收稿日期:2020-06-25 基金项目：国家自然科学基金资助项目(61503045)；吉林省科技厅重点研发项目(20200401075G X )
作者简介：唐溧克(1989-)，男，汉族，吉林四平人，长春工业大学助教，硕士，主要从事电力传动与伺服控制㊁智能机械与机器人方向研究,E -m a i l :421452467@q q
.c o m.*通讯作者：张瑀航(1994-)，女，汉族，吉林长春人，长春工业大学博士研究生，主要从事智能机械与机器人㊁多智能体一致性与协调控制方向研究,E -m a i l :z y
h 3502009@163.c o m.第42卷第3期 长春工业大学学报 V o l .42N o .32021年06月 J o u r n a l o fC h a n g c h u nU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y
J u n .2021 D O I :10.15923/j
唐溧克1, 张瑀航1*, 王思凡2, 刘 坤1, 姜玉莲1
(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
)摘 要：考虑轮胎胎压㊁温度等因素对汽车爆胎事故的影响，通过分析现有制动方法，确定汽车爆胎时采取电子机械制动(E M B )与方向盘锁死的复合制动方案㊂建立车辆安全行驶距离模型，设计了基于B P 神经网络和模糊P I D 控制器实现行车过程的稳定跟随与安全距离的控制㊂
关键词：爆胎;E M B 制动；方向盘锁死；距离模型;B P 神经网络；模糊P I D
中图分类号:U463.5 文献标志码:A 文章编号:1674-1374(2021)03-0237-09
D e s i g no f a s t a b l eb r e a k i n g s y
s t e mf o r t i r eb u r s t T A N GL i k e 1, Z H A N G Y u h a n g 1*,
WA N GS i f a n 2
,L I U K u n 1, J I A N G Y u l i a n
1(1.S c h o o l o fE l e c t r i c a l&E l e c t r o n i cE n g i n e e r i n g ,C h a n g c h u nU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y ,C h a n g
c h u n130012,C h i n a ;2.S u n n y O p t i c a lT e c h n o l o g y (G r o u p )C o .L t
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f a c t o r s o n a u t o m o b i l e t i r e b u r s t a c c i d e n t ,w e m a k eac o m p o u n db r a k ed e s i
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i c hc o m b i n e se l e c t r o n i c m e c h a n i c a lb r a k i n g (E M B )w i t hs t e e r i n g w h e e l l o c k i n g
.T h e s a f e d i s t a n c em o d e l i s e s t a b l i s h e d ,a n d aP I Dc o n t r o l l e r b a s e d o nb o t h B P n e u r a ln e t w o r ka n df u z z y c o n t r o l i sd e s i g n e dt or e a l i z et h es t a b l et r a c k i n g a n ds a f e d i s t a n c e .
K e y w
o r d s :t i r e b u r s t ;E M B (E l e c t r o -M e c h a n i c a l B r a k e );s t e e r i n g w h e e l l o c k e d ;d i s t a n c em o d e l ;B P n e u r a l n e t w o r k ;f u z z y P
I D.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㊂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㊂
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
]㊂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㊂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㊂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一㊂
爆胎后，车轮一些参数特性[3
](如滚动阻力㊁
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㊂安全轮胎零压力学特性是提升轮胎续驶性能㊁实现车辆爆胎稳定性控
制的基础[4
]㊂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㊂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㊂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㊂
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㊂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㊂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㊂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㊂
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㊂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㊁温度等)，对比常见的胎压检测系统T P M S ，并对其工作原理等进行分析说明㊂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㊂
此外，文中还通过建立相应的跟车模型，利用B P 神经网络P I D 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P I D 控制器控制制动安全距离,
通过对比传统P I D 算法控制的制动距离，采用S I MU L I N K 软件运行验证其可靠性㊂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㊂
1 检测电路的设计
本环节从胎压监测系统T P M S [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
P r o t e u s 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D S 18B 20对轮胎温度进行实时检测与显示㊂
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
㊂
图1 胎压监测系统原理框图
8汽车爆胎
32长春工业大学学报 第42卷
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㊂
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R F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㊂
3)如果检测到轮胎胎压和温度出现异常,
A T89C51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㊂
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㊂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㊂
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㊂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㊂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㊂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㊂2.3E M B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㊁聚集各种可靠功能㊁更加符合环境保护理念的电子机械控制的制动系统E M B越来越受欢迎㊂
E M B(E l e c t r o-M e c h a n i c a lB r a k e)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㊂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㊂E M B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㊂
更加完善的制动方式是朝着复合制动理论发展，在E M B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㊂文中制动理念是在胎压检测基础上，在爆胎时采用E M B 和方向盘锁死相结合的复合制动方式，在安全行驶时，利用B P神经网络P I D控制，调节车辆间纵向跟车距离，爆胎后制动时，利用模糊P I D控制安全制动距离㊂
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㊂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㊂
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㊂
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㊂
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㊂
车间纵向距离相对误差为
δd1=Δx n-d x,(1)式中:Δx n第n辆车与第n+1辆车的实际车距;
d x各车辆间的理想跟随车距㊂
考虑到车辆行驶速度对系统精度产生的影
932
第3期唐溧克，等：汽车爆胎稳定制动系统设计
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 =x n -1-x n -d x +λv n +1=
δd 1+λv n +1,
(2)式中:δd 跟车速度对跟车系统影响的相对误差;
v n +1后车车速;
λ
δd 收敛与δd 1的补偿时间,
一般选取λ=0.2s
㊂系统车辆间相对速度误差为(v n 为前车车速)
δv =v n +1-v n ㊂
(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
X .
=A X +B u +ΓΨ,
Y =C X ,
{
(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;A 系统矩阵,A =0101éëêêùû
úú;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
)㊂ 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㊂利用S 仿真实验验证B P 神经网络
P I D 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B P 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㊂3.2 基于B P 神经网络P I D 控制器的安全行驶
距离控制 为了使系统的输出参数K p ㊁K i ㊁K d 能够达到自主学习和自行调整的目的，采用B P 神经网络P I D 控制器控制纵向安全距离,
其结构如图3所示㊂
系统采用3-5-3的三层B P 神经网络[1
1]
结构形式，即输入层信号为输入i n ㊁输出o u t 和偏差
e r r o r ，输出层信号分别为P I D 控制器的三个参数
K p ㊁K i ㊁K d ，以及中间的隐含层三部分，具体如图4所示
㊂
图3 B P 神经网络P I D
控制器基本原理
图4 B P 神经网络结构
利用S i m u l i n k 工具箱建立基于B P 神经网络
的安全行车距离控制结构，如图5所示㊂其仿真结果如图6所示㊂
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P I D 控制器控制的纵向安全距离㊂
3.3 基于模糊P I D 控制器的制动距离控制
模糊P I D 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e c ,
以及控制器参数K p ㊁K i ㊁K d 的模糊关系㊂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P I D 控制器的三个参数㊂将e 和e c 设成模糊P I D 控制器的输入参数，将P I D 控制器参数K p ㊁K i ㊁K d 作为系统的输出变量㊂
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P I D 控制器的车辆安全制动距离模型并进行仿真，如图7所示㊂
设计最终期望结果是车间纵向距离输出为安
全距离范围2~5m ，基于模糊P I D 控制的制动距离变化曲线如图8所示㊂
42长春工业大学学报 第42卷
图5 B P 神经网络P I D
控制
图6
车间纵向距离仿真实验对比曲线
图7 模糊P I D 控制的S 仿真模型
1
42第3期 唐溧克，等：汽车爆胎稳定制动系统设计
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