CN101380876A - 汽车爆胎安全控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽车爆胎安全控制方法及系统，其包括以下步骤：一种汽车爆胎安全控制方法，其包括以下步骤：1)建立一个汽车爆胎安全控制系统，其包括信号采集单元、主控制单元、纵向安全执行单元和横向安全执行单元，各单元之间通过车载CAN总线通讯；2)主控制单元在车辆爆胎发生时，向纵向安全执行单元和横向安全执行单元发出控制指令；3)纵向安全执行单元在接收到控制指令后，通过节气门自动控制装置关闭节气门，并驱动纵向制动执行装置使车辆快速减速；4)与此同时，横向安全执行单元在接收到控制指令后，控制转向辅助电机使车辆维持原有的行驶方向。本发明实现难度小、可靠性高且成本低，具有重要的现实意义和广泛的应用前景。

Description

汽车爆胎安全控制方法及系统

技术领域

本发明涉及汽车主动安全技术领域，特别是关于汽车爆胎安全控制方法及系统。

背景技术

汽车爆胎是一种常见的危险情况，每年由于汽车爆胎引起的交通事故占很大比例，尤其是汽车在高速行驶时的爆胎很容易导致车辆偏离正常的行驶轨道，从而引发重大交通事故。根据中国公安交管部门交通事故数据显示，2005年1至11月交通事故389670起中，80989人死亡，因爆胎引发的事故就占了将近20％。而在高速公路中46％的交通事故是由于轮胎发生故障引起的，爆胎就占了70％。目前国内外对轮胎气压监测技术开展了大量的研究工作，并取得了许多创新性成果，尤其是汽车轮胎压力监视系统(Tire Pressure monitoring System，TPMS)，在很多车型上已得到了批量使用。该系统主要用于在汽车行驶时实时地对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气和低气压进行报警，以保障行车安全。然而这类技术对汽车高速行驶时爆胎所引起的交通事故却无能为力，因为汽车行驶阻力突然失去平衡而导致方向跑偏，驾驶员很难有反应的时间。为此，爆胎后汽车的安全控制成为预防该类事故的重要措施。

针对汽车爆胎后的安全控制技术，国内外正在积极的开展研究工作，比较典型的一种技术是爆胎监测与安全控制系统，其工作原理是：当出现爆胎等紧急情况时，轮胎气压监测采样单元能够即刻采集到这一信号，并将这一信号立即传递给中央控制单元；中央控制单元几乎同时发出指令给制动器单元和尾灯警示信号，制动器单元瞬间爆发出强大的制动力，爆胎发生后大约0.2至0.5秒内，促使汽车产生紧急制动并安全减速，实现短时间内车辆减速到每小时四十公里的安全时速，使车辆可以从容靠边，也避免了追尾等二次事故的发生。该系统利用机电一体化系统快速反应的特性来弥补人脑对外界信息反应滞后的生理局限，在爆胎汽车的司机还没有来得及做出反应的情况下，该系统即刻实施自动紧急制动，使汽车减速。该类技术的技术特征在于：系统的制动执行装置是电控的液压制动装置，在发生爆胎时，液压制动装置使车辆产生制动，然后减速，驾驶员控制方向使车辆能够安全停靠路边。这类技术虽然对爆胎车辆的安全行驶具有一定效果，然而该类技术的主要缺点表现在：1、爆胎后及时制动使汽车减速，但对汽车行驶方向没有控制，汽车方向的控制仍然由驾驶员来操作，这依然无法完全避免因爆胎引起的交通事故；2、汽车液压执行装置结构复杂，成本昂贵；3、如果利用液压执行装置实现对车辆方向的控制，则涉及到制动力合理分配的问题，控制难度极大，对不同的行驶路况，难以实现良好的安全控制效果。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供实现难度小、成本低、且可靠性高的汽车爆胎安全控制方法及系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种汽车爆胎安全控制方法，其包括以下步骤：1)建立一个汽车爆胎安全控制系统，其包括信号采集单元、主控制单元、纵向安全执行单元和横向安全执行单元，各单元之间通过车载CAN总线通讯；2)主控制单元在车辆爆胎发生时，向纵向安全执行单元和横向安全执行单元发出控制指令；3)纵向安全执行单元在接收到控制指令后，通过节气门自动控制装置关闭节气门，并驱动纵向制动执行装置使车辆快速减速；4)与此同时，横向安全执行单元在接收到控制指令后，控制转向辅助电机使车辆维持原有的行驶方向。

