汽车智能轮胎异物检测系统设计研究 本文关键词：异物，轮胎，检测系统，智能，研究
汽车智能轮胎异物检测系统设计研究 本文简介：摘要：以汽车轮胎异物检测为目标，介绍了金属异物和非金属检测原理，以电涡流传感器和电容传感器为基本检测元件，通过电涡流感应的变化实现金属异物检测，同时依靠电容传量的变化来实现非金属异物的检测。为此，设计了一种汽车智能轮胎异物检测系统，系统由探测器中的各类传感器（涡流传感器探头、电容式接近传开关）进行数
汽车智能轮胎异物检测系统设计研究 本文内容：
摘要：以汽车轮胎异物检测为目标，介绍了金属异物和非金属检测原理，以电涡流传感器和电容传感器为基本检测元件，通过电涡流感应的变化实现金属异物检测，同时依靠电容传量的变化来实现非金属异物的检测。为此，设计了一种汽车智能轮胎异物检测系统，系统由探测器中的各类传感器（涡流传感器探头、电容式接近传开关）进行数据采集，将采集的数据传入单片机，控制器对数据进行系统分析处理，当轮胎卡入石子或金属时，控制器对其预测、采集数据，综合计算分析与控制器存储数据进行对比，并控制警器报警。
关键词：汽车轮胎；金属异物；非金属异物；探测原理；检测
随着科技的进步和经济的发展，我国汽车保有量的急速增加，汽车成为日常工作、旅行、学习等现代生活不可缺少的代步工具，汽车在给人民出行带来便捷的同时，其造成的交通事故更是给人们带来严重的安全威胁。轮胎作为汽车主要部件在行驶安全中起着极为重要的作用。汽车在行驶中，一旦发生爆胎现象很容易引起车辆转向失控，引发严重交通事故。据交通部门统计，２０１８年我国４０％的高速公路交通事故是由轮胎发生故障引起的，而爆胎引发的事故占了７０％以上。究其根本原因是在事故发生前，螺钉、铁屑、石子等异物刺入或卡入轮胎，构成了爆胎的潜在隐患；当轮胎高速运转或负荷交变时，异物轻易刺破轮胎，造成突发漏气或爆胎的现象。目前现有的汽车胎压监测系统，其原理主要是依靠装在轮胎内部的电子传感器监测轮胎气压和温度，只有当轮胎温度较高或轮胎压力不足时，蜂鸣器才发出报警信号，是一种被动的防御系统。因此驾驶员不能及时对爆胎事故做出反应。其次，该装置的安装条件、工作环境要求均较高，不能从根本上应用在汽车轮胎异物检测中。所以本文目的为了预防车轮爆胎，在胎压报警装置发挥作用之前，设计一种智能轮胎异物检测装置，以汽车轮胎异物检测为目标，介绍了金属异物和非金属检测原理，以电涡流传感器和电容传感器为基本检测元件，通过感应电涡流和电容量变化实现异物检测，及时消除汽车爆胎的隐患、有效保障安全行车。
１异物探测原理
本文以汽车轮胎石子和金属异物探测为目标，依靠电涡流传感器、电容式接近传开关探头采集信号，采用飞思卡尔单片机处理信号，控制蜂鸣器，而当车辆转弯时，车轮转角传感器的信号传给单片机，控制蜂鸣器不报警，以防止误报警，本质上通过电容容量变化、电涡流的感应实现对石子等非金属、金属异物检测。设计这种石子等非金属和金属异物探测器，及时消除汽车爆胎的隐患、有效保障行车安全。
１．１金属检测原理
金属异物探测采用电涡流传感器探头，如图１所示为电涡流探测传感线圈的工作原理，如果给探测传感线圈施加正弦交变电流Ｉ１，其角频率为ω，则线圈在轴向会产生同频率的交变磁场Ｈ１。如果此时有金属异物存在交变磁场中，则金属异物中会产生感应电流Ｉ２，同时会产生交变磁场Ｈ２，等效电路如图２所示。当探测传感器的附近有金属时，电流Ｉ１·就会发生变化，对其电流进行分析处理就能检测金属异物的存在。
１．２非金属探测
