專利名稱：汽車爆胎安全控制方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及汽車主動安全技術(shù)領(lǐng)域，特別是關(guān)于汽車爆胎安全控制方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
汽車爆胎是一種常見的危險情況，每年由于汽車爆胎引起的交通事故占很大比 例，尤其是汽車在高速行駛時的爆胎很容易導(dǎo)致車輛偏離正常的行駛軌道，從而引
發(fā)重大交通事故。根據(jù)中國公安交管部門交通事故數(shù)據(jù)顯示，2005年1至11月交 通事故389670起中，80989人死亡，因爆胎引發(fā)的事故就占了將近20%。而在高速 公路中46%的交通事故是由于輪胎發(fā)生故障引起的，爆胎就占了 70%。目前國內(nèi)外 對輪胎氣壓監(jiān)測技術(shù)開展了大量的研究工作，并取得了許多創(chuàng)新性成果，尤其是汽 車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)(Tire Pressure monitoring System, TPMS)，在很多車型上 已得到了批量使用。該系統(tǒng)主要用于在汽車行駛時實(shí)時地對輪胎氣壓進(jìn)行自動監(jiān)測， 對輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行報警，以保障行車安全。然而這類技術(shù)對汽車高速行駛時 爆胎所引起的交通事故卻無能為力，因?yàn)槠囆旭傋枇ν蝗皇テ胶舛鴮?dǎo)致方向跑 偏，駕駛員很難有反應(yīng)的時間。為此，爆胎后汽車的安全控制成為預(yù)防該類事故的 重要措施。
針對汽車爆胎后的安全控制技術(shù)，國內(nèi)外正在積極的開展研究工作，比較典型 的一種技術(shù)是爆胎監(jiān)測與安全控制系統(tǒng)，其工作原理是當(dāng)出現(xiàn)爆胎等緊急情況時， 輪胎氣壓監(jiān)測采樣單元能夠即刻采集到這一信號，并將這一信號立即傳遞給中央控 制單元；中央控制單元幾乎同時發(fā)出指令給制動器單元和尾燈警示信號，制動器單 元瞬間爆發(fā)出強(qiáng)大的制動力，爆胎發(fā)生后大約0.2至0.5秒內(nèi)，促使汽車產(chǎn)生緊急 制動并安全減速，實(shí)現(xiàn)短時間內(nèi)車輛減速到每小時四十公里的安全時速，使車輛可 以從容靠邊，也避免了追尾等二次事故的發(fā)生。該系統(tǒng)利用機(jī)電一體化系統(tǒng)快速反 應(yīng)的特性來彌補(bǔ)人腦對外界信息反應(yīng)滯后的生理局限，在爆胎汽車的司機(jī)還沒有來 得及做出反應(yīng)的情況下，該系統(tǒng)即刻實(shí)施自動緊急制動，使汽車減速。該類技術(shù)的 技術(shù)特征在于系統(tǒng)的制動執(zhí)行裝置是電控的液壓制動裝置，在發(fā)生爆胎時，液壓 制動裝置使車輛產(chǎn)生制動，然后減速，駕駛員控制方向使車輛能夠安全?？柯愤?。 這類技術(shù)雖然對爆胎車輛的安全行駛具有一定效果，然而該類技術(shù)的主要缺點(diǎn)表現(xiàn) 在1、爆胎后及時制動使汽車減速，但對汽車行駛方向沒有控制，汽車方向的控
制仍然由駕駛員來操作，這依然無法完全避免因爆胎引起的交通事故；2、汽車液 壓執(zhí)行裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本昂貴；3、如果利用液壓執(zhí)行裝置實(shí)現(xiàn)對車輛方向的控 制，則涉及到制動力合理分配的問題，控制難度極大，對不同的行駛路況，難以實(shí) 現(xiàn)良好的安全控制效果。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供實(shí)現(xiàn)難度小、成本低、且可靠性高的汽車 爆胎安全控制方法及系統(tǒng)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案 一種汽車爆胎安全控制方法，其 包括以下步驟1)建立一個汽車爆胎安全控制系統(tǒng)，其包括信號采集單元、主控 制單元、縱向安全執(zhí)行單元和橫向安全執(zhí)行單元，各單元之間通過車載CAN總線通 訊；2)主控制單元在車輛爆胎發(fā)生時，向縱向安全執(zhí)行單元和橫向安全執(zhí)行單元 發(fā)出控制指令；3)縱向安全執(zhí)行單元在接收到控制指令后，通過節(jié)氣門自動控制 裝置關(guān)閉節(jié)氣門，并驅(qū)動縱向制動執(zhí)行裝置使車輛快速減速；4)與此同時，橫向 安全執(zhí)行單元在接收到控制指令后，控制轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)使車輛維持原有的行駛方 向。
所述節(jié)氣門自動控制裝置包括節(jié)氣門控制器和電機(jī)執(zhí)行裝置兩部分，所述節(jié)氣 門控制器在接收到所述縱向安全執(zhí)行單元中的控制器的控制指令后，驅(qū)動所述電機(jī) 執(zhí)行裝置關(guān)閉節(jié)氣門。
所述節(jié)氣門自動控制裝置為設(shè)置在原車中的電子節(jié)氣門，所述縱向安全執(zhí)行單 元中的控制器通過所述車載CAN總線向所述電子節(jié)氣門發(fā)送期望節(jié)氣門開度信息，
進(jìn)而關(guān)閉節(jié)氣門。
所述橫向安全執(zhí)行單元中的控制器采用PI控制算法對所述縱向制動執(zhí)行裝置 進(jìn)行控制，且采用PID控制算法對所述電控轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)進(jìn)行控制。
