1.3 智能轮胎技术

智能轮胎技术是研究如何利用传感器、通信、网络、计算机、模式识别、信号处理、人工智能等现代的信息与智能技术实现轮胎状态监控、自主判断与及时的智能处理，从而提高汽车的安全性、环保性、经济性与舒适性^[17][18]。另外，利用智能轮胎技术还能够为汽车的其他智能系统提供必要的状态信息，因此，智能轮胎技术是汽车辅助及无人驾驶、汽车网联及智能化的重要基础。本节首先介绍智能轮胎研究的背景，然后给出智能轮胎的定义、功能和结构，最后对目前智能轮胎的发展情况进行分析与总结。

1.3.1 智能轮胎研究背景

在汽车行驶中，轮胎处于高速、大负荷、高气压、长时间运动中的任何一种情况都可能引起爆胎，奔驰的汽车因为爆胎而突然失控，会酿成严重的交通事故，因此爆胎是所有驾驶人最为担心和最难预防的，是造成和诱发交通事故的重要原因，特别是当汽车在高速公路上行驶时更是如此。据统计，在中国的高速公路上，由爆胎引发的交通事故占事故总数的70%，在美国，这一比例更高达80%；美国汽车工程师协会（SAE）的调查统计表明，美国每年有26万起交通事故是由于轮胎故障引起的，而75%的轮胎故障是由轮胎气压不足或渗漏造成的^[15][19]；米其林的调查报告表明，商用车辆故障有25%缘于轮胎，而其中又有85%是因为轮胎慢性漏气所致；安全专家指出，汽车时速超过160km/h时，爆胎而造成的死亡率几乎接近100%^[20]，由此可以看出，轮胎的压力问题是影响汽车安全的非常重要的因素。另外，轮胎的充气压力不足，会造成轮胎滚动阻力增大，汽车油耗增加，同时胎面异常磨耗加剧，导致轮胎早期报废。根据统计，大约有25%的汽车轮胎在充气压力低于标准压力40%的条件下工作，而压力降低10%，轮胎的寿命减少15%，压力降低0.21bar（1bar=0.1MPa），油耗增加1.5%^[19][20]。

在爆胎发生前，轮胎的压力和温度一般会出现异常，因此，通过对轮胎压力的监测可以提前发现爆胎危险，为爆胎预警提供依据。另外，通过对轮胎压力的监测，可以及时发现轮胎漏气并进行处理，保持轮胎的标准充气压力，防止爆胎的发生，从而从根本上改善汽车的经济性和安全性。智能轮胎就是在这种背景下出现的，它利用传感器、通信、网络、计算机以及人工智能等现代信息技术进行轮胎状态（温度、压力、摩擦、振动、变形等）和路面状况（干燥、潮湿、冰、雪等）的实时监测和判断，在轮胎状态异常时进行自动报警和及时处理，从根本上解决爆胎所引起的交通事故，显著提高汽车的安全性^[16]。另外，智能轮胎通过对轮胎压力的实时监测和非标准压力的及时调整，使得轮胎的压力始终保持在标准压力附近，不但可以增加汽车操纵的稳定性和舒适性，而且可以减小轮胎滚动阻力、降低汽车油耗、减少汽车排放、延长轮胎的使用寿命，提高汽车的经济性和环保性，因此智能轮胎的研究和开发既是汽车工业发展的必然要求，也是社会发展对汽车安全性、环保性、经济性与舒适性的基本要求，具有非常重要的现实意义和应用前景。

对智能轮胎的开发和推广应用起到重要推动作用的是2000年普利司通公司的轮胎召回行动。由于普利司通公司的轮胎质量问题引起的爆胎，直接导致了超过100人死亡和400人受伤的惨剧，此事引起了业界和美国政府的高度关注，普利司通公司被迫于同年8月收回650万只轮胎^[2]。这次普利司通轮胎召回堪称北美市场乃至全球市场历时最长、数量最大、影响最深的一次行动，类似的事件在其他轮胎公司和国家也时有发生。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TREAD法案（Transportation Recall Enhancement Accountability Documentation），即有关加强运输设备收回、责任确定和文件记录法案，要求2003年11月以后的新车把轮胎气压监测系统（TPMS）作为标准配置。安装TPMS的轮胎为具有轮胎压力监测功能的智能轮胎，可以对轮胎的爆胎进行预警。2001年7月，为响应美国国会对车辆安装TPMS立法的要求，出台了美国运输部（US Department of Transportation，US DOT）国家高速公路交通安全管理局（National High-way Traffic Safety Administration，NHTSA）法规，要求2003年11月到2006年10月31日期间美国新出厂的轻型汽车（整车毛重不超过4536㎏的轿车、货车和客车等，但不包括同轴端有两个轮胎的汽车）逐步把TPMS作为标准配置^[2][3]。继美国之后，欧盟、日本等一些汽车消费大国的交通安全管理部门也效仿美国的做法，提倡汽车安装TPMS，并逐步制定有关汽车配备TPMS的法规。

