主要體現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)上述兩個(gè)主要功能。然而，雖然兩者都是對(duì)輪胎信息的采集上報(bào)，但在原理上有很大的不同。胎壓和溫度信息均為直接采集信息，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單；而輪胎的磨損情況難以通過(guò)直接測(cè)量的方式得到，需要對(duì)輪胎基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理才能得到輪胎磨損狀態(tài)及載荷狀態(tài)的信息，著重通過(guò)數(shù)據(jù)處理的方式得到輪胎磨損信息，開(kāi)發(fā)和研究的重點(diǎn)是如何對(duì)所采集的輪胎基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，及智能輪胎載荷和磨損算法的開(kāi)發(fā)，因此兩個(gè)系統(tǒng)在技術(shù)難度上有本質(zhì)的不同。

智能輪胎系統(tǒng)分為3層。

（1）輪胎內(nèi)部信息采集系統(tǒng)（底層）。底層的數(shù)據(jù)采集采用TI公司推出的Sub-1GHz無(wú)限低功耗芯片CC1310作為主控芯片搭建硬件采樣系統(tǒng)，通過(guò)采集車輛運(yùn)行時(shí)輪胎的胎壓、溫度、內(nèi)表面形變信息以及胎冠內(nèi)表面三軸加速度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)智能輪胎載荷—磨損—算法的處理計(jì)算分析得到輪胎的垂向載荷和磨損程度，然后將胎壓、溫度、垂向載荷、磨損狀況等輪胎狀態(tài)信息通過(guò)433 MHz無(wú)線方式上傳至車載終端信息收集系統(tǒng)，底層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 輪胎內(nèi)部數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)

加速度模塊采集輪胎內(nèi)表面三軸的加速度數(shù)據(jù)，需貼裝于輪胎內(nèi)表面中心位置，如圖2所示。其中Z軸為輪胎徑向，Y軸為輪胎切向，X軸為輪胎側(cè)向。

圖2 加速度模塊貼裝示意圖

（2）車載終端信息無(wú)線收集系統(tǒng)（中層）。系統(tǒng)中間層主要實(shí)現(xiàn)底層和上層之間的信息傳輸與交換功能，采用無(wú)線傳輸方式，收集不同輪胎內(nèi)部信息采集系統(tǒng)上傳的信息。另外，通過(guò)藍(lán)牙協(xié)議與手持顯示終端進(jìn)行通信，并以一定的自定義的信息傳輸格式與通信協(xié)議將收集到的各輪胎狀態(tài)信息以藍(lán)牙的方式無(wú)線發(fā)送至手持終端，如圖3所示。車載終端MCU通過(guò)串口完成與藍(lán)牙模塊的信息傳輸，本文采用雙微控制器模式，即藍(lán)牙底層協(xié)議與用戶應(yīng)用程序分別由主機(jī)控制器和主機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)［15］。

圖3 車載終端信息采集與傳輸?shù)南到y(tǒng)架構(gòu)

（3）終端顯示系統(tǒng)（上層）。主要功能為對(duì)各輪胎狀態(tài)信息的顯示及越限預(yù)警，終端顯示APP按照通信協(xié)議不斷向車載終端發(fā)送信息傳輸指令，以更新輪胎狀態(tài)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，APP顯示界面的初始界面如圖4所示，可顯示溫度、速度、壓力、載荷和磨損等輪胎狀態(tài)信息。智能輪胎系統(tǒng)整體實(shí)拍圖如圖5所示。

