汽車爆胎穩定制動系統設計

唐溧克， 張瑀航*， 王思凡， 劉 坤， 姜玉蓮

(1.長春工業大學 電氣與電子工程學院， 吉林長春 130012；2.浙江舜宇光學有限公司， 浙江 余姚 315400)

0 引 言

伴隨著社會經濟的不斷進步，對車輛的需求量增多[1]，帶來的是不斷上升的交通事故發生率，其中由爆胎引起的事故比例一直居高不下。爆胎是指車輛在行駛過程中，輪胎達到自身的工作或承載極限，在極短的時間內胎體破裂，從而導致胎內氣體迅速流失的現象，是一種危險性極高且難以預測的汽車行駛故障。

導致爆胎的原因有很多，最常見的原因是輪胎充氣不足或胎壓過大[2]。當輪胎遇到能切割或撕裂輪胎的物體，將導致其形狀發生改變，而逃逸出來的加壓氣體進一步破壞輪胎的基本結構。輪胎起到的作用是支撐車身整體重量，故當輪胎內部沒有足夠的空氣壓力，輪胎側壁就會在車身重量壓迫下鼓出來，導致輪胎在繞軸旋轉時胎體過熱，從而發生車輪故障，嚴重時導致爆胎。此外，輪胎溫度過高和胎體老化也是引發爆胎事故的原因之一。

爆胎后，車輪一些參數特性[3](如滾動阻力、過彎剛度和徑向剛度等)將會發生巨大改變，從而導致車身朝向輪胎的側面。安全輪胎零壓力學特性是提升輪胎續駛性能、實現車輛爆胎穩定性控制的基礎[4]。由于爆胎過程時間短，如果司機沒有及時做出正確操作，車輛將偏離原有行駛方向，并發生碰撞。當有一個輪胎爆胎時，保持方向穩定至關重要，然而許多無經驗司機的本能反應卻是錯誤的，或者根本來不及反應，這樣就會導致交通事故的發生。由于爆胎現象具有突然性和意外性，如果無法立即采取控制行為保持車輛行駛方向，將導致車輛被迫駛出車道，從而引起車輛偏航[5]和翻車，危及人身安全。

因此，針對汽車爆胎時輪胎相應的數據變化情況，研究爆胎后的安全穩定制動問題是十分必要的。通過設計檢測系統對輪胎壓力和溫度等參數進行實時檢測與分析，進而利用制定的安全制動措施對其進行有效控制，不僅能夠改善爆胎后汽車的穩定性，使其安全穩定地制動，還提高了行車安全，降低交通事故的發生率。同時，針對輪胎相應數據分析檢測，還能夠預估輪胎的安全狀態，并且有效預防爆胎事故的發生。此外，爆胎汽車的主動性安全制動控制也是當前高速安全領域的主要研究課題之一，具有重要的現實和社會意義。

文中針對汽車輪胎的壓力與溫度等數據變化及爆胎后的安全穩定制動問題進行研究。首先，從影響爆胎的因素出發，著重分析輪胎爆胎前后的相關參數變化(如胎壓、溫度等)，對比常見的胎壓檢測系統TPMS，并對其工作原理等進行分析說明。其次,通過對傳統液壓與新興機械制動方式對比，制定合理的制動方式與控制理論。

此外，文中還通過建立相應的跟車模型，利用BP神經網絡PID控制器實現車輛保持安全距離，并穩定跟隨過程；利用模糊算法設計相應的PID控制器控制制動安全距離，通過對比傳統PID算法控制的制動距離，采用SIMULINK軟件運行驗證其可靠性。此設計不僅能夠實時對相應數據進行分析檢測，預測輪胎當前工況，還能夠有效預測輪胎事故的發生，而且改善爆胎后汽車的穩定性，實現其安全穩定制動，提高行車安全，降低交通事故發生率。

1 檢測電路的設計

本環節從胎壓監測系統TPMS[6]出發，通過對爆胎原因的研究，設計相應的檢測電路，并使用Proteus?軟件進行仿真，使用電位器模擬胎壓變化過程，保證單片機及時接收變化信號并處理，而后通過報警裝置進行預警，此外，還利用DS18B20對輪胎溫度進行實時檢測與顯示。

