CN108528522A - 一种车辆爆胎后主动安全控制方法 - Google Patents

一种车辆爆胎后主动安全控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种车辆爆胎后主动安全控制方法。该方法主要包括以下步骤：首先，利用胎压传感器和车速传感器实时获取胎压信号和车速信号，如果检测到车辆发生爆胎，并判断车速是否大于驾驶员可控车速，如果大于驾驶员可控车速，EPS系统主动接管转向控制；利用EPS系统的回正控制模式快速纠正前轮转向。其次，利用大力点刹控制车辆减速，通过转矩传感器获得偏驶力矩，EPS系统配合刹车制动，产生相应的转向控制力矩，应对每次点刹产生的冲击，达到维持航向的同时，使车辆速度降低，直至车速降到驾驶员可控车速，EPS系统退出主动接管。该方法不仅能够充分利用EPS系统自带的优势，并且能够避免爆胎导致方向盘的失控跑偏。

Description

一种车辆爆胎后主动安全控制方法
技术领域
本发明涉及电动助力转向系统、电动车辆主动安全控制领域，尤其涉及一种车辆爆胎后主动安全控制方法。
背景技术
车辆行驶中爆胎往往会引发极为严重的交通事故，尤其当车速较高时，甚至造成车毁人亡的后果，因此如何在爆胎后通过主动控制保证车辆的行驶安全性成为了主动安全领域的一大难题。此外，伴随着电动助力转向(EPS)系统成为当代车辆的标配，若能开发出基于爆胎偏航姿态的EPS主动控制系统，必将达到充分节约成本与良好安全保障于一体的效果。
目前，针对爆胎车辆控制方法，国内外一些著名研究机构和学术单位开展了大量工作，归纳总结主要分为以下几类：(1)一种是基于ABS和ESP的爆胎车辆控制方法，该技术的核心是采用电子控制单元实时采集爆胎信号和车速信号，根据采集的爆胎信号，利用ESP的电子控制单元控制关闭节气门和发动机，产生紧急制动；同时，当车速超过设定的阈值时，对方向盘进行锁死。该技术的缺点是紧急制动过程中车辆侧向附着性能变差，加之方向盘锁死，制动性能受限，容易发生侧翻事故，并且该套系统配置较高，成本很高；(2)另一种是基于转向的爆胎车辆控制，该技术的核心是通过爆胎压力传感器检测到爆胎信号时，启动爆胎预警装置，通过电控离合器接通转向电机，从而控制汽车转向。该技术的缺点是并没有充分利用转向系统自带的优势；当速度较高时，也没有考虑制动减速，仅依靠单一的转向控制仍存在较大的安全隐患。
通过以上分析可知当前的爆胎控制技术主要存在以下缺点：首先爆胎后单一的制动减速控制，并没有考虑方向盘的转向，车辆的驶向仍需要由驾驶员来操作；其次，爆胎转向控制过程中，并没有充分利用电动助力转向系统自带的优势，且系统配置较高，成本昂贵，应用前景较差。
发明内容
本发明为弥补现有爆胎控制技术存在的缺陷，克服爆胎导致车辆偏航和失稳造成的人员伤亡和财产损失，提出一种车辆爆胎后主动安全控制方法，实现车辆突然爆胎后，EPS系统可以主动接管驾驶员进行转向，并结合适当的刹车控制，完成主动纠偏，保证车辆的行驶稳定性，直至车速下降到驾驶员可控车速，EPS系统退出主动接管转向控制。为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明提出的一种车辆爆胎后主动安全控制方法，该方法主要是基于EPS系统对爆胎后的车辆进行主动接管转向控制的实现，利用EPS系统的回正控制模式快速纠偏爆胎瞬间方向盘冲击导致的偏航；此外，通过控制器实时纠正方向盘回正后爆胎引起的持续偏航，并在刹车制动减速过程中，EPS系统仍可合理稳定的主动纠偏，配合驾驶员的刹车操作，应对每次刹车产生的偏航，直至车速下降到驾驶员可控车速，EPS系统退出主动接管。
所述EPS系统包括方向盘、输入端扭矩传感器、扭矩角度传感器、转向柱总成、输入端扭矩传感器、磁粉制动器、信号发生器、ECU控制器、电机、电流电压传感器、输出端电机、数据采集卡、信号放大器、电机驱动器、车速和发动机转速信号发生器、运动控制器、胎压传感器的系统。
