TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 14, No. 3, June 20 15, pp. 493 ~ 4 9 9   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 14i3.789 5        493     Re cei v ed Fe brua ry 4, 201 5; Revi se d April 26 20 15; Acce pted Ma y 15, 201 5   A Study  on TPMS Pre-warning Threshold Algorithm  Based on Multi-sensor Data Fusion      Wang G a ng 1 *  Zhao Jiy i n 2   1 School of Mec han ical En gi ne erin g, Baich e n g  Normal C o l l e ge, Baich e n g , 137 00 0   2 School of Co mmunicati on E ngi neer in g, Jili n Univ ersit y , C han gch un, 13 0 025   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : haoh eh e53 0 @ 16 3.com       A b st r a ct  In order to improve the pr ec is ion of the tir e  pressur e  m o ni toring system , the Bayes  m e thod is   app lie d to establis h its mathe m atic al  mod e l of mult i-se n s or infor m ati o n fusion. T h e  temp erature  a n d   pressur e  in th e tire, w h ich are the co mp l e mentary  i n for m ati on, are i n tegrat ed i n  the mo de l throu gh  ana ly z i n g  the   mec h a n is m of  tire burst  gen e r ated by   te mp erature  an d pr essure. T h ro ug h the te mperat ur e   compe n satio n   of tire  burst  pr essure  thres h o l d v a lu e, the  fa lse  alar m a nd f a lse  ne gativ a r e av oid e d  to t h e   hilt. T he ex pe rimental r e su lts show  that compar ed w i th the trad ition a l T P MS, the accuracy  of t h e   m e asuring r e s u lts of this model is  improv ed and thus the system’ s   m o nito ring ability is  improved so t hat  the traffic safety is guara n tee d .     Ke y w ords te mp eratur e, pre ssure, mu lti-se nsor data fu si o n , false alar m,  false ne gativ e, T P MS    Copy right  ©  2015 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Tire i s  a n  imp o rtant  safety  comp one nt of   automo b ile. I f  the tire i s  o p e rated  un der  heavy  load, for a lo ng time or u nder  high p r essure, it  may blow out or leak an d even it may ca use   traffic accid e n ts, ca su altie s  an d prope rty losse [1]. The tire p r e s sure  monito ring  system  can  monitor the ti re pressu re a nd tempe r atu r e in re al  time and give a n  alarm  whe n  the tire is over- pre s sured or unde r-pre s su red and   the  t e mpe r ature  i s  too  hig h  so  as to avoid  tire b u rst [2].  At  pre s ent, the tire pressu re  monitori ng sy stem appli e the singl e se nso r  to colle ct the tire pressure  and temp era t ure from th e sam e  dire ction, leadi n g  to low p r eci s ion of m easurin g re sult,  misinfo r matio n  and fal s negative. Ba sed o n   the  above p r oble m s, the TP MS pre-wa rn ing   threshold al g o rithm ba se d on multi-sen s or dat a fu sion  is put forward in this pap e r .       2. Tire Burs t Mecha n ism  2.1. Influenc e of Inflation  Pressure on  Tire Burs Whe n  the tire pre s su re i s  lowe r than t he st a nda rd value  du ring the  driving proce s at  high  spe ed, the be ndin g  d e formatio n of  the tire  side wall may  be i n crea sed, the  tire tempe r at ure   may rise  sha r ply and it may delaminat e and the tire stre ngth a nd loadi ng capa city may be  impaired, resulting in l o o s i ng an ruptu r e of cord  thre ad on  the i n n e wall  of tire  and ai r l eaka g e   or tire b u rst.  Whe n  the  tire  pre s su re i s   h i gher than  th e sta nda rd va lue, the  co nta c t a r ea  bet we en   tire and  roa d  surfa c de creases  and th e pre s su re  b o rne  by the  central a r ea  of the tire tre ad  increa se s so that the abra s ion b e come s seve re a n d  bottom of the tread p a ttern cra c ks; si n c e   the tire  rigidi ty incre a ses  at this m o m ent an d d o e s  n o t have  the fun c tion   of bufferin g the   dynamic loa d  between ti re  and  ro ad  su rface i s  i n crea sed  an d thu s  the a u tomob ile sm oothn e ss  become s  wo rse  and the  handli ng qua lity reduce s   [3, 4]. From Figure 1, we can  see t h e   influen ce of tire pressu re o n  tire perfo rm ance.