所述节气门自动控制装置包括节气门控制器和电机执行装置两部分，所述节气门控制器在接收到所述纵向安全执行单元中的控制器的控制指令后，驱动所述电机执行装置关闭节气门。

所述节气门自动控制装置为设置在原车中的电子节气门，所述纵向安全执行单元中的控制器通过所述车载CAN总线向所述电子节气门发送期望节气门开度信息，进而关闭节气门。

所述横向安全执行单元中的控制器采用PI控制算法对所述纵向制动执行装置进行控制，且采用PID控制算法对所述电控转向辅助电机进行控制。

一种实现如上述方法的汽车爆胎安全控制系统，其特征在于：它包括信号采集单元、主控制单元、纵向安全执行单元和横向安全执行单元；所述信号采集单元包括信号采集控制器和车载传感器；所述主控制单元包括主控制器；所述纵向安全执行单元包括纵向控制器、纵向制动执行装置和节气门自动控制装置；所述横向安全执行单元包括横向控制器和安装在车辆转向系统中的电控转向辅助电机；各单元之间通过车载CAN总线通讯。

所述节气门自动控制装置包括节气门控制器和电机执行装置两部分，所述节气门控制器根据所述纵向安全执行单元中的控制器的控制指令，驱动所述电机执行装置，由所述电机执行装置驱动所述节气门。

所述节气门自动控制装置为设置在原车中的电子节气门。

所述纵向制动执行装置为安装在车辆中的电子真空助力器。

所述电控转向辅助电机通过涡轮-蜗杆机构连接方向盘转向柱，在所述电控转向辅助电机与方向盘之间安装有力矩传感器和角位移传感器。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过实时监测汽车轮胎气压、制动压力、车速、方向盘转角等汽车状态信号，在汽车出现爆胎时自动控制汽车的制动与方向，使车辆迅速降低到安全车速并维持车辆的方向稳定性，保障行车安全，从而有效避免因爆胎引发的交通事故。2、本发明采用电子真空助力器和电控转向辅助电机作为执行装置，即可以自动使车辆减速，也能够自动保持车辆的方向稳定性。3、本发明采集必要的车辆状态信息，并采用合理的控制算法，安全控制效果良好。4、本发明采用的制动压力传感器采用MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，硅显微机械加工)和ASIC(Application Specific IntegratedCircuit，专用集成电路)技术设计制造而成，特别适用于恶劣的汽车环境中，可在高低温、振动、热冲击和机械冲击以及化学污染等恶劣环境中使用。5、本发明可以在具有电子真空助力器和EPS(Electronic Power Steering，电动助力转向)的车辆上改装使用，成本大大降低。同时，也可以在新生产的车型上应用。综上所述，本发明实现难度小、可靠性高且成本低，具有重要的现实意义和广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明的结构组成示意图

图2是本发明实施例采用的轮胎压力监测模块结构示意图

图3是本发明的信号采集控制器原理图

图4是本发明的电子真空助力器结构示意图

图5是本发明的节气门自动控制装置示意图

图6是本发明的纵向控制器原理图

图7是本发明的横向控制器原理图

图8是本发明的转向辅助电机安装结构示意图

图9是本发明的控制逻辑

图10是本发明的纵向控制算法示意图

图11是本发明的横向安全控制流程图

具体实施方式

下面结合附图和实施例分别从系统的结构组成、系统的控制逻辑、纵向安全控制和横向安全控制对本发明进行详细的描述。

1、系统的结构组成

如图1所示，本发明包括信息采集单元1、主控制器单元2、纵向安全执行单元3和横向安全执行单元4。信息采集单元1包括信号采集控制器101和车载传感器102。主控制单元2包括主控制器201。纵向安全执行单元3包括纵向控制器301、用于车辆自动制动的电子真空助力器302和用于控制节气门的节气门自动控制装置303。横向安全执行单元4包括横向控制器401和用于保持车辆方向稳定性的转向辅助电机402。上述各单元之间通过车载CAN总线5通讯，这既符合目前汽车车载网络的主流技术，也有利于系统功能的扩展。各单元的结构组成及功能的具体内容分述如下：

