CN102951135A - 轮径变化及高速爆胎安全行驶控制和救助系统 - Google Patents

轮径变化及高速爆胎安全行驶控制和救助系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种轮径变化及高速爆胎安全行驶控制和救助系统，包括：用于检测各个车轮的滚动轮径的实时监测模块；用于处理有效轮径的高度变化量的分析与处理模块；中央控制装置，用于根据从所述分析与处理模块传输的各轮的有效轮径的高度变化量判断是否各轮发生有效滚动半径变化或爆胎；以及车轮制动控制模块，在中央控制装置判断出一个车轮发生变化尤其是爆胎后，车轮制动控制模块将同轴两轮的有效轮径差异，在车辆处于直线行驶或者弯道行驶的状态下控制制动装置向各个车轮施加不同大小和不同作用时间的制动力，配合对发动机驱动力的调控，以控制各个车轮的实时行进速度，从而使得轮径发生变化或高速爆胎的车辆保持原稳定行驶状态。

Description

轮径变化及高速爆胎安全行驶控制和救助系统
技术领域
本发明涉及一种车辆发生轮径变化及高速爆胎时的安全行驶控制和救助系统。
背景技术
目前，以ABS、TCS、ESP的为代表的安全行车自动控制技术得到长足的发展，在特定情况下对车辆的安全性和稳定控制起到了很好的、至关重要的辅助作用，但针对高速行车过程中，轮胎有效滚动半径发生明显变化时的行车安全控制和救助问题，却缺乏有效的研究，依据轮径变化特性对车辆进行安全有效对策的技术方案，几乎是空白。
例如在高速公路上，车辆如突发前轮爆胎，轮胎有效滚动半径就会有重大改变，此时，车头会快速偏向爆胎侧，由于巨大的惯性和方向纠正不力，多半会发生翻滚而造成重大交通事故，此时车辆即使装备目前最先进的ESP系统，对防止爆胎引发的重大事故危害的作用也不大。
具体来说，以一般轿车的常用轮胎195/70R 14 77H为例，轮胎的断面宽度为195mm，轮胎本身的断面高度为136.5mm，轮毂半径为355.6mm，总半径为492.1mm，其周长为3090.4mm，，在高速行驶中发生爆胎后，如果轮胎脱落，则该车轮的总半径将从492.1mm最大可减少为轮毂半径355.6mm，滚动半径或轮毂距地的高度减少幅度高达27.74％，则同样角速度时行进的线速度也将减少27.74％，这就意味着同样转动一圈，爆胎轮与同轴非爆胎轮相比，滚动距离将少0.857米。对时速为108km/h的高速车辆，车轮的理论线速度为30米/秒，如右前轮为驱动轮爆胎时，在不对方向进行任何操控的极端情况下，这种规格的非爆胎轮理论上每秒将比爆胎轮多前进8.32米。如爆胎轮与地面的滚动阻力大于非爆胎轮时，差速器的作用将进一步放大非爆胎轮的驱动力，而一般车道的宽度在3.5m左右，汽车两轮之间的轮轴只有不足2米，非爆胎轮可在半秒的瞬间比爆胎轮多行驶一个车道、两个轴距的宽度；尤其在轮胎被撕裂后爆胎轮将瞬间受到巨大滚动阻力，此时差速器将使非爆胎轮飞转，车辆会以该爆胎轮为轴心发生旋转，在0.3秒以内非爆胎轮多走一个车轴距离而使车头调转90度甚至180度，横向占据爆胎侧行车道，而后汽车巨大的前行惯性足以在0.5秒内使得车辆翻滚、甩尾等出现巨大交通事故。
然而，目前汽车行业很少关注轮胎滚动半径的突发变化导致的行车危害及其安全稳定控制问题。针对高速爆胎，其监测技术普遍采用轮胎内部压力是否突降为零来判断。现有的用于轿车的轮胎压力监测系统TPMS主要有两种方式，一种是使用ABS配备的角速度传感器。该方式利用的是气压下降会导致轮胎有效直径减小，从而就会导致轮胎转速的异常增加。另一种方式就是在轮胎内安装气压传感器和温度传感器的直接检测方式。直接方式的检测精度一般比间接方式高。
使用ABS轮速传感器通过左右轮胎转速差检测气压下降的间接方式的优点是只要安装ABS，基本上就不再需要追加成本，但问题是气压测定精度比直接方式低，4个轮都出现轮胎气压下降时无法检测。
直接式TPMS将传感器和射频发射器芯片安装在轮胎气门附近，在轮胎压力过高、过低、快速或慢速漏气，及轮胎温度异常变化时，及时向车载无线接收器报警，从而可提供爆胎发生信息。无论汽车在行驶还是停靠状态，均可随时监测轮胎压力状况，包括备胎。但TPMS却无法进行高速爆胎后的自动救助和车辆的稳定性控制，不能从根本上消除爆胎引发的车毁人亡及可能的连环追尾等重大恶性交通事故。
基于现有TPMS的胎压监测技术，采样频率低，一般在数秒至数分钟才采样一次，无法及时获得爆胎信号，而要及时获得爆胎等胎压异常信息，就必须扩大采样频率，这必然影响电池的使用寿命，同时制作成本高、需要考虑省电模式等，线路设计复杂；其一般位于气门嘴的安装位置，在装卸轮胎时容易损坏胎压监测和发射模块。
而现有的检测胎压的TPMS或BMBS(爆胎检测与制动系统)系统、对车辆在危险情况下进行控制的BMBS和ESP系统，均无法测量和提供严重缺气或爆胎等情况下的轮胎半径变化，从而不能依据各轮有效滚动半径实时信息，对高速行驶的车辆因爆胎等原因导致的有效滚动半径瞬间发生显著改变，进行更加针对性的、更加及时和科学有效的行车控制和救助。
