CN106183634A - 车用防滑布砂***及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车用防滑步砂***及控制方法，包括：控制单元，包括出砂量调控装置，用于设定布砂***的出砂量；控制器，其连接控制单元，所述控制器接收控制单元的出砂量数据并将出砂量数据转换成驱动信号；布砂机构，其连接控制器，所述布砂器接收控制器的驱动信号并控制出砂量；其中，所述布砂机构安装在车轮前进方向的前端。本发明的防滑布砂***具有以下优点，防止车辆在冰滑路面打滑，使驾驶更安全；布砂***结构不复杂、易于实现并且便于安装，适于大范围应用；用模糊PID控制器对布砂***进行调控，使砂量的偏差低于0.2％，大大提高布砂***的精度。

Description

车用防滑布砂***及其控制方法

技术领域

本发明涉及车辆防滑领域。更具体地说，本发明涉及一种车用防滑布砂***及其控制方法。

背景技术

汽车业的发展给人们的生产和生活带来了巨大的变化。同时，雨雪、冰冻等恶劣天气造成的冰雪路面给行车带来困难，易出现交通事故，甚至高速公路关闭。目前的解决办法为：1、轮胎上安装防滑链，但防滑链断裂，对于轻型车，客运车辆尤其是小轿车等几乎无法安装防滑链。2、还有很多防滑剂播撒装置，不宜推广。

发明内容

本发明目的是提供一种车用防滑布砂***，砂箱内储存的砂子通过排砂管排出，排砂管上安装控制排砂量的布砂器，实现精确控制散落至冰滑路面的砂量。

本发明还有一个目的是提供一种车用防滑布砂***的控制方法，调整布砂器的转动角度调整布砂机构的出砂量，并利用模糊PID控制器实现精准控制。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种车用防滑布砂***，包括：

控制单元，包括出砂量调控装置，用于设定布砂***的出砂量；

控制器，其连接控制单元，所述控制器接收控制单元的出砂量数据并将出砂量数据转换成驱动信号；

布砂机构，其连接控制器，所述布砂器接收控制器的驱动信号并控制出砂量；

其中，所述布砂机构安装在车轮前进方向的前端。

优选的是，所述布砂机构包括：砂箱和布砂器，所述砂箱用于储存和排出干砂，所述布砂器安装在砂箱的排砂管上。

优选的是，所述砂箱包括：排砂管，包括第一排砂管和第二排砂管，所述第一排砂管上开设径向安置孔，所述第二排砂管固定连接所述第一排砂管，所述第二排砂管末端设置有喷砂头，所述喷砂头用于向车轮前进方向的前端排出砂子；其中，所述布砂机构通过安置孔连接第一排砂管。

优选的是，所述砂箱包括：高料位传感器，其固定在所述砂箱的内壁上端，用于探测砂箱内砂子是否到达高料位；低料位传感器，其固定在所述砂箱的内壁下端，用于探测砂箱内砂子是否到达低料位其中，所述高料位传感器和低料位传感器连接控制器，当砂子的料位到达高料位，控制器发出高料位警报；当砂子的料位到达低料位，控制器发出低料位警报。

优选的是，所述布砂器包括：布砂器主体，其设置在第一排砂管内，所述布砂器主体用于截断第一排砂管的通路；支撑杆，其一端伸入安置孔并固定连接所述布砂器主体，所述支撑杆用于带动布砂器主体转动；步进电机，其固定连接所述支撑杆的另一端，用于驱动所述支撑杆转动；其中，所述布砂器主体上开设用于砂子通过的布砂孔，所述布砂孔随布砂器主体转动，从而调整第一排砂管内砂子通过的有效面积。

本发明的目的还通过一种车用防滑布砂***的控制方法来实现，包括以下步骤：

步骤1、调节出砂量调控按钮使出砂量为Q，控制器将出砂量转换成步进电机的驱动信号N：

步骤2、步进电机接收驱动信号，带动布砂器相对于第一排砂管转动，使布砂孔的轴线与第一排砂管的轴线之间的角度为θ；

步骤3、检测喷砂头流出砂子的实际出砂量Q_t，用模糊PID控制器对实际流量进行校正使其等于出砂量Q。

模糊PID控制器输入出砂量Q与实际出砂量Q_t的偏差、偏差变化率，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数的增益，比例系数、比例积分系数和微分系数增益输入PID控制器进行误差补偿控制。

