專利名稱：Tpms改進方案及遠程監(jiān)測模塊外供電輪胎氣壓監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為TPMS(輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng))改進方案及遠程監(jiān)測模塊外供電輪胎氣壓監(jiān)控系統(tǒng)，涉及輪胎氣壓監(jiān)測技術(shù)與行車控制，特別是指對現(xiàn)有TPMS技術(shù)方案的改進與功能擴展，屬于汽車行車安全技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
輪胎對汽車行車安全的影響一直受到汽車業(yè)界和社會公眾的關(guān)注，美國于2003年開始強制實施TPMS為汽車標準配置后，TPMS已經(jīng)成為汽車技術(shù)專有名詞，世界范圍內(nèi)的TPMS研發(fā)生產(chǎn)出現(xiàn)快速增長趨勢，僅國內(nèi)就有超過200家企業(yè)、科研院所投入了TPMS技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)和研究。
現(xiàn)有TPMS的主流技術(shù)路線或技術(shù)方案是TPMS由兩個部分紐成安裝在汽車輪胎里的遠程輪胎壓力監(jiān)測模塊(Remote Tire PressureMonitoring，縮寫為RTPM)和安裝在汽車駕駛臺上的中央監(jiān)視器(LCD顯示器)。安裝在輪胎內(nèi)的遠程壓力監(jiān)測模塊由電池(鋰亞電池)供電，對輪胎壓力和溫度進行監(jiān)測采樣，并將采樣數(shù)據(jù)通過無線傳輸(RF)發(fā)射。中央監(jiān)視器接收遠程監(jiān)測模塊發(fā)射的信號，將輪胎壓力和溫度數(shù)據(jù)顯示液晶屏上，供駕駛員參考。如果輪胎壓力或溫度出現(xiàn)異常，中央監(jiān)視器發(fā)出報警信號，提醒駕駛員采取相應的措施。其典型技術(shù)路線或原理框圖如圖1所示。
現(xiàn)有技術(shù)TPMS采用鋰亞電池對遠程監(jiān)測模塊供電，為保證電池有5～10年的使用壽命，遠程監(jiān)測模塊輪胎氣壓數(shù)據(jù)采用間隔采樣、定時發(fā)送的工作模式，采樣頻率為1/3Hz～1/8Hz，數(shù)據(jù)發(fā)送頻率為1/30Hz～1/80Hz，由RTPM微處理器電源管理程序進行精確控制，達到節(jié)省電能消耗的目的。
TPMS對保持輪胎正常氣壓、預防和減少爆胎事故具有積極作用和效果。但由于輪胎氣壓采樣間隔遠遠大于200毫秒，無法對突發(fā)爆胎或快速泄氣即時作出響應和提供救助，其作用僅限于信息預警。
研究結(jié)果表明，爆胎是突發(fā)性事件，引發(fā)爆胎的原因是輪胎氣體壓力、溫度升高，特別是輪胎氣壓偏低引發(fā)的輪胎內(nèi)部(橡膠與鋼絲簾布間)摩擦，造成輪胎橡膠層局部高溫，橡膠與簾布層剝離、脆化導致輪胎爆裂。氣壓偏低和長時間高速行駛是爆胎的重要誘因。
美國學者Wesley D.Grimes發(fā)表的《車輛對爆胎反應的三維仿真》(3-Dimensional Simultion of Vehicle Response to Tire Blow-outs)研究報告指出，單純的爆胎并非必然導致事故的發(fā)生，駕駛員對爆胎作出的反應操作是否正確和爆胎時車輛所處的具體路況，對爆胎是否釀成交通事故有直接關(guān)聯(lián)，特別指出駕駛員過度轉(zhuǎn)向和過度制動(制動抱死)有可能導致事故的發(fā)生，相反，駕駛員適當?shù)牟倏?調(diào)整維持行駛軌跡和適度制動)，則可能避免事故的發(fā)生。
