基于汽車爆胎時主動安全控制仿真系統(tǒng)設計研究

張立霞 賈佳 賈同國

摘 要：?設計了一種爆胎應急主動安全制動系統(tǒng)，根據(jù)爆胎產(chǎn)生的附加橫擺力矩建立了模糊控制模型的，針對發(fā)生爆胎的車輛通過自動制動將車速降低至安全范圍直至車輛停住。輔助爆胎車輛實現(xiàn)安全停車，以防車輛失控，主動安全控制系統(tǒng)以實際爆胎及車輛運動狀況為依據(jù)通過向車輛施加平衡力矩實現(xiàn)運動軌跡的糾偏控制過程。系統(tǒng)裝置的模擬試驗結(jié)果表明這種主動安全控制策略的可行性，它可確保爆胎車輛在較短時間內(nèi)減速至安全車速并按原軌跡行駛，以確保爆胎車輛行駛的穩(wěn)定性。

關鍵詞：?汽車爆胎主動安全控制; 爆胎應急裝置; 附加橫擺力矩; 輕點剎車

中圖分類號： U 461.1

文獻標志碼： A

Design and Research of Active Safety Control Simulation

System Based on Automobile Puncture

ZHANG Lixia， JIA Jia， JIA Tongguo

（School of Automotive Engineering， Xian? Aeronautical Polytechnic Institute， Xian， Shanxi 710089， China）

Abstract：

A emergency safety brake system for puncture emergency is designed. A fuzzy control model is established depending on the additional yaw moment generated by the puncture. The vehicle speed is reduced to the safe range by automatic braking for the vehicle. Until the vehicle stops， the auxiliary puncture vehicle realizes safe parking to prevent the vehicle from running out of control. The active safety control system realizes the rectification control process of the motion trajectory by applying a balancing torque to the vehicle based on the actual puncture and the vehicle movement condition. The simulation test results of the system device show that the feasibility of the active safety control strategy in this paper can ensure that the puncture vehicle decelerates to a safe speed in a short time and travels on the original trajectory to ensure the stability of the puncture vehicle.

Key words：

active safety control of puncture emergency; puncture emergency device; additional yaw moment; light brake

0 引言

我國高速公路里程不斷增加，汽車已經(jīng)成為日常出行必不可少的交通工具，隨著汽車保有量的不斷增加，交通事故對人們的生命及財產(chǎn)安全產(chǎn)生了嚴重影響，其所引發(fā)的問題使人們對汽車的安全性能及操作性能的要求不斷提高，在各類交通事故中輪胎爆胎成為引發(fā)安全事故的主要因素之一，發(fā)生爆胎后的車輛輪受到力學特性發(fā)生顯著改變的爆胎的影響，嚴重影響了車輛的操縱穩(wěn)定性及安全性。尤其是對于缺乏處理緊急事故經(jīng)驗的駕駛員來說，極易由于緊張而進行了錯誤的操作增加了事故后果的嚴重性，爆胎車輛穩(wěn)定性控制已成為行業(yè)內(nèi)的研究重點。

1 需求分析

車輛的運動特性在發(fā)生爆胎后會迅速改變，通常會使駕駛員不得不采取倉促的應激性操作，而不恰當?shù)牟僮鳎ò{駛員制動反應時間延遲）則易導致車身劇烈側(cè)滑、甩尾情況的發(fā)生，增加了翻傾等嚴重事故的發(fā)生概率，為有效的解決這一問題對爆胎車輛的自動制動功能的需求不斷提高，在車輛失控前通過自動制動系統(tǒng)采用相關自動制動策略實現(xiàn)車速到安全車速范圍的迅速調(diào)整，輔助爆胎車輛完成安全停車過程。在車輛處于高速行駛過程中爆胎的突然發(fā)生通常會使駕駛員通過狠踩剎車降低車速，這反而會增加車輛跑偏程度進而易使爆胎車輛翻車，極大的威脅到了駕駛員的生命財產(chǎn)安全，盡量搶換低速擋后再輕點剎車降低車速是此時需采取的正確做法。針對汽車爆胎提高輪胎的防爆性是市場上輪胎廠商大多常用的技術，而相關的應急裝置通過使用機械傳動控制處理爆胎后的應急方式方面的研究較少[1]。為使車輛爆胎時由駕駛員制動反應時間延遲引發(fā)的安全問題得以有效避免，本文主要對基于汽車爆胎時主動安全控制仿真系統(tǒng)進行了研究，輛制動系統(tǒng)基于 EHB，為防止駕駛員的誤操作，對制動油路進行改進，通過制動閥和平衡閥的使用實現(xiàn)對油壓的有效調(diào)節(jié)和控制過程，通過對輕點剎車環(huán)節(jié)進行自動控制，實現(xiàn)對爆胎車輛的穩(wěn)定控制過程。

