胎压监测系统的信号收发角度定位方法与流程

胎压监测系统的信号收发角度定位方法
【技术领域】
1.本发明有关于无线胎压监测方法，特别是指一种根据无线信号收发角度进行定位的胎压监测系统定位方法。


背景技术：

2.汽车轮胎因胎压异常而导致车祸的机率极高，因此在世界各国的法案推动下，汽车胎压监测系统已经成为新车的基本配备。以最常见的四轮汽车为例，一般的胎压监测系统具有四个胎压侦测器与一接收装置，各该胎压侦测器分别装设于各个轮胎，每个胎压侦测器在被触发工作后会根据预设时间间隔回传胎压信号至该接收装置，并由与该接收装置连接的显示器显示各轮胎的胎压数值，若任一胎压侦测器测得的数值异常，即产生警报信号。
3.为了正确辨视出胎压异常的轮胎位置，现有胎压监测系统内的轮胎定位方法是在各胎压侦测器内建一组识别码，其限制在于，安装胎压侦测器时，必须按照胎压监测系统预设的位置安装(例如，识别码3310a的胎压侦测器的预设安装位置在左前轮，识别码3320b的胎压侦测器预设安装位置在右前轮)，才能让胎压监测系统撷取各位置轮胎正确的检测结果。
4.然而，当需要更换胎压侦测器，必须先读取旧有各胎压侦测器的识别码后，再将旧有的识别码逐一输入至新的胎压侦测器，以供行车计算机透过旧有的识别码与新的胎压侦测器沟通；而前述将旧有识别码重新建立于新的胎压侦测器的步骤不仅繁琐耗时，且必须透过专业的设定工具将旧胎压侦测器的识别码复制到新的胎压侦测器才能完成，因此，一般的车主无法自行更换胎压侦测器，且在旧有胎压侦测器无法正常运作且无法及时更换新胎压侦测器的情况下将造成胎压监测的空窗期，形成驾驶安全上的漏洞。
5.是以，有必要提出一种根据无线信号收发角度进行定位的胎压监测系统定位方法。


技术实现要素：

6.为克服上述技术问题，本发明的目的在于提供一种胎压监测系统的信号收发角度定位方法，其角度定位是基于aoa(angle of arrival，到达角)定位法或aod(angle of departure，发射角)定位法进行计算以获得最终位置信息；藉此，实现一种能够根据系统中既有的无线信号收发装置实现车胎与胎压侦测器的定位方法，以缩短胎压侦测器逐个与无线信号收发装置配对、输入的时间。
7.因此，为达上述目的，本发明所提供一种胎压监测系统的信号收发角度定位方法，其中，该胎压监测系统包括对应车胎数量设置于车胎上的胎压侦测器以及设于车体内的接收装置(receiver)，各该胎压侦测器设有发射器(transmit)及发射天线，该接收装置设有接收天线与发射天线进行无线通讯；该信号收发角度定位方法的步骤包括：
8.信号触发步骤：触发该胎压侦测器的发射天线发射无线信号；
9.信号接收步骤：该接收装置的接收天线接收该无线信号，定义该无线信号从该胎压侦测器传递至该接收装置的方向为线性传输方向；
10.方位角度计算步骤：计算该线性传输方向与任意的二该发射天线之间连接直线交点处的夹角角度，或者，该接收装置根据计算该线性传输方向与任意的二该接收天线之间连接直线交点处的夹角角度，并根据该夹角角度计算获得该车胎的方位信息。
11.本发明提供的方法中，该方位角度计算步骤是根据公式(1)：θ＝arccos((ψλ)/(2πd))计算获得该线性传输方向与相邻的二该接收天线之间距离的夹角角度，或者，根据公式(1)计算该线性传输方向与相邻的二该发射天线之间距离的夹角角度；于公式(1)中，θ是该无线信号与相邻的二该发射天线或二该接收天线的夹角角度；λ是该无线信号的波长；d是相邻的二接收天线或者相邻的二发射天线之间的距离；ψ是相位差，由至少二该发射天线或至少二该接收天线构成的阵列天线采样iq样本计算而成，此计算在该接收装置的集成电路ic基层进行完成，得到相位差值，该iq样本是将该阵列天线接收到的原始数据作为i样本，再透过相位移
