CN101380878A - 使用磁场进行传感器定位的轮胎参数监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有多个传感器单元的轮胎参数监控系统，该多个传感器单元的每一个安装在不同的车辆轮胎。每个传感器单元具有用于转换由安装到车辆的轮胎位置的最接近磁铁组生成的磁场信号的磁传感元件。每个磁铁组生成标识该磁铁组位置的唯一的磁场。每个传感器单元具有用于将经转换的磁场信号与轮胎参数信号组合的微控制器，以及用于将经组合的信号传输到接受位置的发射器。接收的轮胎参数信号使用位置信号与该轮胎位置相互关联，且驾驶员忠告信号被呈现给驾驶员。

Description

使用磁场进行传感器定位的轮胎参数监控系统

背景技术

本发明涉及车辆轮胎参数监控系统，尤其涉及具有使用永磁体的传感器单元定位部件的轮胎参数监控系统。

轮胎参数监控系统是已知的，并且通常用于监控在车辆的各个充气轮胎中的一个或多个感兴趣的参数并常通过包含关于该轮胎参数的信息的车载计算机系统对驾驶员提供忠告信号。该轮胎参数监控系统的位于各个轮胎之上或之内的部分被称为传感器单元，且与能够测量感兴趣的参数并生成表示该测量值的电信号的一个或多个传感器、能够生成对应于该电信号的无线信号的信号发生器(通常是射频信号发生器)、微控制器(诸如微处理器或数字信号处理器)以及电源耦连。传感器电路的电力通常由电池提供，当可用的电池功率下降到有用电平之下时(如果可能)必须替换该电池。在一些已知的系统中该电池不能被替换，使得当该电池已经达到其有用寿命的尽头时必须替换整个传感器组件。监控内部胎压的轮胎参数传感器系统以共同转让的，于2005年11月1日授权的题为“External MountTire Pressure Sensor System”(外部安装的胎压传感器系统)的美国专利No.6,959,594中公开，该公开内容通过引用被结合于此。结合有提供延长的有用电池寿命的节能单元的胎压监控系统在共同转让的，于2007年5月29日授权的题为“Tire Pressure Sensor System With Improved Sensitivity AndPower Saving”(具有改进的敏感性和节能的胎压传感器系统)的美国专利No.7,222,523中公开，该公开通过引用被结合于此。消除有用电池的轮胎参数监控系统在2006年6月22日提交的题为“Tire Parameter MonitoringSystem With Inductive Power Source”(具有感应电源的轮胎参数监控系统)的共同转让的，待决专利申请S/N.11/473,278中公开，该公开内容通过引用被结合于此。

由传感器单元产生的忠告信号可指示(a)相关联的车辆轮胎中的给定参数是具有位于预定安全范围之内的当前值还是具有该范围之外的当前值，(b)该参数的测量值，或者(c)一些感兴趣的其它轮胎参数信息。常用轮胎参数的示例是内部胎压、轮胎温度、轮胎气温、以及轮胎侧力。在一些情况下，参数可相关于其上安装有该轮胎的车轮的状况，诸如该车轮的角矩、同心度或之类。

忠告信号通常由射频信号发生器生成，该射频信号发生器由连接到该轮胎参数传感器的微处理器控制，该忠告信号根据该系统设计特性生成：即该系统是否使用范围指示值(范围之内/范围之外)、测量值、或其它感兴趣的信息。此射频信号被传送到车载接收器，该装在车辆上的接收器使用忠告信号以在视觉上地或听觉上地或两者警告该驾驶员。替换地或附加地，该接收器可将忠告信号用于一些其它系统用途，诸如激活车辆控制系统，诸如刹车控制、悬挂控制等来存储参数数据以供将来分析，或供任何其它所需用途之用。

为了提供可操作系统，有必要使由该装在车辆上的接收器接收的忠告信号与某参数状态由给定忠告信号指定的轮胎在车辆上的物理位置相互关联。在过去，已为此目的设计了各种技术。常用技术包括标识信号以及在给定忠告信号内的参数状态：该标识信号对生成参数状态的传感器单元是唯一的。此唯一的标识信号最初通过具有必需技术和训练以在初始训练模式中操作该系统的技术员与车辆上的轮胎位置关联。一旦每个传感器单元最初已与其在该车辆上的物理位置相互关联，任何由给定传感器单元生成并由车载接收器接收的忠告信号就可用其参数状态由该忠告信号指定的轮胎的位置唯一地进行标识。