所述爆胎后EPS系统主动接管是指首先，根据胎压传感器检测胎压信号，并将其存储到ECU中进行处理。当发生爆胎时，EPS系统快速主动接管转向，这里需要设计EPS协调控制器，保证爆胎前后，实现EPS系统从常规转向控制模式快速切换为主动接管转向模式。其次，设计电流补偿控制算法，应对爆胎瞬时引起的方向盘冲击，保证EPS协调控制器快速切换的平滑性。
所述爆胎后EPS接管回正是指在EPS系统在完成快速且平缓的主动接管转向控制后，根据角度传感器实时获取的方向盘角度信息，并判断是否处于回正状态；若没有回正，则利用EPS系统自带的回正控制模式，保证车辆能够维持航向行驶。
所述纠正爆胎带来的持续偏航是指在完成方向盘快速回正控制后，通过转向力矩传感器，得到偏驶力矩，通过该力矩变化以及幅度来设计了一种自适应滑模变结构控制器，控制转向盘输入转向力矩，保证所需大电流的跟随性，从而使方向盘维持航向。
所述应对每次点刹车产生的偏航是指，在EPS系统主动纠偏的过程中，同时需要对车辆进行大力点刹制动，使车辆减速到驾驶员可控车速，而每次的点刹会加剧车辆的偏航；在此，根据加装在刹车踏板上的位移传感器，建立基于刹车踏板开合度与冲击力矩关系，利用磁粉制动器，配合EPS系统的伺服电机实时控制转向力矩，从而应对每次点刹产生的方向盘冲击。通过车速传感器实时获取的车速信息，并判断车速是否小于驾驶员可控车速；若小于，则EPS系统退出主动接管转向；若大于，则重复上述步骤，直至满足要求。
本发明有益技术效果如下：
(1)本发明提出的一种车辆爆胎后主动安全控制方法，在爆胎发生时，电动助力转向系统可以快速主动接管转向，替代驾驶员转向控制；同时，在驾驶员刹车减速过程中，电助力转向系统仍可以合理稳定的主动纠偏，配合驾驶员的刹车操作，直至车速下降到安全车速，电助力转向系统退出主动控制。最后针对EPS系统接管转向控制后，设计相应的控制算法，并进行了硬件在环实验验证。本发明不仅能够保证爆胎车辆维持未爆胎时的航向行驶，而且有效避免了车轮突然爆胎，驾驶员误操作导致的车辆偏航程度加剧，进而造成的人员伤亡和财产损失。
(2)本发明提出的一种车辆爆胎后主动安全控制方法，有效避免了单一的制动控制、方向盘锁死或单一的转向控制造成的车辆失稳或车速较高情况下，转向过度等弊端，保证爆胎车辆行驶安全性、稳定性和舒适性。
(3)本发明在EPS系统主动接管转向控制后，利用了EPS系统的回正控制模式应对爆胎和刹车产生的方向盘冲击，实现方向盘快速回正，并维持航向的目的；充分利用了电动助力转向系统自带的优势，达到了充分节约成本与良好安全保证于一体的效果，开拓了EPS系统的研究价值和开发空间，为无人驾驶技术提供了参考。
附图说明
图1为本发明的电动助力转向系统结构简图；
图2为本发明一种车辆爆胎后主动安全控制方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明一种车辆爆胎后主动安全控制方法，电动助力转向系统总成包括方向盘(1)、输入轴(2)、角度传感器(3)、扭矩传感器(4)、减速器(5)、输出轴转矩传感器(6)、磁粉制动器(7)、ECU(8)、伺服电机(9)、离合器(10)、输出轴(11)、固定支架(12)、EPS系统固定支架底板(13)。EPS的各个性能参数由传感器获取，将传感器获取的数据送入ECU中，并进行数据处理。在EPS试验中，在输出端装载模拟汽车在转向时EPS受到的阻力和冲击；采用伺服电机来模拟驾驶员转向操作；同时，利用伺服电机产生下面爆胎或制动减速产生的反冲击力矩，采用磁粉制动器来模拟提供转向阻力。
