專利名稱：輪胎傳感器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及車輛輪胎傳感器的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電子裝置在充氣輪胎內(nèi)的包括正越來(lái)越重要，以便提高車輛的安全性。輪胎電子器件可以包括適于用來(lái)得到關(guān)于輪胎的工況、以及其各種物理參數(shù)，像例如溫度、壓力、輪胎轉(zhuǎn)數(shù)、車輛速度等等，的信息的傳感器和其它元件。這樣的信息在輪胎監(jiān)視和/或警報(bào)系統(tǒng)中可以成為有用的。此外，車輛的主動(dòng)控制/安全系統(tǒng)可以基于從傳感器裝置發(fā)送的信息，這些傳感器裝置包括在輪胎內(nèi)。主動(dòng)安全系統(tǒng)使用關(guān)于車輛的外部環(huán)境的信息，以在碰撞前時(shí)間段中或在碰撞事件期間改變車輛的工況，最終目標(biāo)是完全避免碰撞。最初，主動(dòng)安全系統(tǒng)主要集中在改進(jìn)車輛縱向運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)特性上，具體地說(shuō)，集中在更有效制動(dòng)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)和牽引力控制(TC)系統(tǒng)上。TC系統(tǒng)防止車輪打滑，同時(shí)通過(guò)使在車輛的輪胎與道路之間的牽引和橫向力最大，改進(jìn)車輛穩(wěn)定性和可操縱性。這些系統(tǒng)隨后有更強(qiáng)大的車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，例如電子穩(wěn)定性程序(ESP)、車輛穩(wěn)定性控制(VSC)、及動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性控制(DSC)。這些后來(lái)系統(tǒng)使用制動(dòng)器和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩通過(guò)控制偏航運(yùn)動(dòng)，使車輛在極端處置情形下穩(wěn)定。主動(dòng)懸掛系統(tǒng)也是在車輛主動(dòng)安全系統(tǒng)中的重要部分。它們?cè)趥鹘y(tǒng)上已經(jīng)通過(guò)權(quán)衡如下三個(gè)沖突標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)抓地性、承載能力、及乘客舒適性。懸掛系統(tǒng)必須支撐車輛，在處置操縱期間提供定向控制，及提供乘客/有效負(fù)載與道路干擾的有效隔離。以上描述的主動(dòng)安全控制系統(tǒng)基于車輛動(dòng)態(tài)變量的估計(jì)，如力、負(fù)載轉(zhuǎn)移、輪胎道路摩擦力的估計(jì)。參數(shù)估計(jì)越精確和“實(shí)時(shí)”，控制系統(tǒng)的整體性能越好。當(dāng)前，使用車載傳感器間接地估計(jì)這些變量中的大多數(shù)，并且不是非常精確。使用由裝配在車輛輪胎上的傳感器進(jìn)行的測(cè)量會(huì)提供與車輛動(dòng)態(tài)特性相關(guān)的參數(shù)的精確得多的估計(jì)。然而，基于在車輛輪胎上裝配的傳感器建立系統(tǒng)，由于幾個(gè)原因是挑戰(zhàn)性任務(wù)。輪胎內(nèi)部是經(jīng)歷高加速度的惡劣環(huán)境(在200Km/hr的速度下，在輪胎內(nèi)襯里內(nèi)部經(jīng)歷等于約3g的加速度)，并且在不將輪胎從車輪取下的情況下不能到達(dá)。這種情形造成非常困難的問(wèn)題高離心加速度意味著，傳感器是輕重量的，例如不會(huì)使輪胎不平衡，是穩(wěn)健和很小的。輪胎相對(duì)于車體連續(xù)運(yùn)動(dòng)的事實(shí)迫使，對(duì)于來(lái)自/到傳感器的通信挑選無(wú)線通信鏈路。然而，傳感器裝置和接收器所位于的通信環(huán)境非常惡劣在傳感器裝置附近，輪輞和車體的車輪拱板形成兩個(gè)巨大信號(hào)反射器。這些零件都典型地是金屬的，并且按這樣一種方式彎曲，從而它們往往將入射波反射回約束波的區(qū)域中。此外，這兩個(gè)車輛零件的曲率半徑，具有對(duì)于無(wú)線傳輸使用的波長(zhǎng)的量級(jí)，使反射更加復(fù)雜。而且，傳感器裝置在輪胎內(nèi)部，并且必須按某種方式穿過(guò)輪胎傳輸不能實(shí)現(xiàn)真實(shí)視線通信通道，因?yàn)榘ń饘倬W(wǎng)和橡膠的輪胎使信號(hào)急劇衰減。
另一個(gè)問(wèn)題與傳感器的電源相聯(lián)系；更換傳感器的電池是不實(shí)際的，因?yàn)殡y以到達(dá)輪胎內(nèi)部。因此，至關(guān)重要的是，傳感器裝置功率消耗盡可能低。如在2009年12月29日提交的和授予本申請(qǐng)人的美國(guó)專利申請(qǐng)No. 12/654，705中公開的那樣(該申請(qǐng)通過(guò)參考包括在這里)，以上問(wèn)題的一些可通過(guò)采納在傳感器節(jié)點(diǎn)與傳感器協(xié)調(diào)(coordinator)裝置之間的通信而解決，這些傳感器節(jié)點(diǎn)裝配在車輛的輪胎上，該傳感器協(xié)調(diào)裝置裝配在車體中，該通信對(duì)于上行鏈路(從傳感器節(jié)點(diǎn)到協(xié)調(diào)器)采用超寬帶(UWB)傳輸，并且對(duì)于下行鏈路(從協(xié)調(diào)器到傳感器節(jié)點(diǎn))采用窄帶傳輸，如所謂的工業(yè)科學(xué)和醫(yī)學(xué)(ISM)無(wú)線電頻帶之一。