輪胎胎壓檢測系統由安裝在車輪輪轂上胎壓檢測裝置和數據收集裝置組成，系統工作原理框圖如圖1所示。

圖1 胎壓監測系統原理框圖

具體工作過程如下：

1)低頻喚醒器發出喚醒信號，檢測模塊接收到此信號后開始工作。

2)鋰電池通電，檢測裝置開始收集輪胎內部溫度與壓力的數據信息，并通過RF射頻電路將數據傳送給單片機，通過車載顯示器顯示輪胎的狀態信息。

3)如果檢測到輪胎胎壓和溫度出現異常，AT89C51單片機控制系統就會處理信息并發出聲光報警信號，以確保安全行車。

2 穩定制動方式的分析與設計

2.1 輪胎粘合帶制動[7]

此種制動方法屬于填充方式的一種，是通過改變輪胎結構，在輪轂上安裝用以粘合外胎的粘合帶，通過改變輪胎結構，將輪胎變為多胎結構，在發生爆胎時也能夠短暫維持車輛行駛，避免外胎脫離輪轂。其弊端是使輪胎結構更加復雜，增加了車輪的轉動慣量，動平衡需要調整。

2.2 方向盤鎖死安全制動[8]

爆胎一般發生在前輪胎，當一側車輪爆胎后，一側的車輪直徑減小。在爆胎初期，左右車輪的轉速相當，車輛向爆胎的一側偏航，車速越快，偏航越嚴重。為了維持車輛直線行駛，駕駛者必須轉動方向盤修正方向，這樣車輪與行駛方向將形成夾角，車速越高，方向盤修正的角度越大，爆胎車輪所受的側向力越大，嚴重時會導致翻車現象，所以需要對方向盤進行鎖死。方向盤鎖死的原理是用彈簧控制一個鋼銷，當發生爆胎事故后，鋼銷就會彈進預先留好的孔里，卡住方向盤，確保方向盤轉不動，從而提高爆胎后的安全制動性能。

2.3 EMB制動[9]

伴隨著汽車電子智能化控制的深入發展，人們對汽車安全制動性能要求提高的同時，對環保的追求也在不斷上升，因此構成更加簡單、聚集各種可靠功能、更加符合環境保護理念的電子機械控制的制動系統EMB越來越受歡迎。

EMB(Electro-Mechanical Brake)是一種新型制動方法，其原理是利用電子控制的機械裝置控制電機，繼而直接控制制動盤制動。通過安置在車輪上的制動電機，利用電機的驅動作用產生足夠的制動力矩達到制動目的。EMB在原有制動基礎上，取消液壓缸和管路等基本制動裝置，不僅簡化制動系統的構成，同時還具有易于安裝配置和修理的優勢。

更加完善的制動方式是朝著復合制動理論發展，在EMB系統基礎上加以改進，配合其他的制動方式，將具有更為良好的制動效果。文中制動理念是在胎壓檢測基礎上，在爆胎時采用EMB和方向盤鎖死相結合的復合制動方式，在安全行駛時，利用BP神經網絡PID控制，調節車輛間縱向跟車距離，爆胎后制動時，利用模糊PID控制安全制動距離。

3 安全行車距離和制動距離的控制算法設計

3.1 安全跟車距離模型

車輛行駛過程中需要一定的跟隨距離，在車輛發生爆胎過程中，安全制動同樣需要一定的跟車距離，多輛車在行駛過程中，如果有車輛發生故障需要制動，安全距離就顯得尤為重要。針對汽車跟隨過程建立安全跟車距離控制模型，以滿足汽車安全跟車行駛的要求。

假設車輛安全距離[10]模型采用同一車道上n+1輛行駛方向相同的車組成，且時刻保持安全跟車距離的跟隨系統，如圖2所示。

圖2 車輛行駛縱向位移圖

在該條件下，系統車輛的總體數目和車隊全長對每輛車間縱向安全距離干擾較小，保證了車隊可以穩定行駛。

首先，該車隊車輛的安全行駛距離保持模型以縱向控制為基礎，充分體現了車輛同方向行駛過程和跟車距離；其次，該模型將相對誤差作為研究重點，將相對誤差作為控制系統的輸入，采用智能控制算法減小誤差，實現車輛保持安全距離，并且穩定跟隨過程。