以目前车辆配置的最高级的ESP行车稳定性控制系统为例，其控制逻辑是基于各轮有效滚动半径恒定不变的假设前提。而事实上，判断某轮滚动快慢是否发生变化，不仅要看旋转角速度是否发生改变，还要检测有效滚动半径大小是否发生变化，两种检测本身，缺一不可，只有二者共同结合，才能准确确定各轮的运行状态，也才能对车辆进行科学有效的控制。如仅仅监测各轮角速度快慢和相互差异，而不检测各轮当前的有效滚动半径大小有无变化，势必与某轮严重缺气或突发爆胎的实际情况出现严重偏差，从而导致ESP系统给出严重错误的控制对策。
例如，在左前轮刚刚爆胎瞬间，爆胎轮因缺气滚动阻力突发增大引发的侧向力跑偏累积效果，相对高速行驶车辆的巨大纵向前行惯性是比较弱小的，此时车辆因惯性作用还处于纵向稳定前行状态，ESP还没能监测到车辆达到侧滑或绕竖直轴旋转的临界阈值，但却可首先检测到左前轮角速度明显瞬间增加近30％，此时ESP可能视为左前轮在途径一侧光滑路面而出现打滑趋势，从而对左前轮采取制动措施，以便其角速度与右侧正常轮一致。而右前轮因差速器作用必将获得更大的驱动力，相对左侧爆胎轮在同样的时间要转动更多的距离，这样，ESP参与控制的结果，反而会瞬间诱发突然的、更加巨大的左偏力而导致爆胎车辆掉头、侧翻，此时ESP系统会出现控制上的逻辑混乱，从而引发对策错误而可能导致更加严重的事故危害。
此外，针对高速爆胎事故虽然已有一些对策技术，但无法从根本上消除爆胎车辆高速行进中引发的侧倾力及侧翻危险，无法考虑轮径变化时的行车特性，从而无法有效实施爆胎救助问题，现有公开的技术也无法在实际行车过程中根除爆胎救助过程中引发的追尾事故。对高速行驶车辆可能出现的安全隐患，还有待更加科学、完善的救助对策和安全行车控制方案。
发明内容
因此，针对车辆高速行驶过程中，出现轮胎有效滚动半径变化甚至是突发爆胎时的安全行驶控制及救助问题，本申请提出一种用于车辆高速爆胎故障的救助和适用于轮径发生明显变化时的安全行驶智能控制系统，确保轮径发生变化的车辆安全稳定运行，并将高速爆胎车辆可能导致的人车危害和重大交通事故，降为低至零可能。
根据本发明，提出了一种轮径变化及高速爆胎安全行驶控制和救助系统，包括：用于检测各个车轮的滚动轮径的实时监测模块；用于传输所述实时监测模块的轮径信号的信号传输模块，用于接收来自信号传输模块的轮径信号并进行分析和处理得出有效轮径的高度变化量的各轮的滚动半径的分析与处理模块；中央控制装置，用于根据从所述分析与处理模块传输的各轮的有效轮径的高度变化量判断是否各轮发生爆胎，并实施综合行车控制和爆胎救助功能；以及车轮制动控制模块；在中央控制装置判断出一个车轮发生爆胎后，中央控制装置将执行紧急制动命令和各车轮的有效轮径和各车轮的实时角速度等信息发送给车轮制动控制模块，车轮制动控制模块将根据爆胎车轮的有效轮径和非爆胎车轮的有效轮径的差异，在车辆处于直线行驶或者弯道行驶的状态时，控制制动装置向各个车轮施加不同大小和不同作用时间的制动力，从而控制各个车轮的实时角速度和线速度，从而使得爆胎车辆稳定保持原行驶状态。
优选的是，在车辆处于直线行驶的状态下，车轮制动控制模块通过产生增加同轴非爆胎轮的制动力的制动力控制信号，使爆胎轮的角速度与同轴非爆胎轮的角速度调整为与二者的实时有效滚动半径成反比，从而控制车辆的同轴的两前轮或者两后轮达到相同的线速度；或者在车辆处于弯道行驶的状态下，车轮制动控制模块根据转向角大小和方向，将爆胎轮的角速度与同轴非爆胎轮的角速度差异大小调整为同轴两轮的线速度差异满足弯道行驶的转向角的要求，从而消除爆胎轮因滚动半径、滚动阻力、地面附着力与同轴非爆胎轮差异导致的二者滚动线速度的差异，确保直线行驶时两轮的线速度相同，或速度差异满足弯道行驶的要求，从根本上消除因爆胎诱发的横向侧向力产生的根源，使得爆胎车辆完全处于稳定、安全行驶状态。
优选的是，在上述控制过程中，中央控制装置，会对车轮制动控制模块和发动机驱动控制模块进行联合控制，在产生对车辆必要制动力的同时，增加或减少发动机对车辆的驱动牵引力，确保车辆加速或减速前进，以便车辆以合理速度进行变道操作，尤其是避免高速爆胎救助过程中车速控制不当而与后车发生连环追尾事故。
优选的是，所述中央控制装置在各轮的有效轮径的高度变化量等于有效轮径的高度的最大变化范围Δhmax数值时，判断该车轮发生爆胎；其中Δhmax＝Rmax-Rmin，(Rmax是气压充足时预先测定的车轮的最大有效滚动半径，Rmin是气压完全为零时预先测定的车轮的最小有效滚动半径)；在Δh介于0～Δhmax之间时，则为缺气和严重缺气状态。
优选的是，所述滚动轮径实时监测模块包括一组固定安装在各个车轮轮轴上靠近各轮轮毂的位置处的一个或者多个高度传感器，可以有线方式与中央处理器传输信号，避免采样频率设定高低取舍的麻烦，以便从轮胎的外部利用高度传感器，在车辆行驶过程中实时测定该轮毂距地面高度的实时变化量，来测定各轮的有效滚动半径，其中高度传感器是采用超声波、红外线或激光测量等各类电磁波的轮毂距地面高度的无线测量元件。