1.3.2 智能轮胎定义与智能轮胎功能

对于智能轮胎，没有统一的定义，哪一类轮胎属于智能轮胎，不同的文献有不同的约定^[20]-[54]。一般认为，智能轮胎是能够收集与传输有关自身及所处环境的信息，并对这些信息做出正确判断和处理的轮胎，轮胎自身信息包括轮胎压力、温度、摩擦、振动、磨损和老化等状态信息和自身的身份信息，轮胎所处环境信息包括路面状况和车速等。该定义根据智能轮胎实现的功能进行定义，因此，只要能够实现一种轮胎状态或轮胎所处环境的信息的收集、传输与判断的轮胎就可以称为智能轮胎。

目前文献中研究的智能轮胎，主要进行轮胎压力、温度、摩擦状态的监测和自身身份信息的监测，另外，根据监测的信息进行轮胎状态的诊断与处理，可以实现的功能主要包括轮胎压力监测^{[16][17][21]-[27]}、轮胎温度监测^[16][17]、轮胎摩擦监测^[28]-[39]、轮胎爆胎预警与控制^[40]-[48]、轮胎状态自动调节^{[18][49]-[52]}、轮胎历程可追溯性记录^{[20][53]-[55]}等。

轮胎压力监测功能是目前TPMS要求的功能，也是智能轮胎最基本的功能。一般通过安装在轮胎内部的压力传感器进行轮胎压力的监测，测量信息通过无线方式发射到车内接收器，车内接收器进行轮胎压力状态信息的接收和处理，在压力异常时进行及时的报警和显示。另外，轮胎的压力变化也可以根据汽车轮速的变化间接估计得到，但是估计精度不高。

轮胎温度监测功能一般和轮胎压力监测功能共同实现，通过安装在轮胎内部的压力和温度传感器同时进行轮胎压力和温度的监测，然后将监测的信息发送到车内接收器，接收器进行处理。轮胎的温度和压力相互影响，因此，轮胎温度的监测功能可以用于轮胎压力监测信息的校正，从而提高轮胎压力状态判断的准确性和可靠性。

轮胎摩擦状态的监测功能一般通过安装在轮胎内的加速度传感器或测量胎面形变的传感器进行轮胎形变的测量，从而估算轮胎的摩擦特性，轮胎的摩擦特性可以用于进行路面状况的判断，也可以用于轮胎摩擦力的估计，为汽车主动控制系统提供必要的轮胎和路面状态信息，提高汽车主动控制系统的控制性能。

轮胎爆胎预警与控制功能是基于TPMS的功能扩展，由于TPMS只能对爆胎进行预警，而不能对爆胎进行主动的处理，因此，无法从根本上避免爆胎事故的危险。轮胎爆胎预警与控制可以根据TPMS监测的轮胎压力变化，进行爆胎的预警，并且在爆胎发生后，自动进行制动和转向操作，提高汽车爆胎时的行驶稳定性，避免爆胎引起交通事故的危险。

轮胎状态自动调节功能是根据智能轮胎监测的轮胎压力、温度和摩擦状态变化，自动进行轮胎压力和车速的调节，提高轮胎的舒适性和安全性。轮胎中央充放气系统是实现轮胎状态自动调节功能的典型例子，它根据监测的轮胎压力变化和路面状况的变化，通过车载气泵和控制阀进行自动充放气。当轮胎漏气或压力不足时，通过气泵为轮胎充气；当路面湿滑或松软时，轮胎压力过高，通过放气控制阀进行轮胎放气，增加轮胎与路面间的摩擦系数，提高汽车的通过性和安全性。

