汽车轮胎爆胎预警系统综述

李 敏，赵继印，陈兴文，杨亚宁

(大连民族学院信息与通信工程学院，辽宁大连 116605)

汽车轮胎爆胎预警系统综述

李 敏，赵继印，陈兴文，杨亚宁

(大连民族学院信息与通信工程学院，辽宁大连 116605)

分析了汽车轮胎爆胎预警系统的国内外技术现状，讨论了汽车轮胎爆胎预警系统实现的各种主流方法，并提出了目前汽车轮胎爆胎预警系统存在的关键技术问题和今后的技术发展趋势，为该领域的研究者指明研究方向，共同促进汽车轮胎爆胎预警系统的实用化。

汽车轮胎;爆胎预警;TPMS;汽车电子

据公安部和交通部联合统计数据显示:2008年国内高速公路70%的意外交通事故是由爆胎引起的;时速120 Km以上的任何一个前胎爆破，翻车事故死亡率100%［1］。美国汽车工程师协会的调查统计表明，每年由轮胎故障引起的交通事故超过26万起，其中由于轮胎欠压、渗漏及胎温过高引起的轮胎故障占75%［2］。轮胎故障引起的交通事故给社会造成了巨大的损失，如何防止轮胎爆胎已成为汽车电子技术的一项重要的研究课题。轮胎爆胎预警系统已经成为车载电子系统的关键单元和部件，是未来智能型汽车必备的功能要素之一。

2000年11月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年后所有出厂的轻型车辆都需把TPMS(汽车轮胎压力监测系统，Tire Pressure Monitoring System)作为标准配置，2007年9月1日新注册的车辆必须100%安装TPMS。美国政府于2003年通过立法程序，建立轮胎气压监测系统的强制性标准［3］。2008年5月，欧盟也做出类似的标配法规［4］。因此，TPMS是继国外ABS、安全气囊后又一国家强制安装车规标配的产品，被称为第三大汽车安全系统。中国在TPMS方面的研究起步较晚，还没有出台相关的强制性标准和行业标准。2007年7月成立了TPMS标准起草工作组，先后组织了3次起草组工作会议［5］。2008年9月，由国家发改委提出、全国汽车标准化技术委员会组织起草了《汽车轮胎气压监测系统标准》的征求意见稿，规定了TPMS的性能要求［6］。纵观中国汽车产业，在所有国产轿车中，只有少数高档轿车配备了 TPMS，TPMS在国产轿车中的配备率仅有5.7%［7］。这一方面与TPMS居高不下的价格有关，另一方面也反映出TPMS产品缺乏实用性和可靠性，可见在目前情况下轮胎压力监测技术被期待着有进一步的突破。本文着重讨论汽车轮胎爆胎预警系统的技术现状和存在的问题，明确今后的技术发展趋势，为汽车安全、汽车电子领域TPMS的研究、设计和开发人员提供参考和借鉴。

1 汽车轮胎爆胎预警系统的类型

目前，从技术原理的角度可将汽车轮胎爆胎预警系统分为间接式、直接式和复合式3种。

间接式技术出现较早，它是通过计算轮胎滚动半径来对气压进行监测，不需要增加任何硬件设备，而是与汽车防抱死制动系统(ABS)一起使用。但是间接式TPMS有一定的局限性。第一，不能确定故障轮胎;第二，在某些情况下该系统会无法正常工作，例如同轴或2个以上轮胎的胎压都处于低位时、车速100 km/h以上时等情况［8］。

直接式技术采用固定在每个车轮中的压力传感器直接测量每个轮胎的压力和温度，并将检测到的数据传送给安装在汽车驾驶室内的主控制器进行处理，目前大多数系统采用无线的方式进行压力和温度数据的传送，其结构框架如图1。直接式技术可直接测量每个轮胎的气压，并能确定故障轮胎，因此已成为汽车轮胎爆胎预警系统的主流。

图1 直接式技术的结构图

直接式技术又分为主动式和被动式两种，主要区别是主动式中的轮胎模块需要电池提供能量，而被动式无须电池。主动式技术的优点是技术比较成熟，开发出来的模块可适用于各厂牌的轮胎;缺点是感应模块需要电池供电，存在系统使用寿命问题。被动式也叫无源式，它是基于声表面波(SAW)的性质来设计的，用一个中央收发器代替了一般直接式系统中的中央接收器［9］。虽然此技术不用电池供电，但是它需要将转发器整合至轮胎中，这牵涉到各轮胎制造商需建立共同的标准才有可能。因此，无电池式系统短期内还难以流行。

复合式技术兼有间接式技术和直接式技术的优点，是在两个互成对角的轮胎内装备传感器，并装备一个4轮间接系统。该技术在一定程度上可以降低成本，克服间接式技术不能检测出多个轮胎同时出现气压过低的缺点。但是，它仍然不能提供所有轮胎的实时压力数据。