一種實(shí)現(xiàn)如上述方法的汽車爆胎安全控制系統(tǒng)，其特征在于:它包括信號采集 單元、主控制單元、縱向安全執(zhí)行單元和橫向安全執(zhí)行單元；所述信號采集單元包 括信號釆集控制器和車載傳感器；所述主控制單元包括主控制器；所述縱向安全執(zhí)
行單元包括縱向控制器、縱向制動執(zhí)行裝置和節(jié)氣門自動控制裝置；所述橫向安全 執(zhí)行單元包括橫向控制器和安裝在車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的電控轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)；各單元之 間通過車載CAN總線通訊。
所述節(jié)氣門自動控制裝置包括節(jié)氣門控制器和電機(jī)執(zhí)行裝置兩部分，所述節(jié)氣 門控制器根據(jù)所述縱向安全執(zhí)行單元中的控制器的控制指令，驅(qū)動所述電機(jī)執(zhí)行裝 置，由所述電機(jī)執(zhí)行裝置驅(qū)動所述節(jié)氣門。
所述節(jié)氣門自動控制裝置為設(shè)置在原車中的電子節(jié)氣門。 所述縱向制動執(zhí)行裝置為安裝在車輛中的電子真空助力器。
所述電控轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)通過渦輪-蝸桿機(jī)構(gòu)連接方向盤轉(zhuǎn)向柱，在所述電控轉(zhuǎn) 向輔助電機(jī)與方向盤之間安裝有力矩傳感器和角位移傳感器。
本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明通過實(shí)時監(jiān)測汽 車輪胎氣壓、制動壓力、車速、方向盤轉(zhuǎn)角等汽車狀態(tài)信號，在汽車出現(xiàn)爆胎時自 動控制汽車的制動與方向，使車輛迅速降低到安全車速并維持車輛的方向穩(wěn)定性， 保障行車安全，從而有效避免因爆胎引發(fā)的交通事故。2、本發(fā)明采用電子真空助 力器和電控轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)作為執(zhí)行裝置，即可以自動使車輛減速，也能夠自動保持 車輛的方向穩(wěn)定性。3、本發(fā)明采集必要的車輛狀態(tài)信息，并采用合理的控制算法，
安全控制效果良好。4、本發(fā)明采用的制動壓力傳感器采用MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems,硅顯微機(jī)械力卩工)禾口 ASIC (Application Specific Integrated Circuit,專用集成電路)技術(shù)設(shè)計制造而成，特別適用于惡劣的汽車環(huán)境中，可在 高低溫、振動、熱沖擊和機(jī)械沖擊以及化學(xué)污染等惡劣環(huán)境中使用。5、本發(fā)明可 以在具有電子真空助力器和EPS (Electronic Power Steering,電動助力轉(zhuǎn)向)的 車輛上改裝使用，成本大大降低。同時，也可以在新生產(chǎn)的車型上應(yīng)用。綜上所述， 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)難度小、可靠性高且成本低，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣泛的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)組成示意圖
圖2是本發(fā)明實(shí)施例采用的輪胎壓力監(jiān)測模塊結(jié)構(gòu)示意圖
圖3是本發(fā)明的信號采集控制器原理圖
圖4是本發(fā)明的電子真空助力器結(jié)構(gòu)示意圖
圖5是本發(fā)明的節(jié)氣門自動控制裝置示意圖
圖6是本發(fā)明的縱向控制器原理圖
圖7是本發(fā)明的橫向控制器原理圖
圖8是本發(fā)明的轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)安裝結(jié)構(gòu)示意圖
圖9是本發(fā)明的控制邏輯
圖io是本發(fā)明的縱向控制算法示意圖
圖11是本發(fā)明的橫向安全控制流程圖
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例分別從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、系統(tǒng)的控制邏輯、縱向安全控 制和橫向安全控制對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
1、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成
如圖1所示，本發(fā)明包括信息采集單元1、主控制器單元2、縱向安全執(zhí)行單 元3和橫向安全執(zhí)行單元4。信息采集單元1包括信號采集控制器101和車載傳感 器102。主控制單元2包括主控制器201。縱向安全執(zhí)行單元3包括縱向控制器301、 用于車輛自動制動的電子真空助力器302和用于控制節(jié)氣門的節(jié)氣門自動控制裝置 303。橫向安全執(zhí)行單元4包括橫向控制器401和用于保持車輛方向穩(wěn)定性的轉(zhuǎn)向 輔助電機(jī)402。上述各單元之間通過車載CAN總線5通訊，這既符合目前汽車車載 網(wǎng)絡(luò)的主流技術(shù)，也有利于系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。各單元的結(jié)構(gòu)組成及功能的具體內(nèi)容 分述如下 1)信息采集單元