2 爆胎應急自動制動系統(tǒng)設計

本文設計的應急主動安全制動系統(tǒng)的硬件構成如圖 1 所示，主要增加了橫擺角速度傳感器，該系統(tǒng)基于電控液壓制動系統(tǒng)（EHB），制動電動泵及各電磁閥在制動系統(tǒng)控制單元（根據(jù)輸入的爆胎信號）的驅(qū)動下實現(xiàn)對爆胎車輛的自動制動過程，再通過對車輛實施相應的差動制動完成對車輛制動方向的控制（以橫擺角及其速度變化情況為依據(jù)），同時根據(jù)輪速對車輪狀態(tài)進行判斷，若車輪抱死則啟動車輪防抱死控制功能（通過驅(qū)動相應電磁閥完成）。系統(tǒng)執(zhí)行機構主要由各輪缸進/出油閥/動力源部分（包括常規(guī)及自動制動）、隔離閥、電磁閥、平衡閥等構成，處于行駛狀態(tài)的車輛通過蓄能器完成對液壓管路的自動制動以確保其具備一定的預壓力，液壓力在通過踏板進行常規(guī)制動后會通過隔離閥、平衡閥完成從制動主缸到各輪缸的傳遞，從而最終實現(xiàn)常規(guī)制動過程;應急主動安全制動系統(tǒng)在車輛發(fā)生爆胎后即開始工作，在電作用下的隔離閥、平衡閥會打開各輪缸的進油閥，通過采用自動制動的動力源向各輪缸傳送制動液壓壓力，針對車輛行駛狀態(tài)爆胎應急主動安全制動系統(tǒng)以橫擺角速度信號為依據(jù)完成準確判斷過程，在此基礎上完成各輪缸制動壓力的確定及相應差動制動策略的產(chǎn)生，從而控制車輛行駛狀態(tài)[2]。

3 應急主動制動穩(wěn)定性控制策略

3.1 主動制動執(zhí)行模塊

車輛發(fā)生爆胎后的短暫時間內(nèi)還未建立起由爆胎導致的橫擺，此時的制動力會施加到四個車輪上（由t0 表示施加時間為），當由爆胎引起的附加橫擺力矩出現(xiàn)后則以此為依據(jù)完成差動制動模式的確定以獲取車輛抵消橫擺所需的制動力，并據(jù)此對爆胎同軸的對側(cè)輪缸增加壓力，再比對閾值范圍對車輛實際的軌跡偏差量進行判斷（以車輛橫擺角速度信號為依據(jù)），位于閾值范圍內(nèi)的可繼續(xù)在四輪上加力10 ms，逆時針橫擺為正值執(zhí)行抗車輛逆時針橫擺狀態(tài)值，順時針橫擺為負值執(zhí)行抗車輛順時針橫擺狀態(tài)值。應急穩(wěn)定性控制后于ABS 控制執(zhí)行，在執(zhí)行車輪 ABS 控制過程中每中斷一次執(zhí)行的周期為50 ms，完成后執(zhí)行應急穩(wěn)定性控制降低車速至每小時 20 km，并在此基礎上保持原制動狀態(tài)制止停車。以左后輪爆胎時（if flag=3）為例，應急主動制動執(zhí)行模塊的控制流程如圖2 所示，其中的e和Δ分別表示實際橫擺角速度偏差及其閥值，左前輪缸進液閥關閉由LF-in =0表示、出液閥打開由LF-out =1 表示，左后輪缸進液閥關閉由LR-in =0表示、出液閥打開由LR-out =1表示，右前輪缸進液閥關閉由RF-in = 0表示、出液閥打開由RF-out = 1 表示，右后輪缸進液閥關閉由RR-in =0表示，出液閥打開由RR-out =1 表示，其他輪爆胎的控制流程同其類似，通過修改各狀態(tài)值標記完成對應爆胎輪標記號的確定即可[3]。在僅對常見的單獨車輪爆胎進行考慮的情況下，針對四種爆胎狀態(tài)主動制動各執(zhí)行狀態(tài)值共包含16 種，前后平衡閥狀態(tài)分別由FB、RB表示，在爆胎車輛主動制動過程中前隔離閥狀態(tài)、后隔離閥狀態(tài)（分別由FS、RS表示）均保持分隔狀態(tài)即對應值均為1，狀態(tài)值在圖2中取0 時表示各輪缸保持壓力，取 3 時則表示四輪皆加壓制動狀態(tài)，狀態(tài)值取 1 和2時分別對應產(chǎn)生抗順時針和抗逆時針橫擺力矩狀態(tài)。

3.2 基于液壓控制的爆胎應急裝置設計與實現(xiàn)