2 汽车轮胎爆胎预警系统的技术现状及发展趋势

2.1 国外研究现状

国外对于TPMS系统的研究起步较早，20世纪70年代末欧洲的一些发达国家就开始对轮胎气压监控系统进行研究。文献［10］中论述了英国Lucas公司早在1981年就推出了驾驶室设置接受器和每个车轮均有传感器装置模型以及德国Wabco公司和Bosch公司在1989年推出了利用ABS传感器监测轮胎压力的新装置。文献［11］指出，1996年丰田就有一种系统应用于当时生产的MarkⅡ型车上，它利用车轮速度传感器探测四个车轮的速度与振动波，根据轮胎气压降低即轮胎刚度下降，引起簧下谐波频率降低的特性，将上述信息传递给ECU分析是否某轮胎胎压不足，克服了直接测量气压的方法存在的可靠性、耐久性不足，成本高等缺点。这种系统不能直接测量轮胎压力，并存在容易产生误差的因素，数据的时效性与准确性也存在不足。但作为初期轮胎气压实时监测系统，它的技术个性与时代特性值得借鉴。

德国BEAU公司与美国Lear公司联合推出的将电子门锁装置与电子轮胎气压实时监测系统集成在一起是近期推出的一种极具价格竞争力的整体解决方案，是唯一一个得到德国汽车制造商许可采用的原装压力监测系统［12］。该系统主要是测量轮胎压力值与标准值的偏差，当偏差超过极限值时，系统将向驾驶员发出警告，以便及时采取必要措施。不足之处是车轮电子装置对使用环境清洁度有较高要求，所以在使用保养时必须加以注意。目前，在几种先进的实用轮胎气压实时监测系统中，非常具有代表性。

法国米其林集团公司与德国Wabco公司合作开发的一种轮胎充气内压监测装置，是专供商用车使用的监测装置，它由安装在车轮上负责测量轮胎充气压力的微型组件和安装在驾驶室内的电子控制仪表两大部分组成，整套装置具有装卸容易的特点［13］。轮胎哨兵(Tire Guard)为西门子VDO汽车配件公司自主开发的监测装置［14］，它具有如下特点:①传感器安装采取外挂式，即安装在汽车轮辋上，具有较强的适应性;②监测灵敏度高，能检测轮胎额定充气内压的5%。轮胎守护神(Tyreshield)是英国A.I.R.汽车配件公司生产和销售的监测装置［15］，其特点为:①传感器为圆筒状，通过螺纹连接在轮胎气门杆上;②信号发射器和传感器装在一起，负责将无线电信号发射出去;③无线电接收器安装在汽车的前部，负责接收由发射器发射的无线电信号并将其转送到驾驶室内的监测器;④具有轮胎压力和温度超限报警的功能。约翰逊公司的轮胎气压实时监测系统被国际汽车工程(Ael)评为2002年度20个最有价值的汽车产品之首［16］。这个系统包括一个特殊设计的车内后视镜、四个胎压传感器和发射、接收设备。系统工作时胎压数据是通过集成在轮胎气门阀内的发射机传送给风挡内的集成接收机，然后在后视镜上利用射频技术显示出来。这个系统在工作时可以将每个轮胎的压力数据实时显示，有较高的实用性和可行性。目前，国外正在大量研究利用声表面波无源传感器来测量轮胎压力值，开发智能轮胎监测技术［17］。

2.2 国内研究现状

2004年上半年，TPMS开始逐渐引入中国市场，目前很多中高级车可以选装TPMS。据中国汽车工业协会相关市场调查表明，国内众多中小企业都推出了自己的产品，如佛山的TOPCHEK轮胎气压监测系统、伟力通胎压报警器、南京泰晟科技轮胎监测系统等等，但真正形成产业规模的企业还没有［18］。吉林大学、清华大学、同济大学和东北大学等高校都有学者对TPMS的相关技术进行理论研究，提出了很多技术方案，也有一些监测报警装置申报了专利，但是由于其可靠性、稳定性和灵敏性等方面远远达不到使用要求，所以很少得到应用［19－21］。

现阶段的汽车轮胎爆胎预警系统大多采用直接式技术，通过购买国外的关键芯片来组装产品。应用在这个领域的传感器有英飞凌的SP系列、飞思卡尔的MPXY系列以及通用公司的NPX系列等流行产品，并且不断地更新换代，以提高系统的各种性能。但直接主动式TPMS的主要缺点是在轮辋上安装压力传感器破坏了车轮的动平衡，同时传感器感应模块电池供电困难，而且对无线通信可靠性要求较高。这类直接式TPMS成本较高，一般中档以下汽车极少安装。针对直接式技术的问题，有不少研究者提出了自己的解决方案。文献［22］将低频唤醒技术运用到轮胎里的发射模块上解决系统的节能问题，这种设计技术通过了权威检测部门检测;文献［23］采用电感耦合方式实现能量恢复的无源TPMS方案，避免了有源TPMS由于带电池而存在的缺点。文献［24］利用加速度传感器数据控制TPMS的发射模块定位发射以及估算车速的方法，提高TPMS系统的数据会使质量和降低发射模块的发射功率，有效地改善TPMS的性能。文献［25］提出了一种求取数据帧CRC校验码的半字节快速查表法，该方法大大降低了RF通信误码率，提高汽车轮胎爆胎预警系统无线通讯的可靠性。文献［26］介绍了一种新型外置直接式数字胎压监测系统，该系统的胎压监测节点安装在轮胎气嘴上，直接监测胎内气压，再通过射频信号传送至驾驶室内的上位接收机。该系统主要针对由于成本因素而造成已有车辆不可能回到汽车生产原厂补装TPMS系统所设计，填补了国内TPMS后装市场的空白，有着广泛的应用前景。

