一、前言
轮胎充气压力对汽车的安全性、操纵稳定性、燃油经济性和舒适性等有重要影响。据统计，大约有6％的交通事故是由轮胎引起的，而其中又有85％是由于轮胎气压不足造成的。2l世纪汽车／轮胎的发展主题将是人性化，其内涵包括智能便利、绿色安全。如何提高轮胎的主动安全性并使轮胎智能化是轮胎、汽车制造商努力追求的目标，为此世界各大轮胎制造商纷纷加大了智能轮胎监测技术的开发力度。智能轮胎监测技术对促进轮胎、汽车、交通等行业的发展，对节能环保、提高行驶安全性都具有重大意义。
二、智能轮胎监测技术的概念
智能轮胎监测技术能够收集、记录、传输与轮胎所处环境相关的信息，并对这些信息作出正确的判断和处理。它使未来的轮胎将不再是车辆上的被动橡胶复合体，而是影响车辆驾驶安全性和舒适性的车辆控制系统的重要组成部分，能为车内和车外用户的控制系统提供所关心的数据信息。目前的智能轮胎监测技术主要是TPMSs（Tire Pressure Monitoring System，轮胎气压监测系统），它可以监测轮胎的气压，而直接型TPMSs同时也能监测胎内气体的温度。国际上许多汽车公司正积极开发新型智能轮胎监测技术，试图在实现轮胎压力与温度监测的同时，完成对诸如轮胎道路摩擦、胎面磨耗和道路表面质量等功能的监测，并将其与智能驾驶、导航和电子安全系统等其它汽车控制预警结合起来，共同组成一个完整的智能汽车电子监控系统。
三、简单的智能轮胎监测技术——TPMSs
（一）TREAD法案中有关轮胎气压监测系统规定的简单介绍
美国国会通过的TREAD（Traffic Recall Enhancement Accountability and documentation）法案属于纲领性文件，其第13部分要求在TREAD法颁布1年内有关部门必须完成轮胎气压监测系统标准的制定。
2002年NHTSA（National Highway Traffic Safety Administration）发布了轮胎气压监测装置标准的正式条例，要求条例中规定的车辆必须配备轮胎气压监测装置，自2003年11月1日起生效。条例的实施过程分为两个阶段：2003年11月1日到2006年10月31日为第一阶段：短期阶段。在此期间汽车制造商生产的整备质量为4 536 kg以下的轿车、载货汽车、客车和MPV（Multi-purpose vehicle，多用途车）等自2003年11月1日起，逐步安装TPMSs。第一年（2003年11月1日至2004年10月31日）安装数量须达到10％，第二年（2004年11月1日至2005年10月31日）须达到35％，第三年（2005年11月1日至2006年10月31日）须达到65％。2006年11月1日以后为第二阶段：长期阶段。上述类型车辆必须全部安装TPMSs，即安装数量须达到100％，同时将根据第一阶段的实施情况对条例的某些部分作相应的调整或修改。条例在TPMSs的监测性能要求、监测系统的类型及监测能力、气压不足产生的安全问题、安装TPMSs后的效益以及安装费用等方面都做了详细的评估与规定。
条例中用“显著低压”来描述TPMSs低压报警的阈值。为了兼顾直接型TPMSs和目前的间接型TPMSs，条例对“显著低压”给出了两种规定。第一：当汽车上的1～4条轮胎，其充气压力等于或低于制造商推荐的最小冷充气压力的25％或138 kPa时，TPMSs必须向驾驶员报警；第二：当汽车上的l～3条轮胎，其充气压力等于或低于制造商推荐的最小冷充气压力的30％或138 kPa时，TPMSs必须向驾驶员报警。此阈值的规定主要针对间接型TPMSs，但从2006年10月31日后，第二种规定将终止，第一种规定将强制性应用于各种车辆上。
由于备用胎只是临时使用，故不要求TPMSs监测备用胎。报警指示器使用黄色信号。由于红色意味着危机迫在眉睫，必须立即采取措施，而显著低压状态并不表示危机迫在眉睫，因而黄色是最合适的颜色，它蕴含的信息是轮胎能够使用，但必须尽快检查并调整轮胎充气压力。