这类位置关联技术的缺点是任何对原始轮胎和传感器单元位置的改变需要该系统被重新关联。例如，如果车辆轮胎在车辆维修的正常过程中被重新定位到不同的位置，则该传感器单元被固定到轮胎或其上安装有轮胎的车轮(通常如此)时该传感器单元的物理位置将改变，并且每个单独的传感器单元必须与相关联轮胎的物理位置重新关联。(a)当备用轮胎换掉车辆上的漏气轮胎时；(b)当一个或多个新轮胎被安装在车轮上并装到车辆上时；以及(c)当新的传感器单元代替完全停止运行的单元安装时，同样如此。如上所述，重新关联需要具有必需技能和训练以在训练模式中操作该系统的人员的努力。虽然一些车主可能能够获得必要的技能和训练，但其他人可能无法获得。当重新配置该车辆轮胎和车轮时，后者将必然会遭遇延迟和开销；前者将遭遇至少在使自己重新熟悉重新编制电子系统所需的步骤带来的延迟。

这类传感器单元关联系统的变体使用安装在轮胎的阀杆内的可手动致动的发射器。该发射器通过将小物体插入阀杆达足够的轴向距离以操作开关来开动，这导致发射器将适当的信号发送到车载接收器，该车载接收器能够使来自该运行发射器的信号与该发射器所附连的轮胎关联。这类系统的示例在通过引用结合于此的于2006年2月14日授权的美国专利No.6,998,975 B2中公开。此系统需要一些预防措施用于确保任何对原始传感器单元/轮胎位置配置的改变将导致传感器单元与新配置的重新关联。

用于使由装在车辆上的接收器接收的忠告信号与其参数状态由给定忠告信号指定的轮胎在车辆上的物理位置关联的另一常用技术结合有连接到装在车辆上的控制器和传感器单元补集的特殊多天线询问系统。每个天线以在任一给定询问间隔只有一个天线与控制器有效地耦合这样的一种方式与该控制器连接。每个天线足够靠近地与传感器单元的不同相关联之一相邻放置，从而由给定天线生成的询问信号实质上只与相关联的传感器单元有效地耦合。每个传感器单元具有对来自相关联天线的询问信号作出响应的电路，以在由传感器测量的值被传输到位于测量值在其中被处理的车载控制器内的接收器期间发起参数信号传输序列接收器。因为每个单独的询问天线的位置被固定，所以它可永久地与车轮位置相关联。因此，当控制器激活给定询问天线时，随后接收到的参数信号自动地与正确的轮胎位置相关联。这类单元的示例在通过引用结合于此的2003年8月7日公开的美国专利申请公开No.US 2003/0145650 A1以及美国专利No.6,838,985 B2中公开。

以上描述的询问天线系统的缺点在于要求独立询问天线靠近轮胎参数传感器单元安装。必要的电缆线路必须在控制器和单独的天线之间排布。这强加仔细排布电缆的需求，以避免随着时间的流逝的机械性擦伤、电干扰、以及热应力。结果，当决定实现这一系统时，安装成本和硬件耐用性是关注的因素。

对没有上述缺点的轮胎参数传感系统提供简单、便宜、可靠、以及准确的传感器单元定位部件的努力直到今天仍未成功。

发明内容

本发明包括一种容易实现、成本低廉、可靠性高、切精准的用于提供传感器单元位置信息的方法和系统。

在第一装置方面，本发明包括与具有至少一个轮胎参数传感器车载轮胎参数监控系统一起使用的传感器单元，该传感器单元包括：用于根据磁传感元件所遇到的磁场生成位置信号的磁传感元件；耦连于所述磁传感元件用于接收和处理所述位置信号和来自相关联的轮胎参数传感器的轮胎参数信号的微控制器；以及由所述微控制器控制的用于将经处理的位置信号和轮胎参数信号传输到接收位置的信号发生器。该传感器单元的磁传感元件优选包括其输出端耦合至该微控制器的输入端的感应线圈。