信息采集單元1通過車速傳感器、輪胎壓力傳感器、制動壓力傳感器、方向盤 轉(zhuǎn)角傳感器和橫擺角速度傳感器等車載傳感器102實(shí)現(xiàn)對所需車輛狀態(tài)信息的實(shí)時 采集，經(jīng)過信號采集控制器101放大、整形和濾波等技術(shù)處理后，實(shí)時通過車載CAN 總線5發(fā)送給其它三個電控單元。信息采集單元1所采集的狀態(tài)信息包括車速信號、 輪胎壓力信號、制動壓力信號、轉(zhuǎn)向角度信號和橫擺角速度信號等。
車速信號用來反映車輛的行駛速度，在本發(fā)明中用于車輛縱向的安全控制，即 車輛行駛中出現(xiàn)爆胎時，迅速使車輛降低到安全車速甚至停車，避免交通事故。車 速信號的獲取可以有多種方式 一種是直接從原車上的車速傳感器獲得原始信號， 然后經(jīng)過放大、整形和濾波等技術(shù)的處理，獲取比較準(zhǔn)確和可靠的車速信號；另一 種方式是從原車的車載C緒總線5上直接獲取車速信號。由于目前很多車輛上已經(jīng) 使用車載CAN總線技術(shù)，如果從汽車廠獲知相應(yīng)的通訊協(xié)議，則車速信號可以直接 獲得。在本實(shí)施例中是從車載CAN總線5上直接讀取。
輪胎壓力信號是本發(fā)明實(shí)施的重要基礎(chǔ)，如果出現(xiàn)爆胎，則輪胎氣壓會迅速降 低，車輛會偏向行駛。因此需要實(shí)時采集車輛全部車輪的胎壓。對輪胎壓力的獲取， 目前已有多種技術(shù)，最常見的一種是利用一個輪胎壓力監(jiān)測模塊實(shí)現(xiàn)，基本原理是 具有壓力、溫度、加速度和電池電量等信息的傳感器通過單片機(jī)采集后，再通過RF 射頻發(fā)射芯片將數(shù)據(jù)發(fā)射出來，接收模塊接收射頻數(shù)據(jù)，然后分析、處理和利用。 如圖2所示，是本實(shí)施例中采用的一種輪胎壓力監(jiān)測模塊結(jié)構(gòu)示意圖，該模塊包括 具有壓力、溫度、加速度、電壓檢測和后信號處理ASIC芯片組合的智能傳感器片 上系統(tǒng)112、 4-8位單片機(jī)122、 RF射頻發(fā)射芯片132、天線142和鋰電池152。本 實(shí)施例采用摩托羅拉(Motorola)公司開發(fā)生產(chǎn)的壓力傳感器，它采用基于MEMS 技術(shù)的硅集成電容式壓力傳感器MPXY8020A作為胎壓檢測單元，具有低功耗和全集
成的特點(diǎn)，也可以采用其他類似的壓力傳感器，在此不作限制。本實(shí)施例采用采用
32針封裝的MC68HC908RF2作為信號控制處理與發(fā)射單元，它是一個8位單片機(jī)和 UHF (Ultra-High Frequncy，超高頻)發(fā)射器集成在一起的器件，采用MC33594作 為接收單元。
如圖1所示，制動壓力信號用于實(shí)時掌握汽車的制動壓力，進(jìn)而了解汽車的制 動減速度，在系統(tǒng)中作為電子真空助力器302的控制反饋信號。當(dāng)然，系統(tǒng)也可以 以縱向加速度信號作為控制反饋信號，兩者基本可以達(dá)到同樣的控制效果，但制動 壓力信號獲取更為容易，信號受干擾小，另外壓力傳感器較加速度傳感器價格也便 宜。因此，本實(shí)施例中選用制動壓力信號作為控制反饋信號，將制動壓力傳感器接 到汽車制動主缸之后的制動管路中即可獲取相應(yīng)的制動壓力。本實(shí)施例選用深圳安
泰測控有限公司生產(chǎn)的型號為AT8033的制動壓力傳感器，其采用MEMS和ASIC技 術(shù)設(shè)計制造而成，特別適用于惡劣的汽車環(huán)境中，可在高低溫、振動、熱沖擊和機(jī) 械沖擊以及化學(xué)污染等惡劣環(huán)境中使用，也可以采用其他類似的制動壓力傳感器， 在此不作限制。AT8033型制動壓力傳感器量程可達(dá)15MPa，輸出為0 5V之間線性 變化的模擬電壓信號。
轉(zhuǎn)向角度信號是反映汽車轉(zhuǎn)向角度大小的信號，可以采用不同的信號來表示， 如方向盤轉(zhuǎn)角信號或轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動角度信號等。在本實(shí)施中，采用BI公司生產(chǎn)的型 號為LH3-SX-4300A的方向盤轉(zhuǎn)角傳感器，安裝在方向盤下側(cè)的轉(zhuǎn)向柱上，其量程 為-900° +900°，可抗10g的沖擊力，適用于車載環(huán)境，也可以采用其他類似的方 向盤轉(zhuǎn)角傳感器，在此不作限制。其輸出信號為兩路模擬電壓信號， 一路用于判斷 方向盤轉(zhuǎn)動的方向及圈數(shù)，另一路用于判斷方向盤在該圈內(nèi)所轉(zhuǎn)過的角度。
橫擺信號是反映車輛橫擺運(yùn)動情況的信號，可以用橫擺角速度信號來表示。在 本實(shí)施例中，橫擺角速度信號用于對爆胎情況的進(jìn)一步判斷。在爆胎情況發(fā)生時， 輪胎壓力急劇下降，這時反映在橫擺角速度上也是急劇變化的，這種情況對車輛的 安全控制應(yīng)該是以盡量大的制動壓力使車輛減速，并保持車輛方向穩(wěn)定性。然而， 往往有些大車在一個輪軸上的一側(cè)有兩個車輪，即使一個車輪爆胎，車輛仍然能夠 正常行駛，這時需要車輛以較小的減速度降低車速，避免緊急剎車所帶來的安全隱 患。本實(shí)施例采用BEI公司生產(chǎn)的型號為LCG50-00100-100的橫擺角速度傳感器， 安裝在靠近車輛質(zhì)心的位置。LCG50-00100-100型橫擺角速度傳感器額定輸入電壓 為5Vdc，量程為±100°〃，滿足車輛使用要求。其輸出為0 5V之間變化的模擬電壓 信號，也可以采用其他類似的橫擺角速度傳感器，在此不作限制。
信號采集控制器101用來采集上述各個車輛的狀態(tài)信號，并對這些狀態(tài)信號進(jìn)