为实现EPS系统在爆胎控制方面的积极作用，同时，为了验证一种车辆爆胎后主动安全控制方法中涉及的控制算法的有效性，需要完成电动助力转向系统的总体部件设计，具体如图1所示，其中包括方向盘(1)、输入轴(2)、角度传感器(3)、扭矩传感器(4)、减速器(5)、输出轴转矩传感器(6)、磁粉制动器(7)、ECU(8)、伺服电机(9)、离合器(10)、输出轴(11)、固定支架(12)、EPS系统固定支架底板(13)。通过数据采集卡采集各个传感器获取的性能信号，而信号放大器用来将传感器产生的微弱电信号转换为可以被采集的信号。运动控制器来控制EPS试验台架上的伺服电机对EPS进行加载，根据试验要求控制伺服电机。各类信号发生器是用来模拟试验过程中所需的信号。
本发明实施的总体方案结构示意图如图2所示，首先完成整体电动助力转向系统的构建，包括如图1所述的所有部件。其次，利用传感器实时获取轮胎胎压信号和车速信号，当检测到爆胎发生且车速高于安全车速时，EPS系统快速主动接管转向；考虑到从爆胎发生、EPS系统主动接管、接管后主动回正、纠正爆胎带来的持续偏航、应对每次刹车产生的偏航到控制完成三个过程，分别构建了相应的控制台架，并配合相应的控制算法。三个实验中，利用磁粉制动器(7)产生持续的偏航力矩，利用电机(9)模拟产生爆胎产生的冲击力矩和刹车带来的冲击力矩。这样，单独使用磁粉制动器(7)、电机(9)或者联合使用，可以有效的模拟出在三个关键步骤上的EPS工作环境。
如图2所示，为本发明提出的一种车辆爆胎后主动安全控制方法流程图。
根据图2，并结合图1，本发明的具体实施过程如下：
第一步，根据上述介绍，结合图1所设计的电动助力转向系统构建，完成整体EPS系统的通信和系统的搭建。
第二步，利用车速和发动机信号发生器向EPS系统提供信号，模拟不同行驶车速状态。
第三步，根据信号发生器模拟产生的胎压信号和车速信号，通过信号放大器，利用数据采集卡获取信号，并将其存储到ECU(8)中进行数据处理；当判断发生爆胎且车速高于安全车速时，根据设计的EPS协调控制器规则，实现EPS系统从常规助力模式快速切换为主动接管转向模型，完成EPS系统快速主动接管转向。其次，设计电流补偿控制算法，控制助力电机，克服爆胎瞬时引起的方向盘冲击，实现爆胎后EPS系统快速主动接管转向。
第四步，根据角度传感器实时获取的方向盘角度信息，通过信号放大器，利用数据采集卡获取信号，通过ECU处理，并判断是否处于回正状态；若没有回正，则利用EPS系统自带的回正控制模式，设计模糊自适应PID控制算法控制电机输出扭矩，经输入轴(2)控制方向盘(1)实时做出转向修正，保证车辆能够维持航向行驶，实现爆胎控制的第二个过程接管后主动回正。
第五步，通过加载在EPS系统助力单元下端的转向力矩传感器(6)，得到从转向系统直接传来的偏驶力矩，通过该力矩变化以及幅度来控制转向盘输入转向力矩，设计自适应滑模变结构控制算法，实现控制过程中所需电流的实时性，并通过ECU(8)发出指令，利用磁粉制动器(7)通过大阻尼控制纠正爆胎引起的车辆持续偏航，保证方向盘(1)维持角度，完成爆胎带来的持续偏航。
第六步，在EPS系统主动纠偏的过程中，同时对车辆进行大力点刹车制动，使车辆减速到安全车速。在此，根据加装在刹车踏板上的位移传感器，建立基于刹车踏板开合度与冲击力矩关系，利用磁粉制动器(7)，配合电机驱动器控制伺服电机(9)，从而控制输出转向力矩，实现刹车制动减速过程中，EPS系统仍可合理稳定的主动纠偏，配合驾驶员的刹车操作，应对每次刹车产生的偏航，直至车速下降到驾驶员可控车速，EPS系统退出主动接管。完成爆胎控制的第三个过程应对每次刹车产生的偏航。
第七步，通过车速传感器实时获取的车速信息，经信号放大器，利用数据采集卡的采集，并判断车速是否小于驾驶员可控车速；若小于驾驶员可控车速，EPS系统退出主动接管转向，进入驾驶员操纵模式；若大于驾驶员可控车速，重复第三步到第七步，直至满足要求，EPS系统退出主动接管转向。