12.作为q样本，计算相位差。
13.其中，当本发明方法是基于aoa定位法计算获得该夹角角度时，在该方位角度计算步骤中，定义该线性传输方向与任意的二该接收天线之间连接直线交点处的夹角为到达角；当该系统是根据该到达角计算获得车胎的位置信息时，各该车胎上的发射器设有一该发射天线；该车体内设有一该接收装置，该接收装置设有对应该发射天线数量的接收天线；藉此，令各该发射器的发射天线依预设时序被触发输出该无线信号，该接收装置依预设时序切换各该接收天线以接收到该发射天线轮流输出的无线信号；令任意的二该接收天线之间直线距离与该无线信号形成直角三角形，以根据公式(2)：
14.ψ＝(2πdcos(θ))/λ计算到达该任意的二该接收天线的无线信号的相位差，并推导获得公式(1)的夹角角度；于公式(2)中，θ是该无线信号的到达角角度；λ是该无线信号的波长；d是任意的二接收天线或者任意的二发射天线之间的直线距离；ψ是相位差，由至少二该发射天线或至少二该接收天线构成的阵列天线采样iq样本计算而成，此计算在该接收装置的集成电路ic基层进行完成，得到相位差值，该iq样本是将该阵列天线接收到的原始数据作为i样本，再透过相位移作为q样本，计算相位差。
15.其中，当本发明方法是基于aod定位法计算获得该夹角角度时，在该方位角度计算步骤中，定义该线性传输方向与任意的二该发射天线之间连接直线交点处的夹角为发射角；当该系统是根据该发射角计算获得车胎的位置信息时，各该车胎上的胎压侦测器设有至少二该发射天线；该车体内设有一该接收装置，该接收装置设有一该接收天线；藉此，令各该发射器的发射天线依预设时序被触发输出该无线信号，该接收装置的接收天线接收到不同车胎上的发射天线轮流输出的无线信号；令同一胎压侦测器上任意的二该发射天线之间直线距离与该无线信号形成直角三角形，以根据公式(2)：
16.ψ＝(2πdcos(θ))/λ计算该任意的二该发射天线发射出无线信号的相位差，并推导获得公式(1)的夹角角度；于公式(2)中，θ是该无线信号的发射角角度；λ是该无线信号的波长；d是任意的二接收天线或者任意的二发射天线之间的距离；ψ是相位差。
【附图说明】
17.图1是本发明胎压监测系统的架构示意图；
18.图2是本发明胎压监测系统的信号收发角度定位方法的步骤流程图；
19.图3是本发明方法实施例的步骤流程示意图；
20.图4是本发明基于aoa定位法计算发射器相对于接收装置角度的系统架构示意图；
21.图5是本发明基于aoa定位法的天线设置形态示意图；
22.图6是本发明基于aoa定位法的角度计算示意图；
23.图7是本发明基于aod定位法计算发射器相对于接收装置角度的系统架构示意图；
24.图8是本发明基于aod定位法的天线设置形态示意图；
25.图9是本发明基于aod定位法的角度计算示意图；
26.图10是本发明接收装置设于四轮车体且位于驾驶位置的示意图；
27.图11是本发明接收装置设于四轮车体且位于副驾位置的示意图；
28.图12是本发明接收装置设于六轮车体且位于左前轮内侧位置的示意图；
29.图13是本发明接收装置设于二轮车体且位于前轮后侧位置的示意图。
30.10：车体
31.11：车胎
32.20：胎压侦测器
33.21：发射器
34.22：发射天线
35.23：天线切换单元
36.30：接收装置
37.31：接收天线
38.32：天线切换单元
39.33：接收器
40.34：aoa估算单元
41.sd：线性传输方向
42.11a：车胎
43.11b：车胎
44.11c：车胎
45.11d：车胎
46.21a：发射器
47.21b：发射器
48.21c：发射器
49.21d：发射器
50.sd1：线性传输方向
51.sd2：线性传输方向
52.sd3：线性传输方向