优选的是，所述偏差的论域为[-1,1]，对应的定量化因子为1；偏差变化率的论域为[-3,3]，对应的定量化因子为1；输出比例系数增益的论域为[-1,1]，对应的定量化因子为0.06；比例积分系数增益的论域为[-2,2]，对应的定量化因子为0.01；微分系数增益论域为[-1,1]，对应的定量化因子为0.00025；

所述偏差、偏差变化率分为9个等级，模糊集为{NVB，NB，NM，NS，0，PS，PM，PB，PVB}；

所述比例系数增益、比例积分系数增益和微分系数增益分为9个等级，模糊集为{NVB，NB，NM，NS，0，PS，PM，PB，PVB}。

优选的是，所述模糊PID控制器的输入偏差、偏差变化率的隶属度函数采用三角形隶属函数。

优选的是，所述模糊PID控制器的输出比例系数增益、比例积分系数增益和微分系数增益的隶属度函数采用三角形隶属函数。

本发明至少包括以下有益效果：1、车辆安装防滑布砂***，防止在冰滑路面打滑，使驾驶更安全；2、布砂***结构不复杂、易于实现并且便于安装，适于大范围应用；3、用模糊PID控制器对布砂***进行调控，使砂量的偏差低于0.2％，大大提高布砂***的精度。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是本发明的车用防滑布砂***的结构示意图。

图2是本发明的布砂机构的剖视图。

图3是本发明的布砂器的剖视图。

图4为本发明的布砂器关闭砂箱的管路的结构示意图。

图5为本发明的模糊PID控制器的输入偏差e_x的隶属度函数图。

图6为本发明的模糊PID控制器的偏差变化率ec_x的隶属度函数图。

图7为本发明的模糊PID控制器的比例系数增益ΔK_p的隶属度函数图。

图8为本发明的模糊PID控制器的比例积分系数增益ΔK_i的隶属度函数图。

图9为本发明的模糊PID控制器的微分系数增益ΔK_d的隶属度函数图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

图1示出了根据本发明的一种的实现形式，车用防滑布砂***包括：控制单元、控制器和布砂机构，人工调节控制单元开启、关闭或调整出砂量，控制器接收控制单元的信号并转换为驱动信号，布砂机构接收驱动信号并进行相应动作。

如图1所示，控制单元包括出砂量调控按钮、砂量仪表盘、高料位报警灯和低料位报警灯，所述控制单元固定在车辆仪表控制区，用于手动调整布砂***的出砂量，调控出砂量从0～11KG/h之间变化；所述砂量仪表盘用于显示砂箱110内的砂子的质量；所述高料位报警灯用于警报砂箱110内砂子的料位达到高料位，其红灯闪烁并发出报警声，此时驾驶人员可以停止向砂箱110内加入砂子；所述低料位报警灯用于警报砂箱110内砂子的料位达到低料位，其绿灯闪烁并发出报警声，此时驾驶人员需要向砂箱110加入砂子。

如图1所示，控制器固定在车辆仪表控制区，其连接控制单元和布砂机构，当控制器接收控制单元的出砂量数据Q并将出砂量数据转换成驱动信号N，并将驱动信号发送至布砂机构。

布砂机构100包括砂箱110、布砂器120，所述砂箱110用于储存和排出干砂，所述布砂器120安装在砂箱110的排砂管111上。其中，所述砂箱110包括排砂管111、安置孔112、喷砂头113。排砂管111包括第一排砂管和第二排砂管，所述第一排砂管一端连接砂箱110的砂子出口上，另一端连接第二排砂管，所述第一排砂管为圆形金属管道其内为砂子的流通通道，其中，所述第一排砂管上开设径向安置孔112，所述安置孔112的内径与布砂器120的外径相匹配，用于放置布砂器120。所述第二排砂管为软管并可根据需要连接成所需长度的管道，第二排砂管的一端连接第一排砂管，另一端固定连接喷砂头113。喷砂头113为砂子出口，其设置在所述车轮前进方向的前端，用于向车轮前方喷射砂子，起到防滑作用。砂箱110主体上开设砂子入口，其内用于储存砂子。砂子从砂箱110主体内流出进入第一排砂管，进入第二排砂管后从喷砂头113排出。