2.3 发展趋势

纵观国内外汽车轮胎爆胎预警系统的技术研究现状，研究系统的实现方式较多，而研究汽车轮胎爆胎的机理较少。汽车轮胎爆胎预警系统的预警门限是否科学准确，直接关系到系统的爆胎预警效果。大多数的预警系统都采用国家标准中规定的轮胎使用标准气压作为系统的预警门限，也有部分系统考虑到环境温度对轮胎压力的影响而采用软件补偿法对压力门限阈值进行温度补偿。但是，轮胎压力和温度对轮胎爆胎的作用机理存在着不确定性，制约着汽车轮胎监测技术的发展和产品开发，其瓶颈问题就是汽车轮胎爆胎机理的研究缺乏完备性和理论依据，爆胎预警门限的确立缺乏科学性，这是汽车轮胎爆胎预警系统亟待解决的核心技术问题。

现在的汽车大多已取消了内胎，为轮胎感应模块的安装带来了极大的方便，因此，直接式技术会得到广泛的应用。但在直接式技术中存在着系统的可靠性和电源问题需要研究和解决。首先，信号无线传输和接收的可靠性是系统的关键技术指标之一，它表现在系统具有抵抗其他电子设备干扰的能力、汽车高速行驶时中央控制模块接收轮胎感应模块信号的能力以及系统避免误报警的能力。轮胎内的感应模块肩负着监测轮胎状况与发送信息的任务，其天线的设计在系统中起着至关重要的作用，它直接影响到系统的通信距离、可靠性和稳定性。其次，直接式技术主要采用钮扣电池供电，电池能量有限，如何实现轮胎检测模块的低功耗，延长电池使用寿命也是当前研究的一个热点。

汽车电子技术的不断发展使汽车上安装了越来越多的传感器，这将促进汽车轮胎爆胎预警系统的发展，使其技术更加成熟，性能更加稳定，为间接式技术的汽车轮胎爆胎预警系统提供了发展的空间。直接式技术的高成本和安装不便限制了产品的推广和普及，而间接式技术可以降低成本，不必预先安装在轮胎内，尤其是间接式技术避免了直接式技术中的天线设计和电源等关键问题。因此，如何利用车体上众多传感器来改进早期间接式技术中存在的缺陷，完善系统功能以满足市场各方需求成为了汽车轮胎爆胎预警系统的未来研究课题。

3 汽车轮胎爆胎预警系统实现的关键技术问题

从国外TPMS的发展趋势以及国内外市场对TPMS的需求来看，TPMS将在短期内有望成为国内汽车的标准配置。通过上述分析，可以总结出当前汽车轮胎爆胎预警系统实现的关键技术问题体现在以下几点:①研究汽车轮胎爆胎机理模型，科学确定系统的爆胎预警门限;②研究直接式技术的天线设计，提高信号无线传输和接收的可靠性;③研究直接式技术中轮胎感应模块的低功耗设计，延长电池的有效使用时间;④研究无源的TPMS技术，解决直接式技术的电源问题;⑤研究基于车身传感器的间接式TPMS技术，开发汽车轮胎爆胎预警系统的后装市场，降低系统成本，促进系统的应用和普及。

4 结语

汽车轮胎爆胎预警系统是驾车者和乘车人的生命安全保障预警系统，将是汽车电子最具发展前途的产品之一，汽车轮胎爆胎预警系统作为一项提高汽车主动安全性的措施也引起人们的普遍关注。本文论述了汽车轮胎爆胎预警系统的国内外技术现状及发展趋势，明确了汽车轮胎爆胎预警系统实现的关键技术问题，能够为研究者在该领域的研究指明方向，为共同促进汽车轮胎爆胎预警系统的实用化而发挥作用。

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An Overview of Automobile Tire Burst Early－warning System

LI Min，ZHAO Ji－yin，CHEN Xing－wen，YANG Ya－ning
(College of Information and Communication Engineering，Dalian Nationalities University，Dalian Liaoning 116605，China)

The status of domestic and foreign technology about the automobile tire burst earlywarning system have been analyzed.The main methods of the system implementation and proposes the key technology issues and future trends of automobile tire burst early－warning system have been discussed.This paper will guide researchers in this field and promote development of the automobile tire burst early－warning system.

automobile tire;tire burst early－warning;TPMS;automobile electron

TP277;U463.341

A

1009－315X(2011)05－0454－04

2011－05－23

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(DC10020117)。

李敏(1962－)，女，辽宁开原人，教授，主要从事智能信息处理与模式识别等研究。

(责任编辑 刘敏)