53.sd4：线性传输方向
54.31a：天线
55.31b：天线
56.31c：天线
57.31d：天线
58.22a：天线
59.22b：天线
60.22c：天线
61.22d：天线
【具体实施方式】
62.为利于对本发明的了解，以下结合图1至图13及本发明方法的实施例进行说明。
63.从蓝牙5.1开始，寻找方向机制被引入协议中。多天线蓝牙接收装置透过在两个或多个天线上测量蓝牙传输信号的相位来估计蓝牙发射器的角度或方向。接收装置在预先定义好的天线阵列之间快速切换来测量无线电波通向不同天线的路径长度的微小差异而导致的相位移动，称作相位差，来实现发射信号的寻找方向。
64.必需说明的是，于本发明实施例中，多天线接收装置与发射器之间可以使用蓝牙或者使用无线射频(315mhz或433mhz)进行无线通讯，以达到寻找发射信号方向的目的。其中，多天线接收装置是指具有两个以上(含两个)的天线数量的接收装置。
65.本发明的胎压监测系统主要安装于具有轮胎的车体10使用，供随时侦测轮胎的压力、温度等数值，避免轮胎异常而危害行车安全。如图1显示设有四个车胎11的车体10；本发明胎压监测系统包括胎压侦测器20及接收装置30(receiver)，该胎压侦测器20的数量是对应该车胎11数量设置，即各该车胎11内安装有一该胎压侦测器20，各该胎压侦测器20包括发射器21(transmit)以及与该发射器21连接的发射天线22(如图5、图8)，该接收装置30连接有接收天线31，该胎压侦测器20与该接收装置30之间透过该发射天线22与该接收天线31无线通讯连接，以将含有车胎压力、温度等胎压数据输出至该接收装置30。
66.如图1、图4、图7所示，定义图面上方为车体10的前侧、图面下方为车体10的后侧，如图4、图7，该车体10设有车胎11a(右前轮)、车胎11b(左前轮)、车胎11c(右后轮)及车胎11d(左后轮)，且系统对应前述车胎11a～11d依序设有发射器21a、发射器21b、发射器21c及发射器21d。如图1，该接收装置30透过接收天线31接收该发射器21透过发射天线22输出的无线信号，定义该无线信号从该胎压侦测器20(发射器21)传递至该接收装置30的方向为线性传输方向sd，如图4、图7，该接收装置30与该发射器21a～21d之间的无线信号依序为线性传输方向sd1、线性传输方向sd2、线性传输方向sd3及线性传输方向sd4。需说明的是，于本发明胎压监测系统的信号收发角度定位方法中，该线性传输方向是指该发射器21与该接收装置30之间的直线传输方向，因此该线性传输方向还包括从该接收装置30传递至该发射器21的传输方向，且不用于限制无线信号为单向传输。
67.如图2、图5、图8所示，本发明胎压监测系统的信号收发角度定位方法的步骤包括信号触发步骤s1、信号接收步骤s2及方位角度计算步骤s3。其中：
68.该信号触发步骤s1：触发该发射器21的发射天线22发射无线信号；
69.该信号接收步骤s2：该接收装置30的接收天线31接收该无线信号，定义该无线信号从该发射器21传递至该接收装置30的方向为线性传输方向sd；
70.该方位角度计算步骤s3：计算该线性传输方向sd与任意的二该发射天线22之间连接直线交点处的夹角角度，或者，计算该线性传输方向sd与任意的二该接收天线31之间连接直线交点处的夹角角度，并根据该夹角角度计算获得该车胎11的方位信息。
71.本发明方法透过计算获得该发射器21相对于该接收装置30的角度，即可知相应车胎11的方位。如图2所示，本发明的方法可选择地包括车胎位置计算步骤s4以获得更精确的车胎11定位。此外，当车体10为如图12所示的六轮(含)以上车辆时，可使用rssi(received signal strength indicator，接收信号强度指示)定位法计算获得该发射器21与该接收装置30之间的直线距离，借以转换获得车胎11的定点位置信息。
