专利名称：Tpms改进方案及远程监测模块外供电轮胎气压监控系统的制作方法
技术领域：
本发明为TPMS(轮胎气压监测系统)改进方案及远程监测模块外供电轮胎气压监控系统，涉及轮胎气压监测技术与行车控制，特别是指对现有TPMS技术方案的改进与功能扩展，属于汽车行车安全技术领域。
背景技术：
轮胎对汽车行车安全的影响一直受到汽车业界和社会公众的关注，美国于2003年开始强制实施TPMS为汽车标准配置后，TPMS已经成为汽车技术专有名词，世界范围内的TPMS研发生产出现快速增长趋势，仅国内就有超过200家企业、科研院所投入了TPMS技术产品的开发和研究。
现有TPMS的主流技术路线或技术方案是TPMS由两个部分纽成安装在汽车轮胎里的远程轮胎压力监测模块(Remote Tire PressureMonitoring，缩写为RTPM)和安装在汽车驾驶台上的中央监视器(LCD显示器)。安装在轮胎内的远程压力监测模块由电池(锂亚电池)供电，对轮胎压力和温度进行监测采样，并将采样数据通过无线传输(RF)发射。中央监视器接收远程监测模块发射的信号，将轮胎压力和温度数据显示液晶屏上，供驾驶员参考。如果轮胎压力或温度出现异常，中央监视器发出报警信号，提醒驾驶员采取相应的措施。其典型技术路线或原理框图如图1所示。
现有技术TPMS采用锂亚电池对远程监测模块供电，为保证电池有5～10年的使用寿命，远程监测模块轮胎气压数据采用间隔采样、定时发送的工作模式，采样频率为1/3Hz～1/8Hz，数据发送频率为1/30Hz～1/80Hz，由RTPM微处理器电源管理程序进行精确控制，达到节省电能消耗的目的。
TPMS对保持轮胎正常气压、预防和减少爆胎事故具有积极作用和效果。但由于轮胎气压采样间隔远远大于200毫秒，无法对突发爆胎或快速泄气即时作出响应和提供救助，其作用仅限于信息预警。
研究结果表明，爆胎是突发性事件，引发爆胎的原因是轮胎气体压力、温度升高，特别是轮胎气压偏低引发的轮胎内部(橡胶与钢丝帘布间)摩擦，造成轮胎橡胶层局部高温，橡胶与帘布层剥离、脆化导致轮胎爆裂。气压偏低和长时间高速行驶是爆胎的重要诱因。
美国学者Wesley D.Grimes发表的《车辆对爆胎反应的三维仿真》(3-Dimensional Simultion of Vehicle Response to Tire Blow-outs)研究报告指出，单纯的爆胎并非必然导致事故的发生，驾驶员对爆胎作出的反应操作是否正确和爆胎时车辆所处的具体路况，对爆胎是否酿成交通事故有直接关联，特别指出驾驶员过度转向和过度制动(制动抱死)有可能导致事故的发生，相反，驾驶员适当的操控(调整维持行驶轨迹和适度制动)，则可能避免事故的发生。
该研究报告结论揭示了一个极为重要的事实爆胎后驾驶员对汽车的操控是必要和有益的，即使是在驾驶员制动反应时间后的2～3秒时刻，驾驶员对汽车的操控仍然是必要和有益的，因此，若在爆胎后瞬间(≤500毫秒)对汽车进行操控，对化解爆胎危险具有重要作用和显著效果，这为研究爆胎自动救助系统给出了方向和提示。
不可忽视的是，现有TPMS的信息预警提示采用LCD显示屏或LED声光提示，增加了驾驶员的行车信息量负荷，分散驾驶员的注意力，对行车安全有一定的负面影响。
发明内容
本发明针对现有TPMS，提出实质性改进和功能扩展技术方案，其核心是将现有TPMS远程监测模块气压数据采样频率由1/3Hz～1/8Hz改进为5Hz～200Hz，达到对爆胎或快速泄气作出快速反应的目的，使TPMS从单纯的信息预警系统改进扩展为信息预警和自动控制综合系统，实现轮胎气压监测预警和自控救助复合功能，成为主动型行车安全保障系统。
具体的改进和扩展为一是将远程监测模块气压数据采样频率提高为5Hz～200Hz，采样数据划分为预警数据和控制数据，将＞30％P(P为轮胎工作气压)气压范围的采样数据确定为预警数据，≤30％P的气压范围采样数据为控制数据。采样数据以不同的频率发送预警数据发送频率为1/300Hz～1/600Hz；控制数据发送为连续，持续时间10秒。在保持电池使用寿命不缩短的前提下，使远程监测模块对爆胎或快速泄气在200毫秒内完成数据采样和发送。二是摒弃TPMS的轮胎气压LCD显示信息提示方式，改为以语音信息提示方式；三是增加行车干预控制功能，实施制动减速和减小节气门开度措施，在突发事件后迅速降低车速。使TPMS中央监视器改进扩展成为具有语音信息提示、自动控制功能的中央控制器(ECU)。