這樣的通信方案的采納是有利的，因?yàn)樗试S采用用于上行鏈路的UWB傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，并同時(shí)采用用于下行鏈路的ISM傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)。明確地說(shuō)，UffB是適用于低成本、低功率、短距離及高通過(guò)量無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)，該技術(shù)相對(duì)于由多路徑干擾造成的符號(hào)間干擾是穩(wěn)健的，并且沒有視線通信。此外，ISM傳輸允許強(qiáng)烈地降低對(duì)于下行鏈路在接收器側(cè)(傳感器節(jié)點(diǎn))處的功率消耗，同時(shí)保證足夠的通過(guò)量(這在下行鏈路情況下比較低)。因而，通過(guò)采用在這樣的專利申請(qǐng)中提出的解決方案，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)以及傳感器協(xié)調(diào)裝置，需要裝有適當(dāng)天線系統(tǒng)，這些天線系統(tǒng)能夠在UWB帶中和在ISM帶中發(fā)射和接收。要在傳感器節(jié)點(diǎn)上安裝的天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，由于以前提到的全部問(wèn)題，是非常復(fù)雜的任務(wù)，該傳感器節(jié)點(diǎn)注定要裝配到車輛輪胎中。的確，這樣的天線系統(tǒng)也必須在非常惡劣的環(huán)境中操作，這樣的天線系統(tǒng)經(jīng)受高加速度并且布置在金屬體的附近，這些金屬體起信號(hào)反射器的作用。此外，由于傳感器節(jié)點(diǎn)必須是輕重量和很小的，所以待安裝在其上的天線就其大小而論必須滿足非常嚴(yán)格的約束條件。這種大小約束條件迫使采用小型化天線，這些小型化天線的尺寸顯著地比在發(fā)射中和在接收中使用的波長(zhǎng)小；然而，這樣類型的天線從帶寬觀點(diǎn)看，典型地具有非常差的性能。另一個(gè)問(wèn)題與在傳感器節(jié)點(diǎn)本身中金屬元件的存在有關(guān)，金屬元件的這種存在強(qiáng)烈地降低天線的性能。的確，由于每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)包括發(fā)射和接收電路、傳感器電路及至少一個(gè)電源，所以在這樣的電子電路中包括的全部金屬元件都與天線近場(chǎng)相干擾，改變阻抗匹配和輻射圖案。更進(jìn)一步的問(wèn)題與在傳感器節(jié)點(diǎn)上的最好位置的挑選有關(guān)，在該處要安裝天線；的確，為了改進(jìn)它們的機(jī)械穩(wěn)健性，傳感器節(jié)點(diǎn)的一定部分，如頂部和底部端部，優(yōu)選地留成空的。在技術(shù)中已經(jīng)面臨將無(wú)線電信號(hào)發(fā)射到裝配在車輛輪胎上的裝置/由其接收無(wú)線電信號(hào)的問(wèn)題。例如，目前可得到輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)(TPMS)的大多數(shù)使用射頻識(shí)別(RFID)裝置，這些射頻識(shí)別裝置適于通過(guò)射頻(RF)信號(hào)通信；然而，這樣的RF信號(hào)在比較低頻率(例如，幾百M(fèi)Hz)下振蕩，這些頻率具有比較窄的頻帶，并因而，它們不符合UWB/ISM型的傳輸。例如，在Brzeska、Pontes、Chakam 及 Wiesbeck 的 “RF-DesignCharacterizationand Modelling of Tyre Pressure Sensors，，, The 2ndEuropean Conference on Antennasand Propagations, 2007, EuCAP2007中，公開了一種用于TPMS用途的天線，該天線包括在430MHz下操作的負(fù)載單極。美國(guó)專利No. 6，781，561公開了一種用于輪胎壓力探測(cè)器的天線，該輪胎壓力探測(cè)器構(gòu)造成線圈。
在Genoves1、Monorchio及 Saponara 的“Double loop antenna forwireless tyrepressure monitoring”，Electronics Letters, Vol. 44, Issue24, Nov. 202008 中,天線是印刷雙環(huán)型的。美國(guó)專利No. 7，250，914公開了一種用于輪胎的復(fù)合天線，該天線構(gòu)造成巨大環(huán)路，并且布置在輪胎本身的邊緣附近。適于在輪胎中裝配的裝置中采用的其它已知天線設(shè)計(jì)成，在甚至更低的頻率(幾百 KHz 或幾 MHz)下操作，如在 “Design anddevelopment of a miniaturizedembedded UHF RFID Tag forAutomotive Tire Applications”，Ant. Tech. Small Ant.s and NovelMetam. , 2006International Workshop March 2006 中、在歐洲專利申請(qǐng)No. EP1713021中、及在PCT專利申請(qǐng)W0/1999/029522中公開的天線。最近已經(jīng)研究了適于正確地在較高頻率下操作、同時(shí)具有很小尺寸的天線。然而，這樣的天線已經(jīng)主要設(shè)計(jì)成，在移動(dòng)通信手機(jī)或類似用途中采用，如它在例如Morishita、Kim、Koyanagi及Fujimoto 的“A folded loop antenna system for handsets”, 2001IEEEAntennasPropag. Symp. , vol. 3 中、 在 Evans 和 Ammann 的 “Planar trapezoidalandpentagonal monopoles with impedance bandwidths in excess oflO:1，，，Proc.1EEEInt. Symp. Antennas Propogation, 1999、及在 Chen 的 “Broadband roll monopole，，，IEEETrans. Antenna Propag. vol. 51, no. 11 中公開的那樣。

