智能輪胎下沉量實時監(jiān)測系統(tǒng)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(wěn)定性的好壞對于車輛行駛過程中的安全性、操縱穩(wěn)定性等起著至關重要的作用。隨著智能汽車技術的發(fā)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(tǒng)這一概念。智能輪胎系統(tǒng)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(xiàn)對輪胎狀態(tài)、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(tǒng)實現(xiàn)對輪胎承載狀態(tài)的實時監(jiān)測一直以來都是研究的重點方向，微機電系統(tǒng)（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(yōu)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(tǒng)，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(xiàn)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(xiàn)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(xù)研究工作中還需針對智能輪胎系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)，通過輪胎內部溫度、氣壓及測距傳感器，實現(xiàn)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(tài)。

1 系統(tǒng)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(lián)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(tài)時，利用傳感器技術實現(xiàn)對輪胎充氣壓力和下沉量的測量，通過式（1）即可實現(xiàn)對輪胎承載情況的實時監(jiān)測，保證車輛行駛的安全性。

從目前智能輪胎系統(tǒng)開發(fā)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(fā)，提出設計一款智能輪胎下沉量實時監(jiān)測系統(tǒng)，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(xiàn)對輪胎承載狀態(tài)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(fā)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(qū)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(tǒng)硬件設計

智能輪胎下沉量實時監(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 實時監(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)板，搭載STM32F103ZET6芯片，主要用來實現(xiàn)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(xiàn)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(fā)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(xiàn)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(wěn)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(xiàn)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(jiān)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(tǒng)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(tǒng)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(xié)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(xié)議打包成數據幀，通過天線進行數據發(fā)送，實現(xiàn)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(tǒng)供電。

3 系統(tǒng)軟件設計

本設計采用的單片機處理模塊為STM32，其開發(fā)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(tǒng)需要激光測距傳感器進行連續(xù)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(xù)測量和輸出。因此，整個系統(tǒng)以激光測距傳感器的數據采集輸出次數為基準循環(huán)工作，以提升系統(tǒng)工作效率。

智能輪胎下沉量實時監(jiān)測系統(tǒng)工作流程如圖4所示。系統(tǒng)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(tǒng)會繼續(xù)進行測距循環(huán)，直至輸出100次測距數據后，系統(tǒng)開始執(zhí)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(tǒng)進入下一個工作循環(huán)。

圖4 系統(tǒng)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(xiàn)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(fā)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(xiàn)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(tǒng)功能測試

根據上述對系統(tǒng)硬件軟件的設計，搭建系統(tǒng)硬件系統(tǒng)，測試系統(tǒng)功能的穩(wěn)定性。硬件系統(tǒng)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(tǒng)實物連接圖

整個系統(tǒng)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(tǒng)尚未完成集成化設計，系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)功能的穩(wěn)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(tài)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(fā)生徑向變形時，塑料板到地面的距離會發(fā)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(huán)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(fā)生徑向變形，同時讀取保存?zhèn)鞲衅鞑杉臄祿?。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(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)，旨在實現(xiàn)對不同工況下輪胎下沉量的實時測量，以進一步實現(xiàn)對輪胎承載情況的實時監(jiān)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(jiān)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(xiàn)了對各個傳感器的集成控制，系統(tǒng)硬件設計結構簡單，工作原理復雜程度較低。

（3）系統(tǒng)各傳感器能夠穩(wěn)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。