該應急裝置主要由胎壓傳感器、單片機、回油路、射頻傳輸器、電磁閥等構成，負責實現(xiàn)恢復車輛穩(wěn)定制動的功能，通過在實時檢測胎壓的基礎上由單片機負責對液壓控制進行驅(qū)動，然后啟動自動鎖實現(xiàn)輕點剎車的功能再關閉自動鎖。根據(jù)爆胎胎壓的瞬間變化并結(jié)合爆胎同車速間的關系，通過單片機程序控制自動鎖的啟動、關閉或延時作用，以確保車輛的安全性。

3.2.1 附加橫擺力矩模糊控制器

本文選用了二維模糊控制器，輸入變量為車輛橫擺角速度偏差和及其變化率（分別由E、EC表示），輸出變量為差動制動輪缸的調(diào)節(jié)壓力（指爆胎輪對側(cè)車輪，由pw表示），模糊化處理輸入及輸出變量，兩個變量的模糊子集均包含負大、負中、負小0、正小、正中、正大7個等級，分別由{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}表示，在期望狀態(tài)值遠大于實際值的情況下對應為NB，若此時偏差變化率同樣如此（即為 NB），則需將一個較大力矩（正方向）施加給車輛，確?？刂屏咳∽畲笳螅碢B），從而使產(chǎn)生的偏差得以盡快消除;變化為 PS、PB的偏差易產(chǎn)生超調(diào)，在偏差變化率為正小即偏差呈現(xiàn)減小趨勢的情況下（PS），需通過中等正向控制力矩的施加（確保控制量較小量的增加）實現(xiàn)在加速達到目標值的同時有效防止系統(tǒng)超調(diào)的發(fā)生;在車輛期望運行狀態(tài)遠小于實際狀態(tài)值且此時偏差變化率等級與其相同的情況下，需將較大的控制力矩（負方向）施加給車輛以獲取負大的控制量盡快消除偏差;在偏差較小的情況下穩(wěn)定性成為首要解決的問題，控制量的變化需以偏差變化率為依據(jù)確定，以在防止超調(diào)的同時使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，具體的模糊控制規(guī)則如表1所示。

假設，橫擺角及橫擺角速度分別由

γ和表示，橫擺角及橫擺角速度的參考值分別由γref和ref表示（直線行駛時取值為0），控制器的輸入變量 E 和 EC的表達式如下[4]。

側(cè)車輪輪缸進油閥狀態(tài)由offside-in 表示、出油閥狀態(tài)由offside-out表示，對側(cè)輪缸電磁閥實施控制的過程中，左后或右前輪爆胎時的模糊規(guī)則輸出量如表2所示，左前、右后輪爆胎時的輸出見表3。

3.2.2 “輕點剎車”制動力的設計與實現(xiàn)

在汽車爆胎一瞬間通過在制動踏板的下方安裝的線性電磁鐵（不會影響正常情況下的制動過程）實現(xiàn)自動可靠的踩下制動踏板的過程，以確保爆胎后汽車能夠快速可靠的主動控制過程完成輕點剎車功能。爆胎信號由單片機接收并進行處理后會以使能信號的形式傳輸至線性電磁鐵，在較強的電磁力的作用下（由電磁圈產(chǎn)生）實現(xiàn)無需駕駛員執(zhí)行剎車行為自動控制制動踏板向下運動過程直到預先設定的位置，完成輕點剎車功能，使反應速度及控制過程的便利性得以顯著提升，從而有效避免汽車側(cè)翻等交通事故的發(fā)生。選用某轎車進行制動力試驗，安全制動距離為40 m （根據(jù)交管部門規(guī)定），測試結(jié)果表明在130 km/h的車速下（已超過高速公路限速），制動力為全制動力1/3時可控制制動距離不超過 40 m，過大的制動力會增加爆胎車輛跑偏和翻車事故發(fā)生的概率，即以全制動力的 1/3作為制動力較為合理，具體通過制動油路泄壓 2/3 （開啟電磁閥）使輕點剎車的制動力占全制動力的1/3，壓力調(diào)節(jié)器在車輛正常行駛的情況下會保持休眠狀態(tài)以確保制動系統(tǒng)正常工作，爆胎瞬間爆胎應急裝置（基于液壓控制）中的單片機會接收到信號（以胎壓值小于正常值1/3為準，由胎壓傳感器傳送），此時爆胎警示燈會亮起，通過控制電磁閥動作完成對制動液壓的降壓處理以確保制動力達到所設置的區(qū)域（時間與車速相關，在 2～7 s范圍內(nèi)由單片機控制），輕點剎車功能通過間歇性開閉電磁閥閥門實現(xiàn)，使制動恢復到正常狀態(tài)。汽車爆胎瞬間胎壓傳感器將是正常胎壓1/3的壓力值檢測結(jié)果傳輸至單片機，再由單片機據(jù)此發(fā)出相應指令：車速不超過30 km/h開啟爆胎警示燈，仍然休眠（視為駕駛員可處理），制動系統(tǒng)正常運行;車速超過30 km/h即為高速行駛，開啟爆胎警示燈及爆胎應急裝置，由單片機控制電磁閥工作在 0.02 s內(nèi)完成油路的改變，向主缸運回2/3 的制動液控制制動力的大小，不斷開閉電磁閥閥門實現(xiàn)輕點剎車效果[5]。