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 14, No. 3, June 20 15 :  493 – 49 494     Figure 1. Influence of Tire  Pressu re on  Tire Perfo r ma nce       2.2. Influenc e of Temper ature o n  Tire  Burst  Duri ng the d r iving pro c e s s, the tire tem perature m a y rise sharply due to the heat   dissipatin g, le ading to  rubb er a nd  co rd t h rea d   st re ngt h re du ction s Whe n  the  tire  tempe r ature  is   risin g  fr om  0  to 100 ,   the cord thre ad  stre ngth  o f  nylon tire m a y re du ce  ab out 20%  an d  its   rubb er  stre ng th may redu ce about 5 0 %; when the  ti re tempe r atu r e is  highe r than the  critical   temperature (within  1 0 0   belon gs to  n o rmal tem p e r ature, bet we en 10 0 an d 1 2 1  be lo ng s to   critical tem p e r ature, an d a bove 1 2 1  b e long s to  da n gero u s temp eratu r e),  the  rubb er an cord   thread  stre ng th may redu ce gre a tly, therefore, t he tire temperature rise may exert a treme n d ous  influen ce  on i t s servi c e life  [5]. Figu re  sho w s th e  inf l uen ce s of te mperature  an d spee d o n  ti re   perfo rman ce durin driving .                           Figure 2. Influen ce s of Tempe r ature and Sp eed on Ti re Perform a n c e       3. Multi-sen s o r Data Fusi on Model   Even though  certai n o r  se veral sen s o r s in a certain  plane  domai n  fail whe n  u s i ng the  multi-sen s or  data fusio n  techn o logy to measure t he pre s sure and  temperatu r data of the tire in   a limited tim e , the accurate results  can  still be obta ined through the inform ation  offered by  other   non-fail ure sensors. Th e  multi-se n s o r  data fu sion  of pressu re  and te mpe r ature i n  the  tire  inclu d e s  failure data reje cti on and valid  data optimiza t ion and fusi o n  [6].      3.1. Failure Data Rejecti on Metho d  Based on  Co mpatibilit y  M a trix  Whe n  usi n g  several p r essure temp eratu r e sen s ors to me a s ure pressu re and   temperature i n  the tire, let  the mea s u r e d  data  of the  ith and jth  sensors be Xi  and Xj an d th ey  sho u ld  com p l y  with  Gau s sian di stri butio n. In o r de r to   reflect  the  de viation bet we en Xi  and  Xj,  the   confidence di stance me asure (probabilit y metrics)  dij is introduced.                      ( 1 )            Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Study on T P MS Pre-warning Th re shol d Al gorithm  Base d on Multi - se nsor… (Wang Ga ng)  495 σ i is the mea n  squ a re e r ro r of the measured d a ta of the ith sen s o r ; the smaller t h e value   of dij, the  clo s er the  mea s ured  value s   of the it h  an d  jth sen s o r s,  or  otherwi s e,  the d e viation  is  big, therefo r e ,  dij is called t he fusi o n  deg ree of the ith and jth se nso r s.    If measu r ing  the sam e  ind e x param eter thr oug h m sensors, the confiden ce di stance   measure  ) , 2 , 1 , ( m j i d ij  forms  a matrix  D m                                                                   (2)                                                                                                                                      Whe n  u s ing  several sen s ors to  mea s u r e a p a ra met e r from  different dire ction s , give the   threshold val ue   of  ij d  based  on the experi ence or the  t e st  re sult s a n d  supp os e         Comp ose rel a tion matrix m R by ij r                                                               (3)    If rij=1, it is  consi dered tha t  the com pati b ilit y of the ith and jth  sen s ors i s  b ad o r  they do  not support  each other. If  ri j =0,  it is considered