基于多傳感器信息融合的輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

為了提高輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度, 運(yùn)用貝葉斯方法建立了其多傳感器信息融合的數(shù)學(xué)模型。該模型融合了輪胎的溫度和壓力這兩種互補(bǔ)信息, 相對(duì)于傳統(tǒng)的輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言, 具有信息的完整性、統(tǒng)一性、多樣性和容錯(cuò)性等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)可以達(dá)到全面預(yù)警爆胎的作用, 為監(jiān)測(cè)輪胎壓力和溫度提供了一個(gè)行之有效的方法, 功能可靠, 適于推廣。

引言

多傳感器信息融合是新興的多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域, 涉及信號(hào)處理、概率統(tǒng)計(jì)、信息論、模式識(shí)別、人工智能、模糊數(shù)學(xué)等多種理論, 它是人類模仿自身信息處理能力的結(jié)果。概括地說(shuō), 多傳感器信息融合技術(shù)就是指通過(guò)一定的算法“合并”來(lái)自多個(gè)信息源的信息, 以產(chǎn)生比單個(gè)傳感器所得到數(shù)據(jù)更可靠、更準(zhǔn)確的信息, 并根據(jù)這些信息做出最可靠的決策。為了提高輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)( Tire Pressure Monitoring System , 簡(jiǎn)稱TPMS) 的精度, 提高報(bào)警的準(zhǔn)確性, 減少誤報(bào)漏報(bào), 本文就多傳感器信息融合技術(shù)在TPMS 中的應(yīng)用加以探討。

研究背景

輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)( TPMS) 的出現(xiàn)是由普利司通/ 費(fèi)爾斯通(BSF) 公司的輪胎質(zhì)量問(wèn)題引發(fā)的。該質(zhì)量問(wèn)題引起大量的爆胎和翻車事故, 事故的主要原因是輪胎氣壓不足, 產(chǎn)生熱量過(guò)多, 以致破壞了其內(nèi)部結(jié)構(gòu), 發(fā)生爆胎。2000 年11 月1 日美國(guó)總統(tǒng)克林頓簽署批準(zhǔn)了國(guó)會(huì)關(guān)于修改聯(lián)邦運(yùn)輸法的提案, 要求2003 年后所有的新的輕型車輛都必須把該系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)配置。2001 年7 月, 為響應(yīng)美國(guó)國(guó)會(huì)對(duì)車輛安裝TPMS立法的要求, 美國(guó)運(yùn)輸部(US Department of Transportation)和國(guó)家高速公路安全管理局(National Highway Traffic SafetyAdminist ration) 聯(lián)合對(duì)現(xiàn)有的兩種TPMS 系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)價(jià),報(bào)告第一次將TPMS 作為專用詞匯使用。

按照輪胎壓力監(jiān)測(cè)方法主要分為兩類: 間接式、直接式。間接式( Wheel - Speed Based TPMS 簡(jiǎn)稱: WSB TPMS) 是通過(guò)汽車ABS 系統(tǒng)的輪速傳感器來(lái)比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別,以達(dá)到監(jiān)視輪胎壓力的目的。直接式( Pressure - SensorBased TPMS 簡(jiǎn)稱: PSB TPMS) 是利用安裝在每一個(gè)輪胎里的壓力傳感器來(lái)直接測(cè)量輪胎的氣壓, 并對(duì)其進(jìn)行顯示及監(jiān)視, 當(dāng)輪胎氣壓不在給定范圍內(nèi)時(shí), 系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。據(jù)預(yù)測(cè), 到2005 年國(guó)家美國(guó)高速公路安全管理局(N HTSA) 再修改TPMS 法規(guī)時(shí), 可能會(huì)用直接式代替過(guò)渡期的間接式。目前, 國(guó)外頂級(jí)轎車配裝的TPMS 都是直接式的, 可見對(duì)直接式的研究和開發(fā)的空間很大。

文獻(xiàn)(李文印, 周斌. 輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn);Jeff B. Tire pressure monitoring: an industry under pressure)詳細(xì)介紹了直接式TPMS 的一個(gè)設(shè)計(jì)思路,其硬件是摩托羅拉公司的傳感器MPXY8020A、接收器MC33594 、MCU 和發(fā)射機(jī)一體化芯片MC68HC908RF2 。MPXY8020A 有4 種操作方式: 待機(jī)、測(cè)量壓力、測(cè)量溫度、讀數(shù)據(jù); MC68HC908RF2 可以根據(jù)所有晶振的不同用315MHz 或434MHz 發(fā)送數(shù)據(jù); MC33594 能夠接收并解調(diào)OO K或FSK調(diào)制的曼徹斯特編碼數(shù)據(jù), 采用FSK調(diào)制, 利用匹配的天線, 靈敏度可達(dá)到- 105dBm。在軟件設(shè)計(jì)方面, 獲取數(shù)據(jù)的方法采用閾值檢查法, 通信協(xié)議采用曼徹斯特編碼、FSK信號(hào)調(diào)制方式和9600BPS 的傳輸速率, 是目前較成熟的產(chǎn)品。

