CN110203022A - 一种防侧倾的轮胎自动充压方法及装置 - Google Patents

一种防侧倾的轮胎自动充压方法及装置 Download PDF

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周登辉
黄晶
伍文广
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Abstract

本发明公开了一种防侧倾的轮胎自动充压方法及装置，其方法包括：步骤1，实时采集方向盘转角和所有车轮的胎压；步骤2，当方向盘转角超过预设值时，根据方向盘转角判断车辆转向，再根据车辆转向控制车轮的胎压；当车辆转向为左转时，增大左侧车轮的胎压，同时减小右侧车轮的胎压；当方向盘转角小于预设值时，恢复两侧车轮的胎压；当车辆转向为右转时，增大右侧车轮的胎压，同时减小左侧车轮的胎压，当方向盘转角小于预设值时，恢复两侧车轮的胎压。本发明通过增大转向侧的车轮胎压，使转向侧车轮的体积在适当范围内增大，相应的其半径增大，从而车身的转向侧增高，减小车身左右两边的高度差，提高乘车的舒适性，而且减少车辆侧倾事故的发生。

Description

一种防侧倾的轮胎自动充压方法及装置
技术领域
本发明属于汽车技术领域，具体涉及一种防侧倾的轮胎自动充压方法及装置。
背景技术
科技在发展，时代在进步，随着现代生活水平的不断提高，人们对于生活的舒适度要求也越来越高。汽车成为我们现代生活一种必不可少的工具，是人们上班、出行选承的主流。然而在汽车转弯时，会由于惯性，容易向左或右倾产生一定程度的侧倾，容易使乘客不舒服，甚至晕车现象。而在已有的汽车平衡装置中有通过气囊来控制转弯平衡装置，但不能做到汽车在转弯时平衡的准确。也有利用汽车减震器来保证汽车平衡，而这种装置不能可靠的做到汽车平衡，其他的装置有的结构很复杂，有的成本高昂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种防侧倾的轮胎自动充压方法及装置，以达到汽车在转弯时减少侧倾的发生，提高乘车舒适性。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种防侧倾的轮胎自动充压方法，包括以下步骤：
步骤1，实时采集方向盘转角和所有车轮的胎压；
步骤2，当方向盘转角超过预设值时，根据方向盘转角判断车辆转向，再根据车辆转向控制车轮的胎压；
当车辆转向为左转时，增大左侧车轮的胎压，同时减小右侧车轮的胎压，当方向盘转角小于相应的预设值时，恢复两侧车轮的胎压；
当车辆转向为右转时，增大右侧车轮的胎压，同时减小左侧车轮的胎压，当方向盘转角小于相应的预设值时，恢复两侧车轮的胎压。
由于车辆在转弯时，车身的转向侧低于另一侧，通过增大转向侧的车轮胎压，使转向侧车轮的体积在适当范围内增大，相应的其半径增大，从而车身的转向侧增高，同时降低另一侧的胎压，相应的使车轮的体积在适当范围内减小，减小车身左右两边的高度差，可以提高车内成员乘车的舒适性，而且减少车辆侧倾事故的发生。
进一步地，步骤2中采用PID控制器控制车轮的胎压：
式中，e(t)表示胎压或方向盘转角与相应的预设值之间的误差量，u(t)表示胎压控制量，Kp、Ki、Kd分别表示PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数。
采用PID控制器根据误差量计算胎压控制量，可以通过调节PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数，以满足在实际胎压调节所需的系统响应速度、调节精度、稳态误差和动态特性。
进一步地，所述PID控制器的比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd利用模糊规则按以下步骤进行模糊推理确定：
步骤A1，针对误差量e和误差变化率ec，均设置7个模糊值为{NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}；其中，误差变化率
步骤A2，分别针对比例系数调整量△Kp、积分系数调整量△Ki和微分系数调整量△Kd，均设置7个模糊值为{NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}；
所述误差量e、误差变化率ec、比例系数调整量△Kp、积分系数调整量△Ki和微分系数调整量△Kd与各自的模糊值之间的对应关系，均采用三角隶属函数trimf；
步骤A3，建立模糊规则表；
将误差量e和误差变化率ec作为输入语言变量，比例系数调整量△Kp作为输出语言变量，建立比例系数调整量△Kp与误差量e和误差变化率ec之间的第一模糊规则表；