行放大、整形和濾波等技術(shù)處理，將處理后的狀態(tài)信號通過車載CAN總線5發(fā)送到 其他三個電控單元中。如圖3所示，本實(shí)施例所設(shè)計的信號采集控制器101包括單 片機(jī)lll、 4路A/D采集外圍電路及1路CAN總線收發(fā)外圍電路。在本實(shí)施例中， 單片機(jī)111采用摩托羅拉公司生產(chǎn)的型號為MC9S08DZ60的8位單片機(jī)，也可以采 用其他類似的單片機(jī)芯片，在此不作限制。
信號采集控制器101的第一路A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端ADIN0連接方向盤轉(zhuǎn)角傳 感器用于判斷方向盤轉(zhuǎn)動的方向及圈數(shù)的信號輸出端；第二路A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入 端ADIN1連接方向盤轉(zhuǎn)角傳感器用于判斷方向盤在該圈內(nèi)所轉(zhuǎn)過的角度的信號輸出 端；第三路A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端ADIN2連接橫擺角速度傳感器的信號輸出端，第 四路A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端ADIN3連接制動壓力傳感器的信號輸出端。其中，電容 C3、 C4、電阻R2構(gòu)成第一路A/D轉(zhuǎn)換電路的濾波減噪電路，該濾波減噪電路的電 容C3與C4串聯(lián)，且二者的接點(diǎn)與地線相連，且該濾波減噪電路一端連接輸入端 ADIN0，另一端同時連接單片機(jī)111和二極管Dl的正極，Dl的負(fù)極連接電源電壓 VCC。電容C5、 C6和電阻R3構(gòu)成第二路A/D轉(zhuǎn)換電路的濾波減噪電路，該濾波減 噪電路的電容C5與C6串聯(lián)，且二者的接點(diǎn)與地線相連，其一端連接輸入端ADIN1， 另一端同時連接單片機(jī)111和二極管D2的正極，D2的負(fù)極連接電源電壓VCC。電 容C7、 C8和電阻R4構(gòu)成第三路A/D轉(zhuǎn)換電路的濾波減噪電路，該濾波減噪電路的 電容C7與C8串聯(lián)，且二者的接點(diǎn)與地線相連，其一端連接輸入端ADIN2，另一端 同時連接單片機(jī)111和二極管D3的正極，D3的負(fù)極連接電源電壓VCC。電容C9、 C10和電阻R5構(gòu)成第三路A/D轉(zhuǎn)換電路的濾波減噪電路，該濾波減噪電路的電容 C9與C10串聯(lián)，且二者的接點(diǎn)與地線相連，其一端連接輸入端ADIN3，另一端同時 連接單片機(jī)111和二極管D4的正極，D4的負(fù)極連接電源電壓VCC。這四路濾波減 噪電路用于濾掉模擬電壓信號中的高頻噪聲，以防止后續(xù)A/D采樣過程中發(fā)生信號 混疊。二極管D1、 D2、 D3、 D4用于保證電子控制單元的A/D端口的輸入電壓不超 過電源電壓VCC。本實(shí)施例中，C3、 C4、 C5、 C6、 C7、 C8、 C9和C10均為luF，其 可以為電解質(zhì)電容，也可以是其它類型的電容。電阻R2、 R3、 R4和R5電阻大小 為50A:Q。
信號采集控制器101中還包括一路CAN總線收發(fā)外圍電路，用于從車載CAN總 線5中接收車速信息及從胎壓監(jiān)測模塊中接收各個輪胎的壓力信息。CAN總線收發(fā) 外圍電路采用PCA82C250芯片Ul作為驅(qū)動器。PCA82C250是專用的CAN驅(qū)動芯片， 它對總線提供差動發(fā)送能力，為微處理單元提供差動接收能力，它完成CANH、 CANL 和CAN發(fā)送、C認(rèn)接收之間的轉(zhuǎn)換。PCA82C250芯片U1的管腳1與單片機(jī)111的管腳29連接，PCA82C250芯片Ul的管腳4與單片機(jī)111的管腳30連接。PCA82C250 芯片Ul的管腳7和管腳6分別接車載CAN總線5的高端和低端。電容C2和Cll并 聯(lián)連接構(gòu)成PCA82C250芯片Ul的濾波穩(wěn)壓電路，它們一端與PCA82C250芯片Ul的 管腳3連接，另一端與PCA82C250芯片Ul的管腳2連接，同時PCA82C250芯片Ul 的管腳3還與電源電壓VCC相連，PCA82C250芯片Ul的管腳2與地線相連。
2) 主控制單元
如圖1所示，主控制器201中包括一單片機(jī)(圖中未顯示)，主控制器201基 于車輛狀態(tài)信息，尤其是輪胎壓力的變化情況，實(shí)時判斷車輛的安全狀態(tài)，在車輛 爆胎危險情況下，向縱向控制器301和橫向控制器401發(fā)出控制指令，使車輛能夠 安全減速或停車。
3) 縱向安全執(zhí)行單元
電子真空助力器302是一種縱向制動執(zhí)行裝置，它可以實(shí)現(xiàn)在駕駛員沒有踩下 制動踏板的情況下自動剎車。如圖4所示，其實(shí)現(xiàn)電控制動的原理是在真空助力器 312內(nèi)部裝有一電磁鐵322，電磁鐵322通電后產(chǎn)生的電磁力驅(qū)動真空助力器1內(nèi) 部的相關(guān)部件運(yùn)動，類似于駕駛員踩下踏板后制動推桿產(chǎn)生的位移和推力，進(jìn)而使 真空助力器l產(chǎn)生相應(yīng)的制動推力，進(jìn)而產(chǎn)生制動壓力。在本實(shí)施例中使用奔馳公 司生產(chǎn)的BAS電子真空助力器作為縱向制動執(zhí)行裝置。
如圖5所示，縱向控制器301包括單片機(jī)311、 一路電磁鐵PWM (Pulse Width Modulation,脈寬調(diào)制)驅(qū)動外圍電路及一路CAN總線收發(fā)外圍電路。在本實(shí)施例 中，單片機(jī)311釆用摩托羅拉公司生產(chǎn)的型號為MC9S08DZ60的8位單片機(jī)，也可 以采用其他類似的單片機(jī)芯片，在此不作限制。
