車輛前輪爆胎安全聯動控制系統研究

朱士光，張延彬，曹杰，張帆

（1.山東科技大學交通學院；2.山東科技大學電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590）

車輛前輪爆胎安全聯動控制系統研究

朱士光1，張延彬2，曹杰1，張帆1

（1.山東科技大學交通學院；2.山東科技大學電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590）

為解決高速行駛中的汽車發生前輪爆胎事故產生側滑失控危險這一問題，對車輛既有的安全控制系統進行改進，引入MSP430單片機為控制核心，采用模塊化設計方案。將胎壓監測技術、電機驅動技術、傳感器技術等現有成熟技術進行組合。通過各技術模塊的聯動控制，設計了一套基于控制轉向盤轉角的車輛前輪爆胎安全聯動控制系統，基于微分平坦的車輛轉向盤轉角規劃方法解釋了前輪爆胎的轉向盤轉角控制原理。改進后的車輛安全控制系統在一定程度上解決傳統ABS系統和ESP系統不能對前輪爆胎很好控制的問題。

MSP430單片機；傳感器；緩沖制動；聯動控制；電機驅動；轉向盤轉角規劃

自20世紀80年代以來，國外學者就開始對爆胎車輛的安全控制進行研究,但是范圍還只是局限于一般的爆胎理論和試驗研究。Blythe W和Day T.D基于三維仿真的試驗研究中，得到了車輛在不同車速水平發生爆胎時，駕駛員的應急反應操作對汽車運行軌跡狀態的影響。駕駛員操作是否正確以及汽車爆胎時的具體行駛狀況，很大程度上影響了汽車爆胎后的運行狀態，這些直接決定了爆胎是否會導致危險事故。國內也有高速公路上的行車爆胎事故的研究，吉林大學汽車動態模擬國家重點實驗室，基于汽車穩定性控制系統,設計了一套差動制動的安全控制方案。同濟大學在整車十二自由度模型的基礎上進行仿真研究,發現胎壓不同工況下發生異常時,以橫擺角速度、橫向運行速度和車輛俯仰角速度作為監測量，車輛會有不同的運行表征。上述方案仍然只是單一的基于純橫擺力矩進行控制。吉利集團研發的BMCS技術,主要針對爆胎后車輛的制動系統進行控制。該系統目前僅在吉利汽車相關車型使用，其它車型也很難改裝使用。

1 系統構建

1.1 爆胎監測警示模塊

利用現有的胎壓監測器技術，使胎壓監測器通過無線發送接收裝置與單片機相連。當前輪任一側的輪胎突然爆掉而發生胎壓的急劇下降時，該輪胎上的胎壓監測器會立即發送數值信號至單片機；單片機通過分析是否超過臨界值，在此之前在單片機中輸入輪胎氣壓值的正常范圍作為臨界值。單片機中具有邏輯或門電路，若超出臨界值，單片機右側電路將形成通路，否則保持開路狀態，通過電路傳輸控制信號至雙閃燈開關控制器，自動打開前后雙閃燈，警示前后方車輛注意本車爆胎工況。

1.2 控制方向模塊

圖1 方向控制模塊結構

如圖1所示，爆胎信號傳入單片機后，單片機會迅速收集汽車行駛速度信號、轉向盤轉角信號。當汽車行駛速度超過危險值時，此時車輛有爆胎方向失控的危險。單片機根據接收的轉向盤轉角信號經過分析處理，按照基于微分平坦的轉向盤轉角規劃原理迅速得出轉向盤的安全轉角值，并輸出不同占空比的脈沖信號至電機驅動器中，驅動電機按照一定的方向轉動一定的角度。電機運轉帶動齒輪運轉，即帶動轉向盤轉動。此時,轉角傳感器再次將轉角信號傳入單片機，單片機經分析確定轉向盤轉角安全后，發送控制信號至轉向桿上的方向盤鎖死裝置，方向盤鎖死裝置中的彈簧立即伸縮，彈出鋼銷插進方向盤的鎖孔中，方向盤被立即鎖死，從而使汽車可以保持直線行駛；當車速低于危險速度值時，單片機作出處理，彈簧迅速收縮，鋼銷拔出，電機與齒輪分離，方向盤自動解鎖，此時駕駛者可以調控方向靠邊停車。