NPX 傳感器

由于工作環(huán)境的限制, 所選傳感器必須超小且節(jié)電。GENova Sensor 的NPX 系列傳感器是在NPP 系列基礎(chǔ)之上發(fā)展的新一代輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)專用傳感器, 其體積為16mm ×8mm ×3mm (含引腳) , 且集溫度、壓力、電壓3 種傳感器和ASIC (專用集成電路) 控制器于一體, 由一塊帶有大量外圍器件的RISC (精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)) 核心模塊組成, 開發(fā)時(shí)可直接將微控制器(μC) 程序通過(guò)編程器裝載于EPROM 中。該傳感器可以選擇3 種主要的測(cè)量方式: 壓力( P) 、溫度( T) 和電池電壓(U)。傳感器內(nèi)的單片機(jī)負(fù)責(zé)信號(hào)的測(cè)量及將溫度轉(zhuǎn)化為壓力信號(hào), 然后發(fā)送到接收機(jī)的單片機(jī)內(nèi)再融合。其原理圖如圖1 所示。

其中, 溫度傳感器設(shè)計(jì)在ASIC 電路中, 并具有與絕對(duì)溫度成比例( PTAT) 的特性。圖中所示的Transmit ter U HF 是外連接的發(fā)射機(jī), 并不是傳感器本身自帶的。

該傳感器有14 個(gè)引線, 各引線名稱及功能如表1 所示,

其測(cè)量的壓力范圍是100～450 kPa ,溫度范圍是- 40～125 ℃, 工作的環(huán)境溫度范圍是- 40～175 ℃, 當(dāng)環(huán)境溫度在150～175 ℃之間時(shí), 可以工作30 min。壓力信號(hào)是采用雙溫度校準(zhǔn)方法得出的12 位, 溫度信號(hào)是10 位, 所以壓力和溫度信號(hào)是可以區(qū)分的。NPX 傳感器是目前功能最完備的傳感器系統(tǒng), 但是它并沒有集成發(fā)射機(jī), 如果國(guó)內(nèi)廠家在這方面有所突破, 必將有廣闊的市場(chǎng),并且可以為我國(guó)TPMS 的發(fā)展做出貢獻(xiàn), 振興我國(guó)輪胎工業(yè)。

輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

融合方法的選擇

對(duì)于輪胎來(lái)說(shuō), 壓力是其生命,而溫度也是不可忽視的。目前輪胎的主要質(zhì)量問(wèn)題如“肩空”和“胎圈脫層”等, 即是由于這些部位的溫度過(guò)高造成的。作者在研制“汽車輪胎安全性能智能”, 所以在其模型中需要融合溫度和壓力兩種信號(hào)。

本文采用貝葉斯(Bayes) 方法來(lái)融合壓力及由溫度轉(zhuǎn)化來(lái)的壓力。該方法不需要任何有關(guān)輪胎壓力和溫度的歷史統(tǒng)計(jì)資料與專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí), 僅對(duì)有限個(gè)壓力溫度傳感器(集成傳感器) 的測(cè)量結(jié)果, 以置信距離測(cè)度作為數(shù)據(jù)融合的融合度, 再利用置信矩陣、融合矩陣得到多傳感器的最佳融合數(shù)。以Bayes 估計(jì)理論為基礎(chǔ)得到多傳感器的最優(yōu)融合數(shù)據(jù)。貝葉斯判別法本質(zhì)上是一種模式分類器, 基于多傳感器的貝葉斯判別的過(guò)程實(shí)際上是決策信息融合的過(guò)程。貝葉斯決策屬于風(fēng)險(xiǎn)型決策, 決策者雖不能控制客觀因素的變化, 但卻可掌握其變化的可能狀況及各狀況的分布概率, 并利用期望值即未來(lái)可能出現(xiàn)的平均狀況作為決策準(zhǔn)則。不確定性是生活中的常態(tài),貝葉斯決策不是使決策問(wèn)題完全無(wú)風(fēng)險(xiǎn), 而是通過(guò)其他途徑增加信息量使決策中的風(fēng)險(xiǎn)減小。由此可以看出, 貝葉斯決策是一種比較實(shí)際可行的方法。

融合模型

信息融合模型可以從功能、結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型等幾方面來(lái)研究和表示。在功能模型上, 本系統(tǒng)的融合級(jí)別為檢測(cè)級(jí), 即直接在多傳感器分布檢測(cè)系統(tǒng)中檢測(cè)判決或信號(hào)層上進(jìn)行的融合, 它通常是根據(jù)所選擇的檢測(cè)準(zhǔn)則形成最優(yōu)化門限, 以產(chǎn)生最終的檢測(cè)輸出。對(duì)于其結(jié)構(gòu)模型, 本系統(tǒng)采用并行結(jié)構(gòu), 也可以采用兩級(jí)并行結(jié)構(gòu), 即先把溫度信息融合后再同壓力信息融合。數(shù)學(xué)模型是信息融合算法和綜合邏輯。系統(tǒng)中同時(shí)存在著壓力和溫度這兩種互補(bǔ)信息?；パa(bǔ)信息的融合減少了由于缺少某些環(huán)境特征而產(chǎn)生的對(duì)環(huán)境理解的歧義, 提高了系統(tǒng)描述環(huán)境的完整性和正確性, 增強(qiáng)了系統(tǒng)正確決策的能力。由于互補(bǔ)信息來(lái)自于異質(zhì)傳感器, 它們?cè)跍y(cè)量精度、范圍、輸出形式等方面有較大的差異, 因此融合前先將不同傳感器的信息抽象為同一種表達(dá)式就顯得尤為重要。在此, 可以通過(guò)理想氣體定律PV = nR T將溫度轉(zhuǎn)化為壓力后再融合。推導(dǎo)出的公式為:

