CN108482365A - 一种车辆爆胎瞬态车身应急控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车辆爆胎瞬态车身应急控制系统及方法，首先实时监测胎压、温度、载荷、里程、距离及车速变化信息；根据实时监测的信息，利用爆胎检测和预判两个模块，对车辆爆胎种类进行分类和处理；如果判断出即将爆胎，利用爆胎时间点预测公式计算出爆胎时间点，到达时间点启动车身稳定单元、减速单元和警示单元控制车身，包括限制方向盘转角，提供相反的力矩稳定车身，发动机怠速及油门控制进行减速和警示驾驶员爆胎注意事项；如果判断出已经发生爆胎，立即启动上述三个单元控制车身。此系统能够分辨爆胎种类，预测爆胎发生时间点，节省应急启动的时间，稳定车身，避免和警示驾驶员做出错误应急反应。

Description

一种车辆爆胎瞬态车身应急控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种车辆安全行驶系统，具体涉及一种车辆爆胎瞬态车身应急控制系统及方法。

背景技术

有关统计数据显示，在高速公路的交通事故中，10％是由于轮胎故障引起的，而其中爆胎一项就占轮胎故障引发事故总量的70％以上。爆胎是指轮胎在极短的时间里(一般少于0.1秒)因破裂突然失去空气而瘪掉。车辆爆胎瞬态一旦驾驶员做出错误的应急反应，则车毁人亡的概率大增。

高速行驶的车辆在爆胎瞬态，车身会朝向爆胎方向偏移，经验不足的驾驶员的应急反应通常是朝偏移方向反向大幅度打方向盘，猛踩制动；或因紧张误将加速踏板当作制动踩下导致加速，从而诱发事故。

目前，市面有关汽车爆胎的外部装置是TESD爆胎应急安全装置。原理是利用安装在车轮槽上的类似橡胶垫物体，来避免轮胎失压后的金属轮毂直接触地打滑。优点是车辆发生爆胎后，橡胶垫和轮毂咬合在一起，起到有效的支撑作用，有效减小爆胎前后车轮半径的变化量，避免了车身因爆胎引起的大幅晃动和侧滑，有效保持了爆胎时车辆的转向能力和良好的制动性能。

相关申请专利有《车辆爆胎后行驶方向控制方法及控制系统》(申请号：CN201510201193.1)、《一种车辆爆胎分级制动控制装置及控制方法》(公开号：CN103587516A)、《一种爆胎车身稳定控制系统》(申请号：CN201710199904.5)，其中安全装置都只是单方面控制轮胎转速或限制方向盘来处理汽车失控，无法解决车身产生的横摆扭矩引起的车身偏移问题。专利《一种基于导电膜的汽车防爆胎预警装置及其控制方法》(CN201710299332.8)涉及导电膜技术预测爆胎，但对爆胎的可预测与不可预测两种特性，缺乏明显的分辨，从而增加了因爆胎预测不准确而诱发的严重后果。

发明内容

本发明的目的是准确、实时辨别爆胎特性，并快速预测爆胎事件，自主启动爆胎瞬态应急控制系统及方法，避免爆胎引起车身偏移和爆胎瞬态驾驶员应急反应错误造成的严重后果。

本发明采用的技术方案是：

一种车辆爆胎瞬态车身应急控制系统，包括爆胎检测和预判单元、车身稳定单元、减速单元及警示单元，所述爆胎检测和预判单元包括胎压监测装置、温度监测装置、载荷检测装置、里程检测装置、距离传感器、路径偏移检测器，所述载荷检测装置、里程检测装置、距离传感器、路径偏移检测器分别采集数据后发送给存储单元，存储单元再将数据分别发送给爆胎识别模块和爆胎预判模块，判断是否已经爆胎或即将爆胎，并通过数据发送模块发送给车身稳定单元、减速单元和警示单元；所述车身稳定单元包括转矩协调控制器及方向盘转角控制器，方向盘转角控制器用于控制方向盘转角；所述减速单元包括电子限速器、收油缓冲装置、ABS防抱死系统及自动降档装置，用于实现车辆的减速。

作为本方案的优选，所述方向盘转角控制器控制方向盘转角是通过车速检测器检测车速，并将信息传输给方向盘转角控制器实现的；转矩协调控制器通过接Ackermann-Jeantand模型计算的车身动力学运动数据、直接横摆力矩控制器计算的偏移车身相反横摆力矩，从而控制车身。