1)信息采集单元

信息采集单元1通过车速传感器、轮胎压力传感器、制动压力传感器、方向盘转角传感器和横摆角速度传感器等车载传感器102实现对所需车辆状态信息的实时采集，经过信号采集控制器101放大、整形和滤波等技术处理后，实时通过车载CAN总线5发送给其它三个电控单元。信息采集单元1所采集的状态信息包括车速信号、轮胎压力信号、制动压力信号、转向角度信号和横摆角速度信号等。

车速信号用来反映车辆的行驶速度，在本发明中用于车辆纵向的安全控制，即车辆行驶中出现爆胎时，迅速使车辆降低到安全车速甚至停车，避免交通事故。车速信号的获取可以有多种方式：一种是直接从原车上的车速传感器获得原始信号，然后经过放大、整形和滤波等技术的处理，获取比较准确和可靠的车速信号；另一种方式是从原车的车载CAN总线5上直接获取车速信号。由于目前很多车辆上已经使用车载CAN总线技术，如果从汽车厂获知相应的通讯协议，则车速信号可以直接获得。在本实施例中是从车载CAN总线5上直接读取。

轮胎压力信号是本发明实施的重要基础，如果出现爆胎，则轮胎气压会迅速降低，车辆会偏向行驶。因此需要实时采集车辆全部车轮的胎压。对轮胎压力的获取，目前已有多种技术，最常见的一种是利用一个轮胎压力监测模块实现，基本原理是具有压力、温度、加速度和电池电量等信息的传感器通过单片机采集后，再通过RF射频发射芯片将数据发射出来，接收模块接收射频数据，然后分析、处理和利用。如图2所示，是本实施例中采用的一种轮胎压力监测模块结构示意图，该模块包括具有压力、温度、加速度、电压检测和后信号处理ASIC芯片组合的智能传感器片上系统112、4-8位单片机122、RF射频发射芯片132、天线142和锂电池152。本实施例采用摩托罗拉(Motorola)公司开发生产的压力传感器，它采用基于MEMS技术的硅集成电容式压力传感器MPXY8020A作为胎压检测单元，具有低功耗和全集成的特点，也可以采用其他类似的压力传感器，在此不作限制。本实施例采用采用32针封装的MC68HC908RF2作为信号控制处理与发射单元，它是一个8位单片机和UHF(Ultra-High Frequncy，超高频)发射器集成在一起的器件，采用MC33594作为接收单元。

如图1所示，制动压力信号用于实时掌握汽车的制动压力，进而了解汽车的制动减速度，在系统中作为电子真空助力器302的控制反馈信号。当然，系统也可以以纵向加速度信号作为控制反馈信号，两者基本可以达到同样的控制效果，但制动压力信号获取更为容易，信号受干扰小，另外压力传感器较加速度传感器价格也便宜。因此，本实施例中选用制动压力信号作为控制反馈信号，将制动压力传感器接到汽车制动主缸之后的制动管路中即可获取相应的制动压力。本实施例选用深圳安泰测控有限公司生产的型号为AT8033的制动压力传感器，其采用MEMS和ASIC技术设计制造而成，特别适用于恶劣的汽车环境中，可在高低温、振动、热冲击和机械冲击以及化学污染等恶劣环境中使用，也可以采用其他类似的制动压力传感器，在此不作限制。AT8033型制动压力传感器量程可达15MPa，输出为0～5V之间线性变化的模拟电压信号。

转向角度信号是反映汽车转向角度大小的信号，可以采用不同的信号来表示，如方向盘转角信号或转向轮转动角度信号等。在本实施中，采用BI公司生产的型号为LH3-SX-4300A的方向盘转角传感器，安装在方向盘下侧的转向柱上，其量程为-900⁰～+900⁰，可抗10g的冲击力，适用于车载环境，也可以采用其他类似的方向盘转角传感器，在此不作限制。其输出信号为两路模拟电压信号，一路用于判断方向盘转动的方向及圈数，另一路用于判断方向盘在该圈内所转过的角度。