圖4 終端顯示界面

采用全新子午線輪胎205／55R16型號(hào)輪胎，將如圖5所示的輪胎內(nèi)部信息采集系統(tǒng)貼裝于輪胎內(nèi)部，其中加速度模塊按照?qǐng)D2所示方式貼裝于輪胎內(nèi)部幾何中心線位置。運(yùn)行工況為：車速20 km／h，胎壓270 kPa。采集到的輪胎三軸加速度信息和應(yīng)變信息分別如圖6和圖7所示。當(dāng)車速穩(wěn)定時(shí)，三軸加速度以及輪胎應(yīng)變數(shù)據(jù)都呈現(xiàn)出規(guī)律的周期性變化，非常值部分即為輪胎與地面接觸的區(qū)域所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，當(dāng)輪胎進(jìn)入地面時(shí)，徑向加速度會(huì)產(chǎn)生一個(gè)谷形區(qū)域；軸向加速度會(huì)先產(chǎn)生一個(gè)正向尖峰并且在輪胎離開(kāi)地面時(shí)產(chǎn)生一個(gè)反向尖峰；側(cè)向加速度幾乎無(wú)變化，這是由于車輛在運(yùn)行時(shí)盡可能保持了直線行駛。另一方面，輪胎的應(yīng)變信息可以一定程度上反映輪胎的形變程度，同樣當(dāng)輪胎開(kāi)始進(jìn)入地面時(shí)，由于應(yīng)變計(jì)未完全進(jìn)入地面，致使其產(chǎn)生一個(gè)方向上的微小形變，當(dāng)其完全進(jìn)入地面時(shí)，由于受到地面的擠壓會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相反方向上的較大的形變。從底層信息采集系統(tǒng)采集到的輪胎基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通過(guò)智能輪胎載荷-磨損算法的分析計(jì)算，可以得出輪胎的垂向載荷以及磨損狀態(tài)信息。

圖5 智能輪胎系統(tǒng)實(shí)拍圖

圖6 加速度數(shù)據(jù)

圖7 應(yīng)變計(jì)數(shù)據(jù)

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及性能測(cè)試

為了驗(yàn)證該智能輪胎系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的合理性，搭建了一套完整的智能輪胎系統(tǒng)，采用4條全新子午線輪胎205／55R16型號(hào)進(jìn)行輪胎垂向載荷測(cè)試，測(cè)試條件為車速30 km／h，胎壓為270 kPa，在車輛交通道路直行路段進(jìn)行了多次實(shí)車測(cè)試，各輪胎載荷配重的分配如圖8所示。然后采用本文設(shè)計(jì)的智能輪胎系統(tǒng)進(jìn)行整車試驗(yàn)，采集數(shù)據(jù)、運(yùn)算獲得各輪胎的載荷數(shù)據(jù)。

圖8 各輪胎載重配重分配示意圖

整車實(shí)際測(cè)試試驗(yàn)的各輪胎載荷數(shù)據(jù)和整車數(shù)據(jù)的測(cè)試結(jié)果如圖9所示。測(cè)試結(jié)果顯示，載荷測(cè)量值整體在某一數(shù)值上下波動(dòng)，單一輪胎的載荷測(cè)量值波動(dòng)較大，整車的動(dòng)態(tài)測(cè)量值相對(duì)波動(dòng)較小。由此得出，智能輪胎系統(tǒng)可以在一定誤差允許范圍內(nèi)計(jì)算獲得輪胎的垂向載荷，數(shù)據(jù)精度滿足工程需求。

圖9 整車試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一套采用TI超低功耗自主無(wú)線MCU芯片CC1310的智能輪胎設(shè)計(jì)方案，底層信息采集系統(tǒng)通過(guò)采集輪胎內(nèi)部三軸加速度、應(yīng)變計(jì)、溫度和胎壓等輪胎基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，應(yīng)用智能算法分析得出輪胎的垂向載荷和磨損程度等狀態(tài)信息。中層信息收集系統(tǒng)負(fù)責(zé)收集多個(gè)輪胎的狀態(tài)信息，采用藍(lán)牙方式按照一定通信協(xié)議無(wú)線傳輸上報(bào)給終端顯示，并且開(kāi)發(fā)了一套基于Android系統(tǒng)的終端顯示APP。通過(guò)智能輪胎系統(tǒng)的整車測(cè)試，驗(yàn)證了智能輪胎設(shè)計(jì)方案的可行性，取得了良好的效果。實(shí)現(xiàn)了對(duì)輪胎更多狀態(tài)信息的監(jiān)測(cè)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)，提供的輪胎實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，可以支撐無(wú)人駕駛技術(shù)和輔助駕駛技術(shù)的應(yīng)用需求，降低車輛運(yùn)行的危險(xiǎn)性，保證車輛的安全出行。

·名人名言·

真正的科學(xué)家應(yīng)當(dāng)是個(gè)幻想家；誰(shuí)不是幻想家，誰(shuí)就只能把自己稱為實(shí)踐家。

——巴爾扎克