如图3-4所示，布砂器120包括布砂器主体、布砂孔121、步进电机122和支撑杆123。其中，布砂器主体为球形，所述球形结构的直径与第一排砂管的内壁过盈配合，并且球形结构抵靠在所述第一排砂管的内壁上，使布砂器主体能够在第一排砂管内转动，所述布砂器主体设置在对应于安置孔112的位置，用于截断所述第一排砂管的砂子流通通道。其中，布砂器主体上开设径向布砂孔121，所述布砂孔121通过球形结构的中心，所述布砂孔121随布砂器主体转动而转动，当布砂孔121的轴线与第一排砂管的轴线平行，第一排砂管内形成通路；当布砂孔轴线转动至与第一排砂管轴线垂直，第一排砂管形成断路。支撑杆123，其一端通过安置孔112固定连接布砂器主体，其另一端固定连接步进电机122，所述支撑杆123用于定位布砂器主体，所述支撑杆123转动带动布砂器主体转动，从而调整布砂孔121的位置从而调整出砂量。步进电机122通过支撑杆123带动布砂器主体转动，从而使布砂孔121轴线和第一排砂管的轴线的角度不同，从而调整布砂孔121随布砂器主体转动从而调整排砂量；步进电机122的步幅为l，经过反复调试当l＝0.5°时便于调整出砂量；步进电机122按照驱动信号N行动相同的步数，当驱动信号N为4时，驱动电机驱动4步。当第一排砂管内砂子滑落至安置孔112，安置孔112内布设的布砂器120阻挡砂子，砂子从布砂器120的布砂孔121内通过进入第二布砂孔，当布砂孔121的轴线与第一排砂管的轴线平行，第一排砂管内形成通路；当布砂孔轴线转动至与第一排砂管轴线垂直，第一排砂管形成断路，从而通过步进电机122调整布砂孔121的角度从而调整排砂量。

在另一实施例中，所述砂箱110主体内部安装高料位传感器115和低料位传感器116，所述高料位传感器115为电容式料位传感器，当砂箱110内的砂子到达高料位时，高料位传感器115感应到其料位，并电连接高料位报警器，高料位报警器的红灯闪烁并发出报警声，此时驾驶人员可以停止向砂箱110内加入砂子；所述低料位传感器为电容式料位传感器，当砂箱110内的砂子到达低料位时，低料位传感器116感应到其料位，并电连接低料位报警器，低料位报警器的绿灯闪烁并发出报警声，此时驾驶人员需要向砂箱110加入砂子。

在另一实施例中，所述布砂器120还包括定位垫圈，所述定位垫圈套设在所述支撑杆123上，用于定位和支撑布砂器主体，使布砂器主体的位置对应安置孔112。

布砂***的工作原理为：从砂箱110的内加入砂子，当砂子达到高料位时，料位传感器115发出警报，此时驾驶人员停止加入砂子。当驾驶人员遇到冰雪湿滑天气，开启布砂***100的按钮，并调节出砂量调控按钮调节出砂量，控制器接收出砂量数据转换成驱动信号N，并将驱动信号发送至布砂机构100，砂子从砂箱110内流出进入第一排砂管，步进电机122转动至一定角度使砂子从布砂器120的布砂孔121内流出至第二排砂管，再从喷砂头113排出至车辆轮胎前进方向的前端，使砂子铺设在路面上，增加轮胎与路面的摩擦力，防止车辆打滑。