横摆信号是反映车辆横摆运动情况的信号，可以用横摆角速度信号来表示。在本实施例中，横摆角速度信号用于对爆胎情况的进一步判断。在爆胎情况发生时，轮胎压力急剧下降，这时反映在横摆角速度上也是急剧变化的，这种情况对车辆的安全控制应该是以尽量大的制动压力使车辆减速，并保持车辆方向稳定性。然而，往往有些大车在一个轮轴上的一侧有两个车轮，即使一个车轮爆胎，车辆仍然能够正常行驶，这时需要车辆以较小的减速度降低车速，避免紧急刹车所带来的安全隐患。本实施例采用BEI公司生产的型号为LCG50-00100-100的横摆角速度传感器，安装在靠近车辆质心的位置。LCG50-00100-100型横摆角速度传感器额定输入电压为5Vdc，量程为±100⁰/s，满足车辆使用要求。其输出为0~5V之间变化的模拟电压信号，也可以采用其他类似的横摆角速度传感器，在此不作限制。

信号采集控制器101用来采集上述各个车辆的状态信号，并对这些状态信号进行放大、整形和滤波等技术处理，将处理后的状态信号通过车载CAN总线5发送到其他三个电控单元中。如图3所示，本实施例所设计的信号采集控制器101包括单片机111、4路A/D采集外围电路及1路CAN总线收发外围电路。在本实施例中，单片机111采用摩托罗拉公司生产的型号为MC9S08DZ60的8位单片机，也可以采用其他类似的单片机芯片，在此不作限制。

信号采集控制器101的第一路A/D转换电路的输入端ADINO连接方向盘转角传感器用于判断方向盘转动的方向及圈数的信号输出端；第二路A/D转换电路的输入端ADIN1连接方向盘转角传感器用于判断方向盘在该圈内所转过的角度的信号输出端；第三路A/D转换电路的输入端ADIN2连接横摆角速度传感器的信号输出端，第四路A/D转换电路的输入端ADIN3连接制动压力传感器的信号输出端。其中，电容C3、C4、电阻R2构成第一路A/D转换电路的滤波减噪电路，该滤波减噪电路的电容C3与C4串联，且二者的接点与地线相连，且该滤波减噪电路一端连接输入端ADINO，另一端同时连接单片机111和二极管D1的正极，D1的负极连接电源电压VCC。电容C5、C6和电阻R3构成第二路A/D转换电路的滤波减噪电路，该滤波减噪电路的电容C5与C6串联，且二者的接点与地线相连，其一端连接输入端ADIN1，另一端同时连接单片机111和二极管D2的正极，D2的负极连接电源电压VCC。电容C7、C8和电阻R4构成第三路A/D转换电路的滤波减噪电路，该滤波减噪电路的电容C7与C8串联，且二者的接点与地线相连，其一端连接输入端ADIN2，另一端同时连接单片机111和二极管D3的正极，D3的负极连接电源电压VCC。电容C9、C10和电阻R5构成第三路A/D转换电路的滤波减噪电路，该滤波减噪电路的电容C9与C10串联，且二者的接点与地线相连，其一端连接输入端ADIN3，另一端同时连接单片机111和二极管D4的正极，D4的负极连接电源电压VCC。这四路滤波减噪电路用于滤掉模拟电压信号中的高频噪声，以防止后续A/D采样过程中发生信号混叠。二极管D1、D2、D3、D4用于保证电子控制单元的A/D端口的输入电压不超过电源电压VCC。本实施例中，C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9和C10均为1uF，其可以为电解质电容，也可以是其它类型的电容。电阻R2、R3、R4和R5电阻大小为50kΩ。