将误差量e和误差变化率ec作为输入语言变量，积分系数调整量△Ki作为输出语言变量，建立积分系数调整量△Ki与误差量e和误差变化率ec之间的第二模糊规则表；
将误差量e和误差变化率ec作为输入语言变量，微分系数调整量△Kd作为输出语言变量，建立微分系数调整量△Kd与误差量e和误差变化率ec之间的第三模糊规则表；
步骤A4，计算误差量e和误差变化率ec，并在第一模糊规则表、第二模糊规则表和第三模糊规则表中分别查询比例系数调整量△Kp、积分系数调整量△Ki和微分系数调整量△Kd，按照Kp＝Kp+△Kp、Ki＝Ki+△Ki、Kd＝Kd+△Kd更新PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数。
进一步地，通过胎压控制量u(t)控制自动充气阀的开度给所述车轮充气以增大车轮的胎压，通过胎压控制量u(t)控制自动放气阀的开度给所述车轮放气以恢复车轮的胎压。
本发明还提供一种采用上述方法的防侧倾的轮胎自动充压装置，包括：传感器模块、自动充放气模块、PID控制器模块、车载电脑，所述传感器模块和PID控制器模块均与车载电脑连接，自动充放气模块与PID控制器模块连接；
所述传感器模块，用于实时采集方向盘转角和所有车轮的胎压；
所述车载电脑，用于将传感器模块采集方向盘转角与预设值比较，并在方向盘转角超过相应的预设值时，计算胎压或方向盘转角与相应的预设值之间的误差量并传递给PID控制器模块；
所述PID控制器模块，用于根据胎压或方向盘转角与相应的预设值之间的误差量计算控制车轮胎压的胎压控制量。
进一步地，所述传感器模块包括用于采集方向盘转角的方向盘转角传感器和分别与所有车轮对应设置的多个胎压传感器，所述方向盘转角传感器用于采集方向盘的转角，所述胎压传感器用于采集相应车轮的胎压。
进一步地，所述自动充放气模块包括气源装置、自动充气阀和自动放气阀，每个车轮均对应设置有自动充气阀和自动充气阀，所述自动充气阀与气源装置之间通过导气管连通；所述自动充气阀和自动放气阀均与PID控制器模块电气连接。
进一步地，所述气源装置设置于车辆的车轮臂轴与车身之间。
进一步地，还包括与车辆的车轮臂轴对应设置的悬架弹簧，每个车轮臂轴对应至少2个悬架弹簧，每个车轮臂轴对应的所有悬架弹簧均匀固定于车轮臂轴与车身之间。
在车身与车轮臂轴之间设置悬架弹簧，可以减缓车身在转弯时的倾斜程度，进一步提高乘车的舒适性，减少车辆侧倾事故的发生。
有益效果
本发明通过在车辆转弯时增大转向侧的车轮胎压，使转向侧车轮的体积在适当范围内增大，相应的其半径增大，从而车身的转向侧增高，减小车身左右两边的高度差，可以提高车内成员乘车的舒适性，而且减少车辆侧倾事故的发生。
附图说明
图1为本发明所述方法的流程示意图；
图2为本发明所述装置的结构框图；
图3为本发明所述装置应用于车辆中的位置示意图一；
图4为本发明所述装置应用于车辆中的位置示意图二。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，对本发明的技术方案作进一步解释说明。
本发明提供的一种防侧倾的轮胎自动充压装置，如图2-4所示，应用于安装有自动充气式轮胎的汽车，包括：传感器模块、自动充放气模块、PID控制器模块、车载电脑，其中车载电脑与PID控制器模块连接。
传感器模块包括方向盘转角传感器3和分别与所有车轮1对应设置的多个胎压传感器2，所有胎压传感器2和方向盘转角传感器3均与车载电脑连接。其中，方向盘转角传感器3用于采集方向盘的转角，胎压传感器2用于采集相应车轮1的胎压。
所述车载电脑，用于将传感器模块采集方向盘转角与预设值比较，并在方向盘转角超过相应的预设值时，计算胎压或方向盘转角与相应的预设值之间的误差量并传递给PID控制器模块。
所述PID控制器模块，在本发明中选用型号为STM32的控制芯片，用于根据胎压或方向盘转角与相应的预设值之间的误差量计算车轮的胎压控制量，从而控制车轮的胎压。
所述自动充放气模块包括气源装置6、自动充气阀4和自动放气阀5，且每个车轮均对应设置有1个自动充气阀4和1个自动放气阀5，每个车轮臂轴8与车身9之间均设置有1个气源装置6，所有自动充气阀4和自动放气阀5均与PID控制器模块连接。
另外，该轮胎自动充压装置还包括与车辆的车轮臂轴8对应设置的悬架弹簧7，每个车轮臂轴8对应至少2个悬架弹簧7，每个车轮臂轴8对应的所有悬架弹簧7均固定于车轮臂轴8与车身9之间、且所有悬架弹簧7在车轮臂轴8上呈左右对称分布。因此可以利用悬架弹簧的缓冲特性以减缓车身在转弯时的倾斜程度，进一步提高乘车的舒适性，减少车辆侧倾事故的发生。