历程可追溯性记录是通过轮胎生产过程嵌入在轮胎胎面内的RFID（Radio Freuency Identification）卡实现的。RFID卡是一种可以实现信息收集、处理和发送功能的微型芯片，它是轮胎序列号码的载体。RFID卡记录轮胎在制造、出厂、使用和报废全过程中的每一个阶段的所有资料信息，包括轮胎的身份（轮胎品牌、生产序列号、DOT代码、生产厂厂址和生产日期）、轮胎的户籍（汽车主轴号码和轮辋号码）、轮胎的使用资料（历次出车时轮胎的温度、充气压力、速度、受力、变形等数据以及历次翻新、修补情况）、轮胎报废资料（报废原因和报废日期）等。通过RFID阅读器可以随时查询RFID卡内的记录资料，另外，通过电子注册和电子数据库管理，可以建立基于轮胎历程可追溯性记录的网络管理系统。基于这种轮胎信息网络管理系统，轮胎厂和汽车厂可以跟踪轮胎的使用情况，当轮胎出现问题时可以很快确定问题轮胎的位置，及时召回有问题的轮胎；交通部门可以利用RFID阅读器读取轮胎信息记录，实现汽车交通信息管理；停车场管理部门可以利用RFID阅读器读取轮胎信息记录，获取汽车的身份信息，实现基于汽车身份信息的停车收费管理。

1.3.3 智能轮胎结构

虽然智能轮胎的功能很多，但是，大部分功能还处于研究阶段，目前成熟的智能轮胎功能主要是轮胎压力和温度等状态的监测功能，实现轮胎状态监测功能的智能轮胎基本结构如图1.3所示^[56]。

智能轮胎主要由轮胎模块与车内中央模块组成，轮胎模块由安装在轮胎内的传感器、处理器和无线发射器组成，车内中央模块由车内的无线接收器、处理器与显示装置组成。轮胎模块的传感器测量轮胎的压力和温度等状态信息，测量信息经过处理器简单的处理之后，通过无线发射器发射出来。车内的中央模块的无线接收器接收四个轮胎模块发送的信息，处理器对获得的信息进行判断处理之后，通过显示装置显示必要的信息，在轮胎状态异常时发出报警信号，提醒驾驶人注意，及时进行处理。

1.3.4 智能轮胎发展

智能轮胎的发展历史并不长，成熟的技术主要集中在轮胎压力、温度和摩擦状态监测与历程可追溯性记录方面，对于爆胎预警与控制和轮胎状态自动调节方面，也取得了一定的研究成果，下面根据文献记录，分别在轮胎状态监测、爆胎预警与控制和轮胎状态自动调节三个方面对比较典型的研究成果进行分析和总结。

1.3.4.1 轮胎状态监测技术发展

在轮胎状态监测方面，成熟的技术是TPMS产品^[21]-[27]。在轮胎压力、温度、摩擦状态监测和历程可追溯性记录方面，德国大陆公司、芬兰诺基亚公司、美国固特异公司、法国米其林公司、日本普利司通公司、德国西门子公司、中国科学院自动化研究所都取得了一定的成果，下面进行具体介绍。

德国大陆公司通过在轮胎胎侧的胶料中掺入金属粉末开发了有磁力的轮胎，包括磁化轮胎、胎侧扭力传感器和车载电子控制系统三部分。这种磁化轮胎，在胎侧外安装外界磁场，在轮胎旋转时胎侧的胶料被磁化形成正负交替变化的胎内磁场，轮胎的变形或摩擦力变化会引起胎内磁场的变化，通过胎侧外的磁场传感器测量磁场的变化，可以获得轮胎的变形和摩擦力变化。这种有磁力的轮胎可以实现轮胎压力和摩擦力的测量，但是需要进行轮胎结构的专门设计，安装和校准过程也比较麻烦^[20]。另外，大陆公司也开发了在胎面内侧安装传感器的TPMS，产品已经应用于多种车型，可以进行轮胎压力和温度信息的收集，收集的信息通过无线信号和车载信息网络，传递并显示在仪表板上，使驾驶人实时接收到准确的轮胎信息。此外，大陆公司还有一系列创新功能正在研发进行中，如胎纹深度监测功能，可以通过胎纹深度信息提醒驾驶人及时更换轮胎；车辆负载功能，让驾驶人了解负载情况，避免超载，并根据负载调整胎压^[25]。

芬兰诺基亚公司凭借其移动通信技术方面的优势开发了一种可以用手机遥控的轮胎状态监测系统，包括安装在轮胎轮辋的传感器和接收装置。多个微型轻量化传感器安装在轮胎的轮辋上进行轮胎压力和温度的实时监测，并随时将数据传送至接收装置，一旦轮胎压力或温度超过设定值，系统就会向接收装置发出报警信号，接收装置可以是手机，也可以是车载电脑，甚至可以是装在汽车维修中心的独立显示屏。由于灵活的接收装置选择，这种轮胎状态监测系统实现非常简单，另外，驾驶人可以随时随地很方便地了解轮胎的压力和温度状态变化^[2][20]。