72.于本发明实施例中，该胎压侦测器20可透过车胎11滚动而被触发进行胎压侦测，再将测得的胎压信息以无线信号形式从发射器21经过发射天线22输出至接收天线31以被接收装置30接收；该胎压侦测器20也可透过发射天线22、发射器21接收该接收装置30输出的指令信号后被动触发侦测胎压，再将测得的胎压信息回传至接收装置30。
73.如图3所示，显示本发明方法的一种具体实施例，在该信号触发步骤s1中，由接收装置30输出触发指令(告知定位指令)至发射器21，以触动胎压侦测器20进行胎压数据的侦测；接着，在该信号接收步骤s2中，胎压侦测器20透过发射器21传送无线信号(包括定位胎压数据)；接收装置30接收后即可根据aoa(angle of arrive，到达角)定位法或aod(angle of departure，发散角)定位法，于方位角度计算步骤s3中计算发射器21相对于接收装置30的角度；最后于车胎位置计算步骤s4中，根据前述角度计算得出车胎位置。
74.于本发明的方法实施例中，当该方位角度计算步骤s3是根据公式(1)：θ＝arccos((ψλ)/(2πd))计算获得该线性传输方向sd与相邻的二该接收天线31之间距离的夹角角度(即到达角度θ
aoa
)，或者，根据公式(1)计算该线性传输方向sd与相邻的二该发射天线22之间距离的夹角角度(即发射角度θ
aod
)；于公式(1)中，θ是该无线信号与任意的二该发射天线22的发射角度或者与任意的二该接收天线31的到达角度(单位：度)；λ是该无线信号的波长(单位：cm)；d是相邻的二接收天线或者相邻的二发射天线之间的距离(单位：cm)；ψ是相位差(单位：度)，由阵列天线采样iq样本计算而成，此计算在ic基层进行完成，得到相位差值，其中，该阵列天线是指胎压侦测器上的至少二发射天线或者是接收装置上的至少二接收天线，该iq样本是将该阵列天线接收到的原始数据作为i样本，再透过相位移作为q样本，计算相位差。
75.该公式(1)是由公式(2)：ψ＝(2πd cos(θ))/λ推导形成。公式(2)为物理信号波的公式，其中，ψ是相位差(单位：度)，θ是该无线信号的到达角角度或发射角角度(单位：度)，λ是该无线信号的波长(单位：cm)，d是相邻的二接收天线或者相邻的二发射天线之间的距离(单位：cm)。具体的推导，请配合参阅图5、图6，由最先接到无线信号的接收天线31(天线31a)开始此算法；其中，令λ＝c/f，c为在真空中的光速(3*108m/s)，f为无线信号频率(2.4ghz)，再由天线31a到天线31c接收到时间差计算出λ；接着，将已知的数据带入公式(1)计算后得到θ。
76.必需说明的是，由于接收装置天线以主机指定的开关模式不停地切换接收电磁波信号，因此不容易直接得到相位差。工程上可采用iq样本采样方法间接得到相位差；其中，接收装置(接收器)需具备针对各个单独天线信号采集样本，可取自相同输入信号的样本对
包括「同相位」(in-phase)，简称为i，和「正交相位」(quadrature-phase)，简称为q，因此称为「iq样本」。在蓝牙5.1规范中，接收装置30切换天线(31a～31d)采集从发射器21来的发射信号iq样本信息，利用iq样本信息计算发射器21来的发射信号到达接收装置30不同天线的相位差，再利用相位差计算到达角角度。其中相位差的计算是在接收装置30的ic基层进行完成。其中iq样本是将阵列天线接收到的原始数据作为i样本，再透过相位移π/2作为q样本，计算相位差，故相位差ψ＝-5√3π是由接收装置30的ic基层直接完成得到。
77.更具体地，令假设值：
