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(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266590）

車(chē)輛前輪爆胎安全聯(lián)動(dòng)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(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266590）

為解決高速行駛中的汽車(chē)發(fā)生前輪爆胎事故產(chǎn)生側(cè)滑失控危險(xiǎn)這一問(wèn)題，對(duì)車(chē)輛既有的安全控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，引入MSP430單片機(jī)為控制核心，采用模塊化設(shè)計(jì)方案。將胎壓監(jiān)測(cè)技術(shù)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、傳感器技術(shù)等現(xiàn)有成熟技術(shù)進(jìn)行組合。通過(guò)各技術(shù)模塊的聯(lián)動(dòng)控制，設(shè)計(jì)了一套基于控制轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角的車(chē)輛前輪爆胎安全聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，基于微分平坦的車(chē)輛轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角規(guī)劃方法解釋了前輪爆胎的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角控制原理。改進(jìn)后的車(chē)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(duì)前輪爆胎很好控制的問(wèn)題。

MSP430單片機(jī)；傳感器；緩沖制動(dòng)；聯(lián)動(dòng)控制；電機(jī)驅(qū)動(dòng)；轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角規(guī)劃

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

1 系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 爆胎監(jiān)測(cè)警示模塊

利用現(xiàn)有的胎壓監(jiān)測(cè)器技術(shù)，使胎壓監(jiān)測(cè)器通過(guò)無(wú)線發(fā)送接收裝置與單片機(jī)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(shí)，該輪胎上的胎壓監(jiān)測(cè)器會(huì)立即發(fā)送數(shù)值信號(hào)至單片機(jī)；單片機(jī)通過(guò)分析是否超過(guò)臨界值，在此之前在單片機(jī)中輸入輪胎氣壓值的正常范圍作為臨界值。單片機(jī)中具有邏輯或門(mén)電路，若超出臨界值，單片機(jī)右側(cè)電路將形成通路，否則保持開(kāi)路狀態(tài)，通過(guò)電路傳輸控制信號(hào)至雙閃燈開(kāi)關(guān)控制器，自動(dòng)打開(kāi)前后雙閃燈，警示前后方車(chē)輛注意本車(chē)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(hào)傳入單片機(jī)后，單片機(jī)會(huì)迅速收集汽車(chē)行駛速度信號(hào)、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)。當(dāng)汽車(chē)行駛速度超過(guò)危險(xiǎn)值時(shí)，此時(shí)車(chē)輛有爆胎方向失控的危險(xiǎn)。單片機(jī)根據(jù)接收的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)經(jīng)過(guò)分析處理，按照基于微分平坦的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角規(guī)劃原理迅速得出轉(zhuǎn)向盤(pán)的安全轉(zhuǎn)角值，并輸出不同占空比的脈沖信號(hào)至電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)按照一定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)，即帶動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí),轉(zhuǎn)角傳感器再次將轉(zhuǎn)角信號(hào)傳入單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)分析確定轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角安全后，發(fā)送控制信號(hào)至轉(zhuǎn)向桿上的方向盤(pán)鎖死裝置，方向盤(pán)鎖死裝置中的彈簧立即伸縮，彈出鋼銷(xiāo)插進(jìn)方向盤(pán)的鎖孔中，方向盤(pán)被立即鎖死，從而使汽車(chē)可以保持直線行駛；當(dāng)車(chē)速低于危險(xiǎn)速度值時(shí)，單片機(jī)作出處理，彈簧迅速收縮，鋼銷(xiāo)拔出，電機(jī)與齒輪分離，方向盤(pán)自動(dòng)解鎖，此時(shí)駕駛者可以調(diào)控方向靠邊停車(chē)。

1.3 緩沖制動(dòng)模塊

圖2 改進(jìn)后的制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖2所示，在原有制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。在原推桿處再加一根推桿，并使該推桿通過(guò)一定的動(dòng)件與電動(dòng)機(jī)相連。如圖2所示，單片機(jī)在接收到爆胎信號(hào)、速度信號(hào)，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(hào)至汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從而使電機(jī)間斷性正反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)推桿間斷性作用于制動(dòng)主缸，以達(dá)到間歇輕踩制動(dòng)踏板的效果。當(dāng)速度降至安全界值以下時(shí)，單片機(jī)停止輸送脈沖信號(hào)，此時(shí)圖2中的電動(dòng)機(jī)不再轉(zhuǎn)動(dòng)，推桿與電動(dòng)機(jī)分離，駕駛者可自由控制制動(dòng)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵理論應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

