基于多传感器信息融合技术的应用研究和设计开发

作者：周玉兰，赵宁，郭三学，赵晓东，毛娟

为了提高轮胎压力监测系统的精度， 运用贝叶斯方法建立了其多传感器信息融合的数学模型。该模型融合了轮胎的温度和压力这两种互补信息，相对于传统的轮胎压力监测系统而言， 具有信息的完整性、统一性、多样性和容错性等优点。实验表明该系统可以达到全面预警爆胎的作用， 为监测轮胎压力和温度提供了一个行之有效的方法，功能可靠， 适于推广。

引言

多传感器信息融合是新兴的多学科交叉的研究领域， 涉及信号处理、概率统计、信息论、模式识别、人工智能、模糊数学等多种理论， 它是人类模仿自身信息处理能力的结果。概括地说，多传感器信息融合技术就是指通过一定的算法“合并”来自多个信息源的信息， 以产生比单个传感器所得到数据更可靠、更准确的信息， 并根据这些信息做出最可靠的决策。为了提高轮胎压力监测系统（ Tire Pressure Monitoring System ， 简称TPMS） 的精度， 提高报警的准确性， 减少误报漏报， 本文就多传感器信息融合技术在TPMS 中的应用加以探讨。

研究背景

轮胎压力监测系统（ TPMS） 的出现是由普利司通/ 费尔斯通（BSF） 公司的轮胎质量问题引发的。该质量问题引起大量的爆胎和翻车事故，事故的主要原因是轮胎气压不足， 产生热量过多， 以致破坏了其内部结构， 发生爆胎。2000 年11 月1 日美国总统克林顿签署批准了国会关于修改联邦运输法的提案， 要求2003 年后所有的新的轻型车辆都必须把该系统作为标准配置。2001 年7 月， 为响应美国国会对车辆安装TPMS立法的要求， 美国运输部（US Department of Transportation）和国家高速公路安全管理局（National Highway Traffic SafetyAdminist ration） 联合对现有的两种TPMS 系统进行了评价，报告第一次将TPMS 作为专用词汇使用。

按照轮胎压力监测方法主要分为两类： 间接式、直接式。间接式（ Wheel - Speed Based TPMS 简称： WSB TPMS） 是通过汽车ABS 系统的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，以达到监视轮胎压力的目的。直接式（ Pressure - SensorBased TPMS 简称： PSB TPMS）是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压， 并对其进行显示及监视， 当轮胎气压不在给定范围内时，系统会自动报警。据预测， 到2005 年国家美国高速公路安全管理局（N HTSA） 再修改TPMS 法规时， 可能会用直接式代替过渡期的间接式。目前， 国外顶级轿车配装的TPMS 都是直接式的， 可见对直接式的研究和开发的空间很大。

文献（李文印， 周斌。 轮胎压力监测系统设计及实现；Jeff B. Tire pressure monitoring： an industry under pressure）详细介绍了直接式TPMS 的一个设计思路，其硬件是摩托罗拉公司的传感器MPXY8020A、接收器MC33594 、MCU 和发射机一体化芯片MC68HC908RF2 。MPXY8020A 有4 种操作方式： 待机、测量压力、测量温度、读数据; MC68HC908RF2 可以根据所有晶振的不同用315MHz 或434MHz 发送数据; MC33594 能够接收并解调OO K或FSK调制的曼彻斯特编码数据，采用FSK调制， 利用匹配的天线， 灵敏度可达到- 105dBm。在软件设计方面， 获取数据的方法采用阈值检查法，通信协议采用曼彻斯特编码、FSK信号调制方式和9600BPS 的传输速率，是目前较成熟的产品。

NPX 传感器

由于工作环境的限制， 所选传感器必须超小且节电。GENova Sensor 的NPX 系列传感器是在NPP 系列基础之上发展的新一代轮胎压力监控系统专用传感器， 其体积为16mm ×8mm ×3mm （含引脚）， 且集温度、压力、电压3 种传感器和ASIC （专用集成电路） 控制器于一体， 由一块带有大量外围器件的RISC （精简指令集计算机） 核心模块组成， 开发时可直接将微控制器（μC） 程序通过编程器装载于EPROM 中。该传感器可以选择3 种主要的测量方式： 压力（ P） 、温度（ T） 和电池电压（U）。传感器内的单片机负责信号的测量及将温度转化为压力信号， 然后发送到接收机的单片机内再融合。其原理图如图1 所示。

其中， 温度传感器设计在ASIC 电路中， 并具有与绝对温度成比例（ PTAT）的特性。图中所示的Transmit ter U HF 是外连接的发射机， 并不是传感器本身自带的。

该传感器有14 个引线， 各引线名称及功能如表1 所示，

其测量的压力范围是100～450 kPa ，温度范围是- 40～125 ℃， 工作的环境温度范围是- 40～175 ℃， 当环境温度在150～175 ℃之间时， 可以工作30 min。压力信号是采用双温度校准方法得出的12 位， 温度信号是10 位， 所以压力和温度信号是可以区分的。NPX 传感器是目前功能最完备的传感器系统， 但是它并没有集成发射机， 如果国内厂家在这方面有所突破， 必将有广阔的市场，并且可以为我国TPMS 的发展做出贡献， 振兴我国轮胎工业。