由ECU对爆胎后的汽车实施制动减速，是在驾驶员能够作出制动动作之前实施制动，较驾驶员制动提前2～3秒，该2～3秒内汽车行驶距离达50～80米，实际获得较驾驶员提前50～80米实施制动的效果。当驾驶员实施制动时，汽车速度已经大幅降低，汽车动能下降幅度达到或超过50％，对化解爆胎危险有重要作用和切实效果。
本发明具有以下有益效果，第1、以语音提示取代LCD信息显示，减轻了驾驶员行车信息量负荷，对行车安全具有积极作用；第2、远程监测模块数据采样频率增大、数据发送频率减小，既保持了TPMS原功能特征，又能够对爆胎等突发事件作出快速反应；第3、中央控制器增加行车干预控制功能，使现有TPMS升级为轮胎气压监控系统，成为集预警和救助功能于一体的行车安全系统，具有突出的实用效果。
图1是现有TPMS技术方案原理框图。
图2是本发明技术方案原理框图。
图3是本发明之远程监测模块外供电轮胎气压监控系统原理图。
图4是是本发明技术方案控制程序流程图。
图5是回转差速发电机结构图。
图6是回转差速发电机在轮辋上安装位置示意图。
实施方式以下根据附图对本发明技术方案和远程监测模块外供电轮胎气压监控系统实施例作具体说明。
现有TPMS主要由置于轮胎内的远程轮胎压力监测模块(RTPM)1(内含传感器、信号处理(MCU)、电源管理和RF电路)和中央监视器2(RF接收、信号处理和LCD显示)组成，如图1所示。
RTPM中的TPMS压力传感器是一个片上系统模块，内部包括压力传感器、温度传感器、加速度传感器、电池电压检测、内部时钟，以及一个包含模数转换器(ADC)、取样/保持(S/H)、SPI口、校准、数据管理、ID码的数字信号处理单元。
MCU一般为4～8位单片机，包括时钟管理、EEPROM、RAM、计时器、I/O口、内部晶振等。
RTPM由于受电池容量的制约，电池管理的最小化功率设计采用唤醒和时间间隔定时电路实现，以满足电池使用5～10年时间的要求。因此，压力温度等数据采用间隔采样的方式，一般地，压力数据采样频率为1/3Hz～1/8Hz，数据发送频率为1/30Hz～1/80Hz。
本发明技术方案在TPMS的基础上，增加行车干预控制功能。发生爆胎等突发事件时，轮胎气压在100～200毫秒内全部丧失，要求气压传感器监测采样频率与之相适应，因此，远程轮胎气压监测模块1’(图2所示)采样频率设置为5Hz～200Hz，以保证对爆胎等突发事件的轮胎气压数据及时采样。
数据采样频率提高后，为保持电池的使用寿命时间，采取减小数据发送频率的方式，由远程监测模块1’的MCU将轮胎气压采样数据划分为预警数据和控制数据两类，并分别频率发送。气压传感器对轮胎气压＞30％P(P为轮胎工作气压)范围的采样数据为预警数据，预警数据的发送频率为1/300Hz～1/600Hz；轮胎气压≤30％P的采样数据为控制数据，控制数据为连续发送，持续时间10秒，以确保对爆胎等突发事件的轮胎气压数据及时采样和发送。
由于RTPM模块电能消耗最大部分为RF发射状态，因此，数据发送频率减小所节省的电能消耗，可弥补采样频率提高所增加的电能消耗，远程监测模块电池使用寿命将保持或超过TPMS现有指标。若RTPM模块从外部电源供电或利用汽车车轮旋转动能发电专用器件对锂亚电池进行充电，则采样频率和发送频率可设置得更为合理有效。
中央控制器的改进扩展具体为摒弃LCD信息显示方式、增加行车干预控制功能。摒弃LCD信息显示方式，改为以语音提示方式提供轮胎气压预警信息，可减少驾驶员行车信息量负荷。轮胎气压采样频率的提高，保证了本发明之轮胎气压监控系统可对爆胎或快速泄气等突发事件作出快速反应，使行车干预控制具有可行性和有效性，中央控制器接收到控制数据后，迅即给出指令，驱动行车干预控制机构实施制动减速和减小节气门开度措施，降低汽车速度以化解爆胎危险。