美国固特异轮胎橡胶公司开发了一种会说话的轮胎，实现轮胎压力和温度的监测与报警。当轮胎压力超过或低于设定值，轮胎温度超过设定值或有人偷拆轮胎时，这种会说话的轮胎会自动发出报警信号，提醒车主注意。这种会说话的轮胎由单片集成传感器、微型发射器和手持式接收器组成。单片集成传感器在轮胎成型时埋入并在轮胎硫化后被固封在轮胎胎体内，用来测量轮胎压力和温度。微型发射器与单片集成传感器装配在一起，在轮胎制造时被装入轮胎胎体内，负责将传感器测得的数据用特定代码发送出去。手持式接收器出车时插装在车上，下车后随身携带，用来接收信号并将其译成数字显示在液晶显示屏上。这种会说话的轮胎，使驾驶人能够随时了解轮胎状况，及时做好维护保养，延长轮胎使用寿命。此外其反窃功能可让驾驶人夜晚高枕无忧，所以深受长年累月跑长途运输的大型货车驾驶人的欢迎^[20]。

法国米其林轮胎公司开发了嵌入RFID卡的轮胎，可以实现轮胎的历程可追溯性记录功能。RFID卡在轮胎生产过程中安装在胎侧，并经过加热硫化固定封装在胎侧。嵌入轮胎内的RFID卡，首先在轮胎生产厂内被“写入”轮胎序号、生产日期、生产厂代号等信息，然后在汽车制造厂“写入”汽车标识号码，将轮胎身份信息与汽车标识号码捆绑在一起，赋予数据的唯一性，通过电子注册系统实现轮胎的网络化信息管理，一旦轮胎出现质量问题，轮胎或汽车制造商就能够准确召回某条确实有缺陷的轮胎，方便轮胎的跟踪管理。另外，法国米其林公司与生产TPMS的TRW公司和Wabco公司合作，生产能够进行轮胎压力和温度监测的智能轮胎，随后，米其林公司实现了智能轮胎在欧洲和北美多家汽车车型的原装配置^[20]。

日本普利司通公司开发了在轮胎内部嵌入芯片的智能工程机械轮胎，利用嵌入的芯片可以实现轮胎压力和温度的测量，自动记录轮胎的压力、温度和包括轮胎编号、商标、速度、轮位、车种、车型以及安装数据在内的信息，这些记录的信息通过天线发射到车内接收装置，车内接收装置对接收的数据进行记录和分析，因此，这种智能工程机械轮胎实现了轮胎压力和温度状态的监测和轮胎历程可追溯性记录功能。同时，接收装置分析和记录的信息还可以提供给维修人员，方便维修人员发现一些潜在的问题，例如制动器擦伤、轴承损坏和超载的轮位等^[20]。另外，普利司通公司与东京大学合作，通过在5个轮辐上安装的应力传感器测量轮胎运动过程的变形，估算轮胎在路面的摩擦力情况，对轮胎的摩擦状况的监测进行了研究^[28]。

德国西门子公司、奥地利维也纳工业大学、德国达姆施塔特工业大学及相关厂家共同开发了在轮胎表面嵌入声表面波传感器的智能轮胎，通过轮胎内的声表面波传感器进行轮胎压力、温度和摩擦的测量，然后将这些数据以无线方式传送到汽车驾驶室内的控制装置上，随时提醒驾驶人注意，预防事故发生，这种智能轮胎除了可提高驾驶安全性以外，还有助于降低油耗、延长轮胎寿命，从而对环境也起到保护作用^{[16][29]-[31]}。

中国科学院自动化研究所、山东威海三角轮胎公司和美国亚利桑那大学开发了基于声表面波传感器的无源无线轮胎压力和温度测量系统，通过在轮胎内嵌入声表面波压力和温度传感器，同时进行轮胎压力和温度的测量，测量系统不需要电源供电，解决了胎内测量系统使用寿命有限的问题，另外，可以同时进行轮胎压力和温度的测量，通过对轮胎压力和温度的校正，测量结果的准确性比较高^{[2]-[4][17][18]}。同时，积极扩展智能轮胎的应用，利用轮胎的状态信息和汽车状态信息，对路面状况和轮胎状况进行综合的分析和判断，为汽车辅助驾驶及无人驾驶等智能系统提供必要的轮胎和路面状态信息，扩展智能轮胎的功能^[37]-[39]。

1.3.4.2 爆胎预警与控制技术发展

爆胎预警与控制技术研究，主要集中在实验测试研究和理论仿真分析两个方面，实验测试主要分为室内轮胎试验台的实验测试和室外的实车测试，仿真分析方面主要是基于实验测试的结果，建立爆胎模型，设计爆胎控制算法，基于仿真软件进行控制算法功能验证的研究。