（二）直接型、间接型TPMSs的原理及其优缺点
目前简单的TPMSs有直接型和间接型两种类型。直接型TPMSs需要在每个轮胎中安装压力传感器，直接测量轮胎充气压力。传感器将压力信息通过RF（Radio Frequency，射频）信号发送到中央接收单元进行数据处理。直接型TPMSs能够监测所有轮胎的压力，只要轮胎出现压力损失，即使很小也能监测到，可靠性与灵敏度较高。
直接型TPMSs（有源）主要由压力与温度传感器、胎内微控制器与发射器、车内中央处理单元（包括接收器）、报警显示单元4部分组成。传感器和胎内微控制器与发射器组成胎内电子包。图1为系统工作示意图。传感器测出温度信息和气压信息并转换为电信号，微控制器对电信号进行A／D转换、数字信号调制、信源编码，由射频发送芯片以一定的频率（通常为315 MHz或434 MHz的中心频率）、一定的模式（通常为OOK／FSK）发射出去。中央处理单元的接收芯片以相同模式接收由发射器发送的射频信号并传送到微控制器，微控制器检查数据帧后进行数据处理，并与轮胎低压限定值及温度设定值进行比较，如果出现异常，指示灯和液晶显示器就会显示报警。
间接型TPMSs不需要额外安装传感器。目前的间接型TPMSs借用ABS中的轮速传感器测量4个车轮的转速。当某个轮胎的压力下降时，滚动半径减小，车轮转速相应增大。系统主要通过比较两条对角线上车轮转速的总和（右前和左后轮速的总和与左前和右后轮速的总和）来判断是否出现压力下降。这是因为在车辆任意角度的转向中，外侧轮胎的转速一定比内侧轮胎的转速高。因此，如果目前的间接型TPMSs把某个车轮的轮速与4个车轮轮速的平均值相比较，则车辆在转弯或曲线行驶时，系统会发出错误报警。同理，如果把其中某个车轮的轮速和另外3个车轮的轮速分别比较，由于在转弯或曲线行驶时，外侧轮胎的转速比内侧轮胎的高，系统也会发出错误报警。
目前的间接型TPMSs有明显的局限性：
1．只有在1个轮胎或对角线上的2个轮胎以及3个轮胎的压力低于其它轮胎压力30％以上，才能监测到低压现象。如果4个轮胎全部处于明显低压状态，间接型TPMSs将不能报警。
2．如果同轴或同侧的2个轮胎处于明显低压状态，间接型TPMSs也不能监测。
3．系统没有识别功能，只能提示轮胎压力不足，不能判定是哪一个轮胎出现不足，必须人工检查才能确定。
4．系统反应速度慢。ABS中央处理单元需要进行繁琐的数据处理和自我检测，以防系统出现误诊断，因此向驾驶员发出的信号迟缓。在车速超过100 km／h时系统不能进行判断。
5．NHTSA在调查中发现，使用目前的间接型TPMSs的轮胎，在处于明显低压状态时只有占调查总数的50％发生了报警，而直接型TPMSs都能发出报警。
通过以上对直接型和间接型TPMSs的比较可发现，虽然直接型TPMSs比间接型TPMSs需要额外的硬件设备，价格相对昂贵，但其可靠性远远高于间接型TPMSs。随着电子技术以及传感技术的发展，直接型TPMSs的成本将会迅速下降，如果生产形成规模，成本将不再是推广直接型TPMSs的障碍。
（三）直接型TPMSs（有源）主要产品及安装车型
直接型TPMSs（有源）目前在中国市场上的主要品牌有：加拿大的Smartire，台湾的iNTEK，美国的Cowealth与Tire Sentry，中国的OPCHEK与瑞典的RD-TPMS8000等。它们的原理前面已有叙述，结构与组成基本相同，可以监测轮胎压力与温度。其胎内部分组件的构成如图3所示，可以将其捆绑在轮辋上或通过气嘴孔安装在轮辋上。
已经安装直接型TPMSs的车型如表1所示。
表1 安装直接型TPMSs的车型
品牌
车型
奥迪（Audi）
A8、A6 Allroad、A8 Nachfolger（D3）、RS6