优选的是，所述中央控制装置在一轮胎的有效轮径的高度变化量等于有效轮径的高度的最大变化量Δhmax并且该高度变化量在车辆行驶过设定的延时距离仍保持不变时，判断该车轮发生爆胎；如Δh数值稳定在0～Δhmax之间的某一数值，则判断为缺气和严重缺气状态。如出现Δh＞Δhmax(指轮胎完全缺气且轮毂大小也会减小，实际中不会存在；一般在轮胎正好落坑或传感器下部路面比轮胎下部路面高时出现)或Δh＜0为负值(指轮胎的有效滚动半径反而会增大，实际中也不存在，一般出现在轮胎跳离地面的状态)的两种情况，则为路面凸凹异常，此时采集的为干扰数据，车辆行驶一段距离后会自动消失，系统不予考虑。
优选的是，所述轮径变化，可以以通过检测爆胎车辆向爆胎轮方向的侧倾量而判断某轮发生爆胎侧倾量传感器作为辅助判断系统，通过安装在车辆底部的一套侧倾量传感器，利用某轮爆胎后车辆在该处距地面会有一个确定大小的高度降低量Δhmax，该特定高度降低量Δhmax会导致车辆向该方向有一个特定程度的侧倾角θmax，该车身底盘水平面会在爆胎轮运行期间维持一个稳定的倾斜状态，通过对该特定倾斜状态的监测，也可以辅助判定某轮是否发生爆胎或滚动半径是否发生特定的变化量。
优选的是，在中央控制装置判断发生爆胎后经过一段行驶距离，当发现该轮胎的有效轮径的高度变化量不再等于Δhmax，而是恢复到正常数值时，则中央控制装置判定车辆驶过的是凸凹异常的路段，从而发出指令立即解除爆胎救助功能。
优选的是，所述滚动轮径实时监测模块，优先选用从车轮轮胎内部对车轮有效滚动半径进行检测的技术方案，该方案是在每个轮胎内部轮毂上安装检测功能集成模块装置，该集成模块装置，至少包括供电模块、胎冠内侧高度检测传感器、无线发射模块，该检测功能集成模块可以安装在气门嘴处，也可以安装在轮毂上，在该检测装置旋转至最下部时检测的胎冠与轮毂间距的实时变化量，就可以测定出轮胎有效滚动半径的实时变化量，这种检测方式的好处是不受路面异常干扰，处理数据容易可靠，胎冠高度检测模块可在轮毂上安装多处，以成倍提高对轮径变化的检测速度；该胎冠内侧高度检测传感器，可采用超声波、微波、红外线、激光，以无线方式检测胎冠高度变化，也可采用接触式电磁开关、接近开关、位移量检测传感器，以物理直接弹性接触感知胎冠的方式，测量爆胎或严重缺气时胎冠高度的特定降低量，从而判定是否发生爆胎或严重缺气，并获取当前对应的有效滚动半径。
优选的是，上述胎冠高度变化量监测系统的功能设计，可以在发现胎冠高度降低到最大值Δhmax后，在轮胎长时间碾压滚动被轮毂撕裂而同脱离轮毂时，即监测到的实时信号对应的滚动半径远远大于胎压正常时的最大值Rmax时，则本系统会认为轮胎已经脱落而自动采用金属轮毂的半径作为当前的有效滚动半径进行相关对策。
优选的是，上述胎冠高度变化量检测装置的模块功能设计，可仅在胎冠高度降低到最大值Δhmax时，才向外部发射爆胎信号及轮径信号，以延长内部电池寿命。
优选的是，上述从轮胎内部检测轮径变化的检测装置，可以集成加速度、胎压、胎温传感器，从而成为同时具有轮径、胎温、胎压和节电等多功能TPMS升级换代产品VW-TPMS，满足对车辆稳定性控制的更高、更科学要求。
优选的是，该系统还包括爆胎报警模块，爆胎报警模块接收来自中央控制装置的爆胎信号，自动启动对车辆内外的报警功能，并保持该报警功能直到安全停车后自动解除，或通过手动方式人工适时解除为止，对内报警功能包括语音提示、仪表警示灯闪烁；对外报警功能包括将雾灯、四角灯、刹车灯、远近灯点亮，鸣笛、或用专用报警器报警，包括启动四角灯和向有应急停车带一侧的转向指示灯的交替闪烁。
优选的是，还包括方向盘角度测量和稳定模块，该方向盘角度测量和稳定模块可以向中央控制装置提供方向盘转向和角度信息，且在收到来自中央控制装置的爆胎信号后，对于装备有电动助力转向系统的车辆，方向盘稳定模块会自动立即增加方向盘的阻尼力或完全锁紧方向盘，以及在检测到司机有主动转向意图时再适当减少阻尼，便于车辆略微调整方向改变车道。
优选的是，还配有与中央控制装置信号连通的防后车追尾模块，中央控制装置在发生爆胎后实施降低车速的紧急制动功能时，该防后车追尾模块包括用于实时测探本车辆与紧随着的后车之间的间隔距离的探测装置，该间隔距离探测装置将实时检测的间隔距离信号传送给该防后车追尾模块，该防后车追尾模块将该间隔距离首先与一个预定的“制动解除阈值”比较，当该间隔距离小于该“制动解除阈值”时，向中央控制装置发送车辆应急制动解除信号，中央控制装置向车轮制动模块和发动机驱动控制模块发出减速解除控制指令，使车辆保持与后车的安全车距不变；而当防后车追尾模块发现本车与后车的间隔距离仍在进一步快速缩短，则防后车追尾模块将该间隔距离再与一个预定的“加速启动阈值”比较，如果与后车间隔等于或小于该“加速启动阈值”，则向中央控制装置发出加速启动信号，中央控制装置向发动机驱动控制模块进一步发出加速指令，于是在通过车轮制动控制模块保持爆胎轮轮轴上的两轮行进线速度相等或满足弯道行车线速度要求的同时，增加发动机驱动力提高车速，主动增大与后车的安全车距；当车距增加到预定的“制动解除阈值”时，中央控制装置自动解除上述加速功能；当防后车追尾模块发现后车与本车间隔，因报警提示等原因又增大到大于预定的“制动解除阈值”时，中央控制装置将重新启动应急减速功能，降低爆胎车辆高速行车危险；如此反复，控制爆胎车辆车速直至降低到系统预定的“爆胎安全速度”行驶为止。