行车干预控制所涉及的制动减速和节气门控制机构，现有汽车技术中有多种实施方式，本发明不再赘述。
中央控制器的MCU对接收到的数据进行分析处理，将数据划分为爆胎或快速泄气、重度欠压、欠压、正常气压和超压五个区域，五区域依次为爆胎≤30％P(P为轮胎工作气压)；30％P＜重度欠压≤60％P；60％P＜欠压≤80％P；80％P＜正常气压＜120％P；超压≥120％P。气压区域划分依车型、轮胎气压差异可作调整，若需要提高气压预警范围精度，可将气压范围作更细划分。
中央控制器控制程序流程图如图4所示，系统得电后首先执行自检程序，确定系统工作状态正常后，进入接收数据分析处理程序，若数据传送异常，系统进行远程监测模块异常轮位号识别，并作出语音提示，数据传送正常则执行下一步识别处理中央控制器接收到≤30％P气压(爆胎或快速泄气范围)采样数据时，对汽车实施行车干预控制措施，包括制动减速和减小节气门开度并语音提示；中央控制器接收到＞30％P且≤60％P气压(重度欠压范围)采样数据时，实施提示频率为1/60Hz的重度欠压语音提示；中央控制器接收到＞60％P且≤80％P气压(欠压范围)采样数据时，实施提示频率为1/600Hz的欠压语音提示；中央控制器接收到＞80％P且≤120％P气压(气压正常范围)采样数据时，实施提示频率为1/3600Hz的气压正常语音提示；中央控制器接收到＞120％P气压(超压范围)采样数据时，实施提示频率为1/600Hz的超压语音提示。
中央控制器由于摒弃了LCD显示屏而采用语音提示，安装简便并具有极大的灵活性，可安装于汽车驾驶室内仪表控制台下隐蔽部位或其他适当位置，对汽车内饰无不良影响。
本发明之远程监测模块外供电轮胎气压监控系统原理图如图3所示，远程监测模块采用回转差速发电机供电，回转差速发电机定子(线圈)随车轮转动，偏心重锤固定于转子(永磁体)轴上，利用转子定子间的转速差产生电流，当车速≥20Km/h时，发电机即可对远程监测模块进行供电(或向锂亚电池充电)，保证了远程监测模块对电能的需求，回转差速发电机为现有公知技术，结构如图5所示，外壳8固定于轮辋中心，定子铁心9与线圈10与轮辋同步转动，偏心重锤12固定于转子11上。发电机安装固定于轮辋中心处，方便车轮的维护保养。
远程监测模块外供电轮胎气压监控系统的RTPM模块也可采用分部件安装方式，传感器安装固定于轮辋上相应(与气门嘴处于同一回转半径)的位置，MCU、RF电路则与差速回转发电机封装成整体，固定于轮辋中心处。分部件安装的好处是提高了RF发射接收的可靠性，减轻了远程监测模块质量对车轮动平衡的影响。图6为回转差速发电机13(或回转差速发电机与远程模块封装体)安装于轮辋14中心的示意图，发电机固定套15与轮辋中心轴孔配合固定。
远程监测模块由传感器(气压、温度)、微型处理器(MCU)和RF电路组成，实施例采用nRF9E5无线片上系统(含8051微处理器内核)+传感器组成，压力传感器采用半导体硅压阻式压力传感器，压力传感器安装位置16为轮辋外部与气门嘴对应的边缘上，通过小孔与轮胎气室连通，传感器输出信号经导线与远程监测模块连接，与轮辋气门嘴位置17处于同一回转半径上，如图6所示。
远程监测模块外供电轮胎气压监控系统中央控制器采用nRF9E5无线片上系统和外围辅助电路如语音电路、功率驱动电路等组成。
轮胎气压监控系统制动减速机构采用特制的泵阀制动器3，如图3所示，作为与汽车行车制动系统的连接部件和自动制动力发生装置，泵阀制动器串联接入汽车行车制动系统的制动总泵后、制动分泵(或ABS液压调节器)前。
泵阀制动器处于不工作状态时(如图3中右梭阀4)，制动总泵制动液流入泵阀制动器之梭阀4上部接口，再经梭阀中部接口流出，进入制动分泵管路，对汽车原行车制动系统无干涉和影响。泵阀制动器工作时(如图3中的左梭阀4’)，电动机5带动液压泵6运转，溢流阀7为液压泵输出压力的调节元件，调节和稳定液压泵的输出压力。液压泵运转时，制动液由制动总泵吸入，形成高压油流快速注入梭阀下部接口，迫使梭阀内部钢球上移，截止梭阀上部通道，避免高压制动液回流制动总泵，高压制动液经梭阀中部接口流向制动分泵，建立起制动分泵管路压力，实现自控行车制动功能。自控行车制动功能结束后，制动分泵管路内制动液经液压泵(利用液压泵停转后的自然渗漏)流回制动总泵储液罐，制动管路内压力下降后，梭阀内部钢球受重力作用回到下端，汽车行车制动系统恢复原态。