本特利（Bentley）
Mid Size Bentley（MSB）
宝马（BMW）
Series 7、Series 5、Series 3、X5、Series 7（new）、Series 5（new）、X3
奔驰（Benz）
E—Class AMG、CL、S—Class、SL—Roadster、E—Class、Maybach、S—Class（new）、SL—Class、SLR、Actros
法拉利（Ferrari）
575 Maranello、Enzo、F 137、Modena
玛莎拉蒂（Maserati）
M 139
保时捷（Porsche）
Cayenne、Boxster、911 Series
大众（Volkswagen）
Pheaton、T0uareg
（四）安装间接型TPMSs的车型
如前面所述，间接型TPMSs具有明显的局限性，致使其应用受到了极大的限制。目前间接型TPMSs的主要研制厂家有Delphi-Delc0、Toyota（丰田）、TRW（天合），使用厂家为通用、福特和丰田。间接型TPMSs直接使用车辆的ABS，不需另外增加硬件，只需针对不同的ABS和不同的车型修改处理软件即可。
使用间接型TPMSs的车型如表2所示。
表2 安装间接型TPMSs的车型
品牌
车型
奥兹莫比尔（Oldsmobile）
Aurora、Alero
雪佛兰（Chevrolet）
Corvette、Impala LS、Impala Sedan、Monte Carlo LS、Monte Carlo SS
凯迪拉克（Cadillac）
Seville STS
别克（Buick）
LeSabre、Park Avenue Ultra、Regal
庞迪克（Pontiac）
Bonneville、Grand Am GT、Grand Prix
西耶那（sienna）
CE、LE、XLE、XLE限量级
花冠（Comlla）
XRS
佳美Solara（Camry Solara）
SE、SE Sport、SLE
四、国外较有特色的智能轮胎监测技术
多数TPMSs产品的原理、组成及功能相同，而下述是3种比较有特色的智能轮胎监测技术。
（一）西门子公司开发的智能轮胎监测技术
该智能轮胎监测技术适用于所有标准的原装胎和样胎，不仅可以监测胎内的压力和温度，即具有TPMSs的功能外，还可测定轮胎的加速度和监测轮胎转速，并把每个轮胎的转速与操作参数、安全参数进行比较协调。压力传感器和发送器安装于车轮的轮辋凸缘上；接收器和控制装置装在汽车驾驶室前壁；液晶显示终端可显示压力、温度和测点。目前西门子公司正和大陆轮胎公司合作，拟将该监测技术运用到大陆轮胎公司的智能轮胎中。
（二）ITT智能轮胎监测技术
1337智能轮胎监测技术由芬兰诺基亚轮胎公司推出，其基本构成有两部分：微型轻量化传感器和接收装置。ITI"智能轮胎监测技术的工作原理：传感器装在轮胎内腔，固定在轮辋圈座上，负责测量轮胎充气内压和轮胎温度，随时随地将实时数据传送到接收装置，并在轮胎充气压力和温度超过设定值时向接收装置发送报警信号。ITT智能轮胎监测技术的最大特点是信号接收装置嵌在手机内，携带方便灵活，易于推广。虽然ITT智能轮胎监测技术目前只有监测轮胎充气压力和温度两项功能，但诺基亚已着手增加轮胎磨耗程度、道路摩擦力等监测内容，以进一步提高监测技术与手机的科技含量。目前该技术正处于研制阶段。
（三）SAW技术的智能轮胎监测技术
德国Darmstadt大学的Pohl A等提出使用SAW（Surface Acoustic Wave，声表面波）传感器测量轮胎的压力和温度等参数。使用SAW传感器可以测量轮胎温度、压力和轮胎道路摩擦力，不需要在轮胎内使用电源，实现了无源化，维护简单，减轻了传感器质量，降低了轮胎的动态负载，能够适用于轮胎内恶劣的工作环境。SAW传感器体积小，可以嵌入轮胎内，但每一类SAW传感器只能监测一种参数。监测压力、温度、轮胎道路摩擦力以及轮胎变形量的传感器通常配合使用，组成一个完整的高级监测系统，即需要使用的传感器数目较多，因此单一SAW传感器的优化设计和多个SAW传感器的布局设计是此项技术重点研究的问题。