作为本方案的优选，所述警示单元包括功率放大器、危险报警闪光灯及方向盘震动装置，警示驾驶员爆胎时注意事项。

作为本方案的优选，所述爆胎检测和预判单元包括数据发送模块，所述车身稳定单元、减速单元及警示单元包括数据接收模块，实现数据的传输与接收。

一种车辆爆胎瞬态车身应急控制方法，在爆胎检测和预判单元中，通过多种数据检测装置采集车身信息，并利用两模块(爆胎识别模块和爆胎预判模块)进行判断车辆所处情况，做出不同处理方案来实施车身应急控制。

进一步，所述多种数据检测装置采集车身信息具体为：胎压监测装置、温度监测装置、载荷检测装置和里程检测装置采集车辆实时胎压、胎内温度、载荷和里程数据，距离传感器测量轮毂与地面距离，路径偏移检测器检测路径偏移数据，先对不同的胎压变化程度分类爆胎的种类，若判断出即将爆胎的情况，利用实时储存的车身信息，带入爆胎时间点预测公式，计算出爆胎时间点，再启动车身稳定单元、减速单元及警示单元；若判断出已经爆胎，直接启动车身稳定单元、减速单元及警示单元；爆胎检测和预判单元利用温度、载荷和里程数据带入预测公式计算爆胎时间点，添加两个修正参数，用于修正载荷和行驶里程对轮胎承受最大压强的影响。

进一步，在车身稳定单元，由于车速的不同，利用方向盘转角控制器限制方向盘转角实现对驾驶员方向盘控制；利用Ackermann-Jeantand模型和直接横摆力矩控制器计算偏移车身相反的横摆力矩，转矩协调控制器提供相反的力矩稳定车身。

进一步，在减速单元中，不仅通过ABS防抱死系统减速，而且利用降低档位之后发动机低档的怠速进行减速；由爆胎位置的不同，利用切断油门或放缓油门的方式来阻断或减少动力提供。

进一步，在警示单元中，利用CAN总线控制器控制方向盘震动装置产生方向盘震动、功率放大器播放提前设置好的爆胎注意事项和打开危险报警闪光灯。

进一步，所述爆胎时间点预测公式为其中p为当前轮胎气压，n为轮胎气体物质的量，R为理想气体常数，V为轮胎体积，T(t)为温度关于时间曲线，t*为爆胎预测时间。

本发明的有益效果是：与其他防爆胎预警系统相比，此系统利用爆胎检测和预判单元能够准确、实时地分辨出爆胎的不同种类，并预测出爆胎时间点，从而可以节省应急启动的时间，利用转矩协调控制器稳定车身，利用车身稳定单元中方向盘转角控制器在爆胎瞬间控制方向盘和警示单元避免和警示驾驶员做出错误应急反应。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明的工作流程图；

图3为轮胎冷态压力、载荷与轮胎寿命的关系曲线图，图3(a)为轮胎冷态压力与轮胎寿命的关系曲线图，图3(b)为轮胎载荷与标准行程关系曲线图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明作以下具体的说明。

本发明主要通过对车辆信息的处理，区别爆胎特性，计算爆胎瞬态发生时间点，判定直接启动爆胎瞬态应急控制系统干预车辆。

如附图1所示，本系统分为4个单元：爆胎检测和预判单元、车身稳定单元、减速单元和警示单元，根据爆胎检测和预判单元判断是否已经爆胎或即将爆胎，若判断为其中一种情况，则启动车辆爆胎瞬态车身应急控制系统的其他三个单元：车身稳定单元、减速单元及警示单元。

爆胎检测和预判单元由10个部分组成，分别是胎压监测装置、温度监测装置、载荷检测装置、里程检测装置、距离传感器、路径偏移检测器、爆胎识别模块、爆胎预判模块、存储单元和数据发送模块，胎压监测装置用于监测胎压变化，并将信息传输给存储单元，存储单元将该信息传输给爆胎识别模块和爆胎预判模块；温度监测装置用于监测温度变化，并将信息传输给存储单元，存储单元将信息传输给爆胎识别模块和爆胎预判模块；载荷检测装置用于测量车辆载荷，并将信息传输给存储单元，存储单元将信息传输给爆胎识别模块和爆胎预判模块；里程检测装置用于测量车辆里程数，并将信息传输给存储单元，存储单元将信息传输给爆胎识别模块和爆胎预判模块；距离传感器用于测量轮毂与地面的距离，并将信息传输给存储单元，存储单元将信息传输给爆胎识别模块和爆胎预判模块；路径偏移检测器用于检测当前车体行进路径与现在行进路径变化量，并将信息传输给存储单元，存储单元将信息传输给爆胎识别模块和爆胎预判模块；爆胎识别模块用于将胎压监测装置、距离传感器、路径偏移检测器三种数据进行统一分析，并将信息传输给存储单元，存储单元将信息传输给数据发送模块；爆胎预判模块用于预判爆胎发生的时间点，并将信息传输给存储单元，存储单元将信息传输给数据发送模块；数据发送模块用于把数据发送其他三个单元的数据接收模块。胎压监测装置安装在轮毂上，距离传感器安装在底盘底端，路径偏移检测器安装在倒车镜外壳上，温度监测装置安装在轮毂上，里程检测装置安装在驱动桥壳内部，载荷检测装置安装在汽车减震器内部。