轮胎压力监测系统

融合方法的选择

对于轮胎来说， 压力是其生命，而温度也是不可忽视的。目前轮胎的主要质量问题如“肩空”和“胎圈脱层”等， 即是由于这些部位的温度过高造成的。作者在研制“汽车轮胎安全性能智能”，所以在其模型中需要融合温度和压力两种信号。

本文采用贝叶斯（Bayes） 方法来融合压力及由温度转化来的压力。该方法不需要任何有关轮胎压力和温度的历史统计资料与专家经验知识， 仅对有限个压力温度传感器（集成传感器）的测量结果， 以置信距离测度作为数据融合的融合度， 再利用置信矩阵、融合矩阵得到多传感器的最佳融合数。以Bayes 估计理论为基础得到多传感器的最优融合数据。贝叶斯判别法本质上是一种模式分类器，基于多传感器的贝叶斯判别的过程实际上是决策信息融合的过程。贝叶斯决策属于风险型决策， 决策者虽不能控制客观因素的变化， 但却可掌握其变化的可能状况及各状况的分布概率，并利用期望值即未来可能出现的平均状况作为决策准则。不确定性是生活中的常态，贝叶斯决策不是使决策问题完全无风险， 而是通过其他途径增加信息量使决策中的风险减小。由此可以看出，贝叶斯决策是一种比较实际可行的方法。

融合模型

信息融合模型可以从功能、结构和数学模型等几方面来研究和表示。在功能模型上， 本系统的融合级别为检测级， 即直接在多传感器分布检测系统中检测判决或信号层上进行的融合，它通常是根据所选择的检测准则形成最优化门限， 以产生最终的检测输出。对于其结构模型， 本系统采用并行结构， 也可以采用两级并行结构， 即先把温度信息融合后再同压力信息融合。数学模型是信息融合算法和综合逻辑。系统中同时存在着压力和温度这两种互补信息。互补信息的融合减少了由于缺少某些环境特征而产生的对环境理解的歧义，提高了系统描述环境的完整性和正确性， 增强了系统正确决策的能力。由于互补信息来自于异质传感器， 它们在测量精度、范围、输出形式等方面有较大的差异， 因此融合前先将不同传感器的信息抽象为同一种表达式就显得尤为重要。在此，可以通过理想气体定律PV = nR T将温度转化为压力后再融合。推导出的公式为：

p2 = p1 + p1 （ t2 - t1 ） / 273 （1）

其中： t1 为初始温度; t2 为目前温度; p1 为初始压力; p2 为对于t2 的压力。

设第i 个传感器和第j 个传感器所测得的数据为t i 、tj ，且ti 、tj都服从高斯正态分布。所测数据的期望E （ t） ， 方差D （ t）公式为：



如果某个传感器在使用中发生故障， 而在算法中不考虑该情况的话， 就会造成误报或漏报， 所以该系统多传感器信息融合包括失效信息剔除与有效信息融合两大内容。在剔除失效信息后，以Bayes 估计理论为基础得到多传感器的最优融合数据t ：



其中： tk ———第k 个传感器的观测值; σk ———第k 个传感器的测量值的标准偏差; t0 ———L 个有效传感器观测值的均值;σ0 ———L 个有效传感器观测值的标准偏差。

当t 不在给定范围内时就报警。根据文献， 当轮胎气压高于基准胎压的1.2 倍或者低于基准压的25 %时就应该报警， 此时车主应停车检查该轮胎情况，如无异常， 就降低车速。据业内人士介绍， 当轮胎气压高于基准压3 倍时， 爆胎的几率接近100 %。

系统结构

不同公司生产的传感器、MCU 等为TPMS 设计方案的多样化提供了硬件上的保证，并且给软件的编制提供了思路 2 轮胎压力监测系统结构图

轮胎压力监测系统由两部分组成： 测量发射部分、接收控制部分， 如图2 所示， 其中测量发射部分负责准确测量发射信息，由单片机控制采样间隔; 接收控制部分负责融合、分析信号， 判断其是否在给定范围之内， 是否报警。测量发射部分采用3 个NPX传感器， 依据各个引线的功能将其和发射机正确连接， 完成印刷电路板（ PCB） 的设计， 在设计的时候要尽量减小其尺寸、减少连线。然后把它们相隔120°嵌入轮胎内， 由轮胎的内压力使其紧贴在轮毂和内胎之间。接收控制部分可制成一个仪器，放置在驾驶室内驾驶员易于观察的位置。报警可以采用L ED 灯和声音报警两种方式， 灯光的强度及声音的强弱由压力值的大小控制。

结束语

实验中， 设报警限为300 KPa 。6 个传感器的测得数值的期望和方差分别是：

经计算， 传感器6 的数据不被其他5 个传感器支持，视其为失效数据。其余5 个传感器数据经计算后得到的融合结果为：



可见， t 稍大于300 kPa ， 此时系统应该提示驾驶员小心爆胎，如果继续升压， 就提高报警的级别， 如果有下降的趋势则停止报警。

该系统产品化有个难点： 采集的数据过多， 接收控制部分在辨别所接收的数据是哪一个轮胎的哪一个传感器测得的上面比较困难， 程序较复杂， 系统结构复杂。为了简化结构也可以在每个轮胎内只安装两个NPX 传感器。