that  the comp atibility of the ith  and  jth sensors is  good o r  they sup port ea ch  other. If a senso r  ca only be supp orte d by few sen s ors, the data of  this se nsor  should b e  failu re data  whi c h  shoul d be  rej e cted. If the readin g  numb e r of this  sen s or  is invalid in a  long pe riod, the se nsor sh ould be  che c ked.      3.2. Multi-se nsor Data Fu sion Metho d  Based o n  Ba y es Estimation  Defini tion 1 :   (Baye s  e s ti mation): l e t the p a ra mete r Q i n  the  a ggre g ate  dist ribution  func tion F(x, Q) be  random variable, and for the  dec is ion func tion d(x1...x n), if B(d*)= min(B ( d))  is  obtained through any dec i s i on func tion d *(x1  ...x n), then d* is c a lled as  Bayes  es timation  value of parameter Q and B(d) is   c a lled as  the  Bayes   risk  of dec i s i on func tion d(x1...xn) [7].   Theorem 1 :  if quadri c  expression i s  take n for the loss  function:        2 1 , xn x d Q d Q     Then the Bay e s e s timation  value of para m eter Q is:       dQ x x Q QP x x Q E x x d n n n 1 1 1 | | ) (     Hen c e, i n  o r d e r to  evaluat e the Baye esti mation  of  Q, the p r ob a b ility density  curve  P  (Qlx1...xn) s h ould be evaluated firs tly.   Based o n  Bayes estimatio n  theory [8], the optimal fusion p r e s sure an d tem peratu r e   data of the four pressu re temp e r ature sensors are ob tained:     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 14, No. 3, June 20 15 :  493 – 49 496 L k k L k k k T T T 1 2 0 2 1 2 0 0 2 1 1 L k k L k k k P P P 1 2 0 2 1 2 0 0 2 1 1     ( 4 )       Thereinto :L P k : observed  value of the kth pressu re  sensor;   σ k : standard deviation of measured val ue of the kth pre s sure se n s or;   P 0 : mean value of observe d value of the Lth pre ssu re  sen s o r σ 0 : standard deviation of o b se rved  valu e of the Lth sensor;   T k : obse r ved  value of the kth temperatu r e sen s o r σ k : standard deviation of measured val ue  of the kth tempe r ature sensor;   T 0 : mean value of observe d value of the Lth temperat ure sen s o r σ 0 : standard deviation of o b se rved valu of the Lth temperature  se nso r     4. Temperature Comp en sation o f  Tire Burs t Pre-w a r n ing Thr eshold   In order to o b tain the sci entific and a c curate th re shold value, the cau s e s  th at may  cha nge p r e s sure threshol d value shou ld be an alyzed; in the pa rt, the main focu s i s  on t h e   influen ce of e n vironm ent temperature o n  tire pre s sure.    Let the up pe r and lo we r li mits of tire  pressure thresh old value  be  Pmax and P m in, the  pre s sure d a ta of the  tire   measured i n   time be  Pr  a nd me asured  tempe r atu r data b e  T r ; when   the tempe r at ure i s  Tr, th e adju s ted p r essure  value  that need s t e mpe r ature compen satio n  is  Pr, then the  uppe r and lo wer th re shold  values of  pre s sure afte r temperature  co mpen sation a r e   Pmax ++ Pr and Pmin Pr.   If the system  doe s n o t provide temp erature  c o mp en s a tion th e  p r e- wa r n in g  s h ou ld  be  judge d as foll ows:  Whe n  Pr Pm ax or Pr Pmi n  and Pmin << Pr Pr Pmax Pr, false alarm  may occur  i f   the system al arm s , when  Pmin << Pr Pmax and Pr Pmax Pr or Pr Pmin Pr, false neg ative  may occur if the syste m  do es not ala r m.   