車間縱向距離相對誤差為

δd1=Δxn-dx，

(1)

式中:Δxn----第n輛車與第n+1輛車的實際車距；

dx----各車輛間的理想跟隨車距。

考慮到車輛行駛速度對系統精度產生的影響，對式(1)進行改進，得到精度更高的車輛縱向距離誤差表達式

δd=xn-1-xn-dx+λvn+1=

δd1+λvn+1，

(2)

式中:δd----跟車速度對跟車系統影響的相對誤差；

vn+1----后車車速;

λ----δd收斂與δd1的補償時間，一般選取λ=0.2 s。

系統車輛間相對速度誤差為(vn為前車車速)

δv=vn+1-vn。

(3)

以式(2)為核心，建立基于前后兩車間縱向安全行駛距離的控制模型，它的狀態空間表達式為

(4)

式中:X----車輛系統的狀態變量,X=(δd,δv)T；

u----跟馳系統車輛的加/減速度;

Ψ----巡航車輛的加/減速度;

Y----相對距離誤差；

B----控制矩陣，B=(λ,1)T;

Γ----干擾矩陣，Γ=(0,-1)T;

C----輸出矩陣,C=(1,0)。

行駛車輛縱向安全距離控制模型中,選取δd和δv作為狀態變量，用于評價對車輛跟隨模型的控制效果。利用S仿真實驗驗證BP神經網絡PID控制器對車輛跟隨系統模型中縱向安全行駛車距的控制效果，根據BP網絡輸入層的結構特點，僅采用相對距離誤差δd進行評價分析。

3.2 基于BP神經網絡PID控制器的安全行駛距離控制

為了使系統的輸出參數Kp、Ki、Kd能夠達到自主學習和自行調整的目的，采用BP神經網絡PID控制器控制縱向安全距離，其結構如圖3所示。

系統采用3-5-3的三層BP神經網絡[11]結構形式，即輸入層信號為輸入in、輸出out和偏差error，輸出層信號分別為PID控制器的三個參數Kp、Ki、Kd，以及中間的隱含層三部分，具體如圖4所示。

圖3 BP神經網絡PID控制器基本原理

圖4 BP神經網絡結構

利用Simulink工具箱建立基于BP神經網絡的安全行車距離控制結構，如圖5所示。其仿真結果如圖6所示。

從圖中可明顯看出，采用神經網絡控制車輛間縱向安全距離的控制效果明顯高于傳統PID控制器控制的縱向安全距離。

3.3 基于模糊PID控制器的制動距離控制

模糊PID控制器[12]首先確定車輛間的縱向相對距離誤差e和距離誤差變化率ec，以及控制器參數Kp、Ki、Kd的模糊關系。控制系統仿真過程中實時監測誤差及其變化率，并采用模糊控制規律調節PID控制器的三個參數。將e和ec設成模糊PID控制器的輸入參數，將PID控制器參數Kp、Ki、Kd作為系統的輸出變量。