78.d＝5(c/f)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式(3)；
[0079][0080]
将式(3)、式(4)代入公式(1)：θ＝arccos((ψλ)/(2πd))计算：
[0081][0082]
求得θ＝150
°
。
[0083]
于本发明实施例中，此算法能定义比对次数。例如，基于aoa定位法计算四轮汽车的发射器21(四个)相对于接收装置30(一个)的角度时，该接收装置30包括对应该发射器21数量(等于车胎11数量)且为阵列天线的四个接收天线31，如图5、图6所示，令该接收天线31依阵列排列的顺序为天线31a、天线31b、天线31c及天线31d；藉此，透过将天线31b、31c所计算出的角度与天线31a与天线31c计算出的角度进行比对验证，阵列天线越多可比对的数据越多时，相对计算出的角度越精准。
[0084]
请配合参阅图4、图5及图6，显示本发明的方法在基于aoa定位法计算获得该发射器21相对于接收装置30的角度时的系统设备配置。
[0085]
如图5，该胎压侦测器20包括一发射器21及一发射天线22，该发射天线22与该发射器21连接以输出无线信号，该接收装置30包括至少二接收天线31、一天线切换单元32、一接收器33及一aoa估算单元34，该接收天线31与该天线切换单元32连接，该接收器33连接于该天线切换单元32与该aoa估算单元34之间；藉此，该接收装置30透过该天线切换单元32控制切换该接收天线31接收该发射天线22输出的无线信号，令该无线信号从该接收天线31接收后经过该天线切换单元32传输至该接收器33完成信号接收，再由该接收器33传输至该aoa估算单元34进行到达角度的估算。
[0086]
于本实施例中，各该发射器21设有一发射天线22；该接收装置30使用蓝牙5.1技术与该发射器21无线通讯，该接收装置30设有对应四个车胎11数量的四个接收天线31，该四个接收天线31构成一组阵列天线，该四个接收天线31于图6中依序定义为天线31a、31b、31c及31d。藉此，在本发明的胎压监测系统的信号收发角度定位方法中，于该方位角度计算步骤，定义该线性传输方向sd与任意的二该接收天线31(例如天线31b、31c)之间连接直线交点处的夹角为到达角(θ
aoa
)；令各该发射器21的发射天线22依预设时序被触发输出该无线信号，该接收装置30依预设时序切换各该接收天线31以接收到该发射天线22轮流输出的无线信号；令任意的二该接收天线31之间直线距离与该无线信号形成直角三角形(例如天线31a与31c形成大三角形，天线31b与31c形成小三角形)，以根据公式(2)：ψ＝(2πd cos(θ))/λ计算到达该任意的二该接收天线31的无线信号的相位差，并推导获得公式(1)的夹角角度
(即到达角θ
aoa
)。
[0087]
更具体地，于本发明方法在aoa应用实施例中，发射端(发射器21)只需要安装单一天线(发射天线22)，周期性发射数据封包(胎压信息)；而接收端(接收装置30)则需装置两个以上的天线(接收天线31)以构成阵列天线，天线各别接受不同发射器21所发送的数据封包。由发射端送出信号通过阵列天线(接收天线31)接收时，接收装置30会根据阵列中各个接收天线31，发现信号相位差，再计算出到达角(θ
aoa
)的角度。
[0088]
此外，如图4，于本发明方法在aoa应用实施例中，接收装置30会透过切换阵列天线(接收天线31)接收到发射器21a发射的无线信号，计算出无线信号对于阵列天线的角度，再转换成发射器21a对于接收装置30的方向，并以此类推分别得到发射器21b、21c及21d的方向，并定位出车胎11的定点位置。
[0089]
请配合参阅图7、图8及图9，显示本发明的方法在基于aod定位法计算获得该发射器21相对于接收装置30的角度时的系统设备配置。
