車輛前輪爆胎安全聯(lián)動控制系統(tǒng)研究

朱士光，張延彬，曹杰，張帆

（1.山東科技大學(xué)交通學(xué)院；2.山東科技大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，山東 青島 266590）

車輛前輪爆胎安全聯(lián)動控制系統(tǒng)研究

朱士光1，張延彬2，曹杰1，張帆1

（1.山東科技大學(xué)交通學(xué)院；2.山東科技大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，山東 青島 266590）

為解決高速行駛中的汽車發(fā)生前輪爆胎事故產(chǎn)生側(cè)滑失控危險這一問題，對車輛既有的安全控制系統(tǒng)進行改進，引入MSP430單片機為控制核心，采用模塊化設(shè)計方案。將胎壓監(jiān)測技術(shù)、電機驅(qū)動技術(shù)、傳感器技術(shù)等現(xiàn)有成熟技術(shù)進行組合。通過各技術(shù)模塊的聯(lián)動控制，設(shè)計了一套基于控制轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的車輛前輪爆胎安全聯(lián)動控制系統(tǒng)，基于微分平坦的車輛轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角規(guī)劃方法解釋了前輪爆胎的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角控制原理。改進后的車輛安全控制系統(tǒng)在一定程度上解決傳統(tǒng)ABS系統(tǒng)和ESP系統(tǒng)不能對前輪爆胎很好控制的問題。

MSP430單片機；傳感器；緩沖制動；聯(lián)動控制；電機驅(qū)動；轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角規(guī)劃

自20世紀80年代以來，國外學(xué)者就開始對爆胎車輛的安全控制進行研究,但是范圍還只是局限于一般的爆胎理論和試驗研究。Blythe W和Day T.D基于三維仿真的試驗研究中，得到了車輛在不同車速水平發(fā)生爆胎時，駕駛員的應(yīng)急反應(yīng)操作對汽車運行軌跡狀態(tài)的影響。駕駛員操作是否正確以及汽車爆胎時的具體行駛狀況，很大程度上影響了汽車爆胎后的運行狀態(tài)，這些直接決定了爆胎是否會導(dǎo)致危險事故。國內(nèi)也有高速公路上的行車爆胎事故的研究，吉林大學(xué)汽車動態(tài)模擬國家重點實驗室，基于汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng),設(shè)計了一套差動制動的安全控制方案。同濟大學(xué)在整車十二自由度模型的基礎(chǔ)上進行仿真研究,發(fā)現(xiàn)胎壓不同工況下發(fā)生異常時,以橫擺角速度、橫向運行速度和車輛俯仰角速度作為監(jiān)測量，車輛會有不同的運行表征。上述方案仍然只是單一的基于純橫擺力矩進行控制。吉利集團研發(fā)的BMCS技術(shù),主要針對爆胎后車輛的制動系統(tǒng)進行控制。該系統(tǒng)目前僅在吉利汽車相關(guān)車型使用，其它車型也很難改裝使用。

1 系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 爆胎監(jiān)測警示模塊

利用現(xiàn)有的胎壓監(jiān)測器技術(shù)，使胎壓監(jiān)測器通過無線發(fā)送接收裝置與單片機相連。當(dāng)前輪任一側(cè)的輪胎突然爆掉而發(fā)生胎壓的急劇下降時，該輪胎上的胎壓監(jiān)測器會立即發(fā)送數(shù)值信號至單片機；單片機通過分析是否超過臨界值，在此之前在單片機中輸入輪胎氣壓值的正常范圍作為臨界值。單片機中具有邏輯或門電路，若超出臨界值，單片機右側(cè)電路將形成通路，否則保持開路狀態(tài)，通過電路傳輸控制信號至雙閃燈開關(guān)控制器，自動打開前后雙閃燈，警示前后方車輛注意本車爆胎工況。

1.2 控制方向模塊

圖1 方向控制模塊結(jié)構(gòu)

如圖1所示，爆胎信號傳入單片機后，單片機會迅速收集汽車行駛速度信號、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號。當(dāng)汽車行駛速度超過危險值時，此時車輛有爆胎方向失控的危險。單片機根據(jù)接收的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號經(jīng)過分析處理，按照基于微分平坦的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角規(guī)劃原理迅速得出轉(zhuǎn)向盤的安全轉(zhuǎn)角值，并輸出不同占空比的脈沖信號至電機驅(qū)動器中，驅(qū)動電機按照一定的方向轉(zhuǎn)動一定的角度。電機運轉(zhuǎn)帶動齒輪運轉(zhuǎn)，即帶動轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動。此時,轉(zhuǎn)角傳感器再次將轉(zhuǎn)角信號傳入單片機，單片機經(jīng)分析確定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角安全后，發(fā)送控制信號至轉(zhuǎn)向桿上的方向盤鎖死裝置，方向盤鎖死裝置中的彈簧立即伸縮，彈出鋼銷插進方向盤的鎖孔中，方向盤被立即鎖死，從而使汽車可以保持直線行駛；當(dāng)車速低于危險速度值時，單片機作出處理，彈簧迅速收縮，鋼銷拔出，電機與齒輪分離，方向盤自動解鎖，此時駕駛者可以調(diào)控方向靠邊停車。