發(fā)明內(nèi)容
本申請(qǐng)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，盡管這些后來(lái)類型的天線具有可以遵守希望UWB/ISM傳輸能力的中心操作頻率，并且同時(shí)具有足夠小以安裝在傳感器節(jié)點(diǎn)上的尺寸，該傳感器節(jié)點(diǎn)適于裝配在輪胎中，但這些天線的特性就帶寬和相對(duì)于環(huán)境和周圍金屬元件的不敏感性而論不令人滿意。一般地講，本申請(qǐng)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，目前已知的天線都不能同時(shí)滿足全部如下要求-就中心頻率和帶寬兩者而論符合USB和ISM傳輸；-具有對(duì)于安裝在傳感器節(jié)點(diǎn)上足夠小的尺寸，該傳感器節(jié)點(diǎn)要裝配在車輛輪胎中；-在車輛輪胎的惡劣環(huán)境條件下能夠正確地操作；-具有足夠高的阻抗，以不受封閉和/或周圍金屬元件的存在的不利影響，及-具有與準(zhǔn)全向天線等效的輻射圖案。本申請(qǐng)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)提供保形天線可滿足上述要求，該保形天線成形為粘附到包裝體的表面上，該包裝體包圍傳感器節(jié)點(diǎn)本身。繞包裝體表面的成形允許達(dá)到高阻抗，并因而較好地隔絕從金屬元件產(chǎn)生的干擾，這些金屬元件包括在傳感器裝置中。況且，可實(shí)現(xiàn)具有顯著尺寸的天線，符合在穩(wěn)健輪胎車輛無(wú)線通信系統(tǒng)中涉及的頻率，甚至使傳感器裝置包裝體具有很小尺寸。此外，繞包裝體表面成形允許達(dá)到天線的高機(jī)械強(qiáng)度，因?yàn)楹笳叽篌w與包裝體本身形成單一本體。具體地說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供有一種適于與車輛車輪相關(guān)聯(lián)的傳感器裝置。傳感器裝置包括包裝體，該包裝體包圍至少一個(gè)傳感器和電子數(shù)據(jù)處理設(shè)備。傳感器裝置還包括至少一根天線，該至少一根天線布置在包裝體上，用于在由電子設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)射和要提供給電子設(shè)備的數(shù)據(jù)的無(wú)線接收中的至少一個(gè)。所述至少一根天線成形為粘附到包裝體的表面。所述天線包括發(fā)射天線，配置成按UWB信號(hào)的形式發(fā)射所述數(shù)據(jù)；和接收天線，配置成按窄帶信號(hào)的形式接收數(shù)據(jù)。優(yōu)選地,包裝體具有大體多面體形狀。發(fā)射天線和接收天線可以基本上布置在包裝體的相對(duì)面上。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，發(fā)射天線是折疊偶極天線。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，接收天線是帶狀單極天線。發(fā)射天線包括沿包裝體的正面縱向延伸的上部輻射元件和下部輻射元件。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，上部輻射元件和下部輻射元件都繞包裝體的邊緣折疊，從而沿包裝體的側(cè)面部分地延伸。發(fā)射天線包括第一和第二饋電終端，該第一和第二饋電終端優(yōu)選地位于包裝體的頂面上。優(yōu)選地，包裝體的頂面是敞開面。所述饋電終端連接到電子設(shè)備。上部輻射元件具體地包括第一上部元件，連接到第一饋電終端；和第二上部元件，連接到第二饋電終端。上部輻射元件和下部輻射元件借助于對(duì)應(yīng)鏈接元件彼此連接。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述接收天線是帶狀天線，該帶狀天線包括第一段，位于包裝體的側(cè)面上；和第二段，位于包裝體的背面上。優(yōu)選地，接收天線的第二段具有矩形形狀，該矩形形狀在包裝體的背面上縱向延伸。接收天線包括第三和第四饋電終端，該第三和第四饋電終端位于包裝體的頂面上，并且耦接到電子設(shè)備。接收天線的第一段可以優(yōu)選地連接到所述第三和第四饋電終端。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，發(fā)射天線配置成發(fā)射UWB信號(hào)，這些UWB信號(hào)繞在4. 2與4. 8GHz之間包括的中心頻率，具有500MHz或更小的帶寬。根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施例，接收天線配置成發(fā)射窄帶信號(hào)，這些窄帶信號(hào)繞在2. 4與2. 5GHz之間包括的中心頻率，具有IOOMHz或更小的帶寬。優(yōu)選地，屏蔽板位于包裝體內(nèi)部，用來(lái)將發(fā)射和接收天線與位于包裝體內(nèi)的金屬零件隔絕。屏蔽板可以包括磁性加載的介電材料。發(fā)射天線優(yōu)選地按平衡方式由電子設(shè)備通過(guò)第一和第二饋電終端饋電。 接收天線優(yōu)選地按不平衡方式由電子設(shè)備通過(guò)第三和第四饋電終端饋電。本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及一種車輛車輪，這種車輛車輪包括根據(jù)上文的傳感器裝置。本發(fā)明的更進(jìn)一步方面涉及一種車輛輪胎，這種車輛輪胎包括放置在其內(nèi)表面上根據(jù)上文的傳感器裝置。


