汽車智能輪胎異物檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王獻(xiàn)玉 李文超 劉奎

摘?要：汽車在行駛過(guò)程中如果經(jīng)過(guò)路況特別差的地帶，輪胎有可能會(huì)被異物刺穿造成損傷，進(jìn)而發(fā)生漏氣、爆胎等事故，嚴(yán)重影響行車安全，因此在汽車行駛時(shí)及時(shí)對(duì)地面附近的異物進(jìn)行檢測(cè)以避免發(fā)生輪胎破損是非常重要的。本文著眼于在汽車行駛過(guò)程中的輪胎異物檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際方案，分析了汽車輪胎智能異物監(jiān)測(cè)的主要原理及智能檢測(cè)系統(tǒng)的整理設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：汽車;輪胎;異物;智能化;檢測(cè)裝置

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)飛速步和人民收入水平的提高，如今汽車在我國(guó)的普及率也越來(lái)越高，根據(jù)相關(guān)部門(mén)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截止到2019年上半年，我國(guó)汽車擁有量為3.4億量。日益增多的汽車數(shù)量除給人民生活帶來(lái)便利之外，也為交通安全埋下了隱患。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在高速公路發(fā)生的交通事故中，輪胎故障引發(fā)的事故占百分之十。汽車輪胎工作狀態(tài)是否正常是影響行車安全的一個(gè)重要因素，根據(jù)這幾年來(lái)對(duì)交通事故發(fā)生原因的分析，我們發(fā)現(xiàn)爆胎是造成多起交通事故發(fā)生的主要原因。

1 汽車輪胎異物檢測(cè)重要性及基本原理

汽車在發(fā)生爆胎事故時(shí)輪胎內(nèi)的壓力和溫度會(huì)發(fā)生急劇變化，為了對(duì)汽車輪胎的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，目前大多數(shù)汽車在輪胎上都安裝了相應(yīng)的溫度傳感器和壓力傳感器，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并進(jìn)行處理。但爆胎事故的原因除了超速行駛和高溫之外，更多的是路面異物戳刺輪胎而造成漏氣，因此這種方式并不能做到完全預(yù)防爆胎事故的發(fā)生，還需要及時(shí)對(duì)路面異物進(jìn)行檢測(cè)，以避開(kāi)與異物接觸。一般來(lái)說(shuō)引起爆胎事故的異物主要是碎玻璃、碎陶瓷、石塊、銳利的鐵釘?shù)?，檢測(cè)方法和原理根據(jù)其性質(zhì)不同也有差異，但總體來(lái)說(shuō)主要包括金屬和非金屬兩大類。

1.1 汽車輪胎金屬異物檢測(cè)原理及方法

在汽車行駛過(guò)程中對(duì)路面上的鐵釘和鐵刺等異物進(jìn)行檢測(cè)的基本原理是利用金屬的電磁感性效應(yīng)，所使用的檢測(cè)工具主要是電渦流傳感器。電渦流傳感器由緊密纏繞的線圈組成，并在線圈中通以高頻變化的交變電流，根據(jù)法拉第的電磁感應(yīng)定理，當(dāng)通過(guò)線圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，線圈中的磁場(chǎng)也會(huì)隨之發(fā)生改變，據(jù)此我們可以在線圈的中心軸方向建立高頻變化的交變磁場(chǎng)。用來(lái)檢測(cè)金屬異物的電渦流傳感器固定在汽車輪胎內(nèi)，如果行駛路面存在金屬異物，則在輪胎向異物靠近時(shí)在金屬異物內(nèi)部就會(huì)激勵(lì)出感應(yīng)電流，變化的感應(yīng)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，以此來(lái)抵御自身磁場(chǎng)的變化。同時(shí)金屬內(nèi)部產(chǎn)生的磁場(chǎng)也會(huì)對(duì)電渦流傳感器的磁場(chǎng)大小造成影響，進(jìn)而使得傳感器線圈內(nèi)部的電流電流發(fā)生變化，將電流的變化通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理分析即可大致確定金屬異物的位置和距離，避免與其接觸。