1.3 緩沖制動模塊

圖2 改進后的制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖2所示，在原有制動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行改進。在原推桿處再加一根推桿，并使該推桿通過一定的動件與電動機相連。如圖2所示，單片機在接收到爆胎信號、速度信號，并分析速度值大于安全速度值后，立即輸出不同占空比的脈沖信號至汽車制動系統(tǒng)中的電機驅(qū)動器，從而使電機間斷性正反方向轉(zhuǎn)動，帶動推桿間斷性作用于制動主缸，以達到間歇輕踩制動踏板的效果。當(dāng)速度降至安全界值以下時，單片機停止輸送脈沖信號，此時圖2中的電動機不再轉(zhuǎn)動，推桿與電動機分離，駕駛者可自由控制制動系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵理論應(yīng)用與實現(xiàn)

2.1 爆胎車輛動力學(xué)模型(圖3）

圖3 車輛正常行駛的動力學(xué)模型

爆胎車輛的安全控制研究的關(guān)鍵是建立一套合理的爆胎車輛動力學(xué)軌跡模型。車輪爆胎后,輪胎的徑向剛度、側(cè)偏剛度、縱滑剛度與側(cè)傾剛度會急劇減小，而滾動阻力系數(shù)則增大。研究發(fā)現(xiàn)，輪胎側(cè)偏剛度和滾動阻力系數(shù)兩個參數(shù)的變化是最影響車輛操縱穩(wěn)定性的因素。因此，本文只考慮輪胎側(cè)偏剛度和輪胎滾動阻力系數(shù)的變化對車輛模型的影響。

2.2 基于微分平坦的車輛軌跡規(guī)劃

由于車輛爆胎后，錯誤的駕駛行為操作會導(dǎo)致車輛方向失去控制。現(xiàn)給定爆胎車輛理想的行駛路徑，從而對車輛理想的方向盤轉(zhuǎn)角進行規(guī)劃。在進行軌跡規(guī)劃時，首先討論汽車的運動狀態(tài)與運行穩(wěn)定性兩者之間的關(guān)系。然后在規(guī)劃過程中通過引入一個能夠表征車輛失控狀態(tài)的參數(shù)，從而確保爆胎車輛規(guī)劃軌跡的結(jié)果具有可靠性與安全性。本文選擇車輛側(cè)向加速度作為衡量前后輪胎整車側(cè)向力的一個特征參數(shù)，同時也作為系統(tǒng)規(guī)劃與控制的狀態(tài)約束指標(biāo)。

爆胎工況下的車輛軌跡控制問題可以描述為：

2.3 直線路徑下爆胎車輛一次軌跡規(guī)劃

設(shè)系統(tǒng)的軌跡是一個關(guān)于時間t的函數(shù)。進行軌跡規(guī)劃的最終目的是得到能使系統(tǒng)的性能參數(shù)指標(biāo)達到最小的輸入量和運行狀態(tài)關(guān)于時間t的函數(shù)。首先要按照圖4對平坦輸出的時間t進行預(yù)處理，然后對爆胎車輛的最優(yōu)化軌跡進行求解。

圖4 方向盤轉(zhuǎn)角曲線

其中，a1，a2，a3，a4為待規(guī)劃求解的參數(shù)。

在進行規(guī)劃時，選擇使爆胎車輛停車的最短時間作為性能參數(shù)指標(biāo)。圖4為通過仿真軟件得到的實驗結(jié)果。待優(yōu)化參數(shù)的計算結(jié)果表示為：

將 a1、a2、a3、a4的上述結(jié)果值代入表達式（2），即可得到爆胎車輛在直線行駛工況下的狀態(tài)及輸入軌跡。在滿足動力學(xué)約束的條件下，結(jié)合上述分析結(jié)果，得出在爆胎工況下車輛安全停車的最短時間大約為 10s。

3 結(jié)論與展望

本研究的成果主要在于車輛前輪爆胎后的安全聯(lián)動控制系統(tǒng)，包括警示、按照安全轉(zhuǎn)角自動鎖死和解鎖方向盤、緩沖制動裝置。該系統(tǒng)在前人研究的基礎(chǔ)上，針對汽車前輪爆胎這一工況具體分析，并運用具體的數(shù)學(xué)模型對轉(zhuǎn)向盤安全轉(zhuǎn)角值進行推算，通過信號傳輸、電機驅(qū)動等一系列成熟技術(shù)的組合，從而實現(xiàn)車輛前輪爆胎的安全控制。該系統(tǒng)的定位是對于ESP、ABS系統(tǒng)的補充，只考慮前輪爆胎這一具體工況進行安全聯(lián)動控制，一定程度上解決了ESP、ABS系統(tǒng)對于前輪爆胎方向失衡的安全控制問題。

[1]郭大鵬.爆胎車輛軌跡控制.長春：吉林大學(xué)，2011.

[2]劉洪光.爆胎車輛穩(wěn)定性協(xié)調(diào)控制策略研究.淄博：山東理工大學(xué)，2016,4： 20-40.

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[4]郭孔輝，王裕民，劉蘊博,等.輪胎側(cè)偏特性的半經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚J].汽車工程，1986

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1671-0711（2017）12（上）-0150-02