基于多传感器信息融合的轮胎压力监测系统

为了提高轮胎压力监测系统的精度, 运用贝叶斯方法建立了其多传感器信息融合的数学模型。该模型融合了轮胎的温度和压力这两种互补信息, 相对于传统的轮胎压力监测系统而言, 具有信息的完整性、统一性、多样性和容错性等优点。实验表明该系统可以达到全面预警爆胎的作用, 为监测轮胎压力和温度提供了一个行之有效的方法, 功能可靠, 适于推广。

引言

多传感器信息融合是新兴的多学科交叉的研究领域, 涉及信号处理、概率统计、信息论、模式识别、人工智能、模糊数学等多种理论, 它是人类模仿自身信息处理能力的结果。概括地说, 多传感器信息融合技术就是指通过一定的算法“合并”来自多个信息源的信息, 以产生比单个传感器所得到数据更可靠、更准确的信息, 并根据这些信息做出最可靠的决策。为了提高轮胎压力监测系统( Tire Pressure Monitoring System , 简称TPMS) 的精度, 提高报警的准确性, 减少误报漏报, 本文就多传感器信息融合技术在TPMS 中的应用加以探讨。
　
研究背景

轮胎压力监测系统( TPMS) 的出现是由普利司通/ 费尔斯通(BSF) 公司的轮胎质量问题引发的。该质量问题引起大量的爆胎和翻车事故, 事故的主要原因是轮胎气压不足, 产生热量过多, 以致破坏了其内部结构, 发生爆胎。2000 年11 月1 日美国总统克林顿签署批准了国会关于修改联邦运输法的提案, 要求2003 年后所有的新的轻型车辆都必须把该系统作为标准配置。2001 年7 月, 为响应美国国会对车辆安装TPMS立法的要求, 美国运输部(US Department of Transportation)和国家高速公路安全管理局(National Highway Traffic SafetyAdminist ration) 联合对现有的两种TPMS 系统进行了评价,报告第一次将TPMS 作为专用词汇使用。

按照轮胎压力监测方法主要分为两类: 间接式、直接式。间接式( Wheel - Speed Based TPMS 简称: WSB TPMS) 是通过汽车ABS 系统的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别,以达到监视轮胎压力的目的。直接式( Pressure - SensorBased TPMS 简称: PSB TPMS) 是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压, 并对其进行显示及监视, 当轮胎气压不在给定范围内时, 系统会自动报警。据预测, 到2005 年国家美国高速公路安全管理局(N HTSA) 再修改TPMS 法规时, 可能会用直接式代替过渡期的间接式。目前, 国外顶级轿车配装的TPMS 都是直接式的, 可见对直接式的研究和开发的空间很大。

文献(李文印, 周斌. 轮胎压力监测系统设计及实现；Jeff B. Tire pressure monitoring: an industry under pressure)详细介绍了直接式TPMS 的一个设计思路,其硬件是摩托罗拉公司的传感器MPXY8020A、接收器MC33594 、MCU 和发射机一体化芯片MC68HC908RF2 。MPXY8020A 有4 种操作方式: 待机、测量压力、测量温度、读数据; MC68HC908RF2 可以根据所有晶振的不同用315MHz 或434MHz 发送数据; MC33594 能够接收并解调OO K或FSK调制的曼彻斯特编码数据, 采用FSK调制, 利用匹配的天线, 灵敏度可达到- 105dBm。在软件设计方面, 获取数据的方法采用阈值检查法, 通信协议采用曼彻斯特编码、FSK信号调制方式和9600BPS 的传输速率, 是目前较成熟的产品。

　
NPX 传感器

由于工作环境的限制, 所选传感器必须超小且节电。GENova Sensor 的NPX 系列传感器是在NPP 系列基础之上发展的新一代轮胎压力监控系统专用传感器, 其体积为16mm ×8mm ×3mm (含引脚) , 且集温度、压力、电压3 种传感器和ASIC (专用集成电路) 控制器于一体, 由一块带有大量外围器件的RISC (精简指令集计算机) 核心模块组成, 开发时可直接将微控制器(μC) 程序通过编程器装载于EPROM 中。该传感器可以选择3 种主要的测量方式: 压力( P) 、温度( T) 和电池电压(U)。传感器内的单片机负责信号的测量及将温度转化为压力信号, 然后发送到接收机的单片机内再融合。其原理图如图1 所示。

其中, 温度传感器设计在ASIC 电路中, 并具有与绝对温度成比例( PTAT) 的特性。图中所示的Transmit ter U HF 是外连接的发射机, 并不是传感器本身自带的。

该传感器有14 个引线, 各引线名称及功能如表1 所示,



其测量的压力范围是100～450 kPa ,温度范围是- 40～125 ℃, 工作的环境温度范围是- 40～175 ℃, 当环境温度在150～175 ℃之间时, 可以工作30 min。压力信号是采用双温度校准方法得出的12 位, 温度信号是10 位, 所以压力和温度信号是可以区分的。NPX 传感器是目前功能最完备的传感器系统, 但是它并没有集成发射机, 如果国内厂家在这方面有所突破, 必将有广阔的市场,并且可以为我国TPMS 的发展做出贡献, 振兴我国轮胎工业。