汽车爆胎稳定制动系统设计

唐溧克， 张瑀航*， 王思凡， 刘 坤， 姜玉莲

(1.长春工业大学 电气与电子工程学院， 吉林长春 130012；2.浙江舜宇光学有限公司， 浙江 余姚 315400)

0 引 言

伴随着社会经济的不断进步，对车辆的需求量增多[1]，带来的是不断上升的交通事故发生率，其中由爆胎引起的事故比例一直居高不下。爆胎是指车辆在行驶过程中，轮胎达到自身的工作或承载极限，在极短的时间内胎体破裂，从而导致胎内气体迅速流失的现象，是一种危险性极高且难以预测的汽车行驶故障。

导致爆胎的原因有很多，最常见的原因是轮胎充气不足或胎压过大[2]。当轮胎遇到能切割或撕裂轮胎的物体，将导致其形状发生改变，而逃逸出来的加压气体进一步破坏轮胎的基本结构。轮胎起到的作用是支撑车身整体重量，故当轮胎内部没有足够的空气压力，轮胎侧壁就会在车身重量压迫下鼓出来，导致轮胎在绕轴旋转时胎体过热，从而发生车轮故障，严重时导致爆胎。此外，轮胎温度过高和胎体老化也是引发爆胎事故的原因之一。

爆胎后，车轮一些参数特性[3](如滚动阻力、过弯刚度和径向刚度等)将会发生巨大改变，从而导致车身朝向轮胎的侧面。安全轮胎零压力学特性是提升轮胎续驶性能、实现车辆爆胎稳定性控制的基础[4]。由于爆胎过程时间短，如果司机没有及时做出正确操作，车辆将偏离原有行驶方向，并发生碰撞。当有一个轮胎爆胎时，保持方向稳定至关重要，然而许多无经验司机的本能反应却是错误的，或者根本来不及反应，这样就会导致交通事故的发生。由于爆胎现象具有突然性和意外性，如果无法立即采取控制行为保持车辆行驶方向，将导致车辆被迫驶出车道，从而引起车辆偏航[5]和翻车，危及人身安全。

因此，针对汽车爆胎时轮胎相应的数据变化情况，研究爆胎后的安全稳定制动问题是十分必要的。通过设计检测系统对轮胎压力和温度等参数进行实时检测与分析，进而利用制定的安全制动措施对其进行有效控制，不仅能够改善爆胎后汽车的稳定性，使其安全稳定地制动，还提高了行车安全，降低交通事故的发生率。同时，针对轮胎相应数据分析检测，还能够预估轮胎的安全状态，并且有效预防爆胎事故的发生。此外，爆胎汽车的主动性安全制动控制也是当前高速安全领域的主要研究课题之一，具有重要的现实和社会意义。

文中针对汽车轮胎的压力与温度等数据变化及爆胎后的安全稳定制动问题进行研究。首先，从影响爆胎的因素出发，着重分析轮胎爆胎前后的相关参数变化(如胎压、温度等)，对比常见的胎压检测系统TPMS，并对其工作原理等进行分析说明。其次,通过对传统液压与新兴机械制动方式对比，制定合理的制动方式与控制理论。

此外，文中还通过建立相应的跟车模型，利用BP神经网络PID控制器实现车辆保持安全距离，并稳定跟随过程；利用模糊算法设计相应的PID控制器控制制动安全距离，通过对比传统PID算法控制的制动距离，采用SIMULINK软件运行验证其可靠性。此设计不仅能够实时对相应数据进行分析检测，预测轮胎当前工况，还能够有效预测轮胎事故的发生，而且改善爆胎后汽车的稳定性，实现其安全稳定制动，提高行车安全，降低交通事故发生率。

1 检测电路的设计

本环节从胎压监测系统TPMS[6]出发，通过对爆胎原因的研究，设计相应的检测电路，并使用Proteus©软件进行仿真，使用电位器模拟胎压变化过程，保证单片机及时接收变化信号并处理，而后通过报警装置进行预警，此外，还利用DS18B20对轮胎温度进行实时检测与显示。

