汽車輪胎異物扎入智能警報裝置設(shè)計

王湘博，孫長勇，王淑芳，王玉寶，邵俊領(lǐng)，齊肇瑞，盧 升，劉雪宇

（山東華宇工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，山東 德州 253000）

0 引言

隨著科技的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車的數(shù)量也在快速地增加，汽車已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ?、旅行、學(xué)習(xí)、生活中不可或缺的一種交通方式。汽車雖然為我們的生活提供了便利，但它所帶來的交通事故也給我們的生命帶來了極大的威脅。輪胎是車輛的重要組成部分，對車輛的安全起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)汽車在高速行駛時，很容易導(dǎo)致車輛失去平衡，造成嚴(yán)重的交通事故。根據(jù)交警部門的數(shù)據(jù)，在2021 年，我國高速公路上發(fā)生的車禍占40%以上，爆胎占70%以上[1]。造成這種情況的根本原因是，在事故發(fā)生前，有螺釘、鐵屑、石子等異物刺入或卡入了車胎，造成爆胎；當(dāng)車輛速度過快或負(fù)荷改變時，很容易被異物扎破輪胎，導(dǎo)致輪胎突然漏氣或爆胎。特別是在高速公路行駛的時候，如不及時發(fā)現(xiàn)這種危險的情況，過高速度的行駛會導(dǎo)致輪胎直接的爆炸，造成不可估量的損失。針對這些問題，我們需要能夠監(jiān)測輪胎是否扎入鐵制或玻璃做的物品的裝置，并且配上胎壓監(jiān)測系統(tǒng)，更好地保護(hù)駕駛?cè)藛T的安全。

1 汽車輪胎異物扎入探測原理

1.1 金屬檢測原理

汽車在行駛中，通過使用金屬的電磁感應(yīng)作用來探測道路上的異物，比如鐵釘和鐵刺等。現(xiàn)在，汽車輪胎離近地面異物檢測的主要方式是通過使用電渦流式傳感器進(jìn)行檢測，該傳感器是由一圈圈緊密的線圈組成，它的內(nèi)部是高頻變換的交流電。通過改變線圈內(nèi)部的電流，可以改變線圈內(nèi)部的磁場，使其在中心軸方向產(chǎn)生高頻的交變磁場。這種用于檢測金屬異物的電磁渦流傳感器，是裝在汽車輪胎內(nèi)部的，一旦靠近物體，就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，產(chǎn)生一種可以抵抗外界磁場的變化[2]。另外，金屬內(nèi)部的磁場會對電渦流傳感器產(chǎn)生電流，通過電流來控制磁場的變化，從而判斷出金屬異物的位置和距離，避免接觸到異物，從而扎入汽車輪胎中。具體工作原理如圖1 所示。

圖1 探測傳感線圈的工作原理

利用電渦流傳感器探針進(jìn)行金屬異物的探測，如圖1 中所示其工作原理如，當(dāng)將正弦交流電流I˙1加到探測線圈上時，它的角度頻率是ω，那么，在軸向方向上，線圈會出現(xiàn)相同頻率的交流磁場H1。當(dāng)金屬異物存在于交流磁場中會產(chǎn)生感應(yīng)電流I˙2，將會產(chǎn)生交流磁場H2，具體如圖2 所示。

圖2 探測傳感線圈的等效電路

根據(jù)基爾霍夫定律可寫出方程：

解方程式可得：

如果在檢測傳感器周圍有金屬時，電流就會發(fā)生變化，通過對電流的分析，能夠判斷出有沒有金屬異物存在。

1.2 非金屬探測

根據(jù)電容器的基本原理，在不考慮邊沿影響的前提下，將電容C表達(dá)為：

式中，ε0、ε分別是介電常數(shù)、相對介電系數(shù)；S為電容器對應(yīng)面積；δ為電容器和異物的距離。

當(dāng)δ、S或ε任何一個參數(shù)的改變都會導(dǎo)致電容的改變。如果保持S、ε參數(shù)的不改變，僅改變距離δ，然后把它轉(zhuǎn)化成非金屬異物，通過測量電容器的電容值，再把它轉(zhuǎn)化成電信號。在圖3 中顯示了電容傳感器的基本構(gòu)造。

圖3 電渦輪傳感器的結(jié)構(gòu)

在齒輪轉(zhuǎn)動過程中，電機(jī)的電容會發(fā)生周期性的變化，通過檢測電路對其進(jìn)行運(yùn)算，然后輸出脈沖信號，從而得到齒輪的速度。

2 汽車輪胎異物扎入智能警報裝置系統(tǒng)設(shè)計

2.1 裝置組成

該汽車輪胎異物智能警報裝置主要包括：線性掃描激光傳感器、電渦流傳感器、殼體、保護(hù)外殼、控制單元1、控制單元2、藍(lán)牙模塊、語音播報器、電源等。采用電渦流式傳感器進(jìn)行信號采集，然后將傳感器探頭和周邊支承電路安裝到汽車輪轂的安全部位，調(diào)整探測器的方位，以使探測器朝向車輛的輪轂，并在常規(guī)條件下對著輪轂的頂端進(jìn)行測量。汽車輪胎外有異物時，其電流或電壓會發(fā)生變化，并將其傳輸至報警裝置系統(tǒng)。數(shù)據(jù)分析主要通過在異物檢測裝置中，預(yù)先編輯好的檢測算法被保存在控制器中，并對其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。由于其工作機(jī)理的差異，對金屬異物和非金屬異物的識別方法有不同的界定[3]。根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算、分析，確定是否存在有異物，并將處理結(jié)果反饋給了駕駛室的電腦。當(dāng)輪胎表面有異物時，如玻璃、金屬等，則會影響計算的結(jié)果。當(dāng)接收到來自檢測裝置的計算結(jié)果時，駕駛室內(nèi)的計算機(jī)會將其與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，如果有異常，就會觸發(fā)報警系統(tǒng)。有異常情況的指示燈會閃動，并啟動警報，警告司機(jī)停車[4]。如圖4 所示，這種智能報警器的結(jié)構(gòu)是：