优选的是，在车辆没有发生爆胎只是出现明显缺气时，如0＜Δh＜0.6Δhmax时，中央控制装置，依据各个轮轴上左右两轮实时角速度和有效轮径实时大小变化量信息和方向盘转角大小，仅仅是启动车轮制动模块、爆胎报警模块、方向盘角度测量和稳定模块、发动机驱动控制模块，实施调控各轮角速度满足车辆安全稳定运行时同轴左右两轮所需实时线速度大小的控制方案，根除轮径变化引发的侧倾力和掉头、甩尾现象发生，并发出对内报警，而由司机决定是否减速或停车检查；而在发现轮胎为异常严重缺气或突发爆胎，如Δh＞0.6Δhmax时，中央控制装置，才向车轮制动模块、报警模块、方向盘角度测量和稳定模块、发动机驱动控制模块和防后车追尾模块发出控制指令，实施防后车追尾的将车辆智能降低到“爆胎安全速度”等的安全行车智能控制和爆胎救助功能。
为了实时、精确地监测高速行驶的车辆爆胎发生或有效滚动轮径的变化，本发明采用足够高的监测采样频率，使得每次车辆行进0.1～0.5米，就完成对爆胎轮有效滚动半径参数的更新，并实施一次避免跑偏力形成和安全车速的调控。
附图说明
图1为根据本发明的包括“VWMS-轮径变化及爆胎监测设备”的“VW-ESP轮径变化及高速爆胎安全行驶控制和救助系统”的结构原理示意图。
具体实施方式：
第一实施例：
如图1所示，本发明提出了一种轮径变化和爆胎监测设备100，该监测设备100包括：车载电源模块101，轮径变化实时监测模块102，车轮角速度实时检测模块103，信号传输模块104和各车轮有效滚动半径、角线速度及实时变化量分析和处理模块105。
该轮径变化实时监测模块102例如由一组固定安装在各个车轮轮轴上靠近各轮轮毂的位置处的一个或者多个高度传感器构成，高度传感器在车辆行驶过程中实时测定该轮毂距地面高度或轮胎高度大小及其实时变化量，其中高度传感器可以是采用超声波、红外线、激光或其他直接或间接方法测量轮毂距地面高度或轮胎高度变化(这里称为各轮的有效轮径的高度变化)的测量元件。也可以通过检测爆胎车辆向爆胎轮方向的侧倾量而判断某轮发生爆胎侧倾量传感器作为辅助判断系统，通过安装在车辆底部的一套侧倾量传感器，利用某轮爆胎后车辆在该处距地面会有一个确定大小的高度降低量Δhmax，该特定高度降低量Δhmax会导致车辆向该方向有一个特定程度的侧倾角θmax，该车身底盘水平面会在爆胎轮运行期间维持一个稳定的倾斜状态，通过对该特定倾斜状态的监测，也可以辅助判定某轮是否发生爆胎或滚动半径是否发生特定的变化量。
这种检测轮胎有效滚动半径实时变化量的方式，优点是可以在线连续测量，不用考虑采样频率和内置电池使用寿命限制，设备和线路简单可靠。
信号输出模块104采用有线线束方式将各轮的实时角速度信号和各轮有效滚动半径实时信号和/或侧倾量信号进行传输。
分析和处理模块105将各轮有效滚动半径实时检测信号进行分析和处理得出有效轮径的高度变化量Δh，即轮毂距地面高度或轮胎高度的变化量。在本发明的图1的实施例中，分析和处理模块105是单独的模块。但是在其它的实施例中，分析处理和输出模块也可以集成到车辆的中央控制系统中成为其的一部分来完成。
图1中的轮径变化和爆胎监测设备100包含在本发明的轮径变化和高速爆胎安全行驶控制和救助系统(VW-ESP)200中。爆胎救助和安全行驶控制系统200包括中央控制装置210，从轮径变化和爆胎监测设备100的分析和处理模块105输出的各轮有效轮径的高度变化信号和各轮的实时角速度信号输出到中央控制装置210，中央控制装置210根据输入的各轮的有效轮径高度变化信号判断在高速行驶中是否有爆胎发生，其判断过程如下：
(1)紧靠轮毂的监测模块103的传感器，通过实时测定轮毂距地高度h，结合传感器本身距轮轴滚动中心的固定距离h1，可得出当前对应的有效滚动半径R(R＝h+h1)，有效滚动轮径R的值介于气压充足时预先测定的最大滚动半径Rmax和气压完全为零时可预先测定的最小有效滚动半径Rmin之间，即：Rmin＜R＜Rmax，由此得出有效轮径的高度的最大变化范围Δhmax＝Rmax-Rmin；
(2)判断有效轮径的高度h的变化量Δh是否接近可预先测定的、胎压完全消失时的最大高度变化量Δhmax，就可判定该轮是否发生爆胎或胎压严重过低；