2.1 爆胎車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型(圖3）

圖3 車(chē)輛正常行駛的動(dòng)力學(xué)模型

爆胎車(chē)輛的安全控制研究的關(guān)鍵是建立一套合理的爆胎車(chē)輛動(dòng)力學(xué)軌跡模型。車(chē)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(huì)急劇減小，而滾動(dòng)阻力系數(shù)則增大。研究發(fā)現(xiàn)，輪胎側(cè)偏剛度和滾動(dòng)阻力系數(shù)兩個(gè)參數(shù)的變化是最影響車(chē)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(dòng)阻力系數(shù)的變化對(duì)車(chē)輛模型的影響。

2.2 基于微分平坦的車(chē)輛軌跡規(guī)劃

由于車(chē)輛爆胎后，錯(cuò)誤的駕駛行為操作會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛方向失去控制?，F(xiàn)給定爆胎車(chē)輛理想的行駛路徑，從而對(duì)車(chē)輛理想的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角進(jìn)行規(guī)劃。在進(jìn)行軌跡規(guī)劃時(shí)，首先討論汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與運(yùn)行穩(wěn)定性?xún)烧咧g的關(guān)系。然后在規(guī)劃過(guò)程中通過(guò)引入一個(gè)能夠表征車(chē)輛失控狀態(tài)的參數(shù)，從而確保爆胎車(chē)輛規(guī)劃軌跡的結(jié)果具有可靠性與安全性。本文選擇車(chē)輛側(cè)向加速度作為衡量前后輪胎整車(chē)側(cè)向力的一個(gè)特征參數(shù)，同時(shí)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(chē)輛軌跡控制問(wèn)題可以描述為：

2.3 直線路徑下爆胎車(chē)輛一次軌跡規(guī)劃

設(shè)系統(tǒng)的軌跡是一個(gè)關(guān)于時(shí)間t的函數(shù)。進(jìn)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(dá)到最小的輸入量和運(yùn)行狀態(tài)關(guān)于時(shí)間t的函數(shù)。首先要按照?qǐng)D4對(duì)平坦輸出的時(shí)間t進(jìn)行預(yù)處理，然后對(duì)爆胎車(chē)輛的最優(yōu)化軌跡進(jìn)行求解。

圖4 方向盤(pán)轉(zhuǎn)角曲線

其中，a1，a2，a3，a4為待規(guī)劃求解的參數(shù)。

在進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，選擇使爆胎車(chē)輛停車(chē)的最短時(shí)間作為性能參數(shù)指標(biāo)。圖4為通過(guò)仿真軟件得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。待優(yōu)化參數(shù)的計(jì)算結(jié)果表示為：

將 a1、a2、a3、a4的上述結(jié)果值代入表達(dá)式（2），即可得到爆胎車(chē)輛在直線行駛工況下的狀態(tài)及輸入軌跡。在滿足動(dòng)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(chē)輛安全停車(chē)的最短時(shí)間大約為 10s。

3 結(jié)論與展望

本研究的成果主要在于車(chē)輛前輪爆胎后的安全聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，包括警示、按照安全轉(zhuǎn)角自動(dòng)鎖死和解鎖方向盤(pán)、緩沖制動(dòng)裝置。該系統(tǒng)在前人研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)汽車(chē)前輪爆胎這一工況具體分析，并運(yùn)用具體的數(shù)學(xué)模型對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)安全轉(zhuǎn)角值進(jìn)行推算，通過(guò)信號(hào)傳輸、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等一系列成熟技術(shù)的組合，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)輛前輪爆胎的安全控制。該系統(tǒng)的定位是對(duì)于ESP、ABS系統(tǒng)的補(bǔ)充，只考慮前輪爆胎這一具體工況進(jìn)行安全聯(lián)動(dòng)控制，一定程度上解決了ESP、ABS系統(tǒng)對(duì)于前輪爆胎方向失衡的安全控制問(wèn)題。

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1671-0711（2017）12（上）-0150-02