該研究報告結(jié)論揭示了一個極為重要的事實爆胎后駕駛員對汽車的操控是必要和有益的，即使是在駕駛員制動反應時間后的2～3秒時刻，駕駛員對汽車的操控仍然是必要和有益的，因此，若在爆胎后瞬間(≤500毫秒)對汽車進行操控，對化解爆胎危險具有重要作用和顯著效果，這為研究爆胎自動救助系統(tǒng)給出了方向和提示。
不可忽視的是，現(xiàn)有TPMS的信息預警提示采用LCD顯示屏或LED聲光提示，增加了駕駛員的行車信息量負荷，分散駕駛員的注意力，對行車安全有一定的負面影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有TPMS，提出實質(zhì)性改進和功能擴展技術(shù)方案，其核心是將現(xiàn)有TPMS遠程監(jiān)測模塊氣壓數(shù)據(jù)采樣頻率由1/3Hz～1/8Hz改進為5Hz～200Hz，達到對爆胎或快速泄氣作出快速反應的目的，使TPMS從單純的信息預警系統(tǒng)改進擴展為信息預警和自動控制綜合系統(tǒng)，實現(xiàn)輪胎氣壓監(jiān)測預警和自控救助復合功能，成為主動型行車安全保障系統(tǒng)。
具體的改進和擴展為一是將遠程監(jiān)測模塊氣壓數(shù)據(jù)采樣頻率提高為5Hz～200Hz，采樣數(shù)據(jù)劃分為預警數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)，將＞30％P(P為輪胎工作氣壓)氣壓范圍的采樣數(shù)據(jù)確定為預警數(shù)據(jù)，≤30％P的氣壓范圍采樣數(shù)據(jù)為控制數(shù)據(jù)。采樣數(shù)據(jù)以不同的頻率發(fā)送預警數(shù)據(jù)發(fā)送頻率為1/300Hz～1/600Hz；控制數(shù)據(jù)發(fā)送為連續(xù)，持續(xù)時間10秒。在保持電池使用壽命不縮短的前提下，使遠程監(jiān)測模塊對爆胎或快速泄氣在200毫秒內(nèi)完成數(shù)據(jù)采樣和發(fā)送。二是摒棄TPMS的輪胎氣壓LCD顯示信息提示方式，改為以語音信息提示方式；三是增加行車干預控制功能，實施制動減速和減小節(jié)氣門開度措施，在突發(fā)事件后迅速降低車速。使TPMS中央監(jiān)視器改進擴展成為具有語音信息提示、自動控制功能的中央控制器(ECU)。
由ECU對爆胎后的汽車實施制動減速，是在駕駛員能夠作出制動動作之前實施制動，較駕駛員制動提前2～3秒，該2～3秒內(nèi)汽車行駛距離達50～80米，實際獲得較駕駛員提前50～80米實施制動的效果。當駕駛員實施制動時，汽車速度已經(jīng)大幅降低，汽車動能下降幅度達到或超過50％，對化解爆胎危險有重要作用和切實效果。
本發(fā)明具有以下有益效果，第1、以語音提示取代LCD信息顯示，減輕了駕駛員行車信息量負荷，對行車安全具有積極作用；第2、遠程監(jiān)測模塊數(shù)據(jù)采樣頻率增大、數(shù)據(jù)發(fā)送頻率減小，既保持了TPMS原功能特征，又能夠?qū)Ρサ韧话l(fā)事件作出快速反應；第3、中央控制器增加行車干預控制功能，使現(xiàn)有TPMS升級為輪胎氣壓監(jiān)控系統(tǒng)，成為集預警和救助功能于一體的行車安全系統(tǒng)，具有突出的實用效果。


圖1是現(xiàn)有TPMS技術(shù)方案原理框圖。
圖2是本發(fā)明技術(shù)方案原理框圖。
圖3是本發(fā)明之遠程監(jiān)測模塊外供電輪胎氣壓監(jiān)控系統(tǒng)原理圖。
圖4是是本發(fā)明技術(shù)方案控制程序流程圖。
圖5是回轉(zhuǎn)差速發(fā)電機結(jié)構(gòu)圖。
圖6是回轉(zhuǎn)差速發(fā)電機在輪輞上安裝位置示意圖。