轮胎胎压检测系统由安装在车轮轮毂上胎压检测装置和数据收集装置组成，系统工作原理框图如图1所示。

图1 胎压监测系统原理框图

具体工作过程如下：

1)低频唤醒器发出唤醒信号，检测模块接收到此信号后开始工作。

2)锂电池通电，检测装置开始收集轮胎内部温度与压力的数据信息，并通过RF射频电路将数据传送给单片机，通过车载显示器显示轮胎的状态信息。

3)如果检测到轮胎胎压和温度出现异常，AT89C51单片机控制系统就会处理信息并发出声光报警信号，以确保安全行车。

2 稳定制动方式的分析与设计

2.1 轮胎粘合带制动[7]

此种制动方法属于填充方式的一种，是通过改变轮胎结构，在轮毂上安装用以粘合外胎的粘合带，通过改变轮胎结构，将轮胎变为多胎结构，在发生爆胎时也能够短暂维持车辆行驶，避免外胎脱离轮毂。其弊端是使轮胎结构更加复杂，增加了车轮的转动惯量，动平衡需要调整。

2.2 方向盘锁死安全制动[8]

爆胎一般发生在前轮胎，当一侧车轮爆胎后，一侧的车轮直径减小。在爆胎初期，左右车轮的转速相当，车辆向爆胎的一侧偏航，车速越快，偏航越严重。为了维持车辆直线行驶，驾驶者必须转动方向盘修正方向，这样车轮与行驶方向将形成夹角，车速越高，方向盘修正的角度越大，爆胎车轮所受的侧向力越大，严重时会导致翻车现象，所以需要对方向盘进行锁死。方向盘锁死的原理是用弹簧控制一个钢销，当发生爆胎事故后，钢销就会弹进预先留好的孔里，卡住方向盘，确保方向盘转不动，从而提高爆胎后的安全制动性能。

2.3 EMB制动[9]

伴随着汽车电子智能化控制的深入发展，人们对汽车安全制动性能要求提高的同时，对环保的追求也在不断上升，因此构成更加简单、聚集各种可靠功能、更加符合环境保护理念的电子机械控制的制动系统EMB越来越受欢迎。

EMB(Electro-Mechanical Brake)是一种新型制动方法，其原理是利用电子控制的机械装置控制电机，继而直接控制制动盘制动。通过安置在车轮上的制动电机，利用电机的驱动作用产生足够的制动力矩达到制动目的。EMB在原有制动基础上，取消液压缸和管路等基本制动装置，不仅简化制动系统的构成，同时还具有易于安装配置和修理的优势。

更加完善的制动方式是朝着复合制动理论发展，在EMB系统基础上加以改进，配合其他的制动方式，将具有更为良好的制动效果。文中制动理念是在胎压检测基础上，在爆胎时采用EMB和方向盘锁死相结合的复合制动方式，在安全行驶时，利用BP神经网络PID控制，调节车辆间纵向跟车距离，爆胎后制动时，利用模糊PID控制安全制动距离。

3 安全行车距离和制动距离的控制算法设计

3.1 安全跟车距离模型

车辆行驶过程中需要一定的跟随距离，在车辆发生爆胎过程中，安全制动同样需要一定的跟车距离，多辆车在行驶过程中，如果有车辆发生故障需要制动，安全距离就显得尤为重要。针对汽车跟随过程建立安全跟车距离控制模型，以满足汽车安全跟车行驶的要求。

假设车辆安全距离[10]模型采用同一车道上n+1辆行驶方向相同的车组成，且时刻保持安全跟车距离的跟随系统，如图2所示。

图2 车辆行驶纵向位移图

在该条件下，系统车辆的总体数目和车队全长对每辆车间纵向安全距离干扰较小，保证了车队可以稳定行驶。

首先，该车队车辆的安全行驶距离保持模型以纵向控制为基础，充分体现了车辆同方向行驶过程和跟车距离；其次，该模型将相对误差作为研究重点，将相对误差作为控制系统的输入，采用智能控制算法减小误差，实现车辆保持安全距离，并且稳定跟随过程。