通過(guò)本發(fā)明的某些示范和非限制性實(shí)施例的如下描述，將使本發(fā)明的這些和其它特征和優(yōu)點(diǎn)是顯然的，這些實(shí)施例要聯(lián)系附圖閱讀，在附圖中圖1示意地表示輪胎傳感器系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)；圖2示意表示輪胎的赤道截面，該輪胎具有布置在襯里內(nèi)部表面上的三個(gè)傳感器裝置；圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的輪胎傳感器裝置的體系結(jié)構(gòu)的功能方塊圖；圖4是輪胎傳感器裝置的獲取子系統(tǒng)的功能方塊圖；圖5描繪在IR UffB發(fā)射方案中可用的矩形正弦脈沖的和三角形正弦脈沖的比較時(shí)域和頻域圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的傳感器節(jié)點(diǎn)的立體圖，該傳感器節(jié)點(diǎn)裝有發(fā)射天線和接收天線；圖7、8及9是在圖6中表明的傳感器節(jié)點(diǎn)的側(cè)視圖；圖10是圖6-9的傳感器節(jié)點(diǎn)的進(jìn)一步立體圖；圖11表明在圖6-10中表明的發(fā)射天線的和接收天線的散射參數(shù)的數(shù)值；圖12是三維圖，表明在圖6-10中表明的發(fā)射天線當(dāng)在4. 5GHz的頻率下發(fā)射時(shí)的方向性；圖13是三維圖，表明在圖6-10中表明的接收天線當(dāng)在2. 44GHz的頻率下接收時(shí)的方向性；圖14A和14B不出在圖6_10中表明的發(fā)射天線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)分布,該電磁場(chǎng)分布在靠近車輪的平面上測(cè)量，該車輪容納傳感器節(jié)點(diǎn)；圖15A和15B示出在圖6_10中表明的接收天線的電磁場(chǎng)分布，該電磁場(chǎng)分布在靠近車輪的平面上測(cè)量，該車輪容納傳感器節(jié)點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式對(duì)附圖進(jìn)行參考，在圖1中，示意地表示輪胎傳感器系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)100，該輪胎傳感器系統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)可裝有根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的天線系統(tǒng)。例如，在圖1中表明的輪胎傳感器系統(tǒng)可以是在已經(jīng)引用的美國(guó)專利申請(qǐng)No. 12/654，705中公開的系統(tǒng)。圖1示意地表示用附圖標(biāo)記102標(biāo)識(shí)的普通車輛，該普通車輛裝有車輪104，每個(gè)車輪104具有在相應(yīng)輪輞108上安裝的輪胎107。系統(tǒng)的主要元件在個(gè)人局域網(wǎng)(PAN)中按層級(jí)方式組織，該個(gè)人局域網(wǎng)定義為相關(guān)聯(lián)和合作裝置的集合。在最低層級(jí)水平處，輪胎傳感器裝置形成傳感器節(jié)點(diǎn)109，這些傳感器節(jié)點(diǎn)109位于車輪104內(nèi)，例如在輪胎107內(nèi)部，這些傳感器節(jié)點(diǎn)109負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)獲取、處理及到車輛內(nèi)設(shè)備的發(fā)射。傳感器裝置可以是加速度儀、和/或應(yīng)變儀、和/或壓力傳感器、和/或溫度傳感器。 典型地，車輛輪胎包括內(nèi)部空心環(huán)形結(jié)構(gòu)，該內(nèi)部空心環(huán)形結(jié)構(gòu)由多個(gè)元件形成，主要由胎體形成，該胎體在兩個(gè)胎圈中終止，兩個(gè)胎圈每個(gè)沿胎體的內(nèi)圓周邊緣形成，用來(lái)將輪胎固定到對(duì)應(yīng)支撐輪輞上。至少一對(duì)環(huán)形加強(qiáng)芯，叫做胎圈芯，插入在所述胎圈中。胎體是支撐結(jié)構(gòu)，該支撐結(jié)構(gòu)由至少一個(gè)加強(qiáng)簾布層形成，該至少一個(gè)加強(qiáng)簾布層包括紡織或金屬簾線，這些紡織或金屬簾線根據(jù)環(huán)形輪廓從一個(gè)胎圈到另一個(gè)胎圈軸向延伸，這些紡織或金屬簾線的端部與對(duì)應(yīng)胎圈芯相關(guān)聯(lián)。在徑向輪胎中，上述簾線基本上位于包含輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的平面中。在對(duì)于胎體的徑向外部位置中，放置環(huán)形結(jié)構(gòu)，該環(huán)形結(jié)構(gòu)稱作帶狀結(jié)構(gòu)，典型地包括涂橡膠織物的一個(gè)或多個(gè)帶條，這些織物包括金屬簾線，這些帶條彼此上下纏繞。也添加由彈性材料制成的胎面，該胎面繞帶狀結(jié)構(gòu)纏繞，并且通常模壓有用于輪胎與道路滾動(dòng)接觸的凹凸圖案。兩個(gè)側(cè)壁也放置在胎體上，在軸向相對(duì)位置中，這兩個(gè)側(cè)壁由彈性材料制成，每個(gè)在徑向方向上從對(duì)應(yīng)胎圈的外邊緣向外延伸。在無(wú)內(nèi)胎輪胎中，胎體的內(nèi)表面通常覆蓋有至少一個(gè)襯里層，即覆蓋有一個(gè)或多個(gè)氣密彈性材料層。輪胎還可以根據(jù)輪胎的具體設(shè)計(jì)，包括其它已知元件，如邊緣、帶條及填充物。傳感器節(jié)點(diǎn)109優(yōu)選地放置在輪胎107的內(nèi)部表面上，例如在其內(nèi)襯里表面上。