汽车智能轮胎异物检测系统设计 - 汽车与驾驶维修(汽车版)杂志社投稿

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汽车智能轮胎异物检测系统设计

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摘要：

随着科学技术的进飞速步和人民收入水平的提高，如今汽车在我国的普及率也越来越高，根据相关部门的统计数据显示，截止到2019年上半年，我国汽车拥有量为3.4亿量。日益增多的汽车数量除给人民生活带来便利之外，也为交通安全埋下了隐患。根据相关统计数据显示，在高速公路发生的交通事故中，轮胎故障引发的事故占百分之十。汽车轮胎工作状态是否正常是影响行车安全的一个重要因素，根据这几年来对交通事故发生原因的分析，我们发现爆胎是造成多起交通事故发生的主要原因。 1汽车轮胎异物检测重要性及基本原理汽车在发生爆胎事故时轮胎内的压力和温度会发生急剧变化，为了对汽车轮胎的工作状态进行检测，目前大多数汽车在轮胎上都安装了相应的温度传感器和压力传感器，以及时发现异常情况并进行处理。但爆胎事故的原因除了超速行驶和高温之外，更多的是路面异物戳刺轮胎而造成漏气，因此这种方式并不能做到完全预防爆胎事故的发生，还需要及时对路面异物进行检测，以避开与异物接触。一般来说引起爆胎事故的异物主要是碎玻璃、碎陶瓷、石块、锐利的铁钉等，检测方法和原理根据其性质不同也有差异，但总体来说主要包括金属和非金属两大类。 1.1 汽车轮胎金属异物检测原理及方法在汽车行驶过程中对路面上的铁钉和铁刺等异物进行检测的基本原理是利用金属的电磁感性效应，所使用的检测工具主要是电涡流传感器。电涡流传感器由紧密缠绕的线圈组成，并在线圈中通以高频变化的交变电流，根据法拉第的电磁感应定理，当通过线圈中的电流发生变化时，线圈中的磁场也会随之发生改变，据此我们可以在线圈的中心轴方向建立高频变化的交变磁场。用来检测金属异物的电涡流传感器固定在汽车轮胎内，如果行驶路面存在金属异物，则在轮胎向异物靠近时在金属异物内部就会激励出感应电流，变化的感应电流产生磁场，以此来抵御自身磁场的变化。同时金属内部产生的磁场也会对电涡流传感器的磁场大小造成影响，进而使得传感器线圈内部的电流电流发生变化，将电流的变化通过计算机进行处理分析即可大致确定金属异物的位置和距离，避免与其接触。 1.2 汽车轮胎非金属异物检测原理及方法非金属由于导电性差，所以不能利用电磁感应原理来检测。因此我们在对非金属异物进行检测时主要使用电容传感器。根据对电容的基本性质的了解，电容传感器中的电容大小主要与电容器之间介质的种类，电容器正对面积和两板之间的距离有关，且与面积大小呈正比，与距离长短成反比。汽车在行驶过程中电容传感器两极之间存在的介质主要是空气，因此可认为介电常数不变。电容传感器在设计过程中面积已知，因此我们也可认为面积不变，所以对电容量大小具有决定性影响的就是距离因素。在行驶过程中当轮胎上存在玻璃等非金属异物时，距离减小，电容增大，通过外围电路把电容量的变化转变为可直接进行检测的电压或电流变化，再通过计算元件进行处理分析即可得到距离信息。 2汽车智能轮胎异物检测系统整体设计方案路面的异物种类是不确定的，可能有金属也可能有非金属，我们所设计的系统应当具备对这两类物质的检测能力，因此在传感器检测元件选择时应选取电涡流传感器和电容传感器。除此之外，轮胎智能异物检测系统的基本装置还应包括具有分析处理能力的单片机、传感器保护外壳、外围支撑电路、与驾驶室主机相连的数据总线、报警指示灯和蜂鸣器等。 2.1 基本信号采集与传输承担信号采集任务的主要是电涡流传感器以及电容传感器，在设计时传感器探头及其外围支撑电路安装于汽车车轮上的安全位置，调节探头的方向，使其面向车轮流水槽，并测量正常情况下传感器探头到车轮顶部的初始距离。当汽车轮胎上存在异物时，传感器电路中的电流或电压就会发生改变，并通过数据线将信号传递给单片机系统。 2.2 数据分析数据分析主要通过异物检测系统中的单片机元件来进行，单片机中存储了事先编辑的用于检测义务的算法。由于工作原理不同，金属异物和非金属异物的检测是两种不同的算法。单片机中的中央控制处理器将传感器收集到的数据进行运算分析已判定汽车轮胎上是否存在异物，同时单片机将处理之后的结果传递给驾驶室中的计算机系统。当汽车轮胎上存在石子、金属等异物之后运算结果会发生变化。 2.3 数据处理驾驶室中的计算机系统在收到单片机传来的运算结果之后，与设定阈值进行比较，若发现存在异常，则启动报警系统。异物检测报警指示灯持续闪烁，蜂鸣器持续发生报警提醒驾驶人员停车处理。 3结语在汽车过程中路面异物是造成轮胎损伤的一个重要原因，为了有效避免轮胎卡入异物之后持续运转而造成的对轮胎不可逆的损伤，我们设计了一种汽车轮胎智能异物检测系统。汽车轮胎中的智能异物检测系统主要由电涡流传感器、电容传感器、中央处理部件、传输数据线路以及蜂鸣器和指示灯等元件构成。这种系统可以分别对金属物质和非金属物质进行检测，发现异常时可及时报警，处理速度快。 [1]张红党，丁磊，刘俊，傅华娟.汽车智能轮胎异物检测系统设计[J].