由电容的基本知识可知，忽略边缘效应，电容传感器的电容量Ｃ的表达式为式中，ε０、ε分别是介电常数、相对介电系数；Ｓ为电容器对应面积；δ为电容器和异物的距离。当δ、Ｓ或ε任一参数发生变化时，将会引起电容量的变化。如果保持Ｓ、ε参数都不改变，仅改变距离δ，就可转变为非金属异物检测电容器的容量变化，再通过测量电路运算，将最终电容量的变化转换为电信号输出，电容传感器基本的结构原理如图３所示。随着齿轮转动，电容量发生周期性变化，通过测量电路运算处理后输出脉冲信号，则频率计计算出齿轮转速的大小。
２异物检测系统的设计
该装置主要有电涡流传感器、电容式接近传感器、转角传感器、ＰＩＣ１６Ｆ８７７单片机、探头保护罩壳、报警器、ＬＣＤ报警指示灯、车载网络数据线、安装支架等组成。该系统由探测器中的各类传感器（涡流传感器探头、电容式接近传开关）进行数据采集，将采集的数据传入控制器（飞思卡尔单片），控制器对数据进行系统分析处理，当轮胎卡入石子或金属时，控制器对其预测、采集数据，综合计算分析与控制器存储数据进行对比，并控制警器报警，系统结构原理如图４所示。该装置固定在车轮上方车架上，传感器有外壳保护，传感器探头及其控制电路固定于车轮上方合适位置，使探头朝向车轮流水槽，设定正常状态下的探头与车轮顶部的距离值，并将距离为主要参数，通过软件编程，设定蜂鸣器发出警报的条件。若有异物位于轮胎上时，探测器产生反常信号，控制器控制蜂鸣器发出报警以提醒驾驶员车轮有异物存在，驾驶员则可以及时处理。
２．１信号接收、信息的采集与传递
电涡流传感器、电容接近开关对轮胎石子和金属异物进行检测，把信号传输给控制器，由控制器判断是否发出报警。当车轮转向时，转向轮转角传感器把信号传给控制器，以防止控制器进行误报警。
２．２信息传输
轮胎异物检测控制器依靠ＬＩＮ线接受车轮转角传感器信号，实现数据的共享和传输。控制器可以通过ＣＡＮ网络与仪表控制单元进行数据交换，未来可以实现仪表板指示灯报警等。
２．３中央处理器（控制器）
控制器数据设定包括传感器阈值设定、转向角度设定。控制器通过传感器传回的数据与设定阈值对比做出相应计算并回应，若轮胎卡石子或金属异物时，控制器通过存储的数据与现时状况数据综合分析得出信息并迅速有效地将其反馈到显示终端，其基本组成数据模块如图５所示。
２．４数据处理
传感器的数据传到控制器，控制器将通过所得数据和已设定数据计算输出信号，并传给显示终端，同时控制蜂鸣器报警。
２．５中央处理器总输出
中央处理器显示器在正常状态下检测数据，当出现以下情况时做出相应操作：（１）单一传感器数据低于阈值失效，显示该传感器位置。（２）单一传感器数据高于阈值时，发出报警信号。
２．６显示终端智能化
示终端采用蜂鸣器报警，可以共用倒车雷达蜂鸣器，正常状态处于休眠状态，当收到中央控制器信号时唤醒控制此系统中的单片机，控制报警器进行报警。
３结论
本文设计的金异物探测器有效地降低了硬件系统的复杂度，提高了探测的准确性。本系统以预防爆胎为基本设计要求，与现有的设备相结合，用传感器、单片机及报警器来串联整个系统，最终完成了“汽车轮胎异物智能检测”的设计；此外，系统中的控制器经过数据采集、分析及评测可以快速准确地做出相关反应，并实现报警。
参考文献
［１］潘粟城．车载蓝牙胎压监测技术研究［Ｄ］．上海：华东理工大学，２０１６．
［２］马伟，马骁．汽车轮胎金属异物探测原理与探测系统设计［Ｊ］．兰州理工大学学报，２０１２，１２（６）：７０－７２．
［３］李琪瑶，李颖，赵育泽等．汽车底盘及四周盲区的异物识别装置的研制［Ｊ］．南方农机，２０１７，（０８）：２９－１３０．
［４］马伟．手持式汽车轮胎金属异物刺入探测器：中国，２０１１１２０１４５８８０．３［Ｐ］．２０１１－０９－０２．
作者：张红党 丁磊 刘俊 傅华娟 单位：常州机电职业技术学院车辆工程学院
汽车智能轮胎异物检测系统设计研究 来源：网络整理
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