车身稳定单元由6个部分组成，分别是数据接收模块、车速检测器、方向盘转角控制器，Ackermann-Jeantand模型、直接横摆力矩控制器和转矩协调控制器；数据接收模块用于接收爆胎检测和预判单元发送的车辆是否已经爆胎或即将爆胎，并传输给车速检测器、方向盘转角控制器，Ackermann-Jeantand模型、直接横摆力矩控制器和转矩协调控制器，车速检测器用来检测车速，并将信息传输给方向盘转角控制器，方向盘转角控制器用于控制方向盘转角；Ackermann-Jeantand模型计算车身动力学运动数据并发送给直接横摆力矩控制器，直接横摆力矩控制器计算偏移车身相反的横摆力矩，均发送给转矩协调控制器，转矩协调控制器用于给车辆提供偏移车身相反的控制车身横摆力矩。车速检测器安装在驱动桥壳内部，转矩协调控制器安装在轮毂外侧。

减速单元由5个部分组成，分别是数据接收模块、电子限速器、收油缓冲装置、ABS防抱死系统和自动降档装置；数据接收模块用于接收爆胎检测和预判单元发送的车辆是否已经爆胎或即将爆胎，并传输给电子限速器、收油缓冲装置、ABS防抱死系统和自动降档装置，电子限速器用于断开加速踏板，收油缓冲装置用于放缓汽车减速的速度，ABS防抱死系统用于减速，自动降档装置用于降低汽车档位。自动降档装置安装在变速箱内，电子限速器安装在油门控制器上，收油缓冲装置安装在油门踏板下端。

警示单元由5个部分组成，分别是数据接收模块、CAN总线控制器、功率放大器、危险报警闪光灯及方向盘震动装置；数据接收模块用于接收爆胎检测和预判单元发送的车辆是否已经爆胎或即将爆胎，并传输给CAN总线控制器，CAN总线控制器再传输给危险警报警闪光灯、功率放大器和方向盘震动装置，CAN总线控制器用于启动危险警报警闪光灯、功率放大器和方向盘震动装置，危险警报警闪光灯、功率放大器和方向盘震动装置用于警示驾驶员爆胎时注意事项。功率放大器安装在车载音响内，方向盘震动装置安装在方向盘上。

如附图2，具体工作流程如下：

步骤1，胎压监测装置、温度监测装置、载荷检测装置和里程检测装置采集车辆实时胎压、胎内温度、载荷和里程数据，距离传感器测量轮毂与地面距离，路径偏移检测器检测路径偏移数据，所有车辆相关数据均发送给存储单元，转入步骤2。

步骤2，存储单元通过无线通信技术ZigBee或ASK/FSK向爆胎识别模块传递车辆相关数据，爆胎识别模块初步确认胎压是否发生变化，若胎压的发生变化在15％以上，转入步骤3；若胎压存在5％～10％的缓慢变化，并伴着温度的变化，转入步骤4；否则，认为该车没有发生爆胎，返回步骤1。

步骤3，爆胎识别模块对胎压监测装置、距离传感器、路径偏移检测器采集的数据进行统一分析：胎压是否在0.1秒之内减少至0.5倍标准胎压、轮毂与地面距离图像是否符合谐振动规律图像、路径偏移是否大于轮间距宽的0.5倍，若同时满足上述三个标准(即胎压在0.1秒之内减少至0.5倍标准胎压、轮毂与地面距离图像符合谐振动规律图像、路径偏移大于轮间距宽的0.5倍)，则判断车辆爆胎，数据发送模块将爆胎识别模块分析的爆胎结果发送其他单元的数据接收模块，转入步骤6；否则返回步骤1。