The exp e rim ent proved th at [9] wh en t he e n vironm ent tempe r at ure i s   betwe en 0  an d   24 Ԩ , there i s  no ne ed to revise the  inflation pre s sure; ho we ver, when th e environ me nt   temperature i s  hig her th a n  24 Ԩ   or lo wer t han 0 Ԩ , the tire pre s sure  may chang e with t h e   environ ment  temperature  and the b a s ic i n flat ion pre s sure  sh ould  be revi sed. Whe n   the  environ ment t e mpe r ature i s  hi ghe r tha n  24 Ԩ , it s infl uen ce  deg re e on  tire  pre s sure i s   sho w n in  table 1. Whe n  the environ m ent tempe r ature i s  bet ween 1 Ԩ  and 40 Ԩ , the b a si c pressu re  of  0.025Pa sho u ld be ad ded  once the temperatu r e i s  re duced by 1 Ԩ ,  starting fro m  0 Ԩ     Table 1. Te st Data Tabl e of Tire Pre s sure  Incre m ent  Rate un der  Different Environment  T e mp er a t ur               Acco rdi ng to  United States Standa rd [10], w hen th e tire pre s su re is hig h e r  than 1.2   times  of the   stand ard  tire  pressu re  or lower than   85  of  the  standard tire  pre s sure, ala r m   sho u ld be  gi ven and th e temperature  comp en satio n   of tire bu rst pressu re th reshold val u e  is  sho w n  in Fi g u re  3.  When  the tem pera t ure  within t he tire  is hi gher than  85  ( t he  no r m a l   temperature  i s  b e twe en  6 0  a nd  70 ), the  syste m  ala r ms.  In th is p ape r, the   pre s sure valu that is 1.2 ti mes  of the  standard tire   pre s sure  is set as  “up p e r  limit value  of pre s sure  pre- Environment Te mperatu r e (℃   Tire Pressure Inc r ement Rat e %   25 29   30 34   35 39   40 45   10  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Study on T P MS Pre-warning Th re shol d Al gorithm  Base d on Multi - se nsor… (Wang Ga ng)  497 warning th re shold”  and th e  pre s sure val ue that is  85  of the stan dard ti re p r e s sure is  set a s   “lower limitin g value of p r essu re p r e - warning th re shol d”; 85  is set a s  “t empe rature  pre - warning th re shold value .           Figure 3. Te mperature  Co mpen sation o f  Pressure Th reshold Val u e       5. Measure d Data Fusion  Experiment  Bora autom o b ile tire is take n as an  example in the experim e n t. According  to the   experie nce of Bora engi ne ers, the p r e s sure of  front whe e l sh ould  be 230KPa  and that of back  whe e l should  be 25 0KPa if runni ng at hi gh spee d (f ull y  loaded ). If the intermedia t e value of 2 4 0   KPa is taken  for the fro n t and b a ck  wheel s du ring  air inflation,  then the u p per limit of ti re  pre s sure pre - wa rni ng thresh old an d the lower lim it of tire pre s sure  pre - wa rning; the tire   temperature pre - warni ng  thre shol d.  Put the four MENS se n s ors in  a tire unifo rmly  and mo nito r its p r e s sure and   temperature.  In ord e r to e nhan ce  the  measurem ent  accu ra cy an d facilitate  calcul ation, e a c h   sen s o r  ne ed s four data, a s  shown in table 2.  Since  the measure d  data shoul d be subje c t to  Gau ssi an di stribution, the e x pectation E (T) and va rian ce D  (T)  sho u l d be:    4 1 4 1 ) ( i   4 1 2 2 4 1 ) ( ) ( T T T D I       Table 2. Te st Data Tabl e of Pressu re Te mperature Se nso r  (u nit: kg/cm,  Sensor  2 3 4  Data1   292.6(85. 4)  289.7(84. 3)   291.5(84. 9)   300.3 92.4)   Data2   292.1(86. 1)   289.4(83. 1)  292.2(83. 4)  302.1(91. 2)   Data3   292.8(85. 4)   290.1(84. 5)  291.8(83. 1)  301.2(90. 1)   Data4   292.3(83. 7)   293.2 (86. 2)   291.6 (82. 4)   299.2(89. 7)   Expectation  292.45(85 .15)   290.6(84. 53)  291.77(83 .45)  300.7(90. 85)   Variance  0.0725(0. 78)   0.232(0.3 7 )  0.072(0.8 33)  0.115(0.1 1 )       From Table  2,  we ca n get  the conf iden ce  di sta n ce  matrix  Dmp fo rme d  by the   confid en ce di stan ce mea s ure dij of pressure data:          Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 14, No. 3, June 20 15 :  493 – 49 498 Get the  thre shol d valu 1 . 0 ) 4 , 3 , 2 , 1 , ( j i ij  of dij  ba se d  on  expe rien ce  or test   results, and t he matrix of relation is:          Then the me asu r ed d a ta of the four sensor s are a ll valid data, the optimal fusion   numbe r is L = 4 and Bayes  optimal fusio n   data P of the measured p r essu re i s   ) ( 84 . 