实验测试方面，国外加州大学伯克利分校通过设计具有放气控制阀的轮辋，进行了汽车直线行驶过程的前轮爆胎实验和后轮爆胎实验，发现爆胎后汽车向爆胎侧发生偏移。根据实验测试结果，设计了爆胎预警与控制系统，根据轮胎压力变化进行爆胎的预警，在爆胎后，通过降低发动机输出功率和调整转向盘转向角减小爆胎后的侧向偏移，并经过实验测试验证了控制系统的有效性^[40][41]。国内桂林安金汽车安全测控技术有限公司利用有ABS的帕萨特轿车和无ABS的桑塔纳轿车，进行电雷管爆胎实验，实验车速范围99～167.1km/h，验证开发的爆胎制动减速系统的有效性，测试结果显示，爆胎后，自动制动系统可以在48～180ms内响应，汽车制动过程没有发生明显的偏航，因此，通过爆胎后的制动可以有效化解爆胎后的偏航危险^[42]。吉林大学利用室内的轮胎试验台，通过零胎压模拟爆胎后的轮胎，分别在标准胎压、低胎压和零胎压工况进行轮胎纵滑、侧偏和侧倾力学特性测试，并测试轮胎在三种不同胎压下的滚动阻力和径向刚度，测试结果显示，爆胎后的轮胎纵滑刚度、侧偏刚度、侧倾刚度、滚动阻力系数以及径向刚度都发生了明显的变化，实验结果可以用于建立爆胎轮胎的模型，进行汽车爆胎过程的动力学仿真研究^[43]。

在理论仿真分析方面，主要是基于实验测试结果建立的爆胎模型，利用汽车动力学仿真软件，进行汽车不同轮胎爆胎后的动力学特性研究。吉林大学分别研究了汽车直行过程和转向过程，不同轮胎爆胎后汽车的动力学特性变化，发现汽车前轮爆胎比后轮爆胎对汽车的影响更大，汽车转向过程中，如果外后轮爆胎，汽车极易发生甩尾^[43][44]。另外，根据汽车爆胎动力学仿真分析的结果，研究了差动制动稳定性控制^[43][44]、轨迹控制^[45][46]、鲁棒控制^[47]和协调运动控制算法^[48]等，对各种控制算法都进行了仿真验证。

1.3.4.3 轮胎状态自动调节技术发展

轮胎状态自动调节技术主要是对轮胎压力的调节，最早的轮胎状态调节技术为轮胎中央充放气系统，这种系统可以根据路面状况进行轮胎压力的自动调节，满足汽车在不同路面行驶的需要。智能轮胎出现后，根据智能轮胎获取的轮胎压力和温度状态，结合轮胎中央充放气系统的压力调节功能，出现了能够自动进行轮胎状态调节的系统，可以根据汽车的载荷、轮胎的压力和温度状态，进行轮胎压力的自动调节和汽车速度的调节，提高汽车行驶的安全性、舒适性和通过性。

最早的轮胎中央充放气系统是美国通用汽车公司开发的，用于提高其开发的水陆两用载货车在松软的泥泞路面和水陆交界的松软沙滩上的通过能力，但是该系统采用外挂式管路，可靠性不高^[49]。随后，苏联改进了该技术，采用内置式管道传输压缩气体，在各种型号的越野车上得到推广应用，美国在苏联技术的基础上，增加了自动控制系统，实现轮胎压力的自动调节。德国奔驰公司和法国拉比纳尔公司也开发了轮胎充放气系统，目前，轮胎中央充放气系统已经成为美国、德国、俄罗斯和法国军用越野车的标准配置^[49][50]，并且在民用载货汽车^[51]和农用车辆^[52]上也得到应用。中国的天津军事交通学院开发了国内的轮胎中央充放气系统，在密封圈材料和轮胎压力控制阀方面进行了改进，简化了充放气的控制过程，提高了密封效果^[50]。

轮胎状态智能调节系统是可以根据智能轮胎获取的轮胎状态信息进行轮胎压力和汽车速度智能调节的系统。中国科学院自动化研究所研究了一种轮胎压力和车速智能调节系统，根据轮胎压力、温度和车速之间的关系，通过模糊逻辑控制器进行轮胎压力和车速的智能调节，控制轮胎的压力和温度处于安全范围内，通过仿真测试，验证了设计系统的有效性，可以提高轮胎的安全性和经济性^[18]。