现代商贸工业，2019，40(18)：178-179. [2]山东科技大学.汽车轮胎异物检测系统及方法：CN201711232262.0[P].2018-04-20. 随着科学技术的进飞速步和人民收入水平的提高，如今汽车在我国的普及率也越来越高，根据相关部门的统计数据显示，截止到2019年上半年，我国汽车拥有量为3.4亿量。日益增多的汽车数量除给人民生活带来便利之外，也为交通安全埋下了隐患。根据相关统计数据显示，在高速公路发生的交通事故中，轮胎故障引发的事故占百分之十。汽车轮胎工作状态是否正常是影响行车安全的一个重要因素，根据这几年来对交通事故发生原因的分析，我们发现爆胎是造成多起交通事故发生的主要原因。1汽车轮胎异物检测重要性及基本原理汽车在发生爆胎事故时轮胎内的压力和温度会发生急剧变化，为了对汽车轮胎的工作状态进行检测，目前大多数汽车在轮胎上都安装了相应的温度传感器和压力传感器，以及时发现异常情况并进行处理。但爆胎事故的原因除了超速行驶和高温之外，更多的是路面异物戳刺轮胎而造成漏气，因此这种方式并不能做到完全预防爆胎事故的发生，还需要及时对路面异物进行检测，以避开与异物接触。一般来说引起爆胎事故的异物主要是碎玻璃、碎陶瓷、石块、锐利的铁钉等，检测方法和原理根据其性质不同也有差异，但总体来说主要包括金属和非金属两大类。1.1 汽车轮胎金属异物检测原理及方法在汽车行驶过程中对路面上的铁钉和铁刺等异物进行检测的基本原理是利用金属的电磁感性效应，所使用的检测工具主要是电涡流传感器。电涡流传感器由紧密缠绕的线圈组成，并在线圈中通以高频变化的交变电流，根据法拉第的电磁感应定理，当通过线圈中的电流发生变化时，线圈中的磁场也会随之发生改变，据此我们可以在线圈的中心轴方向建立高频变化的交变磁场。用来检测金属异物的电涡流传感器固定在汽车轮胎内，如果行驶路面存在金属异物，则在轮胎向异物靠近时在金属异物内部就会激励出感应电流，变化的感应电流产生磁场，以此来抵御自身磁场的变化。同时金属内部产生的磁场也会对电涡流传感器的磁场大小造成影响，进而使得传感器线圈内部的电流电流发生变化，将电流的变化通过计算机进行处理分析即可大致确定金属异物的位置和距离，避免与其接触。1.2 汽车轮胎非金属异物检测原理及方法非金属由于导电性差，所以不能利用电磁感应原理来检测。因此我们在对非金属异物进行检测时主要使用电容传感器。根据对电容的基本性质的了解，电容传感器中的电容大小主要与电容器之间介质的种类，电容器正对面积和两板之间的距离有关，且与面积大小呈正比，与距离长短成反比。汽车在行驶过程中电容传感器两极之间存在的介质主要是空气，因此可认为介电常数不变。电容传感器在设计过程中面积已知，因此我们也可认为面积不变，所以对电容量大小具有决定性影响的就是距离因素。在行驶过程中当轮胎上存在玻璃等非金属异物时，距离减小，电容增大，通过外围电路把电容量的变化转变为可直接进行检测的电压或电流变化，再通过计算元件进行处理分析即可得到距离信息。2汽车智能轮胎异物检测系统整体设计方案路面的异物种类是不确定的，可能有金属也可能有非金属，我们所设计的系统应当具备对这两类物质的检测能力，因此在传感器检测元件选择时应选取电涡流传感器和电容传感器。除此之外，轮胎智能异物检测系统的基本装置还应包括具有分析处理能力的单片机、传感器保护外壳、外围支撑电路、与驾驶室主机相连的数据总线、报警指示灯和蜂鸣器等。2.1 基本信号采集与传输承担信号采集任务的主要是电涡流传感器以及电容传感器，在设计时传感器探头及其外围支撑电路安装于汽车车轮上的安全位置，调节探头的方向，使其面向车轮流水槽，并测量正常情况下传感器探头到车轮顶部的初始距离。当汽车轮胎上存在异物时，传感器电路中的电流或电压就会发生改变，并通过数据线将信号传递给单片机系统。2.2 数据分析数据分析主要通过异物检测系统中的单片机元件来进行，单片机中存储了事先编辑的用于检测义务的算法。由于工作原理不同，金属异物和非金属异物的检测是两种不同的算法。单片机中的中央控制处理器将传感器收集到的数据进行运算分析已判定汽车轮胎上是否存在异物，同时单片机将处理之后的结果传递给驾驶室中的计算机系统。当汽车轮胎上存在石子、金属等异物之后运算结果会发生变化。2.3 数据处理驾驶室中的计算机系统在收到单片机传来的运算结果之后，与设定阈值进行比较，若发现存在异常，则启动报警系统。异物检测报警指示灯持续闪烁，蜂鸣器持续发生报警提醒驾驶人员停车处理。3结语在汽车过程中路面异物是造成轮胎损伤的一个重要原因，为了有效避免轮胎卡入异物之后持续运转而造成的对轮胎不可逆的损伤，我们设计了一种汽车轮胎智能异物检测系统。汽车轮胎中的智能异物检测系统主要由电涡流传感器、电容传感器、中央处理部件、传输数据线路以及蜂鸣器和指示灯等元件构成。这种系统可以分别对金属物质和非金属物质进行检测，发现异常时可及时报警，处理速度快。参考文献：[1]张红党，丁磊，刘俊，傅华娟.汽车智能轮胎异物检测系统设计[J].现代商贸工业，2019，40(18)：178-179.[2]山东科技大学.汽车轮胎异物检测系统及方法：CN201711232262.0[P].2018-04-20.