本发明还保护一种车用防滑布砂***的控制方法，包括：

步骤1、调节出砂量调控按钮使出砂量为Q，控制器将出砂量Q转换成步进电机的驱动信号N：

$N=\frac{arccos({\mathrm{Qd}}^2/{\mathrm{\ϵr}}^2)}{l}---\left(1\right)$

其中，Q为手动调节的砂量调控按钮的出砂量数据，单位为KG/h；d为砂子的粒径，单位为mm；ε为砂子的孔隙率，无因次；r为布砂孔的半径，单位为mm；l为步进电机的步幅，l＝0.5°即步进电机驱动一次其驱动布砂器120转动0.5°，使布砂孔的轴线相对于第一排砂管的轴线转动0.5°。

步骤2、步进电机122接收驱动信号，带动布砂器120相对于第一排砂管转动，使布砂孔121的轴线与第一排砂管的轴线之间的角度为θ；

θ＝N×l (2)

步骤3、用数字天平测量1分钟内流出的砂子的质量并换算成一小时的实际出砂量Q_t，用模糊PID控制器对实际流量进行校正使其等于出砂量Q，具体方法为：

控制器中包括模糊PID控制器，其中，模糊控制器和PID控制器串联；模糊PID控制器输入出砂量Q与实际出砂量Q_t的偏差、偏差变化率，输出PID的比例系数增益ΔK_p、比例积分系数增益ΔK_i和微分系数的增益ΔK_d，ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d输入PID控制器进行误差补偿控制。

将模糊控制器的输入出砂量Q与实际出砂量Q_t的偏差e_x、偏差变化率ec_x和输出ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d进行模糊处理。在无控制时，偏差e_x的模糊集上的论域为[-1,1]，定量化因子为1；偏差变化率ec_x的模糊集上的论域为[-3,3]，设定量化因子都为1；输出ΔK_p的模糊论域为[-1,1]，定量化因子为0.06；输出ΔK_i的模糊论域为[-2,2]，定量化因子为0.01；输出ΔK_d的模糊论域为[-1,1]，定量化因子为0.00025。为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，最终将输入偏差e_x、偏差变化率ec_x分为9个等级，模糊集均为{NVB，NB，NM，NS，0，PS，PM，PB，PVB}，隶属度函数均采用三角形隶属函数，隶属度函数详见图5和6；所述比例系数增益ΔK_p、比例积分系数增益ΔK_i和微分系数增益ΔK_d分为9个等级，模糊集为{NVB，NB，NM，NS，0，PS，PM，PB，PVB}，隶属度函数均采用三角形隶属函，对应的隶属度函数详见图7、8和9。其中，所述比例系数增益ΔK_p、比例积分系数增益ΔK_i和微分系数增益的模糊控制规则详见表1-3。

表1ΔK_p的模糊控制表

表2ΔK_i的模糊控制表

根据模糊控制器的输入偏差e_x、偏差变化率ec_x，用模糊控制规则表1、2和3得出模糊控制器的输出量，输出量经反模糊化得到精确值，即PID的ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d的增益，得到PID的三个修正控制参数K_p′、K_i′、K_d′：

K_p′＝K_p+ΔK_p (3)

K_i′＝K_i+ΔK_i (4)

K_d′＝K_d+ΔK_d (5)

其中，K_p′、K_i′、K_d′分别为PID控制的比例、比例积分和微分的修正后的参数；K_p、K_i、K_d分别为PID控制的比例、比例积分和微分的初始参数，经实验反复确定，初始参数的取值分别为0.8、0.53、0.0008；ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d分别为PID控制的比例、比例积分和微分系数的增益。

PID控制器出砂量Q与实际出砂量Q_t的偏差e(t)输入模糊控制器；

e(t)＝(Q-Q_t)_t (6)

输出步进电机的控制信号N，控制算式为：

$N\left(t\right)={K_p}^{\′}\[e\left(t\right)+\frac{1}{{K_i}^{\′}}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}e\left(t\right)dt+{K_d}^{\′}\·\frac{de\left(t\right)}{dt}\]---\left(7\right)$

根据公式(7)输出步进电机的控制信号，对布砂***进行控制，使输入出砂量Q与实际出砂量Q_t的偏差小于0.2％，大大提高布砂***的精确度。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种车用防滑布砂***，其特征在于，包括：