采用SAW传感器的无源无线TPMSs主要由无线轮询单元、中央处理单元以及SAW传感器3部分组成，前两部分可合称为中央收发处理单元。工作时，中央收发处理单元通过天线发出RF脉冲信号，SAW传感器通过天线接收射频脉冲信号并转换为声表面波，声表面波在传感器里传播时收集有关数据。随后声表面波再次被转换为射频信号并通过天线发射出去，中央收发处理单元接收信号并对接收内容进行处理判断。
SAW传感器有两种类型：延迟线型和谐振型。延迟线型SAW传感器主要由叉指换能器、反射栅和压电基片组成，如图6所示。天线6接收到的激励信号经叉指换能器1，在压电基片材料表面激励出声表面波并沿表面传播，经延迟到达反射栅2、3、4后，部分能量被反射回来。在传播过程中，如果温度、压力及表面应力等因素发生变化，在压电基片表面传播的声表面波波长和波速也将发生变化，导致从各反射栅反射回来的波的相位随之发生变化。利用相位的变化量可以测量相关参数。
谐振型SAW传感器也由反射栅、又指换能器和压电基片组成，如图7所示，不同之处是又指换能器位于两个全反射的反射栅之间。当激励出的声表面波的频率与谐振器频率相等时，反射栅反射的能量最大。当基片表面的温度或压力发生变化时，谐振器的中心频率将发生漂移。利用频率漂移量可以测量相关参数。
采用声表面波技术研制开发智能轮胎监测技术（包括无源无线TPMSs）是一个非常新颖且具有一定难度的课题，也是一个新的研究方向和热点，国内目前中科院自动化研究所和三角轮胎公司正在合作进行这方面的研究工作。
五、未来智能轮胎监测技术需要解决的关键问题
智能轮胎监测技术将是未来汽车智能化与电子化的一个重要组成部分，也将是轮胎技术研究的一个新的方向与热点，它的功能将不断扩展、增强。目前智能轮胎监测技术的发展水平相对较低，已有产品普遍体积较大、功能单一，缺少与未来汽车智能化相融合的接口，因此未来智能轮胎监测技术需要解决的关键问题有：
1．开发体积小、集成度高、功能多的新型传感器系统，除了测量轮胎压力和温度外，还能够测量轮胎载荷、滑动摩擦系数、胎面磨耗、道路表面质量等参数。
2．实现对轮胎胎体的高温点域测温以及点域测温传感器的布局设计。
3．解决智能轮胎系统无线通讯接口和电源的提供问题。如果胎内部分是使用电池的有源系统，须考虑系统的质量、能耗、电池寿命；如果是无源系统，须考虑能源的提供方式。
4．智能轮胎的开发。集成所有电子部件在轮胎内。轮胎制造过程中的高压和高温环境对电子部件的抗高压和抗高温能力将是一个严峻的考验，因此必须具有合理的轮胎制造、维护工艺。
5．开展传感器嵌入轮胎后对轮胎性能影响的分析研究。传感器嵌入轮胎后相当于在轮胎中加入了杂质，如果解决不好传感器和轮胎胎体之间的结合问题，将会对轮胎的结构产生破坏性的影响，因此必须对嵌入传感器后的轮胎结构进行分析。
6．电磁干扰和电磁兼容问题。汽车上的电子系统很多，因此必须解决监测系统和车内其它电子系统之间、车辆与车辆之间相互的电磁干扰和电磁兼容问题。
7．与其它先进技术的融合。与全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、智能运输系统（ITS）及蓝牙（Bluetooth）技术等结合，可进一步提高汽车的智能化，因此在开发智能轮胎监测技术时，可考虑留有与以上技术相融合的软硬件接口。
目前智能轮胎监测技术及其产品主要还是简单的直接型TPMSs（有源）。无源化、多功能及与汽车其它智能电子系统（智能驾驶、导航和电子安全系统）的融合将是智能轮胎监测技术发展的趋势与目标。