1.3 緩沖制動模塊

圖2 改進后的制動系統結構

如圖2所示，在原有制動系統的基礎上進行改進。在原推桿處再加一根推桿，并使該推桿通過一定的動件與電動機相連。如圖2所示，單片機在接收到爆胎信號、速度信號，并分析速度值大于安全速度值后，立即輸出不同占空比的脈沖信號至汽車制動系統中的電機驅動器，從而使電機間斷性正反方向轉動，帶動推桿間斷性作用于制動主缸，以達到間歇輕踩制動踏板的效果。當速度降至安全界值以下時，單片機停止輸送脈沖信號，此時圖2中的電動機不再轉動，推桿與電動機分離，駕駛者可自由控制制動系統。

2 系統關鍵理論應用與實現

2.1 爆胎車輛動力學模型(圖3）

圖3 車輛正常行駛的動力學模型

爆胎車輛的安全控制研究的關鍵是建立一套合理的爆胎車輛動力學軌跡模型。車輪爆胎后,輪胎的徑向剛度、側偏剛度、縱滑剛度與側傾剛度會急劇減小，而滾動阻力系數則增大。研究發現，輪胎側偏剛度和滾動阻力系數兩個參數的變化是最影響車輛操縱穩定性的因素。因此，本文只考慮輪胎側偏剛度和輪胎滾動阻力系數的變化對車輛模型的影響。

2.2 基于微分平坦的車輛軌跡規劃

由于車輛爆胎后，錯誤的駕駛行為操作會導致車輛方向失去控制。現給定爆胎車輛理想的行駛路徑，從而對車輛理想的方向盤轉角進行規劃。在進行軌跡規劃時，首先討論汽車的運動狀態與運行穩定性兩者之間的關系。然后在規劃過程中通過引入一個能夠表征車輛失控狀態的參數，從而確保爆胎車輛規劃軌跡的結果具有可靠性與安全性。本文選擇車輛側向加速度作為衡量前后輪胎整車側向力的一個特征參數，同時也作為系統規劃與控制的狀態約束指標。

爆胎工況下的車輛軌跡控制問題可以描述為：

2.3 直線路徑下爆胎車輛一次軌跡規劃

設系統的軌跡是一個關于時間t的函數。進行軌跡規劃的最終目的是得到能使系統的性能參數指標達到最小的輸入量和運行狀態關于時間t的函數。首先要按照圖4對平坦輸出的時間t進行預處理，然后對爆胎車輛的最優化軌跡進行求解。

圖4 方向盤轉角曲線

其中，a1，a2，a3，a4為待規劃求解的參數。

在進行規劃時，選擇使爆胎車輛停車的最短時間作為性能參數指標。圖4為通過仿真軟件得到的實驗結果。待優化參數的計算結果表示為：

將 a1、a2、a3、a4的上述結果值代入表達式（2），即可得到爆胎車輛在直線行駛工況下的狀態及輸入軌跡。在滿足動力學約束的條件下，結合上述分析結果，得出在爆胎工況下車輛安全停車的最短時間大約為 10s。

3 結論與展望

本研究的成果主要在于車輛前輪爆胎后的安全聯動控制系統，包括警示、按照安全轉角自動鎖死和解鎖方向盤、緩沖制動裝置。該系統在前人研究的基礎上，針對汽車前輪爆胎這一工況具體分析，并運用具體的數學模型對轉向盤安全轉角值進行推算，通過信號傳輸、電機驅動等一系列成熟技術的組合，從而實現車輛前輪爆胎的安全控制。該系統的定位是對于ESP、ABS系統的補充，只考慮前輪爆胎這一具體工況進行安全聯動控制，一定程度上解決了ESP、ABS系統對于前輪爆胎方向失衡的安全控制問題。

[1]郭大鵬.爆胎車輛軌跡控制.長春：吉林大學，2011.

[2]劉洪光.爆胎車輛穩定性協調控制策略研究.淄博：山東理工大學，2016,4： 20-40.

[3]鄭香美，高興旺，趙志忠.基于“魔術公式”的輪胎動力學仿真分析[J].機械與電子，2012（9）：16-20.

[4]郭孔輝，王裕民，劉蘊博,等.輪胎側偏特性的半經驗模型[J].汽車工程，1986

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1671-0711（2017）12（上）-0150-02