权利要求
1.一种TPMS改进方案，包括对TPMS数据采样、数据发送和中央监视器的改进，其特征为改进方案远程监测模块轮胎气压采样频率由现有TPMS(轮胎气压监测系统)采样频率1/3Hz～1/8Hz改进为5Hz～200Hz；改进方案轮胎气压采样数据分为预警数据和控制数据，预警数据发送频率由现有TPMS的1/30Hz～1/80Hz改为1/300Hz～1/600Hz，控制数据连续发送，发送持续时间10秒；改进方案将现有TPMS中央监视器液晶屏信息显示改进为语音提示，增加爆胎及快速泄气情况下的制动减速、节气门控制功能，使中央监视器扩展成为中央控制器，TPMS改进成为轮胎气压监控系统，具有轮胎气压监测、语音信息提示和行车干预控制功能。
2.根据权利要求1所述的预警数据和控制数据，其特征为预警数据是指气压传感器对＞30％P(P为轮胎工作气压)气压范围的采样数据，控制数据是指气压传感器对≤30％P气压范围的采样数据。
3.根据权利要求1所述的中央控制器语音信息提示和行车干预控制功能，其特征为中央控制器将接收到的气压采样数据划分为爆胎或快速泄气、重度欠压、欠压、正常气压和超压五个区域(区域划分依车型、轮胎工作气压差异可作调整)，依次为爆胎≤30％P，30％P＜重度欠压≤60％P，60％P＜欠压≤80％P，80％P＜正常气压＜120％P，超压≥120％P；中央控制器接收到≤30％P气压范围采样数据时，对汽车实施行车干预控制措施，包括制动减速和减小节气门开度并语音提示；中央控制器接收到＞30％P且≤60％P气压范围采样数据时，实施提示频率为1/60Hz的重度欠压语音提示；中央控制器接收到＞60％P且≤80％P气压范围采样数据时，实施提示频率为1/600Hz的欠压语音提示；中央控制器接收到＞80％P且＜120％P气压范围采样数据时，实施提示频率为1/3600Hz的气压正常语音提示；中央控制器接收到≥120％P气压范围采样数据时，实施提示频率为1/600Hz的超压语音提示；摒弃LCD液晶信息显示方式。
4.根据权利要求1所述的中央控制器行车干预控制功能，其特征为中央控制器接收到≤30％P气压范围采样数据时，实施制动减速和减小节气门开度措施，且行车干预控制措施与≤30％P气压范围采样数据同步或随动。
5.一种远程监测模块外供电轮胎气压监控系统，包括回转差速发电机、远程监测模块、中央控制器和泵阀制动器，其特征为该系统由担任轮胎气压监测数据采样的远程监测模块和担任语音信息提示、行车干预控制的中央控制器(ECU)及泵阀制动器组成；远程监测模块采用外供电方式，由安装于轮辋中心的回转差速发电机对远程监测模块提供电力，轮胎气压数据采样频率为50Hz；远程监测模块通过无线(RF)方式发送轮胎气压采样数据，数据发送频率＞30％P(P为轮胎工作气压)的预警数据发送频率为1/30Hz；≤30％P的控制数据连续发送，持续时间10秒；中央控制器由RF电路、微处理器(MCU)、语音电路和行车干预控制驱动电路组成，行车干预控制功能的实施与远程监测模块发送的轮胎气压实时采样控制数据同步或随动；泵阀制动器为行车干预控制的具体执行机构和与汽车行车制动系统的连接件，受中央控制器的控制驱动，对汽车实施制动减速。
全文摘要
一种TPMS改进方案及远程监测模块外供电轮胎气压监控系统，在保持TPMS轮胎气压实时监测、信息提示功能基础上，增加爆胎突发事件行车干预控制功能，使现有TPMS升级成为轮胎气压监控系统，具备轮胎气压监测和爆胎自动救助功能。
文档编号G01L17/00GK1982095SQ20051013097
公开日2007年6月20日 申请日期2005年12月15日 优先权日2005年12月15日
发明者傅建中 申请人:傅建中