信号采集控制器101中还包括一路CAN总线收发外围电路，用于从车载CAN总线5中接收车速信息及从胎压监测模块中接收各个轮胎的压力信息。CAN总线收发外围电路采用PCA82C250芯片U1作为驱动器。PCA82C250是专用的CAN驱动芯片，它对总线提供差动发送能力，为微处理单元提供差动接收能力，它完成CANH、CANL和CAN发送、CAN接收之间的转换。PCA82C250芯片U1的管脚1与单片机111的管脚29连接，PCA82C250芯片U1的管脚4与单片机111的管脚30连接。PCA82C250芯片U1的管脚7和管脚6分别接车载CAN总线5的高端和低端。电容C2和C11并联连接构成PCA82C250芯片U1的滤波稳压电路，它们一端与PCA82C250芯片U1的管脚3连接，另一端与PCA82C250芯片U1的管脚2连接，同时PCA82C250芯片U1的管脚3还与电源电压VCC相连，PCA82C250芯片U1的管脚2与地线相连。

2)主控制单元

如图1所示，主控制器201中包括一单片机(图中未显示)，主控制器201基于车辆状态信息，尤其是轮胎压力的变化情况，实时判断车辆的安全状态，在车辆爆胎危险情况下，向纵向控制器301和横向控制器401发出控制指令，使车辆能够安全减速或停车。

3)纵向安全执行单元

电子真空助力器302是一种纵向制动执行装置，它可以实现在驾驶员没有踩下制动踏板的情况下自动刹车。如图4所示，其实现电控制动的原理是在真空助力器312内部装有一电磁铁322，电磁铁322通电后产生的电磁力驱动真空助力器1内部的相关部件运动，类似于驾驶员踩下踏板后制动推杆产生的位移和推力，进而使真空助力器1产生相应的制动推力，进而产生制动压力。在本实施例中使用奔驰公司生产的BAS电子真空助力器作为纵向制动执行装置。

如图5所示，纵向控制器301包括单片机311、一路电磁铁PWM(Pulse WidthModulation，脉宽调制)驱动外围电路及一路CAN总线收发外围电路。在本实施例中，单片机311采用摩托罗拉公司生产的型号为MC9S08DZ60的8位单片机，也可以采用其他类似的单片机芯片，在此不作限制。

纵向控制器301采用PWM信号对电子真空助力器302的电磁铁322进行控制，因此在单片机311外围需增加一路PWM驱动电路。其中，SN7407N芯片U2用于将单片机311发出的TTL(Transistor-Transistor Logic，逻辑门电路)类型的PWM信号转换成MOS(Metal-Oxide-Semiconductor，半导体金属氧化物)类型，其一端与单片机311的管脚31相连，一端和光隔元件TLP521U3的管脚2相连。光隔元件TLP521U3的作用是将单片机311与后续的驱动电路中的强电隔离开，其管脚1经过一个510Ω的限流电阻R1后和电源电压VCC相连，其管脚4接车辆蓄电池正极+12V，管脚3接一MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化层-半导体-场效晶体管)管Q1的栅极。本实施例所用MOSFET管Q1的型号为IRFZ48N，其门极和地线相连，漏极PWMOUT1和电子真空助力器302的电磁铁322的负极相连，同时电子真空助力器302的正极接车辆蓄电池的正极+12V。这样，当单片机311发出的PWM信号为低电平时，光隔元件TLP521 U3的管脚4和管脚3导通，MOSFET管Q1的栅极为高电平，此时Q1的漏极和源极之间导通，从而使得电子真空助力器302的电磁铁电路形成回路，电磁铁322开始工作；反之，当单片机311发出的PWM信号为高电平时，光隔元件TLP521 U3的管脚4和管脚3不导通，MOSFET管Q1的栅极为低电平，此时Q1的漏极和源极之间也不导通，从而使得电子真空助力器302的电磁铁电路回路断开，电磁铁322不工作，从而达到控制电磁铁322的开断进而控制车辆制动压力的目的。另外，还将一个二极管D1和电磁铁322并联，且D1的正极接在Q1的漏极PWMOUT1上，即接电磁铁322的负极，D1的负极接车辆蓄电池的正极，其主要作用是保证在断电之后，电磁铁322的剩余电动势能通过D1形成的回路迅速消失。