步骤4，爆胎预判模块将温度监测装置、载荷检测装置和里程检测装置将测量到的胎内温度、载荷和里程数据带入公式(1)，计算达到预测爆胎时间点：

其中：p为当前轮胎气压；p_max是指轮胎技术规范上的最大压力值，是指任何情况下都不能超过的压力值，一般轮胎出厂时都会有标注；若没有，一般设p_max为汽车轮胎规定标准冷态气压p_s的1.3倍，即p_max＝1.3p_s；n为轮胎气体物质的量，R为理想气体常数，V为轮胎体积，λ、μ为修正参数，t为温度变化的时间，T(t)为温度关于时间曲线，t^*为爆胎预测时间；

具体过程如下：

1)胎内温度监测装置每隔0.5s采集温度数据并记录，作出温度关于时间T-t曲线，对其非线性的T-t曲线进行拟合，得出温度关于时间的拟合公式：

2)在理想气体状态方程(3)中，因为V、n和R是在密封轮胎中，故认其为定值，则气压p随温度T变化而变化，变化符合方程(3)，故得出总方程(4)；

pV＝nRT (3)

3)由于轮胎所受不同载荷和不同冷态压力会引起轮胎行驶最终里程长短的改变，即改变轮胎所能承受最大压强，需要修正方程(4)，以便得到更为精确的爆胎时间点的计算；

参照图3(a)、(b)，轮胎冷态压力变化在标准值60％～120％内，对标准行程的影响不大，即对轮胎承受能力影响不大，故设图3(a)中的修正参数λ＝0.95；轮胎载荷σ对标准行程的影响无法忽视，当载荷σ在标准载荷σ_max的60％时，轮胎可以取得标准的行驶里程；当大于标准载荷σ_max且小于160％的标准载荷σ_max时，对轮胎的标准行驶里程的影响与超出载荷的部分呈线性关系，斜率为超出载荷的部分越多，载荷的部分影响越大，导致行驶里程降低，轮胎承受压强能力减小；设图3(b)中的修正参数μ满足方程：

4)数据发送模块将最终计算的t^*发送其他单元数据接收模块，转入步骤5。

步骤5，车辆即将达到预测爆胎时间点前，转入步骤6。

步骤6，启动车身稳定单元、减速单元和警示单元；

1)车身稳定单元：

A、限制方向盘转角大小，根据车速大小，利用方向盘转角控制器限制方向盘转角的大小；当爆胎时车速超过60km/h，方向盘转角控制器将方向盘锁死，完全限制方向盘转角；车速小于60km/h之后，逐渐减弱方向盘转角控制器的限制程度，直到速度降到安全范围内，取消对方向盘转角的限制；

B、反向力矩抑制车身偏移，利用Ackermann-Jeantand模型和直接横摆力矩控制器计算偏移车身相反的横摆力矩，转矩协调控制器提供相反的力矩稳定车身；Ackermann-Jeantand模型动力学公式如下：

本实施例不考虑车辆的竖直运动、侧倾运动和俯仰运动，故只有横向运动、纵向运动和横摆运动三个自由度；

横向运动方程：

纵向运动方程：

横摆运动方程：

方程(6)、(7)、(8)中：v_x是车速横向分速度，v_y是车速纵向分速度，F_x1、F_y1是左前轮受力的横向与纵向的分力，F_x2、F_y2是右前轮受力的横向与纵向的分力，F_x3、F_y3是左后轮受力的横向与纵向的分力，F_x4、F_y4是右后轮受力的横向与纵向的分力，l₁是车身质心到前轮轮轴的距离，l₂是车身质心到后轮轮轴的距离，l₃是两边轮胎的轮间轮距，J_z为车辆横摆运动发生时的转动惯量，m是车的质量，为车身转向角，ω是车身横摆角速度，C为空气阻力系数，S_c为车辆迎风面积，ρ为空气密度。