縱向控制器301采用P麗信號對電子真空助力器302的電磁鐵322進(jìn)行控制， 因此在單片機(jī)311外圍需增加一路P麗驅(qū)動電路。其中，SN7407N芯片U2用于將單 片機(jī)311發(fā)出的TTL (Transistor—Transistor Logic，邏輯門電路)類型的PWM信 號轉(zhuǎn)換成MOS (Metal-0xide-Semiconductor，半導(dǎo)體金屬氧化物)類型，其一端與 單片機(jī)311的管腳31相連， 一端和光隔元件TLP521 U3的管腳2相連。光隔元件 TLP521 U3的作用是將單片機(jī)311與后續(xù)的驅(qū)動電路中的強(qiáng)電隔離開，其管腳1經(jīng) 過一個510Q的限流電阻Rl后和電源電壓VCC相連，其管腳4接車輛蓄電池正極 +12V,管腳3接一 M0SFET(Meta1-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, 金屬-氧化層-半導(dǎo)體-場效晶體管)管Q1的柵極。本實(shí)施例所用M0SFET管Q1的型 號為IRFZ48N，其門極和地線相連，漏極P麗0UT1和電子真空助力器302的電磁鐵 322的負(fù)極相連，同時電子真空助力器302的正極接車輛蓄電池的正極+12V。這樣，
當(dāng)單片機(jī)311發(fā)出的P麗信號為低電平時，光隔元件TLP521 U3的管腳4和管腳3 導(dǎo)通，M0SFET管Q1的柵極為高電平，此時Q1的漏極和源極之間導(dǎo)通，從而使得電 子真空助力器302的電磁鐵電路形成回路，電磁鐵322開始工作；反之，當(dāng)單片機(jī) 311發(fā)出的PWM信號為高電平時，光隔元件TLP521 U3的管腳4和管腳3不導(dǎo)通， M0SFET管Q1的柵極為低電平，此時Q1的漏極和源極之間也不導(dǎo)通，從而使得電子 真空助力器302的電磁鐵電路回路斷開，電磁鐵322不工作，從而達(dá)到控制電磁鐵 322的開斷進(jìn)而控制車輛制動壓力的目的。另外，還將一個二極管Dl和電磁鐵322 并聯(lián)，且Dl的正極接在Ql的漏極P麗0UT1上，即接電磁鐵322的負(fù)極，Dl的負(fù)極 接車輛蓄電池的正極，其主要作用是保證在斷電之后，電磁鐵322的剩余電動勢能 通過D1形成的回路迅速消失。
縱向控制器301中也包括一路CAN總線收發(fā)外圍電路，用于從主控制器201接 收期望制動壓力和期望節(jié)氣門開度等控制指令，并將期望節(jié)氣門開度值通過車載 CAN總線5發(fā)送給節(jié)氣門執(zhí)行裝置303。該CAN總線收發(fā)電路采用PCA82C250芯片 U4作為驅(qū)動器。PCA82C250芯片U4的管腳1與單片機(jī)311的管腳29連接，PCA82C250 芯片U4的管腳4與單片機(jī)311的管腳30連接。PCA82C250芯片U4的管腳7和管腳 6分別接車載CAN總線5的高端和低端。電容Cl和Cl并聯(lián)連接構(gòu)成PCA82C250芯 片U4的濾波穩(wěn)壓電路，它們一端與PCA82C250芯片U4的管腳3連接，另一端與 PCA82C250芯片U4的管腳2連接，同時PCA82C250芯片U4的管腳3還與電源電壓 VCC相連，PCA82C250芯片U4的管腳2與地線相連。
節(jié)氣門自動控制裝置303的作用是當(dāng)出現(xiàn)爆胎情況時，駕駛員沒有及時意識 到或意識到而沒有及時松開加速踏板，則節(jié)氣門自動控制裝置303自動關(guān)閉節(jié)氣門， 保證爆胎后在電子真空助力器302的作用下制動的同時，發(fā)動機(jī)處于最小油門狀態(tài)。 節(jié)氣門自動控制裝置303的實(shí)現(xiàn)途徑有多種方式，最簡單的就是車輛采用的是電子 節(jié)氣門，這樣可直接發(fā)送節(jié)氣門控制指令，即可以實(shí)現(xiàn)對節(jié)氣門的控制。利用這種 控制方式，對于新生產(chǎn)的車輛來說需要汽車生產(chǎn)企業(yè)來完成，對于在用車來說需要 汽車生產(chǎn)企業(yè)參與完成，因?yàn)檫@涉及到整車通訊協(xié)議的問題。當(dāng)然，對于沒有電子 節(jié)氣門的車輛來說，也可以通過其他機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)節(jié)氣門的自動控制。如圖6所示，本 實(shí)施例的節(jié)氣門自動控制裝置303包括節(jié)氣門控制器313和電機(jī)執(zhí)行裝置323兩部 分，節(jié)氣門控制器313以主控制器201期望的節(jié)氣門開度作為輸入，以油門踏板333 的實(shí)際踏板位置作為反饋，控制電機(jī)執(zhí)行裝置323調(diào)節(jié)節(jié)氣門體343的開度。節(jié)氣 門自動控制裝置303既可以用于自適應(yīng)巡航等系統(tǒng)，也可以用于本發(fā)明所需要的對 節(jié)氣門的控制。其工作原理是在自動控制關(guān)閉狀態(tài)下，當(dāng)駕駛員踩下油門踏板333
時，油門踏板位置傳感器檢測此傳感器的輸出信號，可以獲得駕駛員期望的節(jié)氣門