纵向控制器301中也包括一路CAN总线收发外围电路，用于从主控制器201接收期望制动压力和期望节气门开度等控制指令，并将期望节气门开度值通过车载CAN总线5发送给节气门执行装置303。该CAN总线收发电路采用PCA82C250芯片U4作为驱动器。PCA82C250芯片U4的管脚1与单片机311的管脚29连接，PCA82C250芯片U4的管脚4与单片机311的管脚30连接。PCA82C250芯片U4的管脚7和管脚6分别接车载CAN总线5的高端和低端。电容C1和C1并联连接构成PCA82C250芯片U4的滤波稳压电路，它们一端与PCA82C250芯片U4的管脚3连接，另一端与PCA82C250芯片U4的管脚2连接，同时PCA82C250芯片U4的管脚3还与电源电压VCC相连，PCA82C250芯片U4的管脚2与地线相连。

节气门自动控制装置303的作用是：当出现爆胎情况时，驾驶员没有及时意识到或意识到而没有及时松开加速踏板，则节气门自动控制装置303自动关闭节气门，保证爆胎后在电子真空助力器302的作用下制动的同时，发动机处于最小油门状态。节气门自动控制装置303的实现途径有多种方式，最简单的就是车辆采用的是电子节气门，这样可直接发送节气门控制指令，即可以实现对节气门的控制。利用这种控制方式，对于新生产的车辆来说需要汽车生产企业来完成，对于在用车来说需要汽车生产企业参与完成，因为这涉及到整车通讯协议的问题。当然，对于没有电子节气门的车辆来说，也可以通过其他机构实现节气门的自动控制。如图6所示，本实施例的节气门自动控制装置303包括节气门控制器313和电机执行装置323两部分，节气门控制器313以主控制器201期望的节气门开度作为输入，以油门踏板333的实际踏板位置作为反馈，控制电机执行装置323调节节气门体343的开度。节气门自动控制装置303既可以用于自适应巡航等系统，也可以用于本发明所需要的对节气门的控制。其工作原理是：在自动控制关闭状态下，当驾驶员踩下油门踏板333时，油门踏板位置传感器检测此传感器的输出信号，可以获得驾驶员期望的节气门开度，节气门控制器313控制电机执行装置323拉动节气门体343，实现驾驶员期望的节气门开度。为了实现本发明的控制需求，节气门控制器313可以由纵向控制器301代替，当纵向控制器301接收到主控制器201发出的爆胎节气门控制指令后，直接驱动电机执行装置323，使其关闭原车节气门。本实施例中是与汽车生产企业合作，采用的是直接控制电子节气门的方式，即纵向控制器301通过车载CAN总线5向电子节气门发送期望节气门开度信息，进而实现对节气门的控制。

4)横向安全执行单元

如图7所示，横向控制器401的基本结构和组成为：

(1)稳压模块411：稳压模块411由车载电池供电，由LM2596S_12V将电压稳压到12V，这个电压供给半桥驱动芯片驱动MOSFET。稳压后的12V电压再次经过LM2596S_5V降压到5V，作为逻辑电压供给半桥驱动芯片和单片机模块421。

(2)单片机模块421：电路采用摩托罗拉公司生产的MC9S08DZ60作为控制芯片，通过车载CAN总线5从信号采集控制器101中获取车速、横摆角速度、方向盘转矩和车胎状态等信息。通过精密电阻采样，可以获取电源电压和电机电流信号，从而进行安全检测及电机控制。

(3)电机驱动模块431：电控转向辅助电机402采用H桥驱动，每个半桥的MOSFET都是由专用的半桥驱动芯片(IR2110S)来驱动的。通过采样电控转向辅助电机402电流并反馈到半桥驱动芯片，决定其是否继续工作，从而实现电控转向辅助电机402的过流保护。

横向安全执行单元4根据车速、横摆角速度和方向盘转矩等信息确定电控转向辅助电机402的输出力矩。由直流电机的工作原理可知，电机的基本关系是线性的，改变电机的输入电压，就可以改变电机的转速和输出力矩。采用PWM调制可以很方便的调节电机输入电压，从而实现电机调速。电控转向辅助电机402的转向控制可以通过H桥实现，开启H桥的不同桥臂，即可控制电控转向辅助电机402的转向。一般采用MOSFET作为桥臂的开关元件，通过PWM信号控制MOSFET的导通时间，便可控制电控转向辅助电机402的输入电压，这样就实现了电控转向辅助电机402的转矩控制。