作為替代，傳感器節(jié)點(diǎn)109可以放置在輪胎107的不同部分上，或者甚至在輪輞108的表面上，該表面與輪胎107相接觸?！獋€(gè)或多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)可以放置在每個(gè)輪胎內(nèi)部，以提高進(jìn)行的測(cè)量的精度和可靠性。例如，三個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)109a、109b、109c可以相對(duì)于彼此按120°的角布置，如在圖2中描繪的那樣。這種配置允許改進(jìn)輪胎/道路相互作用參數(shù)的空間變化的認(rèn)識(shí)。典型地，傳感器節(jié)點(diǎn)109a、109b、109c大體布置在輪胎的赤道平面上。作為替代或組合地，在圖中未表示的實(shí)施例中，多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)可大體布置在輪胎的同一子午(或徑向)平面上，使至少一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)布置在輪胎的赤道平面之外。這種配置允許改進(jìn)沿輪胎輪跡(footprint)的(即，在輪胎與道路之間的接觸區(qū)域的)整個(gè)寬度的輪胎/道路相互作用的認(rèn)識(shí)、以及進(jìn)行由大體在同一子午平面上布置的不同傳感器進(jìn)行的測(cè)量之間的比較，以便導(dǎo)出在由車輛進(jìn)行的具體操縱期間的信息(例如，在彎曲期間的負(fù)載轉(zhuǎn)移、漂移角等等)。再參照?qǐng)D1，在PAN層級(jí)的較高水平處，一個(gè)或多個(gè)PAN協(xié)調(diào)器110安裝在車體中。PAN協(xié)調(diào)器110由車輛主電源供電；每個(gè)PAN協(xié)調(diào)器110與相應(yīng)車輛輪胎107相關(guān)聯(lián)，并且優(yōu)選地安裝在其附近，且管理與在相關(guān)聯(lián)輪胎中的傳感器節(jié)點(diǎn)109的通信，從這些傳感器節(jié)點(diǎn)109接收數(shù)據(jù)，并且掌控傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸?shù)耐?。具有與每個(gè)輪胎相關(guān)聯(lián)的一個(gè)PAN協(xié)調(diào)器110，而不是單個(gè)、共用PAN協(xié)調(diào)器用于全部輪胎，允許為了在這些裝置之間的更穩(wěn)健的通信，通過(guò)限制由每個(gè)協(xié)調(diào)器控制的傳感器的數(shù)量和使在傳感器節(jié)點(diǎn)109與PAN協(xié)調(diào)器110之間的距離最小，增大總通過(guò)量。PAN協(xié)調(diào)器110可經(jīng)有線網(wǎng)絡(luò)彼此連接，該有線網(wǎng)絡(luò)可能利用車輛系統(tǒng)總線，如CAN (控域網(wǎng))和 FlexRay。在PAN層級(jí)的最高水平處是系統(tǒng)控制主機(jī)115，一種負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)全部PAN協(xié)調(diào)器110、將它們與車輛主控制對(duì)接及提供到車輛系統(tǒng)總線的橋接的裝置。系統(tǒng)控制主機(jī)115負(fù)責(zé)經(jīng)車輛系統(tǒng)總線，將命令從車輛主控制系統(tǒng)傳送到傳感器節(jié)點(diǎn)，并且將由PAN協(xié)調(diào)器110獲得的信息傳送到車輛主控制系統(tǒng)。系統(tǒng)控制主機(jī)115可以實(shí)施成PAN協(xié)調(diào)器110之一，具有相對(duì)于其它PAN協(xié)調(diào)器的增強(qiáng)功能。PAN層級(jí)具有群集樹形結(jié)構(gòu)。群集樹形結(jié)構(gòu)是適當(dāng)?shù)?，因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)109不必彼此通信，而是僅與相應(yīng)PAN協(xié)調(diào)器110通信。為了遵守在上文中提到的幾個(gè)不同的和有時(shí)沖突的要求，輪胎傳感器系統(tǒng)保證，對(duì)于在上行鏈路(即，從傳感器節(jié)點(diǎn)109到PAN協(xié)調(diào)器110)和下行鏈路(即，從PAN協(xié)調(diào)器110到傳感器節(jié)點(diǎn)109)中在普通傳感器節(jié)點(diǎn)109與相應(yīng)PAN協(xié)調(diào)器110之間的通信，采用不同的無(wú)線電技術(shù)，如在如下將詳細(xì)討論的那樣。在圖3中描繪輪胎傳感器裝置或傳感器節(jié)點(diǎn)109的體系結(jié)構(gòu)的方塊圖。普通傳感器節(jié)點(diǎn)109是輪胎中裝置，具有從輪胎獲取數(shù)據(jù)、對(duì)它們進(jìn)行初步DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)處理(如信號(hào)調(diào)節(jié)和補(bǔ)償)及將數(shù)據(jù)在RF (射頻)鏈路上發(fā)送到相應(yīng)PAN協(xié)調(diào)器110的任務(wù)。傳感器節(jié)點(diǎn)109應(yīng)該具有實(shí)際上無(wú)限制的壽命(從而對(duì)于輪胎的整個(gè)壽命是可操作的，因?yàn)橛衫绻收显斐傻母鼡Q傳感器節(jié)點(diǎn)或其一部分可能是不實(shí)際的或甚至是不可能的)、很小的尺寸及質(zhì)量，能夠在寬溫度范圍(從在冬季的-40° C至在夏季的高達(dá)100° C)中操作，對(duì)于高加速度是穩(wěn)健的(在輪胎內(nèi)襯里上安裝的物體在200km/h的車輛速度下，經(jīng)受高達(dá)3g的徑向加速度)。