控制单元，包括出砂量调控装置，用于设定布砂***的出砂量；

控制器，其连接控制单元，所述控制器接收控制单元的出砂量数据并将出砂量数据转换成驱动信号；

布砂机构，其连接控制器，所述布砂器接收控制器的驱动信号并控制出砂量；

其中，所述布砂机构安装在车轮前进方向的前端。

2.如权利要求1所述的车用防滑布砂***，其特征在于，所述布砂机构包括：砂箱和布砂器，所述砂箱用于储存和排出干砂，所述布砂器安装在砂箱的排砂管上。

3.如权利要求2所述的车用防滑布砂***，其特征在于，所述砂箱包括：排砂管，包括第一排砂管和第二排砂管，所述第一排砂管上开设径向安置孔，所述第二排砂管固定连接所述第一排砂管，所述第二排砂管末端设置有喷砂头，所述喷砂头用于向车轮前进方向的前端排出砂子；

其中，所述布砂机构通过安置孔连接第一排砂管。

4.如权利要求3所述的车用防滑布砂***，其特征在于，所述砂箱包括：

高料位传感器，其固定在所述砂箱的内壁上端，用于探测砂箱内砂子是否到达高料位；

低料位传感器，其固定在所述砂箱的内壁下端，用于探测砂箱内砂子是否到达低料位

其中，所述高料位传感器和低料位传感器连接控制器，当砂子的料位到达高料位，控制器发出高料位警报；当砂子的料位到达低料位，控制器发出低料位警报。

5.如权利要求3或4所述的车用防滑布砂***，其特征在于，所述布砂器包括：

布砂器主体，其设置在第一排砂管内，所述布砂器主体用于截断第一排砂管的通路；

支撑杆，其一端伸入安置孔并固定连接所述布砂器主体，所述支撑杆用于带动布砂器主体转动；

步进电机，其固定连接所述支撑杆的另一端，用于驱动所述支撑杆转动；

其中，所述布砂器主体上开设用于砂子通过的布砂孔，所述布砂孔随布砂器主体转动，从而调整第一排砂管内砂子通过的有效面积。

6.一种车用防滑布砂***的控制方法，其特征在于，包括：

步骤1、调节出砂量调控按钮使出砂量为Q，控制器将出砂量转换成步进电机的驱动信号N：

步骤2、步进电机接收驱动信号，带动布砂器相对于第一排砂管转动，使布砂孔的轴线与第一排砂管的轴线之间的角度为θ；

步骤3、检测喷砂头流出砂子的实际出砂量Q_t，用模糊PID控制器对实际流量进行校正使其等于出砂量Q。

模糊PID控制器输入出砂量Q与实际出砂量Q_t的偏差、偏差变化率，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数的增益，比例系数、比例积分系数和微分系数增益输入PID控制器进行误差补偿控制。

7.如权利要求6所述的车用防滑布砂***的控制方法，其特征在于，所述偏差的论域为[-1,1]，对应的定量化因子为1；偏差变化率的论域为[-3,3]，对应的定量化因子为1；输出比例系数增益的论域为[-1,1]，对应的定量化因子为0.06；比例积分系数增益的论域为[-2,2]，对应的定量化因子为0.01；微分系数增益论域为[-1,1]，对应的定量化因子为0.00025；

所述偏差、偏差变化率分为9个等级，模糊集为{NVB，NB，NM，NS，0，PS，PM，PB，PVB}；

所述比例系数增益、比例积分系数增益和微分系数增益分为9个等级，模糊集为{NVB，NB，NM，NS，0，PS，PM，PB，PVB}。

8.如权利要求7所述的车用防滑布砂***的控制方法，其特征在于，所述模糊PID控制器的输入偏差、偏差变化率的隶属度函数采用三角形隶属函数。

9.如权利要求8所述的车用防滑布砂***的控制方法，其特征在于，所述模糊PID控制器的输出比例系数增益、比例积分系数增益和微分系数增益的隶属度函数采用三角形隶属函数。