4 實驗檢測與分析

為檢測本文所設計的應急主動制動系統(tǒng)的有效性進行了爆胎模擬實驗，圖3為模擬爆胎裝置連接情況，主要由放氣電磁閥、收發(fā)及搖控裝置、放氣控制閥構成，選用輪胎氣壓均充至正常值的BJ2500作為試驗車輛，在平直水泥路面上行駛，車速為 60 km·h-1，搖控控制模擬爆胎裝置，通過將加速度傳感器安裝于近車輛質(zhì)心處對爆胎制動過程的速度變化情況進行檢測，橫擺角速度信號通過使用DL750 示波器完成采集過程（包括輪速信號），據(jù)此獲取車輛橫擺響應和縱向行駛信息。對系統(tǒng)觸發(fā)、橫擺角速度、車輛加速度三類信號（分別由CH1、CH2、CH3表示）進行采集，爆胎后在無穩(wěn)定性控制的情況下由四輪進行自動制動，爆胎應急裝置啟動時間不超過0.2 s，電磁閥增壓及減壓速率分別約為2.1 MPa/s和1.8 MPa/s，使瞬間改變制動力的要求得以有效滿足，圖4為車輛加速度和橫擺角速度的輸出信號，橫擺角速度在爆胎2 000 ms內(nèi)的波動幅度初始較大隨后降低至2.3 V左右，并隨車速降低基本回至原值（2.5 V），加速度信號穩(wěn)定減速時間約為3 000 ms。采用本文主動制動策略后的輸出信號如圖5所示。

相比于沒有穩(wěn)定控制情況，橫擺角速度的波動幅度顯著降低，基本能夠快速回到原值，減速度趨于穩(wěn)定用時更短，驗證了本文制定系統(tǒng)及策略的有效性[6]。

5 總結(jié)

本文針對爆胎汽車設計的應急主動安全制動系統(tǒng)的工作原理在于發(fā)生爆胎后，針對所產(chǎn)生的附加橫擺力矩，通過施加與其相反的平衡控制過程確保車身的平衡，并對車輛運動狀態(tài)進行檢測，對偏離原行駛軌跡的車輛通過模糊控制策略的使用完成糾偏過程，通過爆胎應急裝置（基于液壓控制）以胎壓和車速信號為依據(jù)完成發(fā)生爆胎的判斷后，串接于制動油路中的電磁閥在單片機控制的作用下實現(xiàn)對液壓（作用于制動輪缸上）不斷的泄壓增壓處理過程，自動實現(xiàn)輕點剎車功能，從而確保爆胎車輛以安全車速自動實現(xiàn)穩(wěn)定安全制動過程。在仿真實驗中將該應急主動安全制動系統(tǒng)應用于車輛在發(fā)生爆胎后，車輛能夠在原行駛軌跡中迅速穩(wěn)定下來，使爆胎車輛穩(wěn)定性控制過程得以有效實現(xiàn)，驗證了該控制策略的有效性。

參考文獻

[1]許志超，周福強，危銀濤，等. 商用車輪胎通過噪聲與溫度、速度和花紋關系的實驗研究[J].? 橡膠工業(yè)， 2017（11）：655-659.

[2] Christian Jacobi MD， Constanze Gahleitner MD，Henning Bier MD，et al.Chemoradiation and local recurrence of head and neck squamous cell carcinoma and the risk of carotid artery blowout[J]. Head & Neck，2019（8）：3073-3079.

[3] 張穎文，王國林，周海超，等. 使用因素對滾動輪胎振動特性影響的有限元分析[J].? 橡膠工業(yè)， 2018（11）：1306-1312.

[4] 李冰林，徐曉美，呂立亞，等.基于分數(shù)階微積分的爆胎汽車橫向穩(wěn)定性控制[J].安全與環(huán)境學報，2018（6）：2219-2224.

[5] Kornelia Kreiser M D， Isabell Grber， Claus Zimmer MD， et al. Stent grafts in patients with carotid blowout syndrome： Outcome and antiplatelet therapy in preventive versus emergency cases[J]. Head & Neck， 2018（11）：2521-2527.

[6] 蔡永周，曾繁林，歐陽俊，等.基于LS-DYNA的爆胎歷程輪胎剛度特性仿真研究[J].橡膠工業(yè)，2019（6）：461-465.

（收稿日期： 2019.07.25）