傳感器節(jié)點(diǎn)109包括幾個(gè)子系統(tǒng)，即電源子系統(tǒng)305、傳感器和獲取路徑子系統(tǒng)310、控制和數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)315、無(wú)線電子系統(tǒng)320。電源子系統(tǒng)305可以包括電池，然而，當(dāng)前可用的電池技術(shù)可能不允許滿足對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)壽命要求。替代電源子系統(tǒng)305可以保證在節(jié)點(diǎn)處清除可用功率，例如從輪胎在使用期間經(jīng)受的機(jī)械變形(例如，震動(dòng)、在輪胎輪跡處的撓曲等等)清除功率；電磁、靜電、及壓電方法可以用來(lái)將機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成電能，由能量清除器產(chǎn)生的功率量取決于挑選的技術(shù)，取決于能量清除器的大小，及取決于環(huán)境條件，如震動(dòng)、伸長(zhǎng)應(yīng)力、及溫度梯度。用來(lái)產(chǎn)生電力的另一種方法可以基于電磁耦合；提供電磁無(wú)線電力傳送的可能方法包括經(jīng)在兩個(gè)線圈之間的感應(yīng)作用的磁場(chǎng)耦合、和經(jīng)自諧振線圈的磁場(chǎng)耦合，通過(guò)將照射器(illuminator)(經(jīng)RF鏈路將電磁功率傳送到遠(yuǎn)程裝置的主供電天線，其中，電力借助于適當(dāng)接收天線收集)放置在車輪上。在傳感器節(jié)點(diǎn)109中的傳感器313是例如三軸加速度儀，定向成三個(gè)軸測(cè)量在徑向、周向(切向)及橫向的信號(hào)；傳感器產(chǎn)生三個(gè)數(shù)據(jù)流(在圖3中的X、Y及Z)。用于由傳感器313產(chǎn)生的三個(gè)數(shù)據(jù)流之一的傳感器和獲取路徑子系統(tǒng)310的示范功能方塊圖描繪在圖4中。在圖中，傳感器(例如，加速度儀)指示為415。數(shù)據(jù)獲取路徑包括模擬前端段405和數(shù)字段410。獲取路徑子系統(tǒng)負(fù)責(zé)由傳感器400獲得的信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的變換。模擬段405放大和濾波來(lái)自傳感器400的獲得信號(hào)；模擬段包括例如電荷放大器420、濾波器425、可變?cè)鲆娣糯笃?VGA) 430 (實(shí)施自動(dòng)增益控制，以保持信噪比SNR恒定，即使在信號(hào)動(dòng)態(tài)特性的低水平下也如此)、及模數(shù)變換器(ADC) 435。然后，數(shù)字變換的模擬數(shù)據(jù)被傳遞到數(shù)字段410?？梢允褂眠^(guò)取樣技術(shù)，因而信號(hào)可以在比其最終取樣速率高的取樣頻率下獲得。數(shù)字段負(fù)責(zé)信號(hào)調(diào)節(jié)，以便校正可能的加速度儀缺陷，如偏移和偏置。在數(shù)字段410中，將數(shù)據(jù)濾波和抽取到最終取樣速率。返回圖3，控制和數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)315可以包括單芯DSP，該單芯DSP負(fù)責(zé)管理通信協(xié)議；控制傳感器節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)的全部功能，如命令執(zhí)行、系統(tǒng)監(jiān)視、及診斷；及DSP功能，像信號(hào)非線性的估計(jì)和補(bǔ)償、在不同加速度儀信號(hào)中的串?dāng)_的估計(jì)和補(bǔ)償、偏置和偏移的估計(jì)、用來(lái)減小輸入通過(guò)量的數(shù)據(jù)壓縮、由通信協(xié)議要求的算法。無(wú)線電子系統(tǒng)320負(fù)責(zé)將待發(fā)送到PAN協(xié)調(diào)器110 (在上行鏈路信道上)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)變換成在希望的傳輸信道上調(diào)制的模擬信號(hào)，并且負(fù)責(zé)在傳輸信道上(在下行鏈路信道上)從PAN協(xié)調(diào)器110接收模擬數(shù)據(jù)、和將接收的數(shù)據(jù)變換成基帶數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。無(wú)線電子系統(tǒng)320對(duì)于上行鏈路信道包括軟件驅(qū)動(dòng)器325u和硬件無(wú)線電發(fā)射器330u，后者耦接到發(fā)射天線340。對(duì)于下行鏈路信道，無(wú)線電子系統(tǒng)320包括硬件無(wú)線電接收器330d、和軟件驅(qū)動(dòng)器325d，該硬件無(wú)線電接收器330d耦接到接收天線350。發(fā)射器330u實(shí)施物理層元件，這些物理層元件與信道編碼/譯碼、在模擬信號(hào)到/來(lái)自數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)之間的調(diào)制和轉(zhuǎn)換、同步、及在細(xì)粒時(shí)標(biāo)(比特或芯片水平)上事件的產(chǎn)生相關(guān)。軟件驅(qū)動(dòng)器325u和325d實(shí)施MAC (媒體訪問(wèn)控制)層和較高網(wǎng)絡(luò)層元件，并且管理在粗粒時(shí)標(biāo)(幀水平)處的全部事件和同步要求。放大器包括在無(wú)線電發(fā)射或接收信道中，以在發(fā)射之前或在處理之前增大信號(hào)的功率。