所述自动充气阀和自动放气阀根据PID控制器模块的胎压控制量以控制开度，实现自动充气阀从气源装置获取气体给车轮的轮胎充气和自动放气阀从车辆轮胎放出部分气体，使车辆左右两侧在车辆转弯时仍保持车身两侧高度一致，减少侧倾的发生，提高乘车舒适度。
本发明还提供一种防侧倾的轮胎自动充压方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1，在车辆行驶过程中，采用方向盘转角传感器实时采集方向盘的转角θ，采用胎压传感器实时采集相应车轮的胎压Pi；
步骤2，当方向盘转角超过预设值(θ0、θ1)时，则认为车辆即将转弯，此时根据方向盘转角θ判断车辆转向：若θ<θ0，车辆转向为左转，此时增大左侧车轮的胎压，同时减小右侧车轮的胎压；若θ>θ1，车辆转向为右转，此时增大右侧车轮的胎压，同时增大左侧车轮的胎压。
由于车辆在左转时，车身的左边低于车身的右边，通过增大左侧车轮的胎压，使左侧车轮的体积在适当范围内增大，相应的其半径增大，同时通过减小右侧车轮的胎压，使右侧车轮的体积在适当范围内减小，相应的其半径减小，从而车身的左边增高，车身的右边降低，减小车身左右两边的高度差，可以提高车内成员乘车的舒适性，减少车辆侧倾事故的发生。
同理，车辆在右转时，车身的右边低于车身的左边，通过增大右侧车轮的胎压，使右侧车轮的体积在适当范围内增大，相应的其半径增大，同时通过减小左侧车轮的胎压，使左侧车轮的体积在适当范围内减小，相应的其半径减小，从而车身的右边增高，车身的左边降低，减小车身左右两边的高度差，可以提高车内成员乘车的舒适性，减少车辆侧倾事故的发生。
当方向盘转角小于预设值，即位于区间(θ0、θ1)内时，则认为转弯完成，则减小至恢复相应侧车轮的胎压。
具体地，通过设置PID控制器以控制增大或减小车轮的胎压，PID控制器的计算方法为：
式中，e(t)表示胎压或方向盘转角与相应的预设值之间的误差量，u(t)表示胎压控制量，Kp、Ki、Kd分别表示PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数。
比例系数Kp可以加快PID控制器进行胎压调节的系统响应速度，提高胎压调节的精度；积分系数Ki可以消除PID控制器进行胎压调节的稳态误差，微分系数Kd可以改善PID控制器进行胎压调节的动态特性。故在本发明中，利用模糊规则根据误差量e和误差变化率ec的不同，为PID控制器设置不同的比例系数、积分系数和微分系数，以满足不同的胎压控制需求。
具体地，PID控制器的比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd利用模糊规则按以下步骤进行模糊推理确定：
步骤A1，针对误差量e和误差变化率ec，均设置7个模糊值为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；其中，误差变化率
步骤A2，分别针对比例系数调整量△Kp、积分系数调整量△Ki和微分系数调整量△Kd，均设置7个模糊值为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；
所述误差量e、误差变化率ec、比例系数调整量△Kp、积分系数调整量△Ki和微分系数调整量△Kd与各自的模糊值之间的对应关系，均采用三角隶属函数trimf；
误差量e对应隶属度函数变量论域范围为：NB[0 0.1667]、NM[0 0.1667 0.3333]、NS[0.1667 0.3333 0.5]、Z0[0.3333 0.5 0.6667]、PS[0.5 0.6667 0.8333]、PM[0.66670.8333 1]、PB[0.8333 1]；
误差变化率ec对应隶属度函数变量论域范围为：NB[0 0.1667]、NM[0 0.16670.3333]、NS[0.1667 0.3333 0.5]、Z0[0.3333 0.5 0.6667]、PS[0.5 0.6667 0.8333]、PM[0.6667 0.8333 1]、PB[0.8333 1]；
比例系数调整量△Kp对应隶属度函数变量论域范围为：NB[0 0.1667]、NM[00.1667 0.3333]、NS[0.1667 0.3333 0.5]、Z0[0.3333 0.5 0.6667]、PS[0.5 0.66670.8333]、PM[0.6667 0.8333 1]、PB[0.8333 1]；
积分系数调整量△Ki对应隶属度函数变量论域范围为：NB[0 0.1667]、NM[00.1667 0.3333]、NS[0.1667 0.3333 0.5]、Z0[0.3333 0.5 0.6667]、PS[0.5 0.66670.8333]、PM[0.6667 0.8333 1]、PB[0.8333 1]；