根据横摆力矩方程与横向力方程的关系可得方程：

其中M_z为车身横摆力矩，得到力矩M_z之后，利用转矩协调控制器在其余未爆胎车轮分配制动力矩；

2)减速单元：

A、ABS防抱死系统减速，利用ABS防抱死系统的能力，利用其能够使轮胎与地面的滑移率在20％左右的功能，保证车轮与地面的附着力在最大值，从而起到减速作用；

B、自动降档装置减速，利用换挡自动部件使手动挡离合器断开，操纵换挡杆件从高速挡位向低速挡位改变，之后缓慢抬起离合器，利用发动机各档怠速进行减速；

C、判定是否为前轮爆胎，若是，转入3)；否则，转入4)；

3)电子限速器直接切断油门，转入步骤7；

4)加装在电子限速器的收油缓冲装置运行时，开启一直放在加速踏板处的小型液压器使断开加速踏板的速度放缓从而缓慢收油门，转入步骤7。

步骤7、CAN总线控制器控制开启方向盘震动装置提醒驾驶员，转入步骤8。

步骤8、CAN总线控制器控制启动车辆的功率放大器，通知驾驶员发生爆胎注意事项：“不得大幅度转动方向盘”、“不得猛踩制动”、注意后方车辆”等，转入步骤9。

步骤9、CAN总线控制器控制开启危险报警闪光灯。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种车辆爆胎瞬态车身应急控制系统，包括爆胎检测和预判单元、车身稳定单元、减速单元及警示单元，其特征在于，所述爆胎检测和预判单元包括胎压监测装置、温度监测装置、载荷检测装置、里程检测装置、距离传感器、路径偏移检测器，所述载荷检测装置、里程检测装置、距离传感器、路径偏移检测器分别采集数据后发送给存储单元，存储单元再将数据分别发送给爆胎识别模块和爆胎预判模块，判断是否已经爆胎或即将爆胎，并通过数据发送模块发送给车身稳定单元、减速单元和警示单元；所述车身稳定单元包括转矩协调控制器及方向盘转角控制器，方向盘转角控制器用于控制方向盘转角；所述减速单元包括电子限速器、收油缓冲装置、ABS防抱死系统及自动降档装置，用于实现车辆的减速。

2.如权利要求1所述的车辆爆胎瞬态车身应急控制系统，其特征在于，所述方向盘转角控制器控制方向盘转角是通过车速检测器检测车速，并将信息传输给方向盘转角控制器实现的；转矩协调控制器通过接收Ackermann-Jeantand模型计算的车身动力学运动数据、直接横摆力矩控制器计算的偏移车身相反横摆力矩，从而控制车身。

3.如权利要求1所述的车辆爆胎瞬态车身应急控制系统，其特征在于，所述警示单元包括功率放大器、危险报警闪光灯及方向盘震动装置，警示驾驶员爆胎时注意事项。

4.如权利要求1-3任意一项权利要求所述的车辆爆胎瞬态车身应急控制系统，其特征在于，所述爆胎检测和预判单元包括数据发送模块，所述车身稳定单元、减速单元及警示单元包括数据接收模块，实现数据的传输与接收。

5.一种车辆爆胎瞬态车身应急控制方法，其特征在于，在爆胎检测和预判单元中，通过多种数据检测装置采集车身信息，并利用爆胎识别模块和爆胎预判模块进行判断车辆所处情况，做出不同处理方案来实施车身应急控制。

6.如权利要求5所述的车辆爆胎瞬态车身应急控制方法，其特征在于，所述多种数据检测装置采集车身信息具体为：胎压监测装置、温度监测装置、载荷检测装置和里程检测装置采集车辆实时胎压、胎内温度、载荷和里程数据，距离传感器测量轮毂与地面距离，路径偏移检测器检测路径偏移数据，先对不同的胎压变化程度分类爆胎的种类，若判断出即将爆胎的情况，利用实时储存的车身信息，带入爆胎时间点预测公式，计算出爆胎时间点，再启动车身稳定单元、减速单元及警示单元；若判断出已经爆胎，直接启动车身稳定单元、减速单元及警示单元；爆胎检测和预判单元利用温度、载荷和里程数据带入预测公式计算爆胎时间点，添加两个修正参数，用于修正载荷和行驶里程对轮胎承受最大压强的影响。

7.如权利要求6所述的车辆爆胎瞬态车身应急控制方法，其特征在于，在车身稳定单元，由于车速的不同，利用方向盘转角控制器限制方向盘转角实现对驾驶员方向盘控制；利用Ackermann-Jeantand模型和直接横摆力矩控制器计算偏移车身相反的横摆力矩，转矩协调控制器提供相反的力矩稳定车身。

8.如权利要求6所述的车辆爆胎瞬态车身应急控制方法，其特征在于，在减速单元中，不仅通过ABS防抱死系统减速，而且利用降低档位之后发动机低档的怠速进行减速；由爆胎位置的不同，利用切断油门或放缓油门的方式来阻断或减少动力提供。

9.如权利要求6所述的车辆爆胎瞬态车身应急控制方法，其特征在于，在警示单元中，利用CAN总线控制器控制方向盘震动装置产生方向盘震动、功率放大器播放提前设置好的爆胎注意事项和打开危险报警闪光灯。

10.如权利要求6-9任意一项权利要求所述的车辆爆胎瞬态车身应急控制方法，其特征在于，所述爆胎时间点预测公式为其中p为当前轮胎气压，n为轮胎气体物质的量，R为理想气体常数，V为轮胎体积，T(t)为温度关于时间曲线，t*为爆胎预测时间。