實施方式以下根據(jù)附圖對本發(fā)明技術(shù)方案和遠程監(jiān)測模塊外供電輪胎氣壓監(jiān)控系統(tǒng)實施例作具體說明。
現(xiàn)有TPMS主要由置于輪胎內(nèi)的遠程輪胎壓力監(jiān)測模塊(RTPM)1(內(nèi)含傳感器、信號處理(MCU)、電源管理和RF電路)和中央監(jiān)視器2(RF接收、信號處理和LCD顯示)組成，如圖1所示。
RTPM中的TPMS壓力傳感器是一個片上系統(tǒng)模塊，內(nèi)部包括壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、電池電壓檢測、內(nèi)部時鐘，以及一個包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、取樣/保持(S/H)、SPI口、校準、數(shù)據(jù)管理、ID碼的數(shù)字信號處理單元。
MCU一般為4～8位單片機，包括時鐘管理、EEPROM、RAM、計時器、I/O口、內(nèi)部晶振等。
RTPM由于受電池容量的制約，電池管理的最小化功率設(shè)計采用喚醒和時間間隔定時電路實現(xiàn)，以滿足電池使用5～10年時間的要求。因此，壓力溫度等數(shù)據(jù)采用間隔采樣的方式，一般地，壓力數(shù)據(jù)采樣頻率為1/3Hz～1/8Hz，數(shù)據(jù)發(fā)送頻率為1/30Hz～1/80Hz。
本發(fā)明技術(shù)方案在TPMS的基礎(chǔ)上，增加行車干預控制功能。發(fā)生爆胎等突發(fā)事件時，輪胎氣壓在100～200毫秒內(nèi)全部喪失，要求氣壓傳感器監(jiān)測采樣頻率與之相適應，因此，遠程輪胎氣壓監(jiān)測模塊1’(圖2所示)采樣頻率設(shè)置為5Hz～200Hz，以保證對爆胎等突發(fā)事件的輪胎氣壓數(shù)據(jù)及時采樣。
數(shù)據(jù)采樣頻率提高后，為保持電池的使用壽命時間，采取減小數(shù)據(jù)發(fā)送頻率的方式，由遠程監(jiān)測模塊1’的MCU將輪胎氣壓采樣數(shù)據(jù)劃分為預警數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)兩類，并分別頻率發(fā)送。氣壓傳感器對輪胎氣壓＞30％P(P為輪胎工作氣壓)范圍的采樣數(shù)據(jù)為預警數(shù)據(jù)，預警數(shù)據(jù)的發(fā)送頻率為1/300Hz～1/600Hz；輪胎氣壓≤30％P的采樣數(shù)據(jù)為控制數(shù)據(jù)，控制數(shù)據(jù)為連續(xù)發(fā)送，持續(xù)時間10秒，以確保對爆胎等突發(fā)事件的輪胎氣壓數(shù)據(jù)及時采樣和發(fā)送。
由于RTPM模塊電能消耗最大部分為RF發(fā)射狀態(tài)，因此，數(shù)據(jù)發(fā)送頻率減小所節(jié)省的電能消耗，可彌補采樣頻率提高所增加的電能消耗，遠程監(jiān)測模塊電池使用壽命將保持或超過TPMS現(xiàn)有指標。若RTPM模塊從外部電源供電或利用汽車車輪旋轉(zhuǎn)動能發(fā)電專用器件對鋰亞電池進行充電，則采樣頻率和發(fā)送頻率可設(shè)置得更為合理有效。
中央控制器的改進擴展具體為摒棄LCD信息顯示方式、增加行車干預控制功能。摒棄LCD信息顯示方式，改為以語音提示方式提供輪胎氣壓預警信息，可減少駕駛員行車信息量負荷。輪胎氣壓采樣頻率的提高，保證了本發(fā)明之輪胎氣壓監(jiān)控系統(tǒng)可對爆胎或快速泄氣等突發(fā)事件作出快速反應，使行車干預控制具有可行性和有效性，中央控制器接收到控制數(shù)據(jù)后，迅即給出指令，驅(qū)動行車干預控制機構(gòu)實施制動減速和減小節(jié)氣門開度措施，降低汽車速度以化解爆胎危險。