车间纵向距离相对误差为

δd1=Δxn-dx，

(1)

式中:Δxn----第n辆车与第n+1辆车的实际车距；

dx----各车辆间的理想跟随车距。

考虑到车辆行驶速度对系统精度产生的影响，对式(1)进行改进，得到精度更高的车辆纵向距离误差表达式

δd=xn-1-xn-dx+λvn+1=

δd1+λvn+1，

(2)

式中:δd----跟车速度对跟车系统影响的相对误差；

vn+1----后车车速;

λ----δd收敛与δd1的补偿时间，一般选取λ=0.2 s。

系统车辆间相对速度误差为(vn为前车车速)

δv=vn+1-vn。

(3)

以式(2)为核心，建立基于前后两车间纵向安全行驶距离的控制模型，它的状态空间表达式为

(4)

式中:X----车辆系统的状态变量,X=(δd,δv)T；

u----跟驰系统车辆的加/减速度;

Ψ----巡航车辆的加/减速度;

Y----相对距离误差；

B----控制矩阵，B=(λ,1)T;

Γ----干扰矩阵，Γ=(0,-1)T;

C----输出矩阵,C=(1,0)。

行驶车辆纵向安全距离控制模型中,选取δd和δv作为状态变量，用于评价对车辆跟随模型的控制效果。利用S仿真实验验证BP神经网络PID控制器对车辆跟随系统模型中纵向安全行驶车距的控制效果，根据BP网络输入层的结构特点，仅采用相对距离误差δd进行评价分析。

3.2 基于BP神经网络PID控制器的安全行驶距离控制

为了使系统的输出参数Kp、Ki、Kd能够达到自主学习和自行调整的目的，采用BP神经网络PID控制器控制纵向安全距离，其结构如图3所示。

系统采用3-5-3的三层BP神经网络[11]结构形式，即输入层信号为输入in、输出out和偏差error，输出层信号分别为PID控制器的三个参数Kp、Ki、Kd，以及中间的隐含层三部分，具体如图4所示。

图3 BP神经网络PID控制器基本原理

图4 BP神经网络结构

利用Simulink工具箱建立基于BP神经网络的安全行车距离控制结构，如图5所示。其仿真结果如图6所示。

从图中可明显看出，采用神经网络控制车辆间纵向安全距离的控制效果明显高于传统PID控制器控制的纵向安全距离。

3.3 基于模糊PID控制器的制动距离控制

模糊PID控制器[12]首先确定车辆间的纵向相对距离误差e和距离误差变化率ec，以及控制器参数Kp、Ki、Kd的模糊关系。控制系统仿真过程中实时监测误差及其变化率，并采用模糊控制规律调节PID控制器的三个参数。将e和ec设成模糊PID控制器的输入参数，将PID控制器参数Kp、Ki、Kd作为系统的输出变量。