(3)通过延时处理方法，对采集的误信号进行过滤，可消除路面异常的干扰：即设定一定的延时距离，或根据车速高低设定对应延时时间，在采集到有效轮径的高度变化量(降低量)等于Δhmax时，如该高度变化量(降低量)在车辆行驶过设定的延时距离(如1～3米)仍保持不变，才判断为爆胎发生并实施智能救助功能；否则，在经过该设定的延时距离，通过来自轮径变化和爆胎监测设备100的信号发现有效轮径的高度恢复为正常值，则中央控制装置210将不判断为爆胎发生，从而过滤掉传感器下方偶然有高度为Δhmax凸起物经过、或如车轮本身刚好经过与传感器下方有相对深度刚好经为Δhmax的凹坑路面而采集的误信号；
(4)在监测到行驶中轮胎的有效轮径的高度降低量经过一段距离后又恢复到正常值，不再是等于爆胎特征变化量Δhmax后，中央控制装置具有立即解除爆胎制动救助的功能，自动消除异常路面带来的误信号干扰；
(5)在监测到有效轮径的高度等于或者大于Δhmax特征变化量后，对有TPMS胎压监测功能的车辆，中央控制系统会自动唤醒TPMS的对应分机，进行巡查验证，若TPMS对应分机发送回的是该轮胎压为零或严重过低信息，则中央控制装置将自动启动爆胎智能救助功能；若胎压正常，表明车辆处于驶过凸凹路面或散落物路面，中央控制装置不判定为发生爆胎事故。
如图1所示，轮径变化和高速爆胎安全行驶控制和救助系统(VW-ESP)200还包括连接到中央控制装置210的车轮制动控制模块211、爆胎报警模块212、方向盘角度测量和稳定模块213、发动机驱动控制模块214、及防后车追尾模块215。
中央控制装置210，会对车轮制动控制模块211和发动机驱动控制模块214进行联合控制，在产生对车辆必要制动力的同时，增加或减少发动机对车辆的驱动牵引力，确保车辆不仅可以自动减速，而且也可以自动实施加速功能，以便车辆以合理速度进行变道操作，尤其是避免高速爆胎救助过程中车速控制不科学而与后车发生的连环追尾事故。
在中央控制装置210判断出某个车轮发生爆胎后，将紧急制动执行命令和各车辆的有效轮径和各轮的实时角速度等信息发送给车轮制动控制模块211，车轮制动控制模块211将根据爆胎车轮的有效轮径和非爆胎车轮的有效轮径的差异以及车辆行驶的状态向各个车轮施加不同大小和不同作用时间的制动力，从而使得在车辆的行驶状态下车辆保持原有的稳定行驶状态，防止车辆的行驶方向跑偏等车辆失控危险。这里，车辆的行驶状态可以是直线行驶或者弯道行驶。在直线行驶行驶状态下，车轮制动控制模块211通过控制车辆的同轴的两前轮或者两后轮达到相同的线速度为目标，通过增加同轴非爆胎轮的制动力、结合中央控制装置210对发动机驱动控制模块214控制，使爆胎轮角速度与同轴非爆胎轮角速度调整为与二者的实时有效滚动半径成反比；在弯道行驶的行驶状态下，车轮制动控制模块211根据转向角大小和方向及二者的实时有效滚动半径，将爆胎轮角速度与同轴非爆胎轮角速度差异大小，调整为同轴两轮线速度差异满足弯道稳定行驶要求。
根据本发明的车轮制动控制模块211，表现在结合爆胎轮和同轴非爆胎轮有效滚动半径的动态差异量，或广义讲车辆各个轮轴上左右两个车轮有效滚动半径的动态差异，在剔除弯道转向需要的两轮线速度差异量的情况下，以实现爆胎轮与同轴非爆胎轮(或同轴左右两轮)实时行进的线速度相同为控制目标，通过分别调控施加在两轮上的制动力大小、结合对发动机驱动力大小的控制，以及对其他车轮进行单独/和/或联合制动、驱动等调控功能，而主动根除爆胎导致的爆胎轮和同轴的非爆胎轮，因爆胎后两轮的各向附着力、滚动阻力、滚动半径、滚动角速度出现差异所导致的两轮实际行进的线速度差异，从根本上消除因爆胎而在某车轴上诱发的横向力差异导致的方向跑偏力和由此导致方向失控引发的灾难事故。
同时，爆胎报警模块212在收到来自中央控制装置210的爆胎信号或严重缺气信号后，自动启动车辆的报警功能，启动对车辆内外的报警功能，并保持该报警功能直到安全停车后自动解除，或通过手动方式人工适时解除为止，对内报警功能包括语音提示、仪表警示灯闪烁；对外报警功能包括将雾灯、四角灯、刹车灯、远近灯点亮和鸣笛、或用专用报警器报警，包括启动四角灯和向有应急停车带一侧的转向指示灯的交替闪烁，以便在与后车车距过短、本车车速过高、左右车道又被占道时，提示后车本车异常而便于后车采取主动减速或避让措施。
可选择的是，方向盘角度测量和稳定模块213，除向中央控制装置提供当前的实时转向角度大小和方向外，在收到来自中央控制装置210的爆胎信号后，对于装备有电动助力转向或电液助力转向系统的车辆，方向盘角度测量和稳定模块213会自动立即增加方向转动轮的阻尼力或完全锁紧方向盘，从而防止因突发爆胎时，以及随后的因爆胎轮缺气被高速碾压撕裂导致轮毂着地滚动而瞬间突发巨大跑偏力或甩尾力引发的司机对方向的失控，从而进一步防止事故的发生，在检测到司机有主动转向意图时再适当减少阻尼，便于车辆略微调整方向改变变道。