行車干預控制所涉及的制動減速和節(jié)氣門控制機構(gòu)，現(xiàn)有汽車技術(shù)中有多種實施方式，本發(fā)明不再贅述。
中央控制器的MCU對接收到的數(shù)據(jù)進行分析處理，將數(shù)據(jù)劃分為爆胎或快速泄氣、重度欠壓、欠壓、正常氣壓和超壓五個區(qū)域，五區(qū)域依次為爆胎≤30％P(P為輪胎工作氣壓)；30％P＜重度欠壓≤60％P；60％P＜欠壓≤80％P；80％P＜正常氣壓＜120％P；超壓≥120％P。氣壓區(qū)域劃分依車型、輪胎氣壓差異可作調(diào)整，若需要提高氣壓預警范圍精度，可將氣壓范圍作更細劃分。
中央控制器控制程序流程圖如圖4所示，系統(tǒng)得電后首先執(zhí)行自檢程序，確定系統(tǒng)工作狀態(tài)正常后，進入接收數(shù)據(jù)分析處理程序，若數(shù)據(jù)傳送異常，系統(tǒng)進行遠程監(jiān)測模塊異常輪位號識別，并作出語音提示，數(shù)據(jù)傳送正常則執(zhí)行下一步識別處理中央控制器接收到≤30％P氣壓(爆胎或快速泄氣范圍)采樣數(shù)據(jù)時，對汽車實施行車干預控制措施，包括制動減速和減小節(jié)氣門開度并語音提示；中央控制器接收到＞30％P且≤60％P氣壓(重度欠壓范圍)采樣數(shù)據(jù)時，實施提示頻率為1/60Hz的重度欠壓語音提示；中央控制器接收到＞60％P且≤80％P氣壓(欠壓范圍)采樣數(shù)據(jù)時，實施提示頻率為1/600Hz的欠壓語音提示；中央控制器接收到＞80％P且≤120％P氣壓(氣壓正常范圍)采樣數(shù)據(jù)時，實施提示頻率為1/3600Hz的氣壓正常語音提示；中央控制器接收到＞120％P氣壓(超壓范圍)采樣數(shù)據(jù)時，實施提示頻率為1/600Hz的超壓語音提示。
中央控制器由于摒棄了LCD顯示屏而采用語音提示，安裝簡便并具有極大的靈活性，可安裝于汽車駕駛室內(nèi)儀表控制臺下隱蔽部位或其他適當位置，對汽車內(nèi)飾無不良影響。
本發(fā)明之遠程監(jiān)測模塊外供電輪胎氣壓監(jiān)控系統(tǒng)原理圖如圖3所示，遠程監(jiān)測模塊采用回轉(zhuǎn)差速發(fā)電機供電，回轉(zhuǎn)差速發(fā)電機定子(線圈)隨車輪轉(zhuǎn)動，偏心重錘固定于轉(zhuǎn)子(永磁體)軸上，利用轉(zhuǎn)子定子間的轉(zhuǎn)速差產(chǎn)生電流，當車速≥20Km/h時，發(fā)電機即可對遠程監(jiān)測模塊進行供電(或向鋰亞電池充電)，保證了遠程監(jiān)測模塊對電能的需求，回轉(zhuǎn)差速發(fā)電機為現(xiàn)有公知技術(shù)，結(jié)構(gòu)如圖5所示，外殼8固定于輪輞中心，定子鐵心9與線圈10與輪輞同步轉(zhuǎn)動，偏心重錘12固定于轉(zhuǎn)子11上。發(fā)電機安裝固定于輪輞中心處，方便車輪的維護保養(yǎng)。
遠程監(jiān)測模塊外供電輪胎氣壓監(jiān)控系統(tǒng)的RTPM模塊也可采用分部件安裝方式，傳感器安裝固定于輪輞上相應(與氣門嘴處于同一回轉(zhuǎn)半徑)的位置，MCU、RF電路則與差速回轉(zhuǎn)發(fā)電機封裝成整體，固定于輪輞中心處。分部件安裝的好處是提高了RF發(fā)射接收的可靠性，減輕了遠程監(jiān)測模塊質(zhì)量對車輪動平衡的影響。圖6為回轉(zhuǎn)差速發(fā)電機13(或回轉(zhuǎn)差速發(fā)電機與遠程模塊封裝體)安裝于輪輞14中心的示意圖，發(fā)電機固定套15與輪輞中心軸孔配合固定。