開度，節(jié)氣門控制器313控制電機(jī)執(zhí)行裝置323拉動節(jié)氣門體343，實(shí)現(xiàn)駕駛員期 望的節(jié)氣門開度。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的控制需求，節(jié)氣門控制器313可以由縱向控制 器301代替，當(dāng)縱向控制器301接收到主控制器201發(fā)出的爆胎節(jié)氣門控制指令后， 直接驅(qū)動電機(jī)執(zhí)行裝置323，使其關(guān)閉原車節(jié)氣門。本實(shí)施例中是與汽車生產(chǎn)企業(yè) 合作，采用的是直接控制電子節(jié)氣門的方式，即縱向控制器301通過車載CAN總線 5向電子節(jié)氣門發(fā)送期望節(jié)氣門開度信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對節(jié)氣門的控制。 4)橫向安全執(zhí)行單元
如圖7所示，橫向控制器401的基本結(jié)構(gòu)和組成為
(1) 穩(wěn)壓模塊411:穩(wěn)壓模塊411由車載電池供電，由LM2596S—12V將電壓穩(wěn)壓 到12V，這個電壓供給半橋驅(qū)動芯片驅(qū)動MOSFET。穩(wěn)壓后的12V電壓再次經(jīng)過 LM2596S—5V降壓到5V，作為邏輯電壓供給半橋驅(qū)動芯片和單片機(jī)模塊421。
(2) 單片機(jī)模塊421:電路采用摩托羅拉公司生產(chǎn)的MC9S08DZ60作為控制芯片， 通過車載CAN總線5從信號采集控制器101中獲取車速、橫擺角速度、方向盤轉(zhuǎn)矩 和車胎狀態(tài)等信息。通過精密電阻采樣，可以獲取電源電壓和電機(jī)電流信號，從而 進(jìn)行安全檢測及電機(jī)控制。
(3) 電機(jī)驅(qū)動模塊431:電控轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)402采用H橋驅(qū)動，每個半橋的MOSFET 都是由專用的半橋驅(qū)動芯片(IR2110S)來驅(qū)動的。通過采樣電控轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)402 電流并反饋到半橋驅(qū)動芯片，決定其是否繼續(xù)工作，從而實(shí)現(xiàn)電控轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)402 的過流保護(hù)。
橫向安全執(zhí)行單元4根據(jù)車速、橫擺角速度和方向盤轉(zhuǎn)矩等信息確定電控轉(zhuǎn) 向輔助電機(jī)402的輸出力矩。由直流電機(jī)的工作原理可知，電機(jī)的基本關(guān)系是線性 的，改變電機(jī)的輸入電壓，就可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出力矩。采用PWM調(diào)制可以 很方便的調(diào)節(jié)電機(jī)輸入電壓，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。電控轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)402的轉(zhuǎn)向控 制可以通過H橋?qū)崿F(xiàn)，開啟H橋的不同橋臂，即可控制電控轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)402的轉(zhuǎn) 向。 一般采用MOSFET作為橋臂的開關(guān)元件，通過P麗信號控制MOSFET的導(dǎo)通時間， 便可控制電控轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)402的輸入電壓，這樣就實(shí)現(xiàn)了電控轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)402 的轉(zhuǎn)矩控制。
電控轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)402裝在汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，用于在爆胎后能夠自動保持車 輛行駛方向的穩(wěn)定性。如圖8所示，電控轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)402通過渦輪-蝸桿機(jī)構(gòu)412 連接方向盤轉(zhuǎn)向柱422，傳動比為16. 5。方向盤力矩傳感器432和角位移傳感器442 安裝在電控轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)402與方向盤452之間，可以測量駕駛員施加在方向盤442
上的力矩、方向盤轉(zhuǎn)速以及方向盤452的轉(zhuǎn)角。其工作的基本原則是當(dāng)爆胎后駕 駛員及時發(fā)現(xiàn)并把握方向盤452，則電控轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)402給駕駛員以輔助力，減 輕駕駛員的勞動強(qiáng)度，確保方向穩(wěn)定性；當(dāng)駕駛員沒有握緊方向盤452，則轉(zhuǎn)電控 轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)402輸出較大的驅(qū)動力，保障汽車行駛方向的穩(wěn)定性。
上述實(shí)施例中，單片機(jī)111和主控制單元2中的單片機(jī)可以是獨(dú)立的兩個單 片機(jī)，也可以集成為一個單片機(jī)。
2、 系統(tǒng)的控制邏輯
如圖9所示，系統(tǒng)首先對車輛狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時采集，之后判斷車輛是否有某 個輪胎的壓力值低于事先設(shè)定的閾值。當(dāng)車輛的某個輪胎壓力確實(shí)是低于該閾值 時，這有可能是由于輪胎漏氣引起，因此尚不能判定該輪胎發(fā)生了爆胎現(xiàn)象，于是 繼續(xù)利用車輛橫擺角速度值變化的快慢即橫擺角加速度值的大小作為判斷條件進(jìn)