电控转向辅助电机402装在汽车转向系统中，用于在爆胎后能够自动保持车辆行驶方向的稳定性。如图8所示，电控转向辅助电机402通过涡轮-蜗杆机构412连接方向盘转向柱422，传动比为16.5。方向盘力矩传感器432和角位移传感器442安装在电控转向辅助电机402与方向盘452之间，可以测量驾驶员施加在方向盘442上的力矩、方向盘转速以及方向盘452的转角。其工作的基本原则是：当爆胎后驾驶员及时发现并把握方向盘452，则电控转向辅助电机402给驾驶员以辅助力，减轻驾驶员的劳动强度，确保方向稳定性；当驾驶员没有握紧方向盘452，则转电控转向辅助电机402输出较大的驱动力，保障汽车行驶方向的稳定性。

上述实施例中，单片机111和主控制单元2中的单片机可以是独立的两个单片机，也可以集成为一个单片机。

2、系统的控制逻辑

如图9所示，系统首先对车辆状态信息进行实时采集，之后判断车辆是否有某个轮胎的压力值低于事先设定的阈值。当车辆的某个轮胎压力确实是低于该阈值时，这有可能是由于轮胎漏气引起，因此尚不能判定该轮胎发生了爆胎现象，于是继续利用车辆横摆角速度值变化的快慢即横摆角加速度值的大小作为判断条件进一步判断。若车辆横摆角加速度值超过某一阈值，则认为车辆发生了爆胎现象，此时节气门执行装置303将自动关闭节气门，驱动电子真空助力器302使车辆快速制动，并控制电控转向辅助电机402维持车辆的行驶方向稳定性；若车辆横摆角加速度值低于某一阈值，则认为仅是轮胎压力过低而没发生爆胎现象。

3、纵向安全控制

当发生爆胎现象时，纵向安全执行单元将关闭节气门，同时驱动电子真空助力器302使车辆快速制动。理论上，轮胎爆胎时电子真空助力器302能够产生的制动压力越大越好。但在实际应用当中，当制动压力过大时，瞬间产生的极大的减速度将使尚未做出任何反应的驾驶员及乘客发生撞向方向盘甚至挡风玻璃的危险，因此为保障驾驶员及乘客的安全，爆胎后由电子真空助力器302自动产生的制动压力应低于某一阈值。如图10所示，本实施例将轮胎爆胎后的期望制动压力值定为10MPa，并采用PI控制算法对电子真空助力器302进行控制。记期望制动压力为P_des，实际制动压力为P_act，则所用PI控制算法表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}u=K_P(P_{\mathrm{des}}-P_{\mathrm{act}})+K_I{\∫}_0^T(P_{\mathrm{des}}-P_{\mathrm{act}})\mathrm{dt}\\ 0\≤u\≤100\end{array}\right.$

式中，u为纵向控制器输出的控制量，具体表现为PWM信号的占空比，因为占空比只能在0～100之间变化，因此对u也做此限制；K_P为比例项系数，K_I为积分项系数，在本实施例中，取K_P＝5.0，K_I＝0.1。

4、横向安全控制

电控转向辅助电机402提供的助力力矩和车速与横摆角速度相关，EPS系统在车速低时应该提供较大的助力力矩，使转向轻松；车速高时提供较小的助力力矩甚至是阻力距，以使汽车平稳行驶。如图11所示，单片机模块421中的控制算法结合横摆角速度、轮胎状态和方向盘转向力矩，选取相应的助力力矩作为电控转向辅助电机402的期望输出力矩，通过电机驱动模块431驱动电控转向辅助电机402。

电控转向辅助电机402的控制采用PID调节，离散PID控制算法可表述如下：

$P\left(k\right)=K_p\·E\left(k\right)+K_I\·\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}E\left(i\right)+K_D\·[E\left(k\right)-E(k-1)]$