结果证明了本发明提出的一种车辆爆胎后主动安全控制方法弥补了现有爆胎控制技术存在的缺陷，克服爆胎导致车辆偏航和失稳造成的人员伤亡和财产损失，实现车辆突然爆胎后，EPS系统可以主动接管驾驶员进行转向，并结合适当的刹车控制，完成主动纠偏，保证车辆的行驶稳定性，直至车速下降到安全车速，EPS系统退出主动接管转向控制。

Claims (5)

1.一种车辆爆胎后主动安全控制方法，其特征在于：车辆爆胎后，EPS系统可以主动接管车辆方向控制，代替驾驶转向操作，并结合制动减速，保证爆胎车辆维持航向的同时，使车速降到驾驶员可控车速(一般20km/h)，EPS系统退出主动接管控制。所述方法的步骤如下：
步骤一：利用胎压传感器和车速传感器实时检测爆胎信号和车速信号，并将信号传送至ECU进行处理；当未检测到车辆发生爆胎，EPS系统按照常规转向控制模式进行工作；当检测到车辆发生爆胎且车速高于驾驶员可控车速时，EPS系统主动接管车辆转向控制；
步骤二：首先，利用EPS的回正控制模式控制伺服电机快速纠正前轮转向，并通过角度传感器实时获取方向盘角度信息，判断是否回正；其次，利用加载在助力单元下端的转向力矩传感器实时获取从转向系统传来的偏驶力矩，根据该力矩的变化以及幅度设计了一种自适应滑模变结构控制器，控制转向盘的输入转向力矩，使得EPS系统快速回到中间位置，克服爆胎引起的方向盘冲击力矩。
步骤三：在EPS系统主动转向回正的同时，配合大力点刹控制，产生大阻尼力从而降低车辆速度，利用加载在刹车踏板上的位移传感器，建立刹车踏板开合度与冲击力矩的关系，通过磁粉制动器，配合电机缓冲刹车产生的方向盘冲击；每一次点刹导致的偏航，实时通过EPS的主动纠偏来完成方向盘回正，使爆胎车辆维持航向，并减速。
步骤四：判断车速传感器获取的车速是否小于驾驶员可控车速，如果小于驾驶员可控车速，则重复步骤二到步骤四；如果大于驾驶员可控车速，直至减小至驾驶员可控车速，EPS系统退出主动接管。
2.根据权利要求1所述的一种车辆爆胎后主动安全控制方法，其特征在于：所述步骤一是指：利用胎压传感器和车速传感器实时获取轮胎胎压信号和车速信号，并将其传送至ECU进行数据处理。其次，设计EPS协调控制器，当检测到爆胎信号且车速高于驾驶员可控车速时，EPS快速的从常规转向控制模式进入主动接管转向控制模式，此时，驾驶员不参与转向操作。
3.根据权利要求1所述的一种车辆爆胎后主动安全控制方法，其特征在于：所述步骤三是指：当EPS系统主动接管转向时，首先，通过转向力矩传感器获取爆胎引起的方向盘冲击力矩，并设计电流补偿控制算法控制电机，克服爆胎瞬间引起的方向盘冲击；其次，利用角度传感器实时获取方向盘角度信息，通过EPS系统的回正控制模式应对主动接管过程中由于迟滞现象导致的偏航；通过加载在EPS系统助力单元下的转向力矩传感器得到偏驶力矩，根据该力矩的变化以及幅度设计了一种自适应滑模变结构控制器，保证所需大电流的跟随性，纠正爆胎导致的持续偏航，从而使方向盘维持航向。
4.根据权利要求1所述的一种车辆爆胎后主动安全控制方法，其特征在于：所述步骤四是指：在实现EPS系统主动转向控制的同时，通过驾驶员大力点刹制动方式，使车辆减速。根据刹车踏板的位移传感器，建立刹车踏板开合度和冲击力矩关系，同时EPS系统配合刹车制动，产生相应的转向控制力矩，应对每次点刹产生的方向盘冲击，这样在刹车踏板踩下时导致方向盘冲击，EPS系统的伺服电机立刻可以做出相应决策，实时控制方向盘回正。
5.根据权利要求1所述的一种车辆爆胎后主动安全控制方法，其特征在于：所述步骤四是指：根据车速传感器实时获取的车速信息，并通过ECU判断是否小于驾驶员可控车速，如果小于，则EPS系统退出主动接管转向；如果大于，则重复步骤三到步骤五，直至车速降到驾驶员可控车速，EPS系统退出主动接管转向。
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