在本发明有利的实例中，轮径变化和高速爆胎安全行驶控制和救助系统(VW-ESP)200还包括与中央控制装置210信号连通的防后车追尾模块215。该防后车追尾模块215包括用于实时测探本车辆与紧随着的后车之间的间隔距离的探测装置。在探测到严重缺气或爆胎发生后，如Δh＞0.6Δhma，该间隔距离探测装置将实时检测的间隔距离信号传送给该防后车追尾模块215，该防后车追尾模块将该间隔距离首先与一个预定的“制动解除阈值”比较，当该间隔距离小于该“制动解除阈值”时，向中央控制装置210发送车辆应急制动解除信号，中央控制装置210向车轮制动模块211和发动机驱动控制模块214发出减速解除控制指令，控制车速使车辆保持与后车的安全车距不变；而当防后车追尾模块215发现本车与后车的间隔距离仍在进一步快速缩短，则防后车追尾模块215将该间隔距离再与一个预定的“加速启动阈值”比较，如果与后车间隔等于或小于该“加速启动阈值”，则向中央控制装置210发出加速启动信号，中央控制装置210进一步向发动机驱动控制模块214发出加速指令，于是在通过制动控制模块211保持爆胎轮轮轴上的两轮行进线速度相等的同时，增加发动机的驱动力提高车速，主动增大与后车的安全车距；当车距增加到预定的“制动解除阈值”时，中央控制装置210将自动向发动机驱动控制模块214发出指令，主动解除加速功能；当防后车追尾模块215发现后车与本车间隔，因报爆胎警模块212提示等原因又增大到大于预定的“制动解除阈值”时，中央控制装置210将重新启动应急减速功能，降低爆胎车辆高速行车危险；如此反复，直至控制爆胎车辆降低到系统预定的“爆胎安全速度”行驶为止。
在实际实施方案中，可选择的是，在车辆没有发生爆胎只是出现明显缺气时，如0＜Δh＜0.6Δhmax时，中央控制装置210仅仅是启动车轮制动模块211、报警模块212、方向盘角度测量和稳定模块213、发动机驱动控制模块214，依据各个轮轴上左右两轮实时角速度和有效轮径实时大小变化量信息和方向盘转角大小及方向，实施调控各轮角速度满足车辆安全稳定运行时所需同轴左右两轮实时线速度大小的控制方案，确保车辆的安全稳定运行，根除车辆的侧滑和掉头甩尾现象发生，并发出对内报警，由司机决定是否减速或停车检查；而在发现轮胎为严重缺气或突发爆胎，如Δh＞0.6Δhmax时，本系统的中央控制装置210，才按照以上描述的方案，依据实时角速度和有效轮径大小信息，向车轮制动模块211、报警模块212、方向盘角度测量和稳定模块213、发动机驱动控制模块214和防后车追尾模块215发出控制指令和按照进行上述防后车追尾的将车辆智能降低到“爆胎安全速度”等的智能控制和救助功能。
为了实时地精确地检测高速行驶的车辆的爆胎的发生或车轮有效轮径的变化，本专利中以足够高的轮径监测采样频率，使得每次车辆行进0.1～0.5米，就完成对车轮有效滚动半径参数的更新，并实施一次避免跑偏力形成和降低车速的调控。
第二实施例：
如图1所示，本发明提出了一种轮径变化和爆胎监测设备100，该监测设备100包括：车载电源模块101，轮径变化实时监测模块102，车轮角速度实时检测模块103，信号传输模块104和各车轮有效滚动半径、角线速度及实时变化量分析和处理模块105；此外，本发明中的轮径变化和高速爆胎安全行驶控制和救助系统(VW-ESP)200还包括连接到中央控制装置210的车轮制动控制模块211、爆胎报警模块212、方向角度测量和稳定模块213、发动机驱动控制模块214、及防后车追尾模块215。
在本发明的其它的实施例中，与上述图1的实施例唯一所不同的是系统中的轮径变化实时监测模块102的结构和检测方式与第一实施例不同，其他结构和技术方案则类似。
在其它的实施实施实例中，轮径变化和爆胎监测设备100中的轮径变化实时监测模块102，可替换地选用从车轮轮胎内部对车轮有效滚动半径进行检测检测装置和对应的技术方案。
该轮径变化实时监测模块102，不同于上述第一实施例中从轮胎外部间接测定轮胎有效滚动半径实时大小的方式，而是采用在每个轮胎内部的轮毂上，安装轮径变化实时检测功能集成模块装置，直接从内部检测轮胎胎冠在不同缺气情况下的降低的高度，从而直接测定轮胎的有效滚动半径变化，优点是数据精确，处理简单，安装方便，测量不受外部雨雪泥泞环境和路面异常凸凹的干扰，不用对检测的数据进行行驶一定路段的延时确认和过滤处理。
该轮径变化实时监测模块102，至少包括供电模块、胎冠内侧高度检测传感器、无线发射模块；该检测功能集成模块102可以安装在气门嘴处，也可以安装在轮毂上，通过该检测装置旋转至最下部时所检测的胎冠与轮毂间距的实时变化量，就可以测定出轮胎有效滚动半径的实时变化量；胎冠高度检测模块可在轮毂上安装多处，以成倍提高对轮径变化的检测速度；该胎冠内侧高度检测传感器，可采用超声波、红外线、激光等电磁波信号，以无线方式检测胎冠高度变化，也可采用接触式电磁开关、接近开关、位移量检测传感器，以物理直接弹性接触感知胎冠特定位移量的方式，测量爆胎或严重缺气时胎冠高度的降低量，从而判定是否发生爆胎或严重缺气，并获取当前对应的有效滚动半径。
优选的是，在爆胎后因路况原因，比如后部和左右均有车辆占道而无法变道或减速，车辆被迫高速长时间运行，则爆胎轮胎被长时间碾压滚动被轮毂撕裂而脱离轮毂，此时，轮径变化实时监测模块102监测到的实时信号对应的滚动半径，将远大于胎压正常时的最大值Rmax，而本专利技术中的胎冠高度变化量监测系统的功能设计，会自动采用预先设定好的爆胎轮以金属轮毂直接触地滚动的有效半径值，作为当前的有效滚动半径进行相关对策。