如在上文中提到的那樣，對(duì)于在上行鏈路和下行鏈路中在普通傳感器節(jié)點(diǎn)109與相應(yīng)PAN協(xié)調(diào)器110之間的通信，使用不同的無(wú)線電技術(shù)；這種挑選反映在PAN協(xié)調(diào)器110的對(duì)應(yīng)無(wú)線電子系統(tǒng)、和傳感器節(jié)點(diǎn)109的無(wú)線電子系統(tǒng)320的體系結(jié)構(gòu)上。如在上文中討論的那樣，在圖1的PAN中，具體地說(shuō)在傳感器節(jié)點(diǎn)109與PAN協(xié)調(diào)器110之間，的通信環(huán)境非常惡劣。另一方面，在上行鏈路中需要傳輸大量數(shù)據(jù)，因而在大于IMbit/s的相當(dāng)高數(shù)據(jù)速率下的傳輸應(yīng)該是可能的；同時(shí)，由于在傳感器節(jié)點(diǎn)處的電源限制，特別是當(dāng)使用能量清除時(shí)，功率消耗應(yīng)該盡可能小。因而，對(duì)于上行鏈路傳輸，即對(duì)于從傳感器節(jié)點(diǎn)109至PAN協(xié)調(diào)器110的傳輸，采納超寬帶(UWB)傳輸。UffB是適用于低成本、低功率、短距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)。UWB傳輸相對(duì)于由多路徑干擾造成的碼間干擾、甚至嚴(yán)重的符號(hào)間干擾，是穩(wěn)健的，并且沒有視線通信。除此之夕卜，UffB傳輸將信號(hào)隱藏在本底噪聲下面，引起很小或不引起對(duì)于現(xiàn)有系統(tǒng)的干擾，并且減輕由窄帶干擾造成的性能降低。由于發(fā)射高功率脈沖(功率需要足夠高，以使脈沖從本底噪聲中顯現(xiàn))、但使用低工作循環(huán)的事實(shí)，實(shí)現(xiàn)低功率消耗，從而平均發(fā)射功率保持很低。兩種主要種類的UWB無(wú)線電系統(tǒng)在技術(shù)方面是已知的脈沖無(wú)線電(IR)和多帶正交頻分復(fù)用(MB-OFDM)。IR系統(tǒng)經(jīng)超短脈沖直接產(chǎn)生UWB頻譜，而MB-OFDM是傳統(tǒng)窄帶OFDM技術(shù)的修改，該傳統(tǒng)窄帶OFDM技術(shù)形成至少500MHz的聚合等效帶寬。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)和國(guó)際電信聯(lián)盟-電信標(biāo)準(zhǔn)化部(ITU-T)將UWB定義為任何無(wú)線電技術(shù)，對(duì)于該無(wú)線電技術(shù)，發(fā)射的信號(hào)的帶寬超過(guò)500MHz和中心頻率的20%之中的較小者，該中心頻率在IR的情況下是形成脈沖的調(diào)制信號(hào)的，或者在OFDM的情況下是載波的。在2002年，F(xiàn)CC已經(jīng)對(duì)于UWB用途的無(wú)執(zhí)照使用分配3. 1-10. 6GHz頻帶；然而，這些無(wú)執(zhí)照UWB系統(tǒng)必須將能量發(fā)射限制成遵循FCC定義頻譜掩模，從而不引起對(duì)于在頻帶中的其它現(xiàn)有技術(shù)的干擾；具體地說(shuō)，對(duì)于利用UWB技術(shù)的大多數(shù)裝置，設(shè)置對(duì)于整個(gè)3. 1-10. 6GHz頻帶的-41dBm/MHz的限制。在歐洲和在世界的其它國(guó)家，已經(jīng)采納在定義的頻譜掩模中的概念相似的能量發(fā)射限制，盡管在頻譜掩模的形狀方面和在發(fā)射限制的值的方面存在差別；例如，在歐盟，在3. 4-4. 8GHz頻帶中允許-41. 3dBm/MHz的最大平均e.1.r.p (等效各向同性輻射功率)密度，條件是滿足低工作循環(huán)限制。在日本，允許的頻帶是 3. 4-4. 8GHz 和1. 25-10. 25GHz。挑選成在頻帶4. 2-4. SGHz中操作是有利的，因?yàn)榘催@種方式，有可能遵守當(dāng)前不同規(guī)則。IR UffB技術(shù)由于上行鏈路發(fā)射器(駐留在傳感器節(jié)點(diǎn)109上的零件)的簡(jiǎn)單體系結(jié)構(gòu)，較好地適用于在傳感器節(jié)點(diǎn)109與PAN協(xié)調(diào)器110之間的上行鏈路通信，這種簡(jiǎn)單體系結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)從傳感器節(jié)點(diǎn)109到在車輛上的PAN協(xié)調(diào)器110的低功率高數(shù)據(jù)速率上行鏈路傳輸。在IR UWB中，首先產(chǎn)生主脈沖，該主脈沖的頻率響應(yīng)同與FCC頻譜掩模(或在不同國(guó)家由其它法規(guī)管理機(jī)構(gòu)定義的對(duì)應(yīng)掩模)等效的基帶相適應(yīng)。脈沖然后向上轉(zhuǎn)換到希望的載波頻率，得到調(diào)幅RF信號(hào)，該調(diào)幅RF信號(hào)的包絡(luò)是脈沖的形狀。對(duì)于UWB系統(tǒng)在原理上可使用任何脈沖形狀，條件是頻率響應(yīng)滿足能量發(fā)射限制。用于IR UffB系統(tǒng)的可能脈沖形狀是高斯脈沖和它們的(I階或2階)導(dǎo)數(shù)
權(quán)利要求
