基于多傳感器信息融合技術(shù)的應(yīng)用研究和設(shè)計開發(fā)

作者：周玉蘭，趙寧，郭三學(xué)，趙曉東，毛娟

為了提高輪胎壓力監(jiān)測系統(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， 相對于傳統(tǒng)的輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)而言， 具有信息的完整性、統(tǒng)一性、多樣性和容錯性等優(yōu)點。實驗表明該系統(tǒng)可以達(dá)到全面預(yù)警爆胎的作用， 為監(jiān)測輪胎壓力和溫度提供了一個行之有效的方法， 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， 涉及信號處理、概率統(tǒng)計、信息論、模式識別、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， 多傳感器信息融合技術(shù)就是指通過一定的算法“合并”來自多個信息源的信息， 以產(chǎn)生比單個傳感器所得到數(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)測系統(tǒng)（ Tire Pressure Monitoring System ， 簡稱TPMS） 的精度， 提高報警的準(zhǔn)確性， 減少誤報漏報， 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)量問題引發(fā)的。該質(zhì)量問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 日美國總統(tǒng)克林頓簽署批準(zhǔn)了國會關(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)美國國會對車輛安裝TPMS立法的要求， 美國運(yùn)輸部（US Department of Transportation）和國家高速公路安全管理局（National Highway Traffic SafetyAdminist ration） 聯(lián)合對現(xiàn)有的兩種TPMS 系統(tǒng)進(jìn)行了評價，報告第一次將TPMS 作為專用詞匯使用。

按照輪胎壓力監(jiān)測方法主要分為兩類： 間接式、直接式。間接式（ Wheel - Speed Based TPMS 簡稱： WSB TPMS） 是通過汽車ABS 系統(tǒng)的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，以達(dá)到監(jiān)視輪胎壓力的目的。直接式（ Pressure - SensorBased TPMS 簡稱： PSB TPMS） 是利用安裝在每一個輪胎里的壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓， 并對其進(jìn)行顯示及監(jiān)視， 當(dāng)輪胎氣壓不在給定范圍內(nèi)時， 系統(tǒng)會自動報警。據(jù)預(yù)測， 到2005 年國家美國高速公路安全管理局（N HTSA） 再修改TPMS 法規(guī)時， 可能會用直接式代替過渡期的間接式。目前， 國外頂級轎車配裝的TPMS 都是直接式的， 可見對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)測系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)；Jeff B. Tire pressure monitoring： an industry under pressure）詳細(xì)介紹了直接式TPMS 的一個設(shè)計思路，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)、測量壓力、測量溫度、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 （精簡指令集計算機(jī)） 核心模塊組成， 開發(fā)時可直接將微控制器（μC） 程序通過編程器裝載于EPROM 中。該傳感器可以選擇3 種主要的測量方式： 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)信號的測量及將溫度轉(zhuǎn)化為壓力信號， 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)計在ASIC 電路中， 并具有與絕對溫度成比例（ 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 個引線， 各引線名稱及功能如表1 所示，

其測量的壓力范圍是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， 可以工作30 min。壓力信號是采用雙溫度校準(zhǔn)方法得出的12 位， 溫度信號是10 位， 所以壓力和溫度信號是可以區(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)， 如果國內(nèi)廠家在這方面有所突破， 必將有廣闊的市場，并且可以為我國TPMS 的發(fā)展做出貢獻(xiàn)， 振興我國輪胎工業(yè)。

輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)

融合方法的選擇

對于輪胎來說， 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)量問題如“肩空”和“胎圈脫層”等， 即是由于這些部位的溫度過高造成的。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。

本文采用貝葉斯（Bayes） 方法來融合壓力及由溫度轉(zhuǎn)化來的壓力。該方法不需要任何有關(guān)輪胎壓力和溫度的歷史統(tǒng)計資料與專家經(jīng)驗知識， 僅對有限個壓力溫度傳感器（集成傳感器） 的測量結(jié)果， 以置信距離測度作為數(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程實際上是決策信息融合的過程。貝葉斯決策屬于風(fēng)險型決策， 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題完全無風(fēng)險， 而是通過其他途徑增加信息量使決策中的風(fēng)險減小。由此可以看出， 貝葉斯決策是一種比較實際可行的方法。

融合模型

信息融合模型可以從功能、結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型等幾方面來研究和表示。在功能模型上， 本系統(tǒng)的融合級別為檢測級， 即直接在多傳感器分布檢測系統(tǒng)中檢測判決或信號層上進(jìn)行的融合， 它通常是根據(jù)所選擇的檢測準(zhǔn)則形成最優(yōu)化門限， 以產(chǎn)生最終的檢測輸出。對于其結(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)信息來自于異質(zhì)傳感器， 它們在測量精度、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 為初始壓力; p2 為對于t2 的壓力。

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

如果某個傳感器在使用中發(fā)生故障， 而在算法中不考慮該情況的話， 就會造成誤報或漏報， 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 個傳感器的觀測值; σk ———第k 個傳感器的測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差; t0 ———L 個有效傳感器觀測值的均值;σ0 ———L 個有效傳感器觀測值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

當(dāng)t 不在給定范圍內(nèi)時就報警。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 %時就應(yīng)該報警， 此時車主應(yīng)停車檢查該輪胎情況， 如無異常， 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， 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)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)由兩部分組成： 測量發(fā)射部分、接收控制部分， 如圖2 所示， 其中測量發(fā)射部分負(fù)責(zé)準(zhǔn)確測量發(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， 判斷其是否在給定范圍之內(nèi)， 是否報警。測量發(fā)射部分采用3 個NPX傳感器， 依據(jù)各個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， 在設(shè)計的時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儀器， 放置在駕駛室內(nèi)駕駛員易于觀察的位置。報警可以采用L ED 燈和聲音報警兩種方式， 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

實驗中， 設(shè)報警限為300 KPa 。6 個傳感器的測得數(shù)值的期望和方差分別是：

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

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

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

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