一步判斷。若車輛橫擺角加速度值超過某一閾值，則認(rèn)為車輛發(fā)生了爆胎現(xiàn)象，此 時節(jié)氣門執(zhí)行裝置303將自動關(guān)閉節(jié)氣門，驅(qū)動電子真空助力器302使車輛快速制 動，并控制電控轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)402維持車輛的行駛方向穩(wěn)定性；若車輛橫擺角加速 度值低于某一閾值，則認(rèn)為僅是輪胎壓力過低而沒發(fā)生爆胎現(xiàn)象。
3、 縱向安全控制
當(dāng)發(fā)生爆胎現(xiàn)象時，縱向安全執(zhí)行單元將關(guān)閉節(jié)氣門，同時驅(qū)動電子真空助力 器302使車輛快速制動。理論上，輪胎爆胎時電子真空助力器302能夠產(chǎn)生的制動 壓力越大越好。但在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，當(dāng)制動壓力過大時，瞬間產(chǎn)生的極大的減速度 將使尚未做出任何反應(yīng)的駕駛員及乘客發(fā)生撞向方向盤甚至擋風(fēng)玻璃的危險，因此 為保障駕駛員及乘客的安全，爆胎后由電子真空助力器302自動產(chǎn)生的制動壓力應(yīng) 低于某一閾值。如圖IO所示，本實(shí)施例將輪胎爆胎后的期望制動壓力值定為10MPa， 并采用PI控制算法對電子真空助力器302進(jìn)行控制。記期望制動壓力為/^，實(shí)際 制動壓力為P。rt ，則所用PI控制算法表達(dá)式如下
"=+A〖(尸血廣C
式中，"為縱向控制器輸出的控制量，具體表現(xiàn)為p麗信號的占空比，因?yàn)檎伎毡?br> 只能在0 100之間變化，因此對w也做此限制；Kp為比例項(xiàng)系數(shù)，A為積分項(xiàng)系 數(shù)，在本實(shí)施例中，取^>=5.0，《,=0.1。
4、 橫向安全控制
電控轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)402提供的助力力矩和車速與橫擺角速度相關(guān)，EPS系統(tǒng)在
車速低時應(yīng)該提供較大的助力力矩，使轉(zhuǎn)向輕松；車速高時提供較小的助力力矩甚 至是阻力距，以使汽車平穩(wěn)行駛。如圖11所示，單片機(jī)模塊421中的控制算法結(jié) 合橫擺角速度、輪胎狀態(tài)和方向盤轉(zhuǎn)向力矩，選取相應(yīng)的助力力矩作為電控轉(zhuǎn)向輔 助電機(jī)402的期望輸出力矩，通過電機(jī)驅(qū)動模塊431驅(qū)動電控轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)402。
電控轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)402的控制采用PID調(diào)節(jié)，離散PID控制算法可表述如下 = & .雄)+ & .|]鄰)+ & .[雄)—雄—1)]
由于電控轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)402的輸H S矩不便于測量，根據(jù)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向特性 和機(jī)械特性，逐步將期望力矩轉(zhuǎn)化成期望電流和期望電壓作為控制參數(shù)。釆樣電機(jī) 電流作為反饋值，與期望電流做差后進(jìn)行PID調(diào)節(jié)輸出電機(jī)控制的反饋電壓。PID 作為一種反饋調(diào)節(jié)方法，可以減小系統(tǒng)誤差，但是存在較大的滯后效應(yīng)。前饋可以 有效提加速系統(tǒng)的響應(yīng)速度，改善調(diào)節(jié)品質(zhì)。因此，根據(jù)電控轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)402的 電流和輸入電壓的關(guān)系建立下述前饋環(huán)節(jié)
通過PID反饋和前饋環(huán)節(jié)確定電控轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)402的驅(qū)動電壓，通過主控制 器201計算PWM的占空比，驅(qū)動電控轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)402提供助力。
盡管為說明目的公開了本發(fā)明的較佳實(shí)施例和附圖，其目的在于幫助理解本發(fā) 明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，但是熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員，在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利 要求的精神和范圍內(nèi)，可作各種替換、變化和潤飾。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于最佳 實(shí)施例和附圖所公開的內(nèi)容，本發(fā)明的保護(hù)范圍以所附的權(quán)利要求書所界定的范圍 為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、一種汽車爆胎安全控制方法，其包括以下步驟1)建立一個汽車爆胎安全控制系統(tǒng)，其包括信號采集單元、主控制單元、縱向安全執(zhí)行單元和橫向安全執(zhí)行單元，各單元之間通過車載CAN總線通訊；2)主控制單元在車輛爆胎發(fā)生時，向縱向安全執(zhí)行單元和橫向安全執(zhí)行單元發(fā)出控制指令；3)縱向安全執(zhí)行單元在接收到控制指令后，通過節(jié)氣門自動控制裝置關(guān)閉節(jié)氣門，并驅(qū)動縱向制動執(zhí)行裝置使車輛快速減速；4)與此同時，橫向安全執(zhí)行單元在接收到控制指令后，控制轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)使車輛維持原有的行駛方向。