遠程監(jiān)測模塊由傳感器(氣壓、溫度)、微型處理器(MCU)和RF電路組成，實施例采用nRF9E5無線片上系統(tǒng)(含8051微處理器內(nèi)核)+傳感器組成，壓力傳感器采用半導體硅壓阻式壓力傳感器，壓力傳感器安裝位置16為輪輞外部與氣門嘴對應的邊緣上，通過小孔與輪胎氣室連通，傳感器輸出信號經(jīng)導線與遠程監(jiān)測模塊連接，與輪輞氣門嘴位置17處于同一回轉(zhuǎn)半徑上，如圖6所示。
遠程監(jiān)測模塊外供電輪胎氣壓監(jiān)控系統(tǒng)中央控制器采用nRF9E5無線片上系統(tǒng)和外圍輔助電路如語音電路、功率驅(qū)動電路等組成。
輪胎氣壓監(jiān)控系統(tǒng)制動減速機構(gòu)采用特制的泵閥制動器3，如圖3所示，作為與汽車行車制動系統(tǒng)的連接部件和自動制動力發(fā)生裝置，泵閥制動器串聯(lián)接入汽車行車制動系統(tǒng)的制動總泵后、制動分泵(或ABS液壓調(diào)節(jié)器)前。
泵閥制動器處于不工作狀態(tài)時(如圖3中右梭閥4)，制動總泵制動液流入泵閥制動器之梭閥4上部接口，再經(jīng)梭閥中部接口流出，進入制動分泵管路，對汽車原行車制動系統(tǒng)無干涉和影響。泵閥制動器工作時(如圖3中的左梭閥4’)，電動機5帶動液壓泵6運轉(zhuǎn)，溢流閥7為液壓泵輸出壓力的調(diào)節(jié)元件，調(diào)節(jié)和穩(wěn)定液壓泵的輸出壓力。液壓泵運轉(zhuǎn)時，制動液由制動總泵吸入，形成高壓油流快速注入梭閥下部接口，迫使梭閥內(nèi)部鋼球上移，截止梭閥上部通道，避免高壓制動液回流制動總泵，高壓制動液經(jīng)梭閥中部接口流向制動分泵，建立起制動分泵管路壓力，實現(xiàn)自控行車制動功能。自控行車制動功能結(jié)束后，制動分泵管路內(nèi)制動液經(jīng)液壓泵(利用液壓泵停轉(zhuǎn)后的自然滲漏)流回制動總泵儲液罐，制動管路內(nèi)壓力下降后，梭閥內(nèi)部鋼球受重力作用回到下端，汽車行車制動系統(tǒng)恢復原態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種TPMS改進方案，包括對TPMS數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)發(fā)送和中央監(jiān)視器的改進，其特征為改進方案遠程監(jiān)測模塊輪胎氣壓采樣頻率由現(xiàn)有TPMS(輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng))采樣頻率1/3Hz～1/8Hz改進為5Hz～200Hz；改進方案輪胎氣壓采樣數(shù)據(jù)分為預警數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)，預警數(shù)據(jù)發(fā)送頻率由現(xiàn)有TPMS的1/30Hz～1/80Hz改為1/300Hz～1/600Hz，控制數(shù)據(jù)連續(xù)發(fā)送，發(fā)送持續(xù)時間10秒；改進方案將現(xiàn)有TPMS中央監(jiān)視器液晶屏信息顯示改進為語音提示，增加爆胎及快速泄氣情況下的制動減速、節(jié)氣門控制功能，使中央監(jiān)視器擴展成為中央控制器，TPMS改進成為輪胎氣壓監(jiān)控系統(tǒng)，具有輪胎氣壓監(jiān)測、語音信息提示和行車干預控制功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預警數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)，其特征為預警數(shù)據(jù)是指氣壓傳感器對＞30％P(P為輪胎工作氣壓)氣壓范圍的采樣數(shù)據(jù)，控制數(shù)據(jù)是指氣壓傳感器對≤30％