微分系数调整量△Kd对应隶属度函数变量论域范围为：NB[0 0.1667]、NM[00.1667 0.3333]、NS[0.1667 0.3333 0.5]、Z0[0.3333 0.5 0.6667]、PS[0.5 0.66670.8333]、PM[0.6667 0.8333 1]、PB[0.8333 1]。
步骤A3，建立模糊规则表；
将误差量e和误差变化率ec作为输入语言变量，比例系数调整量△Kp作为输出语言变量，建立比例系数调整量△Kp与误差量e和误差变化率ec之间的第一模糊规则表，如表1所示：
表1 Kp的模糊控制规则表
将误差量e和误差变化率ec作为输入语言变量，积分系数调整量△Ki作为输出语言变量，建立积分系数调整量△Ki与误差量e和误差变化率ec之间的第二模糊规则表，如表2所示：
表2 Ki的模糊控制规则表
将误差量e和误差变化率ec作为输入语言变量，微分系数调整量△Kd作为输出语言变量，建立微分系数调整量△Kd与误差量e和误差变化率ec之间的第三模糊规则表，如表3所示：
表3 Kd的模糊控制规则表
步骤A4，计算误差量e和误差变化率ec，并在第一模糊规则表、第二模糊规则表和第三模糊规则表中分别查询比例系数调整量△Kp、积分系数调整量△Ki和微分系数调整量△Kd，按照Kp＝Kp+△Kp、Ki＝Ki+△Ki、Kd＝Kd+△Kd更新PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数。
按以上各模糊规则表确定PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数，具有以下有益效果：
a.当|e|较大时,应取较大的比例系数Kp和较小的微分系数Kd，以使系统响应加快；且取积分系数Ki＝0，即通过去掉积分作用，以避免较大的超调；
b.当|e|中等时,应取较小的比例系数Kp，以使系统响应具有较小的超调；且取适当的积分系数Ki和微分系数Kd，使系统的响应在适当范围；
c.当|e|较小时,应取较大的比例系数Kp和积分系数Ki，以使系统有较好的稳态性能,而Kd的取值要适当,以避免在平衡点附近出现振荡。
在转弯时需要增大转弯侧车轮的胎压和减小转弯另一侧车轮的胎压，此时PID控制器将得到的胎压控制量u(t)发送给转弯侧车轮的自动充气阀和转弯另一侧车轮的自动放气阀：转弯侧车轮的自动充气阀根据胎压控制量u(t)控制其开度，从气源装置获取气体给转弯侧车轮充气以在适当范围内增大转弯侧车轮的胎压；同时转弯另一侧车轮的自动放气阀根据胎压控制量u(t)控制其开度，将转弯另一侧车轮放出部分气体。
其中，本发明限制车轮的最大充气胎压小于轮胎的最大耐压值，最小放气胎压大于轮胎的标准范围的最小值，以避免爆胎。例如，目前常规材质的轮胎的胎压设定值一般在2.3bar-2.5bar，最大胎压在3.5bar，故本发明限制最大充气胎压小于3.3bar，最小放气胎压大于2.3bar；当然，本发明不排除以后随着轮胎材质在耐压值提升的改进技术中，能更大范围调节车轮的胎压，缩小左右两侧轮胎在汽车转弯过程中的高度差，使本发明汽车在转弯过程中保持平衡的效果更明显。
在转弯完成时需要减小转弯侧车轮的胎压和增大转弯另一侧车轮的胎压，以使两侧车轮的胎压恢复至相等，此时PID控制器将得到的胎压控制量u(t)发送给转弯侧车轮的自动放气阀和转弯另一侧车轮的自动充气阀：转弯侧车轮的自动放气阀根据胎压控制量u(t)控制其开度，从转弯侧车轮放出部分气体，使该转弯侧车轮的胎压恢复到初始值；同时转弯另一侧车轮的自放充气阀根据胎压控制量控制其开度，从气源装置获取气体给转弯另一侧车轮充气，使转弯另一侧车轮的胎压恢复至初始值，从而左右两侧车轮的胎压相等，在车辆非转弯的行驶过程中仍能保持左右平衡，保证车辆内成员的乘车舒适性。
以上步骤2的过程，是在车载电脑中对传感器采集量与相应的预设值进行比较和计算，若满足胎压控制条件则将计算得到的误差量发送给PID控制器完成胎压控制量的计算，再由自动充气阀和自动放气阀根据胎压控制量实现对车轮轮胎在适当范围内充气和放气，使车身左右两边的高度基本一致，减少车辆侧倾事故的发生，同时也提高车辆成员的乘车舒适性。
若判断方向盘转角未超过预设值(θ0、θ1)，车载电脑认为车辆处于非转弯行驶，则不计算误差量，更也不会发送任何数据给PID控制器进行胎压控制，自动充气阀和自动放气阀都处于原始工作状态。
以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种防侧倾的轮胎自动充压方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，实时采集方向盘转角和所有车轮的胎压；