该传感器单元进一步优选包括其输入端耦合至所述磁传感元件而其输出端耦合至所述微控制器的用于将模拟位置信号转换为数字形式的模数转换器。该传感器单元进一步包括一个或多个其输出端各自耦合至所述微控制器的用于将所监控的轮胎参数的当前值提供给微控制器处理的轮胎参数传感器。

在第二装置方面，本发明包括用于监控安装在车辆上的轮胎的轮胎参数的当前值的轮胎参数监控系统，该系统包括：多个传感器单元，该多个传感器单元的每一个与车辆上的不同轮胎相关联，每个传感器单元包括用于根据磁传感元件所遇到的磁场生成位置信号的磁传感元件、耦合至所述磁传感元件的用于接收和处理位置信号和来自相关联的轮胎参数传感器的轮胎参数信号的微控制器、以及由所述微控制器控制的用于将经处理的位置信号和轮胎参数信号传输到接收位置的信号发生器；以及用于生成多个不同磁场信号的多组磁铁，每组磁铁被置于由此所生成的磁场随着相关联的轮胎旋转而在其处被相应的传感器元件遇到的位置邻近所述多个传感器单元中的不同的一个。每个磁传感元件优选包括感应线圈。每个传感器单元优选包括其输入端耦合至所述磁传感元件而其输出端耦合至所述微控制器的用于将模拟位置信号转换为数字形式的模数转换器。

每一个所述传感器单元进一步优选包括一个或多个其输出端各自耦合至所述微控制器的用于将所监控的轮胎参数的当前值提供给微控制器处理的轮胎参数传感器。

该系统进一步包括用于接收和处理来自传感器单元的位置信号和轮胎参数信号的接收器处理器。

从方法的观点看，本发明包括一种将由与车辆上的多个轮胎中的不同轮胎相关联的传感器单元所生成的轮胎参数信号与其参数由传感器单元监控的轮胎的位置相互关联的方法，该方法包括以下步骤：