2、 如權(quán)利要求1所述的汽車爆胎安全控制方法，其特征在于所述節(jié)氣門自 動控制裝置包括節(jié)氣門控制器和電機(jī)執(zhí)行裝置兩部分，所述節(jié)氣門控制器在接收到 所述縱向安全執(zhí)行單元中的控制器的控制指令后，驅(qū)動所述電機(jī)執(zhí)行裝置關(guān)閉節(jié)氣 門。
3、 如權(quán)利要求1所述的汽車爆胎安全控制方法，其特征在于所述節(jié)氣門自動控制裝置為設(shè)置在原車中的電子節(jié)氣門，所述縱向安全執(zhí)行單元中的控制器通過所述車載CAN總線向所述電子節(jié)氣門發(fā)送期望節(jié)氣門開度信息，進(jìn)而關(guān)閉節(jié)氣門。
4、 如權(quán)利要求1或2或3所述的汽車爆胎安全控制方法，其特征在于所述 橫向安全執(zhí)行單元中的控制器采用PI控制算法對所述縱向制動執(zhí)行裝置進(jìn)行控制， 且采用PID控制算法對所述電控轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)進(jìn)行控制。
5、 一種實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1 4所述的汽車爆胎安全控制方法的系統(tǒng)，其特征在 于它包括信號采集單元、主控制單元、縱向安全執(zhí)行單元和橫向安全執(zhí)行單元； 所述信號采集單元包括信號采集控制器和車載傳感器；所述主控制單元包括主控制 器；所述縱向安全執(zhí)行單元包括縱向控制器、縱向制動執(zhí)行裝置和節(jié)氣門自動控制 裝置；所述橫向安全執(zhí)行單元包括橫向控制器和安裝在車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的電控轉(zhuǎn)向 輔助電機(jī)；各單元之間通過車載CAN總線通訊。
6、 如權(quán)利要求5所述的汽車爆胎安全控制系統(tǒng)，其特征在于所述節(jié)氣門自 動控制裝置包括節(jié)氣門控制器和電機(jī)執(zhí)行裝置兩部分，所述節(jié)氣門控制器根據(jù)所述 縱向安全執(zhí)行單元中的控制器的控制指令，驅(qū)動所述電機(jī)執(zhí)行裝置，由所述電機(jī)執(zhí) 行裝置驅(qū)動所述節(jié)氣門。
7、 如權(quán)利要求5所述的汽車爆胎安全控制系統(tǒng)，其特征在于所述節(jié)氣門自 動控制裝置為設(shè)置在原車中的電子節(jié)氣門。
8、 如權(quán)利要求5或6或7所述的汽車爆胎安全控制系統(tǒng)，其特征在于所述縱向制動執(zhí)行裝置為安裝在車輛中的電子真空助力器。
9、 如權(quán)利要求5或6或7所述的汽車爆胎安全控制系統(tǒng)，其特征在于所述電控轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)通過渦輪-蝸桿機(jī)構(gòu)連接方向盤轉(zhuǎn)向柱，在所述電控轉(zhuǎn)向輔助電 機(jī)與方向盤之間安裝有力矩傳感器和角位移傳感器。
10、 如權(quán)利要求8所述的汽車爆胎安全控制系統(tǒng)，其特征在于所述電控轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)通過渦輪-蝸桿機(jī)構(gòu)連接方向盤轉(zhuǎn)向柱，在所述電控轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)與方向 盤之間安裝有力矩傳感器和角位移傳感器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種汽車爆胎安全控制方法及系統(tǒng)，其包括以下步驟一種汽車爆胎安全控制方法，其包括以下步驟1)建立一個汽車爆胎安全控制系統(tǒng)，其包括信號采集單元、主控制單元、縱向安全執(zhí)行單元和橫向安全執(zhí)行單元，各單元之間通過車載CAN總線通訊；2)主控制單元在車輛爆胎發(fā)生時，向縱向安全執(zhí)行單元和橫向安全執(zhí)行單元發(fā)出控制指令；3)縱向安全執(zhí)行單元在接收到控制指令后，通過節(jié)氣門自動控制裝置關(guān)閉節(jié)氣門，并驅(qū)動縱向制動執(zhí)行裝置使車輛快速減速；4)與此同時，橫向安全執(zhí)行單元在接收到控制指令后，控制轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)使車輛維持原有的行駛方向。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)難度小、可靠性高且成本低，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號B60T7/12GK101380876SQ20081011965
公開日2009年3月11日 申請日期2008年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月4日
發(fā)明者張德兆, 易世春, 李克強(qiáng), 王建強(qiáng) 申請人:清華大學(xué)