步骤2，当方向盘转角超过预设值时，根据方向盘转角判断车辆转向，再根据车辆转向控制车轮的胎压；
当车辆转向为左转时，增大左侧车轮的胎压，同时减小右侧车轮的胎压，当方向盘转角小于相应的预设值时，恢复两侧车轮的胎压；
当车辆转向为右转时，增大右侧车轮的胎压，同时减小左侧车轮的胎压，当方向盘转角小于相应的预设值时，恢复两侧车轮的胎压。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中采用PID控制器控制车轮的胎压：
式中，e(t)表示胎压或方向盘转角与相应的预设值之间的误差量，u(t)表示胎压控制量，Kp、Ki、Kd分别表示PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述PID控制器的比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd利用模糊规则按以下步骤进行模糊推理确定：
步骤A1，针对误差量e和误差变化率ec，均设置7个模糊值为{NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}；其中，误差变化率
步骤A2，分别针对比例系数调整量△Kp、积分系数调整量△Ki和微分系数调整量△Kd，均设置7个模糊值为{NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}；
所述误差量e、误差变化率ec、比例系数调整量△Kp、积分系数调整量△Ki和微分系数调整量△Kd与各自的模糊值之间的对应关系，均采用三角隶属函数trimf；
步骤A3，建立模糊规则表；
将误差量e和误差变化率ec作为输入语言变量，比例系数调整量△Kp作为输出语言变量，建立比例系数调整量△Kp与误差量e和误差变化率ec之间的第一模糊规则表；
将误差量e和误差变化率ec作为输入语言变量，积分系数调整量△Ki作为输出语言变量，建立积分系数调整量△Ki与误差量e和误差变化率ec之间的第二模糊规则表；
将误差量e和误差变化率ec作为输入语言变量，微分系数调整量△Kd作为输出语言变量，建立微分系数调整量△Kd与误差量e和误差变化率ec之间的第三模糊规则表；
步骤A4，计算误差量e和误差变化率ec，并在第一模糊规则表、第二模糊规则表和第三模糊规则表中分别查询比例系数调整量△Kp、积分系数调整量△Ki和微分系数调整量△Kd，按照Kp＝Kp+△Kp、Ki＝Ki+△Ki、Kd＝Kd+△Kd更新PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过胎压控制量u(t)控制自动充气阀的开度给所述车轮充气以增大车轮的胎压，通过胎压控制量u(t)控制自动放气阀的开度给所述车轮放气以恢复车轮的胎压。
5.一种采用权利要求1至4任一所述的方法的防侧倾的轮胎自动充压装置，其特征在于，包括：传感器模块、自动充放气模块、PID控制器模块、车载电脑，所述传感器模块和PID控制器模块均与车载电脑连接，自动充放气模块与PID控制器模块连接；
所述传感器模块，用于实时采集方向盘转角和所有车轮的胎压；
所述车载电脑，用于将传感器模块采集方向盘转角与预设值比较，并在方向盘转角超过相应的预设值时，计算胎压或方向盘转角与相应的预设值之间的误差量并传递给PID控制器模块；
所述PID控制器模块，用于根据胎压或方向盘转角与相应的预设值之间的误差量计算控制车轮胎压的胎压控制量。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述传感器模块包括用于采集方向盘转角的方向盘转角传感器和分别与所有车轮对应设置的多个胎压传感器，所述方向盘转角传感器用于采集方向盘的转角，所述胎压传感器用于采集相应车轮的胎压。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述自动充放气模块包括气源装置、自动充气阀和自动放气阀，每个车轮均对应设置有自动充气阀和自动充气阀，所述自动充气阀与气源装置之间通过导气管连通；所述自动充气阀和自动放气阀均与PID控制器模块电气连接。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述气源装置设置于车辆的车轮臂轴与车身之间。
9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括与车辆的车轮臂轴对应设置的悬架弹簧，每个车轮臂轴对应至少2个悬架弹簧，每个车轮臂轴对应的所有悬架弹簧均匀固定于车轮臂轴与车身之间。
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