在实际实施时，该轮径变化实时监测模块102的功能设计，仅在检测到胎冠高度降低到最大特征值Δhmax时，才向发现爆胎时才发射爆胎及轮径信号，以延长内部电池寿命和减少制作成本，提高器件的可靠性。
此外，该轮径变化实时监测模块102，也可以集成加速度、胎压、胎温传感器，从而成为同时具有轮径、胎温、胎压和节电等多功能TPMS升级换代产品VW-TPMS，便于对车辆实施更高、更科学的行车稳定性控制。
与第一实施例一样，本实例中对轮径变化或高速爆胎车辆的救助和安全行驶控制功能，包括发生轮径变化或爆胎的同轴两轮的行进速度调控、转向盘稳定性控制、内外报警功能，以及防后车追尾减速控制4个方面，从而使得爆胎车辆，能够安全稳定地行驶和降低到合理的行驶速度，供司机择机安全停靠到应急停车带上实施更换备胎等操作，避免高速爆胎导致的车辆无法掌控而引发的侧翻、掉头、甩尾以及恶性连环追尾事故发生。
本发明的上述实施例中所示的结构和配置仅仅是示意性的。虽然在本公开中已经详细描述了上述实施例，但是在本质上不脱离在此所述的主题的新颖示教和优点的前提下，许多改进都是可能的。

Claims (17)

1.一种轮径变化及高速爆胎安全行驶控制和救助系统，包括：
用于检测各个车轮的滚动轮径和角速度的实时监测模块；
用于传输所述实时监测模块的轮径和速度信号的信号传输模块；
用于接收来自信号传输模块的轮径信号、速度信号并进行分析和处理得出有效轮径的高度变化量和角线速度变化量的分析与处理模块；
中央控制装置，用于根据从所述分析与处理模块传输的各轮的有效轮径的高度变化量判断是否各轮发生爆胎；以及
车轮制动控制模块，在中央控制装置判断出一个车轮发生爆胎后，中央控制装置将执行紧急制动命令和各车轮的有效轮径和各车轮的实时角速度信息发送给车轮制动控制模块，车轮制动控制模块将根据爆胎车轮的有效轮径和非爆胎车轮的有效轮径的差异，在车辆处于直线行驶或者弯道行驶的状态下控制制动装置向各个车轮施加不同大小和不同作用时间的制动力，以控制各个车轮的实时行进速度，从而使得车辆保持原稳定行驶状态。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在车辆处于直线行驶的状态下，控制车轮制动模块通过产生增加同轴非爆胎轮的制动力的制动力控制信号，控制各轮的制动系统输出制动力，使爆胎轮的角速度与同轴非爆胎轮的角速度调整为与二者的实时有效滚动半径成反比，从而控制车辆同轴的两前轮或者两后轮达到和时刻维持相同的线速度；或者，在车辆处于弯道行驶的状态下，根据转向角大小和方向，将爆胎轮的角速度与同轴非爆胎轮的角速度差异大小调整为同轴两轮的线速度差异满足弯道行驶的转向角的要求。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中央控制装置在各轮的有效轮径的高度变化量等于有效轮径的高度的最大变化范围Δhmax时，判断该车轮发生爆胎，其中Δhmax＝Rmax-Rmin，Rmax是气压充足时预先测定的车轮的最大滚动半径，Rmin是气压完全为零时可预先测定的车轮最小有效滚动半径；在Δh介于0～Δhmax之间时，则判断为轮胎缺气和严重缺气状态。
4.根据权利要求1～3之一所述的系统，其特征在于，所述车轮滚动轮径实时监测模块，包括一组固定安装在各个车轮轮轴上靠近各轮轮毂位置处的一个或者多个高度传感器，从车轮轮胎外部，利用高度传感器在车辆行驶过程中测定该轮毂距地面高度的实时变化量；其中高度传感器是采用超声波、红外线或激光测量轮毂距地面高度的测量元件。
5.根据权利要求1～4之一所述的系统所述轮径变化，可以以通过检测爆胎车辆向爆胎轮方向的侧倾量而判断某轮发生爆胎侧倾量传感器作为辅助判断系统，通过安装在车辆底部的一套侧倾量传感器，利用某轮爆胎后车辆在该处距地面会有一个确定大小的高度降低量Δhmax，该特定高度降低量Δhmax会导致车辆向该方向有一个特定程度的侧倾角θmax，该车身底盘水平面会在爆胎轮运行期间维持一个稳定的倾斜状态，通过对该特定倾斜状态的监测，也可以辅助判定某轮是否发生爆胎或滚动半径是否发生特定的变化量。
6.根据权利要求1～5所述的系统，其特征在于，所述中央控制装置在一轮胎的有效轮径的高度变化量等于有效轮径的高度最大变化值Δhmax并且该高度变化量在车辆行驶过设定的延时距离仍保持不变时，中央控制装置判断该车轮发生爆胎。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，在中央控制装置判断发生爆胎后经过一段行驶距离后，发现该轮胎的有效轮径的高度变化量不再是爆胎时最大变化量Δhmax，而是恢复为稳定的正常值时，则判断为路面局部异常凸凹产生的干扰误信号，中央控制装置立即解除该车轮发生爆胎的判断。
