汽車輪胎異物扎入智能警報裝置設計

王湘博，孫長勇，王淑芳，王玉寶，邵俊領，齊肇瑞，盧 升，劉雪宇

（山東華宇工學院機械工程學院，山東 德州 253000）

0 引言

隨著科技的發展和經濟的快速發展，汽車的數量也在快速地增加，汽車已經成為人們日常生活、旅行、學習、生活中不可或缺的一種交通方式。汽車雖然為我們的生活提供了便利，但它所帶來的交通事故也給我們的生命帶來了極大的威脅。輪胎是車輛的重要組成部分，對車輛的安全起著至關重要的作用。當汽車在高速行駛時，很容易導致車輛失去平衡，造成嚴重的交通事故。根據交警部門的數據，在2021 年，我國高速公路上發生的車禍占40%以上，爆胎占70%以上[1]。造成這種情況的根本原因是，在事故發生前，有螺釘、鐵屑、石子等異物刺入或卡入了車胎，造成爆胎；當車輛速度過快或負荷改變時，很容易被異物扎破輪胎，導致輪胎突然漏氣或爆胎。特別是在高速公路行駛的時候，如不及時發現這種危險的情況，過高速度的行駛會導致輪胎直接的爆炸，造成不可估量的損失。針對這些問題，我們需要能夠監測輪胎是否扎入鐵制或玻璃做的物品的裝置，并且配上胎壓監測系統，更好地保護駕駛人員的安全。

1 汽車輪胎異物扎入探測原理

1.1 金屬檢測原理

汽車在行駛中，通過使用金屬的電磁感應作用來探測道路上的異物，比如鐵釘和鐵刺等。現在，汽車輪胎離近地面異物檢測的主要方式是通過使用電渦流式傳感器進行檢測，該傳感器是由一圈圈緊密的線圈組成，它的內部是高頻變換的交流電。通過改變線圈內部的電流，可以改變線圈內部的磁場，使其在中心軸方向產生高頻的交變磁場。這種用于檢測金屬異物的電磁渦流傳感器，是裝在汽車輪胎內部的，一旦靠近物體，就會產生感應電流，產生一種可以抵抗外界磁場的變化[2]。另外，金屬內部的磁場會對電渦流傳感器產生電流，通過電流來控制磁場的變化，從而判斷出金屬異物的位置和距離，避免接觸到異物，從而扎入汽車輪胎中。具體工作原理如圖1 所示。

圖1 探測傳感線圈的工作原理

利用電渦流傳感器探針進行金屬異物的探測，如圖1 中所示其工作原理如，當將正弦交流電流I˙1加到探測線圈上時，它的角度頻率是ω，那么，在軸向方向上，線圈會出現相同頻率的交流磁場H1。當金屬異物存在于交流磁場中會產生感應電流I˙2，將會產生交流磁場H2，具體如圖2 所示。

圖2 探測傳感線圈的等效電路

根據基爾霍夫定律可寫出方程：

解方程式可得：

如果在檢測傳感器周圍有金屬時，電流就會發生變化，通過對電流的分析，能夠判斷出有沒有金屬異物存在。

1.2 非金屬探測

根據電容器的基本原理，在不考慮邊沿影響的前提下，將電容C表達為：

式中，ε0、ε分別是介電常數、相對介電系數；S為電容器對應面積；δ為電容器和異物的距離。

當δ、S或ε任何一個參數的改變都會導致電容的改變。如果保持S、ε參數的不改變，僅改變距離δ，然后把它轉化成非金屬異物，通過測量電容器的電容值，再把它轉化成電信號。在圖3 中顯示了電容傳感器的基本構造。

圖3 電渦輪傳感器的結構

在齒輪轉動過程中，電機的電容會發生周期性的變化，通過檢測電路對其進行運算，然后輸出脈沖信號，從而得到齒輪的速度。

2 汽車輪胎異物扎入智能警報裝置系統設計

2.1 裝置組成

該汽車輪胎異物智能警報裝置主要包括：線性掃描激光傳感器、電渦流傳感器、殼體、保護外殼、控制單元1、控制單元2、藍牙模塊、語音播報器、電源等。采用電渦流式傳感器進行信號采集，然后將傳感器探頭和周邊支承電路安裝到汽車輪轂的安全部位，調整探測器的方位，以使探測器朝向車輛的輪轂，并在常規條件下對著輪轂的頂端進行測量。汽車輪胎外有異物時，其電流或電壓會發生變化，并將其傳輸至報警裝置系統。數據分析主要通過在異物檢測裝置中，預先編輯好的檢測算法被保存在控制器中，并對其進行數據分析。由于其工作機理的差異，對金屬異物和非金屬異物的識別方法有不同的界定[3]。根據檢測到的數據，經過計算、分析，確定是否存在有異物，并將處理結果反饋給了駕駛室的電腦。當輪胎表面有異物時，如玻璃、金屬等，則會影響計算的結果。當接收到來自檢測裝置的計算結果時，駕駛室內的計算機會將其與設定的閾值進行比較，如果有異常，就會觸發報警系統。有異常情況的指示燈會閃動，并啟動警報，警告司機停車[4]。如圖4 所示，這種智能報警器的結構是：