1.一種適于與車輛車輪(104)相關(guān)聯(lián)的傳感器裝置(109)，傳感器裝置包括-包裝體(600 )，包圍至少一個(gè)傳感器和電子數(shù)據(jù)處理設(shè)備；-至少一根天線(340、350)，布置在包裝體上，用于由電子設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)射和要提供給電子設(shè)備的數(shù)據(jù)的無(wú)線接收中的至少一個(gè)，其特征在于所述至少一根天線成形為粘附到包裝體的表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器裝置，其中，所述至少一根天線包括-發(fā)射天線，配置成按UWB信號(hào)的形式發(fā)射所述數(shù)據(jù)；以及-接收天線，配置成按窄帶信號(hào)的形式接收數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器裝置，其中-包裝體具有大體多面體形狀，以及-發(fā)射天線和接收天線基本上布置在包裝體的相對(duì)面(605、610)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的傳感器裝置，其中-發(fā)射天線是折疊偶極天線，以及-接收天線是帶狀單極天線。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的傳感器裝置，其中，所述發(fā)射天線包括沿包裝體的正面(605)縱向延伸的上部輻射元件(644、645 )和下部輻射元件(646 )。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器裝置，其中-上部輻射元件和下部輻射元件都繞包裝體的邊緣(647、648)折疊，以便沿包裝體的側(cè)面(625、630)部分地延伸，以及-上部輻射元件和下部輻射元件借助于對(duì)應(yīng)鏈接元件(650)彼此連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的傳感器裝置，其中，發(fā)射天線包括第一(635)和第二(640)饋電終端，所述第一和第二饋電終端位于包裝體的頂面(615)上并耦接到電子設(shè)備，上部輻射元件包括連接到第一饋電終端的第一上部元件(644)和連接到第二饋電終端的第二上部元件(645)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4-7任一項(xiàng)所述的傳感器裝置，其中，所述接收天線是帶狀天線，該帶狀天線包括位于包裝體的側(cè)面上的第一段(655)和位于包裝體的背面上的第二段(660)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳感器裝置，其中，接收天線的第二段具有矩形形狀，在包裝體的背面上縱向延伸。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的傳感器裝置，其中，接收天線包括第三(664)和第四(666)饋電終端，所述第三和第四饋電終端位于包裝體的頂面上并耦接到電子設(shè)備，接收天線的第一段連接到所述第三和第四饋電終端。
11.根據(jù)以上權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的傳感器裝置，其中，發(fā)射天線配置成發(fā)射UWB信號(hào)，所述UWB信號(hào)繞包括在4. 2與4. 8GHz之間的中心頻率具有500MHz或更小的帶寬。
12.根據(jù)以上權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的傳感器裝置，其中，接收天線配置成發(fā)射窄帶信號(hào)，所述窄帶信號(hào)繞包括在2. 4與2. 5GHz之間的中心頻率具有IOOMHz或更小的帶寬。
13.根據(jù)以上權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的傳感器裝置，其中，屏蔽板(675)位于包裝體內(nèi)部，用來(lái)將發(fā)射和接收天線與位于包裝體內(nèi)的金屬零件隔絕。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的傳感器裝置，其中，屏蔽板包括磁性加載的介電材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求7、和權(quán)利要求8-14任一頂當(dāng)引用權(quán)利要求7時(shí)所述的傳感器裝置，其中，發(fā)射天線按平衡方式由電子設(shè)備通過(guò)第一和第二饋電終端饋電。
16.根據(jù)權(quán)利要求10、和權(quán)利要求11-15任一頂當(dāng)引用權(quán)利要求10時(shí)所述的傳感器裝置，其中，接收天線按不平衡方式由電子設(shè)備通過(guò)第三和第四饋電終端饋電。
17.一種車輛車輪(104)，包括-輪輞(108)，以及-輪胎(107)，裝配在所述輪輞上，其特征在于所述車輪還包括根據(jù)以上權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的至少一個(gè)傳感器裝置(109)，該至少一個(gè)傳感器裝置(109)與所述輪輞和所述輪胎中的至少一個(gè)相關(guān)聯(lián)。
18.—種車輛輪胎(107),包括內(nèi)表面,其特征在于,其還包括根據(jù)權(quán)利要求1-16任一項(xiàng)所述的至少一個(gè)傳感器裝置(109)，該至少一個(gè)傳感器裝置(109)放置在所述內(nèi)表面上。
全文摘要
提供一種適于與車輛車輪(104)相關(guān)聯(lián)的傳感器裝置(109)。傳感器裝置包括包裝體(600)，包圍至少一個(gè)傳感器和電子數(shù)據(jù)處理設(shè)備；和至少一根天線(340、350)，布置在包裝體上，用于由電子設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)射和要提供給電子設(shè)備的數(shù)據(jù)的無(wú)線接收中的至少一個(gè)。至少一根天線成形為粘附到包裝體的表面。
文檔編號(hào)B60C23/04GK103038072SQ201180024122
公開日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2011年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月9日
發(fā)明者G·達(dá)薩諾, L·馬特科維奇, M·歐瑞菲斯, G·維埃提 申請(qǐng)人:倍耐力輪胎股份公司