圖4 該裝置電路控制簡圖

該裝置中控制單元1：接收來自渦流和激光傳感器的訊號，并將訊號傳送至藍(lán)牙傳送設(shè)備。

控制單元2：控制語音播報系統(tǒng)與藍(lán)牙接收器。

線掃描激光傳感器：用于檢測行駛中的汽車車胎是否扎入玻璃，檢測范圍在車胎兩側(cè)之內(nèi)，并且在于輪胎上表面，從而保證檢測的準(zhǔn)確性?？梢愿鶕?jù)輪胎的寬度選擇不同的傳感器。

渦流傳感器：用于檢測汽車車胎是否扎入鐵質(zhì)物品，檢測范圍在輪胎兩側(cè)之內(nèi)，且檢測輪胎上表面。可以根據(jù)輪胎的寬度選擇不同的傳感器。

藍(lán)牙模塊：包含藍(lán)牙發(fā)送和接收信號的藍(lán)牙接收機(jī)。

語音播報器：與藍(lán)牙模塊進(jìn)行配對，當(dāng)車胎扎到鐵釘或玻璃時能夠進(jìn)行語音播報，警報裝置電量不足時也可以發(fā)出警報。

電源：用電池或本車的電源，使用電池供電，放置位置比較困難，建議用汽車自帶電源。

2.2 技術(shù)方案

在與電流信號相似的基礎(chǔ)上，使用的是線性激光傳感器，這樣可以檢測玻璃制品扎入輪胎，同時與渦流傳感器一起使用，根據(jù)磁場的感應(yīng)與強(qiáng)度進(jìn)行判斷是否有鐵釘扎入輪胎[5]。而激光傳感器通過玻璃反射的原理來進(jìn)行信號的發(fā)射與接受。當(dāng)有玻璃制品或鐵制品扎入輪胎后，兩個傳感器會產(chǎn)生信號給控制單元1，控制單元1 發(fā)射信號給藍(lán)牙模塊發(fā)射器，在藍(lán)牙接受器接受信號之后產(chǎn)生信號給控制單元2，通過控制裝置2 對車輛中的聲音廣播進(jìn)行報警。本裝置裝在汽車輪胎底殼的上面，能夠方便檢測，如圖5 所示。

圖5 汽車輪胎異物扎入智能警報裝置位置

2.3 具體實施方式

先在該裝置用螺釘固定在輪胎上部的車殼上，接通電源。在固定車殼時應(yīng)該選用與輪胎等寬的渦流傳感器和激光掃描傳感器，同時該傳感器共有4 對，分別對應(yīng)4 個輪胎；在該發(fā)明通電之后，該電流通到渦流傳感器與掃描激光傳感器中，這兩個傳感器會對輪胎表面進(jìn)行檢測，并且檢測范圍在輪胎兩側(cè)之內(nèi)。

當(dāng)有金屬異物刺入輪胎時，這個物體會在一個由渦流傳感器引起的磁場中進(jìn)行切割，并使導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生漩渦狀的感應(yīng)電流，由于該感應(yīng)電流，會使高頻電流的相位和幅度得到改變，而這個改變的電壓幅度變化，會經(jīng)過振蕩器、檢測電路、放大器進(jìn)行輸出給控制單元，由控制單元處理并傳遞信號給藍(lán)牙發(fā)射器發(fā)射信號，當(dāng)車內(nèi)的藍(lán)牙接受器接收信號之后會傳遞給控制單元2，通過控制裝置2 開啟聲音廣播，在這個時候，將播放：XX（被扎輪胎）輪胎有鐵制物品扎入，請注意安全。

當(dāng)激光傳感器檢測到扎入輪胎內(nèi)的異物的時候，會由該傳感器發(fā)射出一道激光并穿過內(nèi)置鏡片，通過光的漫反射的原理反射到半導(dǎo)體激光器，并產(chǎn)生電流到信號處理器[6]，再由電流信號處理器傳遞給控制單元，控制單元經(jīng)過計算傳遞給藍(lán)牙發(fā)射器發(fā)射信號，藍(lán)牙接收器接收到信號之后，發(fā)送給控制單元2，由控制單元2 打開語音播報器。此時，語音播報器將播放控制單元：XX（被扎的輪胎）輪胎有玻璃制品扎入，請注意安全。

3 結(jié)語

汽車在使用中，路面異物是引起輪胎破損的一個重要原因，為了避免由于異物扎入輪胎而影響其工作，引發(fā)爆胎后果。以汽車輪胎異物扎入為基礎(chǔ)的智能報警裝置，該裝置主要由線性掃描激光傳感器、電渦流傳感器、殼體、保護(hù)外殼、控制單元1、控制單元2、藍(lán)牙模塊、語音播報器等元件構(gòu)成。該智能報警裝置能夠檢測到金屬和非金屬異物，一旦發(fā)現(xiàn)異常，就會發(fā)出報警，處理速度快，有效地提升了行車的安全性。