圖4 該裝置電路控制簡圖

該裝置中控制單元1：接收來自渦流和激光傳感器的訊號，并將訊號傳送至藍牙傳送設備。

控制單元2：控制語音播報系統與藍牙接收器。

線掃描激光傳感器：用于檢測行駛中的汽車車胎是否扎入玻璃，檢測范圍在車胎兩側之內，并且在于輪胎上表面，從而保證檢測的準確性。可以根據輪胎的寬度選擇不同的傳感器。

渦流傳感器：用于檢測汽車車胎是否扎入鐵質物品，檢測范圍在輪胎兩側之內，且檢測輪胎上表面。可以根據輪胎的寬度選擇不同的傳感器。

藍牙模塊：包含藍牙發送和接收信號的藍牙接收機。

語音播報器：與藍牙模塊進行配對，當車胎扎到鐵釘或玻璃時能夠進行語音播報，警報裝置電量不足時也可以發出警報。

電源：用電池或本車的電源，使用電池供電，放置位置比較困難，建議用汽車自帶電源。

2.2 技術方案

在與電流信號相似的基礎上，使用的是線性激光傳感器，這樣可以檢測玻璃制品扎入輪胎，同時與渦流傳感器一起使用，根據磁場的感應與強度進行判斷是否有鐵釘扎入輪胎[5]。而激光傳感器通過玻璃反射的原理來進行信號的發射與接受。當有玻璃制品或鐵制品扎入輪胎后，兩個傳感器會產生信號給控制單元1，控制單元1 發射信號給藍牙模塊發射器，在藍牙接受器接受信號之后產生信號給控制單元2，通過控制裝置2 對車輛中的聲音廣播進行報警。本裝置裝在汽車輪胎底殼的上面，能夠方便檢測，如圖5 所示。

圖5 汽車輪胎異物扎入智能警報裝置位置

2.3 具體實施方式

先在該裝置用螺釘固定在輪胎上部的車殼上，接通電源。在固定車殼時應該選用與輪胎等寬的渦流傳感器和激光掃描傳感器，同時該傳感器共有4 對，分別對應4 個輪胎；在該發明通電之后，該電流通到渦流傳感器與掃描激光傳感器中，這兩個傳感器會對輪胎表面進行檢測，并且檢測范圍在輪胎兩側之內。

當有金屬異物刺入輪胎時，這個物體會在一個由渦流傳感器引起的磁場中進行切割，并使導體內產生漩渦狀的感應電流，由于該感應電流，會使高頻電流的相位和幅度得到改變，而這個改變的電壓幅度變化，會經過振蕩器、檢測電路、放大器進行輸出給控制單元，由控制單元處理并傳遞信號給藍牙發射器發射信號，當車內的藍牙接受器接收信號之后會傳遞給控制單元2，通過控制裝置2 開啟聲音廣播，在這個時候，將播放：XX（被扎輪胎）輪胎有鐵制物品扎入，請注意安全。

當激光傳感器檢測到扎入輪胎內的異物的時候，會由該傳感器發射出一道激光并穿過內置鏡片，通過光的漫反射的原理反射到半導體激光器，并產生電流到信號處理器[6]，再由電流信號處理器傳遞給控制單元，控制單元經過計算傳遞給藍牙發射器發射信號，藍牙接收器接收到信號之后，發送給控制單元2，由控制單元2 打開語音播報器。此時，語音播報器將播放控制單元：XX（被扎的輪胎）輪胎有玻璃制品扎入，請注意安全。

3 結語

汽車在使用中，路面異物是引起輪胎破損的一個重要原因，為了避免由于異物扎入輪胎而影響其工作，引發爆胎后果。以汽車輪胎異物扎入為基礎的智能報警裝置，該裝置主要由線性掃描激光傳感器、電渦流傳感器、殼體、保護外殼、控制單元1、控制單元2、藍牙模塊、語音播報器等元件構成。該智能報警裝置能夠檢測到金屬和非金屬異物，一旦發現異常，就會發出報警，處理速度快，有效地提升了行車的安全性。