由于电控转向辅助电机402的输出力矩不便于测量，根据直流电机的转向特性和机械特性，逐步将期望力矩转化成期望电流和期望电压作为控制参数。采样电机电流作为反馈值，与期望电流做差后进行PID调节输出电机控制的反馈电压。PID作为一种反馈调节方法，可以减小系统误差，但是存在较大的滞后效应。前馈可以有效提加速系统的响应速度，改善调节品质。因此，根据电控转向辅助电机402的电流和输入电压的关系建立下述前馈环节：

U＝K_E·Φ·(n+I_A·R_A)

通过PID反馈和前馈环节确定电控转向辅助电机402的驱动电压，通过主控制器201计算PWM的占空比，驱动电控转向辅助电机402提供助力。

尽管为说明目的公开了本发明的较佳实施例和附图，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，但是熟悉本领域技术的人员，在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，可作各种替换、变化和润饰。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容，本发明的保护范围以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1、一种汽车爆胎安全控制方法，其包括以下步骤：

1)建立一个汽车爆胎安全控制系统，其包括信号采集单元、主控制单元、纵向安全执行单元和横向安全执行单元，各单元之间通过车载CAN总线通讯；

2)主控制单元在车辆爆胎发生时，向纵向安全执行单元和横向安全执行单元发出控制指令；

3)纵向安全执行单元在接收到控制指令后，通过节气门自动控制装置关闭节气门，并驱动纵向制动执行装置使车辆快速减速；

4)与此同时，横向安全执行单元在接收到控制指令后，控制转向辅助电机使车辆维持原有的行驶方向。

2、如权利要求1所述的汽车爆胎安全控制方法，其特征在于：所述节气门自动控制装置包括节气门控制器和电机执行装置两部分，所述节气门控制器在接收到所述纵向安全执行单元中的控制器的控制指令后，驱动所述电机执行装置关闭节气门。

3、如权利要求1所述的汽车爆胎安全控制方法，其特征在于：所述节气门自动控制装置为设置在原车中的电子节气门，所述纵向安全执行单元中的控制器通过所述车载CAN总线向所述电子节气门发送期望节气门开度信息，进而关闭节气门。

4、如权利要求1或2或3所述的汽车爆胎安全控制方法，其特征在于：所述横向安全执行单元中的控制器采用PI控制算法对所述纵向制动执行装置进行控制，且采用PID控制算法对所述电控转向辅助电机进行控制。

5、一种实现如权利要求1～4所述的汽车爆胎安全控制方法的系统，其特征在于：它包括信号采集单元、主控制单元、纵向安全执行单元和横向安全执行单元；所述信号采集单元包括信号采集控制器和车载传感器；所述主控制单元包括主控制器；所述纵向安全执行单元包括纵向控制器、纵向制动执行装置和节气门自动控制装置；所述横向安全执行单元包括横向控制器和安装在车辆转向系统中的电控转向辅助电机；各单元之间通过车载CAN总线通讯。

6、如权利要求5所述的汽车爆胎安全控制系统，其特征在于：所述节气门自动控制装置包括节气门控制器和电机执行装置两部分，所述节气门控制器根据所述纵向安全执行单元中的控制器的控制指令，驱动所述电机执行装置，由所述电机执行装置驱动所述节气门。

7、如权利要求5所述的汽车爆胎安全控制系统，其特征在于：所述节气门自动控制装置为设置在原车中的电子节气门。

8、如权利要求5或6或7所述的汽车爆胎安全控制系统，其特征在于：所述纵向制动执行装置为安装在车辆中的电子真空助力器。

9、如权利要求5或6或7所述的汽车爆胎安全控制系统，其特征在于：所述电控转向辅助电机通过涡轮-蜗杆机构连接方向盘转向柱，在所述电控转向辅助电机与方向盘之间安装有力矩传感器和角位移传感器。

10、如权利要求8所述的汽车爆胎安全控制系统，其特征在于：所述电控转向辅助电机通过涡轮-蜗杆机构连接方向盘转向柱，在所述电控转向辅助电机与方向盘之间安装有力矩传感器和角位移传感器。

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