290 1 1 1 2 0 2 1 2 0 0 2 KPa P P P L k k L k k k     The co nfiden ce di stan ce  matrix formed  by  the confid ence dista n ce measure dij  of  temperature data  is:         Take th e thre shol d value 1 . 0 ) 4 , 3 , 2 , 1 , ( j i ij  of dij, and the matrix of relat i on is:         Then the me asu r ed d a ta of the four sensor s are a ll valid data, the optimal fusion   numbe r is L = 3, and Bayes  optimal fusio n   data T of the measured tempe r ature is:    ) ( 32 . 85 1 1 1 2 0 2 1 2 0 0 2 C T T T O L k k L k k k     After cal c ulat ion, P=29 0.8 4  kPa a nd  T=85. 32 at this time, both pressure a n d   temperature  excee d  the set pre-wa rnin g threshold.   The syste m  sho u ld wa rn  the driver of  tire  burst; if it continues to ri se,  raise the al ert le vel; if it  tends to de cline,  stop alarmin g .       6. Conclusio n    In this pape r, the decisi o n model on  TPMS pre-warnin g thre sh old ba sed o n  multi- sen s o r  data  fusion i s  put  forwa r d. Co mpared with  the tradition al tire pressure mo nitori n g   system, thi s   model  ha s th e adva n tage s of i n form at ion inte grity, uniformity, di versity an d f ault   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Study on T P MS Pre-warning Th re shol d Al gorithm  Base d on Multi - se nsor… (Wang Ga ng)  499 toleran c e. Th e experim ent  results  sho w  t hat the  syste m  can  achieve the  functio n  of pre-wa rnin g   for tire bu rst and it ca n effectively avoid  false  ala r m a nd false  neg a t ive and prev ent the tire bu rst   durin g driving  so that the driver’s lif e and  prop erty safet y  can be gu aranteed.      Ackn o w l e dg ements   Scien c e an d Tech nolo g y Develo pment  Plan of Jilin provin ce (201 3011 47); Sci ence and  Tech nolo g y Prog ram of Jili n Educatio nal  Committee d u ring "1 2th Five-Year Pla n " in 2013.       Referen ces   [1]  Jeff Burgess.  T i re Pressure  Monitori ng: A n  Industr Und e r Pres s u re. S ensors. P e terb orou gh, N H :   200 3; (07): 29- 33.   [2]  W ang Ga ng. S i mple  Ana l ysis  on T e chno log y  A ppl icati on  of T i re Burst Early W a r n in g S y st em.  Journ a l   of Chan gch un Institute of T e c hno logy (S ocia l Scienc e Editi on) . 200 9; 10(3 ) : 109-11 2.  [3]  Cui Sh engm in,  Yu Qun Run n in g Performa nce an d T e st  of Automotive  T i re. Beijing: C h in a Machi n e   Press. 1995.   [4]  Liu Gui p i ao, Luo Y u tao. A  Stud y   on Influe nce  of T i re Pressure o n  Automobi le  Performanc e.   Guang do ng Pu blic Sec u rity Scienc e an d T e chno logy.  2 003;  (1): 58-61.   [5]  Z hou Yu la n, Z hao  Nin g, Guo  San x u e . T he T i re Pressure  Monitori ng S y s t em Based  on   Multi-Se nso r   Information Fusion].  Co mp ute r  Measure m ent  & Control.  20 0 5 ; 13(3): 24 1-2 43.   [6]  Yan Ho ng w e i,  Li Hu iju an, L i  Xi n, Gao Qia n g . Ba sed  on A r tificial Immun e  Algor ithm of  Robot Mu lti- Sensor S i gn al  Variati on C har acte ristics of th e Detecti on Me thod.  T E LKOMNIKA Indon esi an Jo urna o f   Electrical E ngi neer ing.  2 013;  11(1 2 ): 759 9-7 604.   [7]  Bian Gua ngro ng, Li Ho ngsh eng, He Ni ng h u i. Mu lti-sens o r  Data Proces sing a nd F u si ng Base d o n   Kalma n  Filter i ng.  T E LKOMN I KA Indo nesi a n Jo urna of  Electrical  En gi neer ing.   20 12;  11( 3): 12 66- 127 7.  [8]  Xi an Xin jia n. T e mperature  Monitori ng S y s t em of  Grain  Dep o t Based  on Multi-s ens o r  Data F u sio n .   Chin ese Jo urn a l of Sc ientific I n strument.  20 0 3 ; 24(5): 52 5-5 28.   [9]  Hall  DL, Llinas J.  An intro ducti on to  multise n s o r da da f u sio n . Proceedings  of the IEEE. 1997; 85(l):  16- 23.   [10]  W ang  Qiume i , T an  Bu. HT ML--T i re Monitor:  Re d u cin g  Caus e  of  T i re Burst. http:// w ww .   pcauto.com.cn/ q c y p/ pe iji an/1 0 309/2 2 3 28.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.