(a)邻近所述传感器单元生成多个不同的磁场信号，每个不同的磁场信号与在车辆上的不同轮胎位置相关联；

(b)将每个不同的磁场信号转换为电传感器单元位置信号；

(c)将各个电传感器单元位置信号与来自在由所述电传感器单元传感器信号指定的位置的传感器单元的轮胎参数信号进行组合，以及

(d)将在步骤(c)中组合后的信号传输到接收位置。

生成步骤(a)优选包括使用多组永久磁铁的步骤，每一组被置于邻近不同的轮胎。

转换步骤(b)优选包括使位于给定传感器单元上的磁传感元件移动通过最接近的磁场信号的步骤。

每个电传感器单元位置信号优选地是模拟信号；且转换步骤(b)优选包括将模拟信号转换为数字信号的步骤。

该方法进一步优选地包括在接收位置处理在步骤(d)中被传输的信号的步骤(e)，且处理步骤(e)优选地包括针对给定轮胎参数生成驾驶员忠告信号的步骤。

为了对本发明的本质和优点有更全面的理解，应参考随后的结合附图的详细描述。

附图说明

图1是结合了本发明的传感器单元位置特征的轮胎参数传感系统的示意性俯视图；

图2是示出根据本发明的一个磁铁对安装排列的示意性侧视图；

图3是示出与图2的磁铁安装排列处于有效关系来安装的轮胎和车轮的示意性正视图；

图4是示出根据本发明的另一磁铁对安装排列的示意性立体图；

图5是示出与图4的磁铁安装排列处于有效关系来安装的轮胎和车轮的示意性前视局部截面图；

图6是传感器单元的较佳实施例的示意性框图；

图7是例示四个不同的、独特的磁极取向和相应的相关联电波形的综合图；

图8是例示使用三个磁铁的多个独特的磁极取向和相应的八个相关联电波形的综合图。

具体实施方式

现在转向附图，图1是结合了本发明的传感器单元位置特征的轮胎参数传感系统的示意性俯视图。图中的车辆具有四个轮胎和车轮，从此图可见，每个轮胎具有相关联的轮胎参数传感器单元SU。因而，左前轮胎11配有SU 12；右前轮胎13配有SU 14；左后轮胎15配有SU 16；且右后轮胎17配有SU 18。如以下结合图6所进行的更全面的描述，SU 12、14、16、以及18各自与一个或多个轮胎参数传感器连接用于监控诸如轮胎内气压、轮胎温度、轮胎内气温、以及轮胎侧向力等各个轮胎参数的状态。这种传感器在本领域是众所周知的，所以将不会进一步被描述以避免冗长。各个SU 12、14、16、以及18的物理位置一种设计选择问题，可包括相关轮胎的外侧壁、轮胎的内侧壁，在轮胎胎体内处在适当位置处(诸如如图3中所示在轮胎的内侧壁之内或如图5中所示在轮胎的胎面层之内)，或是在轮毂上。为了将要描述的目的，每个SU 12、14、16、以及18进一步结合有磁场传感元件。每个SU 12、14、16、以及18还结合有用于处理传感器信号和磁场信号的微控制器以及用于将轮胎参数忠告信号和磁场信号传输到中央接收器/处理器25的射频发射器单元。中央接收器/处理器25使用磁场信号将轮胎参数忠告信号与正确的轮胎相关联，并且将该轮胎参数忠告信号转换为用于常规设计的显示/警报单元26的驱动信号，在这种常规设计的显示/警报单元26中，可向用户显示参数状态，并且生成听得见的警报信号，警告驾驶员危险的轮胎状态。

图2和图3示出根据本发明的与SU 12、14、16以及18结合使用以提供传感器单元位置信号一个磁铁对安装排列。图2是示出磁铁对安装排列的示意性侧视图，而图3是示出与图2的磁铁安装排列处于有效关系来安装的轮胎和车轮的示意性前视图。参考图2，一对永久磁铁31、32在接近车轮安装毂35的位置被固定到悬挂部件34。因而，当车轮和轮胎旋转时，磁铁31、32关于该车轮和轮胎是固定的。磁铁31、32的精确位置因变于车轮和轮胎的几何形状以及传感器单元的位置。从示出从后向前观察的左前轮胎11的图3可见，针对安装在轮胎11的侧壁内的传感器单元12，磁铁31、32被安装在悬挂单元34上一个组合磁场在其处将遇到结合在传感器单元12中的磁场传感元件的位置。因而，每当轮胎11旋转时，轮胎每旋转一周传感器单元12将遇到来自磁铁31、32的组合磁场一次。

图4和图5示出根据本发明的与SU 12、14、16以及18结合使用以提供传感器单元位置信号的另一种磁铁对安装排列。此排列被用在那些其中传感器单元被安装在轮胎的胎面层内的安装中。图4是示出此磁铁对安装排列的示意性立体图，而图5是示出与图4的磁铁安装排列处于有效关系来安装的轮胎和车轮的示意性正视局部截面图。参考图4，一对永久磁铁31、32被固定到机械部件37(诸如档泥板)的靠近轮胎胎面壁38的上表面的位置。因而，当车轮和轮胎旋转时，磁铁31、32关于该车轮和轮胎固定。磁铁31、32的精确位置因变于车轮和轮胎的几何形状以及传感器单元的位置。从示出从后向前观察的左前轮胎11的图5可见，针对安装在轮胎11的胎面层38内的传感器单元12，磁铁31、32被安装在机械部件37上一个在其处组合的磁场将遇到结合在传感器单元12中的磁场传感元件的位置。因而，每当轮胎11旋转时，轮胎每旋转一周，传感器单元12将遇到来自磁铁31、32的组合磁场一次。

图6是传感器单元SU的较佳实施例的示意性框图。从此图可见，图示为多匝线圈的磁场传感元件41与两个不同的电路通路欧姆连接。上通路包括具有一对与磁场传感元件41的输出端连接的输入端子的模数转换器42。该模数转换器42的输出端与微计算机单元43的输入端连接。下通路包括具有一对与磁场传感元件41的输出端连接的输入端子的整流电路45。该整流电路45的输出端与直流功率调整电路46连接。元件45、46的功能是从在线圈41中因相关联的轮胎每旋转一周而通过由磁铁31、32所产生的磁场一次而产生的电流形成直流功率。此过程更完整的描述参见前述申请。