P氣壓范圍的采樣數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中央控制器語音信息提示和行車干預控制功能，其特征為中央控制器將接收到的氣壓采樣數(shù)據(jù)劃分為爆胎或快速泄氣、重度欠壓、欠壓、正常氣壓和超壓五個區(qū)域(區(qū)域劃分依車型、輪胎工作氣壓差異可作調(diào)整)，依次為爆胎≤30％P，30％P＜重度欠壓≤60％P，60％P＜欠壓≤80％P，80％P＜正常氣壓＜120％P，超壓≥120％P；中央控制器接收到≤30％P氣壓范圍采樣數(shù)據(jù)時，對汽車實施行車干預控制措施，包括制動減速和減小節(jié)氣門開度并語音提示；中央控制器接收到＞30％P且≤60％P氣壓范圍采樣數(shù)據(jù)時，實施提示頻率為1/60Hz的重度欠壓語音提示；中央控制器接收到＞60％P且≤80％P氣壓范圍采樣數(shù)據(jù)時，實施提示頻率為1/600Hz的欠壓語音提示；中央控制器接收到＞80％P且＜120％P氣壓范圍采樣數(shù)據(jù)時，實施提示頻率為1/3600Hz的氣壓正常語音提示；中央控制器接收到≥120％P氣壓范圍采樣數(shù)據(jù)時，實施提示頻率為1/600Hz的超壓語音提示；摒棄LCD液晶信息顯示方式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中央控制器行車干預控制功能，其特征為中央控制器接收到≤30％P氣壓范圍采樣數(shù)據(jù)時，實施制動減速和減小節(jié)氣門開度措施，且行車干預控制措施與≤30％P氣壓范圍采樣數(shù)據(jù)同步或隨動。
5.一種遠程監(jiān)測模塊外供電輪胎氣壓監(jiān)控系統(tǒng)，包括回轉(zhuǎn)差速發(fā)電機、遠程監(jiān)測模塊、中央控制器和泵閥制動器，其特征為該系統(tǒng)由擔任輪胎氣壓監(jiān)測數(shù)據(jù)采樣的遠程監(jiān)測模塊和擔任語音信息提示、行車干預控制的中央控制器(ECU)及泵閥制動器組成；遠程監(jiān)測模塊采用外供電方式，由安裝于輪輞中心的回轉(zhuǎn)差速發(fā)電機對遠程監(jiān)測模塊提供電力，輪胎氣壓數(shù)據(jù)采樣頻率為50Hz；遠程監(jiān)測模塊通過無線(RF)方式發(fā)送輪胎氣壓采樣數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送頻率＞30％P(P為輪胎工作氣壓)的預警數(shù)據(jù)發(fā)送頻率為1/30Hz；≤30％P的控制數(shù)據(jù)連續(xù)發(fā)送，持續(xù)時間10秒；中央控制器由RF電路、微處理器(MCU)、語音電路和行車干預控制驅(qū)動電路組成，行車干預控制功能的實施與遠程監(jiān)測模塊發(fā)送的輪胎氣壓實時采樣控制數(shù)據(jù)同步或隨動；泵閥制動器為行車干預控制的具體執(zhí)行機構(gòu)和與汽車行車制動系統(tǒng)的連接件，受中央控制器的控制驅(qū)動，對汽車實施制動減速。
全文摘要
一種TPMS改進方案及遠程監(jiān)測模塊外供電輪胎氣壓監(jiān)控系統(tǒng)，在保持TPMS輪胎氣壓實時監(jiān)測、信息提示功能基礎(chǔ)上，增加爆胎突發(fā)事件行車干預控制功能，使現(xiàn)有TPMS升級成為輪胎氣壓監(jiān)控系統(tǒng)，具備輪胎氣壓監(jiān)測和爆胎自動救助功能。
文檔編號G01L17/00GK1982095SQ20051013097
公開日2007年6月20日 申請日期2005年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月15日
發(fā)明者傅建中 申請人:傅建中