8.根据权利要求1～3之一所述的系统，其特征在于，所述车轮滚动轮径实时监测模块，采用在每个轮胎内部轮毂上安装的检测功能集成模块装置，该集成模块装置包括供电模块、胎冠内侧高度检测传感器、无线发射模块，该检测功能集成模块安装在气门嘴或轮毂上，在该检测功能集成模块装置旋转至最下部时检测的胎冠与轮毂间距的实时变化量，从而测定出轮胎有效滚动半径的实时变化量；该胎冠内侧高度检测传感器，通过采用超声波、红外线或激光，以无线方式检测胎冠高度变化，或者采用接触式电磁开关、接近开关或位移量检测传感器，以物理直接弹性接触胎冠的方式，测量爆胎或严重缺气时胎冠高度的降低量，从而判定是否发生爆胎或严重缺气，并获取当前对应的有效滚动半径。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述的检测功能集成模块装置仅在检测到胎冠高度降低到最大值Δhmax时，才向外部发射爆胎信息及轮径信号。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，上述从车轮轮胎内部对车轮有效滚动半径的检测装置集成有加速度、胎压、胎温传感器。
11.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述检测功能集成模块装置在检测到胎冠高度降低到最低值后，在轮胎长时间碾压转动被轮毂撕裂而同脱离轮毂，监测到的实时信号对应的滚动半径远远大于胎压正常时的最大值Rmax时，则会采用测定的金属轮毂直接触地滚动时的有效半径作为当前的有效滚动半径数值。
12.根据权利要求1～11之一所述的系统，其特征在于，还包括爆胎报警模块，爆胎报警模块接收来自中央控制装置的爆胎信号，自动启动对车辆内外的报警功能，并保持该报警功能直到安全停车后自动解除，或通过手动方式人工适时解除为止，对内报警功能包括语音提示、仪表警示灯闪烁；对外报警功能包括将雾灯、四角灯、刹车灯、远近灯点亮，鸣笛、或用专用报警器报警，包括启动四角灯和向有应急停车带一侧的转向指示灯的交替闪烁。
13.根据权利要求1～12之一所述的系统，其特征在于，还包括方向盘角度测量和稳定模块，方向盘角度测量和稳定模块向中央控制装置提供转向盘的转角大小和方向的实时数据，同时，当收到来自中央控制装置的爆胎信号后，对于装备有电动助力转向系统或电液助力转向系统的车辆，方向盘角度测量和稳定模块，会自动立即增加方向盘的阻尼力或完全锁紧方向盘，以及在检测到司机有主动转向意图时再适当减少阻尼，便于车辆略微调整方向改变车道。
14.根据权利要求1～13之一所述的系统，其特征在于，还包括与中央控制装置信号连通的防后车追尾模块，该防后车追尾模块包括用于实时测探本车辆与紧随着的后车之间的间隔距离的探测装置；在系统判定车辆出现严重缺气或发生爆胎时，该防后车追尾模块与后车的间距探测装置将实时检测的间隔距离信号传送给该防后车追尾模块，该防后车追尾模块将该间隔距离首先与一个预定的制动解除阈值比较，当该间隔距离小于该制动解除阈值时，向中央控制装置发送车辆应急制动解除信号，中央控制装置向制动模块和发动机驱动控制模块发出减速解除控制指令，控制车速使车辆保持与后车的安全车距不变；而当防后车追尾模块发现本车与后车的间隔距离仍在进一步快速缩短，则防后车追尾模块将该间隔距离再与一个预定的加速启动阈值比较，如果与后车间隔等于或小于该加速启动阈值，则向中央控制装置发出加速启动信号，中央控制装置进一步向发动机驱动控制模块发出加速执行指令，于是在通过制动控制模块保持爆胎轮轮轴上的两轮行进线速度相等或满足弯道行驶对速度差异要求的同时，增加发动机驱动力提高车速，主动增大与后车的安全车距；当车距增加到预定的制动解除阈值时，中央控制装置向发动机驱动控制模块发出自动解除加速指令；当防后车追尾模块发现后车与本车间隔，又增大到大于预定的制动解除阈值时，中央控制装置将重新向制动模块发出急减速指令，以便控制爆胎车辆的速度直至降低到预定的爆胎安全行驶速度为止。
15.根据权利要求1-14之一所述的系统，其特征在于，所述中央控制装置对车轮制动控制模块和发动机驱动控制模块进行联合控制，以便在调整各轮角速度而产生对车辆的各车轮进行制动的同时，增加或减少发动机对车辆的输出功率使得车辆加速或减速前进。
16.根据权利要求1～15所述的系统，其特征在于，可在中央控制装置判断车辆为轮胎缺气状态时，如轮胎的有效半径的变化量Δh处于0＜Δh＜0.6Δhmax，设定央控制装置，仅依据各轮轴左右两轮实时角速度和有效轮径大小实时变化量和方向盘转角大小及方向，实时调控各轮角速度，使得同轴左右两轮所需线速度大小，满足车辆进行直线或弯道安全稳定行驶的要求，并启动爆胎报警模块实施内外报警功能。
17.根据权利要求1～16之一所述的系统，所述监测模块102的采样频率使得每次车辆行进0.1～0.5米就完成对车轮有效滚动半径参数的更新。
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