考虑到前后两车因特殊情况而采取制动的情况，深入探讨跟车模型，加入速度因素，建立基于模糊PID控制器的车辆安全制动距离模型并进行仿真,如图7所示。

设计最终期望结果是车间纵向距离输出为安全距离范围2～5 m，基于模糊PID控制的制动距离变化曲线如图8所示。

图5 BP神经网络PID控制

图6 车间纵向距离仿真实验对比曲线

图7 模糊PID控制的S仿真模型

图8 基于模糊PID控制的制动距离变化曲线

从图8可见，系统最终输出的安全距离为3 m，符合期望值。而前后两辆车因特殊情况制动到最终停止，速度值输出为0，如图9所示。

图9 基于模糊PID控制的相对速度误差变化曲线

模糊 PID 与 PID 控制的车间纵向距离误差对比结果如图10所示。

图10 模糊 PID 与 PID 控制的车间纵向距离误差对比结果

4 程序设计

4.1 主程序流程

系统通过软件设计编程[13]来控制AT89C51单片机，根据压力检测模块检测到的压力数据变化情况判断汽车轮胎状态，控制报警器是否报警及启动EMB和方向盘锁死相结合的复合制动方式，从而完成从检测到报警再到制动的过程。同时还通过程序控制温度信号的采集与温度显示模块进行信息显示。此外，通过判断前车状态，利用BP神经网络PID控制器保持车辆间的纵向安全跟车距离。当汽车发生爆胎后紧急制动的同时，利用模糊PID控制器保持车辆间的安全制动距离，确定制动过程的安全。系统整体流程如图11所示。

4.2 胎压检测系统流程

AT89C51单片机定时器初始化，判断接收到的数据，根据输入电信号的高低电平判断是否达到报警值，当压力检测口接收到低电平信号时，声光报警器发出报警信号，声光报警装置工作，同时进行方向盘锁死和EMB安全制动措施；方向盘锁死的方法是用弹簧控制一个钢销，当发生爆胎事故后，钢销就会弹进预先留好的孔里，卡住方向盘，确保方向盘转不动。EMB制动产生效果是指安置在车轮上的制动电机，利用电机的驱动作用产生足够的制动力矩达到制动目的。检测主程序流程如图12所示。

其中DS18B20装置则始终进行温度检测，温度信号经单片机接收处理，并利用数码显示屏输出显示。

图11 系统整体流程

图12 检测主程序流程

检测中断程序流程如图13所示。

图13 检测中断程序流程

4.3 制动过程流程

汽车爆胎后安全制动过程的工作流程如图14所示。

图14 制动过程流程

首先AT89C51单片机上电开始工作，开始接收工作电路状态信息。当接收到的数据无效时，回到初始状态重新开始；当数据有效时，开始读取外部检测电路传输的状态信息，并将数据存入轮胎所在的数组中。当轮胎处于欠压或超压状态时，单片机输出电信号给报警装置，声光报警电路工作，同时启动方向盘锁死和EMB电子机械制动的复合制动方式[14]，以保证行车安全。

4.4 BP神经网络PID算法控制安全行车距离的工作流程

针对车辆行驶时纵向安全距离的保持，采用BP神经网络PID控制器进行控制。输入部分包含输入in、输出out和偏差error三个输入信号，输出层信号分别为PID控制器的三个参数Kp、Ki、Kd，具体控制算法流程如图15所示。

4.5 模糊PID算法控制安全制动行车距离的工作流程

基于模糊PID控制算法的制动距离调节流程如图16所示。

图15 基于BP神经网络PID控制算法流程

图16 基于模糊PID控制算法的制动距离调节流程

系统针对车辆跟随行驶系统的计算和硬件部分的控制设计了指导和管理两层内容，其设计重点在于跟随制动过程的控制。

5 结 语

汽车爆胎稳定制动系统针对汽车运动过程中轮胎胎压、温度等相应数据的检测和报警，以及对爆胎后的安全稳定制动的研究。检测部分从爆胎原因出发，针对轮胎胎压问题展开研究，分析轮胎爆胎前后胎压变化，以及影响胎压改变的温度因素等，根据胎压和温度检测原理设计相应的检测电路，通过单片机设计检测、报警和控制距离的功能。

制动方面通过分析常见的制动方式，制定更加合适的复合制动方式。此外，还通过汽车行驶的安全距离，建立安全跟车距离控制模型，设计相应的BP神经网络PID控制器，保持车辆安全行车距离，并利用模糊PID控制方法来自动调节和控制安全制动距离，最后通过Matlab/Simulink软件进行仿真，验证了所提算法能够满足汽车安全跟车行驶和安全制动要求。

文中不足之处在于对胎压检测和RF射频电路的研究不够全面，之后会加强对这部分内容的学习，同时针对PID控制器设计及特有的复合制动系统进行深入研究。