p2 = p1 + p1 ( t2 - t1 ) / 273 (1)

其中: t1 為初始溫度; t2 為目前溫度; p1 為初始?jí)毫? p2 為對(duì)于t2 的壓力。

設(shè)第i 個(gè)傳感器和第j 個(gè)傳感器所測(cè)得的數(shù)據(jù)為t i 、tj ,且ti 、tj都服從高斯正態(tài)分布。所測(cè)數(shù)據(jù)的期望E ( t) , 方差D ( t) 公式為:

如果某個(gè)傳感器在使用中發(fā)生故障, 而在算法中不考慮該情況的話, 就會(huì)造成誤報(bào)或漏報(bào), 所以該系統(tǒng)多傳感器信息融合包括失效信息剔除與有效信息融合兩大內(nèi)容。在剔除失效信息后, 以Bayes 估計(jì)理論為基礎(chǔ)得到多傳感器的最優(yōu)融合數(shù)據(jù)t :

其中: tk ———第k 個(gè)傳感器的觀測(cè)值; σk ———第k 個(gè)傳感器的測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差; t0 ———L 個(gè)有效傳感器觀測(cè)值的均值;σ0 ———L 個(gè)有效傳感器觀測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

當(dāng)t 不在給定范圍內(nèi)時(shí)就報(bào)警。根據(jù)文獻(xiàn), 當(dāng)輪胎氣壓高于基準(zhǔn)胎壓的1.2 倍或者低于基準(zhǔn)壓的25 %時(shí)就應(yīng)該報(bào)警, 此時(shí)車主應(yīng)停車檢查該輪胎情況, 如無(wú)異常, 就降低車速。據(jù)業(yè)內(nèi)人士介紹, 當(dāng)輪胎氣壓高于基準(zhǔn)壓3 倍時(shí), 爆胎的幾率接近100 %。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

不同公司生產(chǎn)的傳感器、MCU 等為TPMS 設(shè)計(jì)方案的多樣化提供了硬件上的保證, 并且給軟件的編制提供了思路 2 　輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由兩部分組成: 測(cè)量發(fā)射部分、接收控制部分, 如圖2 所示, 其中測(cè)量發(fā)射部分負(fù)責(zé)準(zhǔn)確測(cè)量發(fā)射信息, 由單片機(jī)控制采樣間隔; 接收控制部分負(fù)責(zé)融合、分析信號(hào), 判斷其是否在給定范圍之內(nèi), 是否報(bào)警。測(cè)量發(fā)射部分采用3 個(gè)NPX傳感器, 依據(jù)各個(gè)引線的功能將其和發(fā)射機(jī)正確連接, 完成印刷電路板( PCB) 的設(shè)計(jì), 在設(shè)計(jì)的時(shí)候要盡量減小其尺寸、減少連線。然后把它們相隔120°嵌入輪胎內(nèi), 由輪胎的內(nèi)壓力使其緊貼在輪轂和內(nèi)胎之間。接收控制部分可制成一個(gè)儀器, 放置在駕駛室內(nèi)駕駛員易于觀察的位置。報(bào)警可以采用L ED 燈和聲音報(bào)警兩種方式, 燈光的強(qiáng)度及聲音的強(qiáng)弱由壓力值的大小控制。

結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)中, 設(shè)報(bào)警限為300 KPa 。6 個(gè)傳感器的測(cè)得數(shù)值的期望和方差分別是:

經(jīng)計(jì)算, 傳感器6 的數(shù)據(jù)不被其他5 個(gè)傳感器支持, 視其為失效數(shù)據(jù)。其余5 個(gè)傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算后得到的融合結(jié)果為:

可見, t 稍大于300 kPa , 此時(shí)系統(tǒng)應(yīng)該提示駕駛員小心爆胎, 如果繼續(xù)升壓, 就提高報(bào)警的級(jí)別, 如果有下降的趨勢(shì)則停止報(bào)警。

該系統(tǒng)產(chǎn)品化有個(gè)難點(diǎn): 采集的數(shù)據(jù)過(guò)多, 接收控制部分在辨別所接收的數(shù)據(jù)是哪一個(gè)輪胎的哪一個(gè)傳感器測(cè)得的上面比較困難, 程序較復(fù)雜, 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)也可以在每個(gè)輪胎內(nèi)只安裝兩個(gè)NPX 傳感器。