1.2 汽車輪胎非金屬異物檢測(cè)原理及方法

非金屬由于導(dǎo)電性差，所以不能利用電磁感應(yīng)原理來(lái)檢測(cè)。因此我們?cè)趯?duì)非金屬異物進(jìn)行檢測(cè)時(shí)主要使用電容傳感器。根據(jù)對(duì)電容的基本性質(zhì)的了解，電容傳感器中的電容大小主要與電容器之間介質(zhì)的種類，電容器正對(duì)面積和兩板之間的距離有關(guān)，且與面積大小呈正比，與距離長(zhǎng)短成反比。汽車在行駛過(guò)程中電容傳感器兩極之間存在的介質(zhì)主要是空氣，因此可認(rèn)為介電常數(shù)不變。電容傳感器在設(shè)計(jì)過(guò)程中面積已知，因此我們也可認(rèn)為面積不變，所以對(duì)電容量大小具有決定性影響的就是距離因素。在行駛過(guò)程中當(dāng)輪胎上存在玻璃等非金屬異物時(shí)，距離減小，電容增大，通過(guò)外圍電路把電容量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)榭芍苯舆M(jìn)行檢測(cè)的電壓或電流變化，再通過(guò)計(jì)算元件進(jìn)行處理分析即可得到距離信息。

2 汽車智能輪胎異物檢測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

路面的異物種類是不確定的，可能有金屬也可能有非金屬，我們所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備對(duì)這兩類物質(zhì)的檢測(cè)能力，因此在傳感器檢測(cè)元件選擇時(shí)應(yīng)選取電渦流傳感器和電容傳感器。除此之外，輪胎智能異物檢測(cè)系統(tǒng)的基本裝置還應(yīng)包括具有分析處理能力的單片機(jī)、傳感器保護(hù)外殼、外圍支撐電路、與駕駛室主機(jī)相連的數(shù)據(jù)總線、報(bào)警指示燈和蜂鳴器等。

2.1 基本信號(hào)采集與傳輸

承擔(dān)信號(hào)采集任務(wù)的主要是電渦流傳感器以及電容傳感器，在設(shè)計(jì)時(shí)傳感器探頭及其外圍支撐電路安裝于汽車車輪上的安全位置，調(diào)節(jié)探頭的方向，使其面向車輪流水槽，并測(cè)量正常情況下傳感器探頭到車輪頂部的初始距離。當(dāng)汽車輪胎上存在異物時(shí)，傳感器電路中的電流或電壓就會(huì)發(fā)生改變，并通過(guò)數(shù)據(jù)線將信號(hào)傳遞給單片機(jī)系統(tǒng)。

2.2 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析主要通過(guò)異物檢測(cè)系統(tǒng)中的單片機(jī)元件來(lái)進(jìn)行，單片機(jī)中存儲(chǔ)了事先編輯的用于檢測(cè)義務(wù)的算法。由于工作原理不同，金屬異物和非金屬異物的檢測(cè)是兩種不同的算法。單片機(jī)中的中央控制處理器將傳感器收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算分析已判定汽車輪胎上是否存在異物，同時(shí)單片機(jī)將處理之后的結(jié)果傳遞給駕駛室中的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。當(dāng)汽車輪胎上存在石子、金屬等異物之后運(yùn)算結(jié)果會(huì)發(fā)生變化。

2.3 數(shù)據(jù)處理

駕駛室中的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在收到單片機(jī)傳來(lái)的運(yùn)算結(jié)果之后，與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，若發(fā)現(xiàn)存在異常，則啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。異物檢測(cè)報(bào)警指示燈持續(xù)閃爍，蜂鳴器持續(xù)發(fā)生報(bào)警提醒駕駛?cè)藛T停車處理。

3 結(jié)語(yǔ)

在汽車過(guò)程中路面異物是造成輪胎損傷的一個(gè)重要原因，為了有效避免輪胎卡入異物之后持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)而造成的對(duì)輪胎不可逆的損傷，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種汽車輪胎智能異物檢測(cè)系統(tǒng)。汽車輪胎中的智能異物檢測(cè)系統(tǒng)主要由電渦流傳感器、電容傳感器、中央處理部件、傳輸數(shù)據(jù)線路以及蜂鳴器和指示燈等元件構(gòu)成。這種系統(tǒng)可以分別對(duì)金屬物質(zhì)和非金屬物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)可及時(shí)報(bào)警，處理速度快。

參考文獻(xiàn)：

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