一个或多个轮胎参数传感器47向微计算机单元43提供代表该传感器测量值的轮胎参数电信号。微计算机单元43将这些信号与磁场传感元件41的数字形式进行组合并将它们提供给射频发生器48。射频发生器48将所接收的信号进行转换并将经转换的信号传输给中央接收器处理器25，在该中央接收器处理器25中所接收信号被处理并用于驱动显示器/警报单元26。因为所接收的信号包含磁场标识信号，所以相伴随的轮胎参数测量信号与磁场标识信号关联起来。微计算机单元43和射频发生器48优选合并在市售Freescale类型MC68HC908RF2单元或相似单元中，这种Freescale类型MC68HC908RF2单元或相似单元具有用于生成包含轮胎参数测量结果和磁场传感元件信号的射频信息信号的发射器部、以及用于监督和控制该发射器部的操作并用于感测模数转换器42信号和传感器输出信号并将这些采样信号转换为要提供给该发射器部的测量数据的微计算机。

图7是示出唯一地标识给定传感器单元12、14、16、18的位置的四个不同的、独特的磁极取向和相应的相关联电波形的综合图。从此图可见，磁铁31、32可以以四个不同且独特的磁极取向排列：NS、SN、SS以及NN。在此图中，图例N表示由磁铁生成的磁场的北极面对观察者而南极位于该磁铁隐藏的相反表面；而图例S表示由该磁铁生成的磁场的南极面对该观察者而北极位于该磁铁隐藏的相反表面。当磁场传感元件41通过由磁铁31、32的给定组合产生的复合磁场时，所得的感生模拟电信号具有如针对四个不同磁方向所例示的唯一的形状。每个唯一的形状永久地指派给车辆上的一个轮胎位置。在图7所示的示例中，最上面的信号形状被指派给前右轮胎位置；下一个信号形状被指派给左前轮胎位置；再下一个信号形状被指派给右后轮胎位置；最下面的信号形状被指派给左后轮胎位置。如本领域技术人员将理解的那样，信号形状的指派是任意的：必要的是信号形状指派是唯一的、不变的并且被编程到中央接收器/处理器25中。这样，由中央接收器/处理器25接收的任何轮胎参数测量信号可通过伴随的磁场传感元件信号与传输位置相互关联。

当在车辆工厂根据本发明安装系统时，通常的质量控制程序可容易地保证磁铁31、32的取向符合针对轮胎位置的信号形状指派，其被编入中央接收器/处理器25。类似地，当根据本发明的系统的安装是作为售后项目时，只需注意磁铁31、32的取向要符合针对轮胎位置的信号形状指派即可。一旦安装，轮胎的重新定位不影响该系统的精确性和可靠性，因为传感器单元的位置与传输传感器单元的位置的标识不相关。因而，备用轮胎可交换车辆上的轮胎而不影响该系统的运行。

虽然已参考具有四个运转轮胎的车辆对较佳实施例进行了描述，但本发明不限于此。对于具有超过四个运转轮胎的车辆，可在每个位置添加额外的磁铁并且信号形状指派可效应地被改变以适应具有三个或更多个组分的模拟信号。图8示出可唯一地标识最多8个单独的轮胎的三磁铁排列。一般而言，对于N个磁铁，可被唯一地标识的单独轮胎的数量为2的N次幂。

更进一步地，虽然以上已经把传感器单元描述成包括由整流电路45和直流功率调整单元46组成的感应直流功率生成部分，但如果需要，这个部分可被省略，且诸如电池等一些其他的直流电源可被包括在内。在这种配置中，位置信号和传感器信号以与以上描述的传感器单元中的相同的方法进行处理。

显然，本发明提供了一种结合传感器单元位置特征的轮胎参数传感系统，该轮胎参数传感系统是简单且便宜地实现的、高可靠的、以及精确的。根据本发明的系统安装可作为制造操作的组成部分在车辆工厂中容易地做到，或者通过售后安装人员用最新的轮胎参数监控技术来重新安装现有车辆。一旦安装后，轮胎仍可调换到其他任意的位置而不影响位置信息的精确性和可靠性。