考慮到前后兩車因特殊情況而采取制動的情況，深入探討跟車模型，加入速度因素，建立基于模糊PID控制器的車輛安全制動距離模型并進行仿真,如圖7所示。

設計最終期望結果是車間縱向距離輸出為安全距離范圍2～5 m，基于模糊PID控制的制動距離變化曲線如圖8所示。

圖5 BP神經網絡PID控制

圖6 車間縱向距離仿真實驗對比曲線

圖7 模糊PID控制的S仿真模型

圖8 基于模糊PID控制的制動距離變化曲線

從圖8可見，系統最終輸出的安全距離為3 m，符合期望值。而前后兩輛車因特殊情況制動到最終停止，速度值輸出為0，如圖9所示。

圖9 基于模糊PID控制的相對速度誤差變化曲線

模糊 PID 與 PID 控制的車間縱向距離誤差對比結果如圖10所示。

圖10 模糊 PID 與 PID 控制的車間縱向距離誤差對比結果

4 程序設計

4.1 主程序流程

系統通過軟件設計編程[13]來控制AT89C51單片機，根據壓力檢測模塊檢測到的壓力數據變化情況判斷汽車輪胎狀態，控制報警器是否報警及啟動EMB和方向盤鎖死相結合的復合制動方式，從而完成從檢測到報警再到制動的過程。同時還通過程序控制溫度信號的采集與溫度顯示模塊進行信息顯示。此外，通過判斷前車狀態，利用BP神經網絡PID控制器保持車輛間的縱向安全跟車距離。當汽車發生爆胎后緊急制動的同時，利用模糊PID控制器保持車輛間的安全制動距離，確定制動過程的安全。系統整體流程如圖11所示。

4.2 胎壓檢測系統流程

AT89C51單片機定時器初始化，判斷接收到的數據，根據輸入電信號的高低電平判斷是否達到報警值，當壓力檢測口接收到低電平信號時，聲光報警器發出報警信號，聲光報警裝置工作，同時進行方向盤鎖死和EMB安全制動措施；方向盤鎖死的方法是用彈簧控制一個鋼銷，當發生爆胎事故后，鋼銷就會彈進預先留好的孔里，卡住方向盤，確保方向盤轉不動。EMB制動產生效果是指安置在車輪上的制動電機，利用電機的驅動作用產生足夠的制動力矩達到制動目的。檢測主程序流程如圖12所示。

其中DS18B20裝置則始終進行溫度檢測，溫度信號經單片機接收處理，并利用數碼顯示屏輸出顯示。

圖11 系統整體流程

圖12 檢測主程序流程

檢測中斷程序流程如圖13所示。

圖13 檢測中斷程序流程

4.3 制動過程流程

汽車爆胎后安全制動過程的工作流程如圖14所示。

圖14 制動過程流程

首先AT89C51單片機上電開始工作，開始接收工作電路狀態信息。當接收到的數據無效時，回到初始狀態重新開始；當數據有效時，開始讀取外部檢測電路傳輸的狀態信息，并將數據存入輪胎所在的數組中。當輪胎處于欠壓或超壓狀態時，單片機輸出電信號給報警裝置，聲光報警電路工作，同時啟動方向盤鎖死和EMB電子機械制動的復合制動方式[14]，以保證行車安全。

4.4 BP神經網絡PID算法控制安全行車距離的工作流程

針對車輛行駛時縱向安全距離的保持，采用BP神經網絡PID控制器進行控制。輸入部分包含輸入in、輸出out和偏差error三個輸入信號，輸出層信號分別為PID控制器的三個參數Kp、Ki、Kd，具體控制算法流程如圖15所示。

4.5 模糊PID算法控制安全制動行車距離的工作流程

基于模糊PID控制算法的制動距離調節流程如圖16所示。

圖15 基于BP神經網絡PID控制算法流程

圖16 基于模糊PID控制算法的制動距離調節流程

系統針對車輛跟隨行駛系統的計算和硬件部分的控制設計了指導和管理兩層內容，其設計重點在于跟隨制動過程的控制。

5 結 語

汽車爆胎穩定制動系統針對汽車運動過程中輪胎胎壓、溫度等相應數據的檢測和報警，以及對爆胎后的安全穩定制動的研究。檢測部分從爆胎原因出發，針對輪胎胎壓問題展開研究，分析輪胎爆胎前后胎壓變化，以及影響胎壓改變的溫度因素等，根據胎壓和溫度檢測原理設計相應的檢測電路，通過單片機設計檢測、報警和控制距離的功能。

制動方面通過分析常見的制動方式，制定更加合適的復合制動方式。此外，還通過汽車行駛的安全距離，建立安全跟車距離控制模型，設計相應的BP神經網絡PID控制器，保持車輛安全行車距離，并利用模糊PID控制方法來自動調節和控制安全制動距離，最后通過Matlab/Simulink軟件進行仿真，驗證了所提算法能夠滿足汽車安全跟車行駛和安全制動要求。

文中不足之處在于對胎壓檢測和RF射頻電路的研究不夠全面，之后會加強對這部分內容的學習，同時針對PID控制器設計及特有的復合制動系統進行深入研究。