[0090]
如图8，该胎压侦测器20包括一发射器21、至少二发射天线22及天线切换单元23，该天线切换单元23连接于该发射器21及该发射天线22之间以切换输出无线信号的天线，该接收装置30包括一接收天线31、一接收器33及一aod估算单元35，该接收器33连接于该接收天线31与该aod估算单元35之间；藉此，该胎压侦测器20透过该天线切换单元23控制切换输出无线信号的发射天线22，令该无线信号从该发射天线22输出后，被该接收天线31接收再传输至该接收器33完成信号接收，最后传输至该aod估算单元35进行发射角度的估算。
[0091]
于本实施例中，各该发射器21设有四个发射天线22，该四个发射天线22于图9中依序定义为天线22a、22b、22c及22d；该接收装置30使用蓝牙技术或者无线射频技术与该发射器21无线通讯，该接收装置30设有一个接收天线31。藉此，在本发明的胎压监测系统的信号收发角度定位方法中，于该方位角度计算步骤，定义该线性传输方向sd与任意的二该发射天线22之间连接直线交点处的夹角为发射角(θ
aod
)；令各该发射器21的发射天线22依预设时序被触发输出该无线信号，该接收装置30的接收天线31接收到不同车胎11上的发射天线22轮流输出的无线信号；令同一胎压侦测器20上任意的二该发射天线22之间直线距离与该无线信号形成直角三角形，以根据公式(2)：
[0092]
ψ＝(2πdcos(θ))/λ计算该任意的二该发射天线22发射出无线信号的相位差，并推导获得公式(1)的夹角角度(即发射角θ
aod
)。
[0093]
更具体地，于本发明方法在aod应用实施例中，发射端(发射器21)需安装两个以上的天线(发射天线22)以组成阵列天线，周期性发射数据封包(胎压信息)；接收端(接收装置30)则设置单一天线(接收天线31)，发送端的阵列天线会依序发送的数据封包。由发射端将天线转换序列的架构包含在信号中，将信号传给接收装置，接收装置30会根据角度得到胎压侦测器的相对位置。
[0094]
此外，如图7，于本发明方法在aod应用实施例中，发射器21a会透过切换阵列天线(发射天线22)发射的无线信号到接收装置30，计算出无线信号对于阵列天线的角度，将角度回传给接收装置30，再转换成发射器21a相对于接收装置30的方向，以此类推分别得到其他发射器21b、21c、21d相对于接收装置30的方向，并定位出车胎11的定点位置。
[0095]
于本发明实施例中，无线信号相对于天线的角度，在aoa或aod应用中，皆可利用接收装置或胎压侦测器计算获得。
[0096]
于本发明实施例中，接收装置30可为固定设置在车体10内的通讯装置，也可以是被临时固定在驾驶座或者副驾驶座手套箱内的移动通讯装置(如手机、平板计算机、笔电等)。如图1显示本发明系统的接收装置30为固定设置的通讯装置，设于具有四个车胎11的汽车车体10并位于右前轮内侧；如图10显示本发明系统的接收装置30为移动通讯装置，设于具有四个车胎11的汽车车体10并位于驾驶座；如图11显示本发明系统的接收装置30为移动通讯装置，设于具有四个车胎11的汽车车体10并位于副驾驶座手套箱内；如图12显示本发明系统的接收装置30为固定设置的通讯装置，设于具有六个车胎11(前侧两个车胎11、后侧左右各两个车胎11)的汽车车体10并位于左前轮内侧；如图13显示本发明系统的接收装置30可为固定设置的通讯装置或者移动通讯装置，设于具有两个车胎11的机动车辆车体10上，并位于前轮后侧。应被理解的是，本发明系统中的接收装置30设置方式不限于前述实施例，本发明的胎压监测系统的信号收发角度定位方法可应用在设有不同车胎数量的汽车或机动车辆，例如设有八个车胎的大型卡车或者设有三个车胎的机动车辆。