虽然已经参考特定的较佳实施例对本发明进行了描述，但当需要时，可采用各种修改、替换实施例、以及等效物。例如，当需要时，可采用诸如霍尔效应传感器或MR传感器的其它磁传感元件代替简单的多圈线圈元件。因此，以上说明不应被解释成限制由所附权利书要求限定的本发明。

Claims (17)

1.一种与具有至少一个轮胎参数传感器的车载轮胎参数监控系统一起使用的传感器单元，所述传感器单元包括：

用于从被其遇到的磁场生成位置信号的磁传感元件；

耦合至所述磁传感元件的用于接收和处理所述位置信号和来自相关联的轮胎参数传感器的轮胎参数信号的微控制器；以及

由所述微控制器控制的用于将所述经处理的位置信号和所述轮胎参数信号传输到接收位置的信号发生器。

2.如权利要求1所述的传感器单元，其特征在于，所述磁传感元件包括感应线圈。

3.如权利要求1所述的传感器单元，进一步包括其输入端耦合至所述磁传感元件而其输出端耦合至所述微控制器的模数转换器。

4.如权利要求1所述的传感器单元，进一步包括其输出端耦合至所述微控制器的轮胎参数传感器。

5.如权利要求1所述的传感器单元，进一步包括用于将多个轮胎参数信号提供给所述微控制器的多个轮胎参数传感器，所述多个轮胎参数传感器的每一个有一耦合至所述微控制器的输出端。

6.一种用于监控安装在车辆上的轮胎的轮胎参数的当前值的轮胎参数监控系统，所述系统包括：

多个传感器中元，所述多个传感器单元的每一个与车辆上的不同轮胎相关联，每个传感器单元包括：用于从被磁传感元件遇到的磁场中生成位置信号的磁传感元件；耦合至所述磁传感元件的用于接收和处理所述位置信号和来自相关联的轮胎参数传感器的轮胎参数信号的微控制器；以及由所述微控制器控制的用于将所述经处理的位置信号和所述轮胎参数信号传输到接收位置的信号发生器；以及

用于生成多个不同磁场信号的多组磁铁，每组磁铁在一个于其处由此所生成的磁场因相关联的轮胎旋转而被相应的传感器元件遇到的位置上邻近所述多个传感器单元中不同的一个。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述每个磁传感元件包括感应线圈。

8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述每个传感器单元进一步包括其输入端耦合至所述磁传感元件而其输出端耦合至所述微控制器的模数转换器。

9.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述每个传感器单元进一步包括其输出端耦合至所述微控制器的轮胎参数传感器。

10.如权利要求6所述的系统，其特征在于，至少一个所述传感器单元进一步包括多个轮胎参数传感器，所述多个轮胎参数传感器中的每一个有一耦合至所述微控制器的输出端。

11.如权利要求6所述的系统，进一步包括用于接受和处理位置信号和来自所述传感器单元的轮胎参数信号的接收器处理器。

12.一种使由与车辆上的多个轮胎中的不同轮胎相关联的传感器单元生成的轮胎参数信号与其参数由所述传感器单元监控的轮胎的位置相互关联的方法，所述方法包括以下步骤：

i.邻近所述传感器单元生成多个不同的磁场信号，每个不同的磁场信号与在车辆上的不同轮胎位置相关联；

ii.将每个不同的磁场信号转换为电传感器单元位置信号；

iii.将各个电传感器单元位置信号与来自在由所述电传感器单元传感器信号指定的位置的所述传感器单元的轮胎参数信号进行组合，以及

iv.将所述在步骤(c)中组合的信号传输到接收位置。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述生成步骤(a)包括使用多组永久磁铁的步骤，每一组邻近一个不同的轮胎。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述转换步骤(b)包括将位于给定传感器单元上的磁传感元件移动通过最接近的磁场信号的步骤。

15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述每个电传感器单元位置信号是模拟信号；且所述转换步骤(b)包括将模拟信号转换为数字信号的步骤。

16.如权利要求12所述的方法，进一步包括在接收位置处理在步骤(d)中被传输的信号的步骤(e)。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述处理步骤(e)包括针对给定轮胎参数生成驾驶员忠告信号的步骤。

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