CN108189628B - 一种基于智能预测的轮胎保护装置及其控制方法 - Google Patents

一种基于智能预测的轮胎保护装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于智能预测的轮胎保护装置及其控制方法，包括轮胎装置、检测***、采集模块、控制***以及制动***；轮胎装置包括轮胎和轮毂基座，检测***安装于轮胎装置上，用于检测轮毂基座与轮胎内壁的距离、检测轮胎内的胎压信号以及检测轮胎的温度信号；采集模块将采集到的距离信号、胎压信号和温度信号传送至控制***；控制***用于控制制动***，进而控制车辆运行；并用于提示轮胎检修提醒。且该控制方法采用T‑S模糊预测控制，根据输入信号，经过控制算法得到轮胎行驶安全系数，根据行驶安全系数的不同，实现轮胎的警告、检修、急停控制功能，使车辆更加安全行驶。

Description

一种基于智能预测的轮胎保护装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种轮胎保护装置，特别是涉及一种基于智能预测的轮胎保护装置及其控制方法。
背景技术
驾驶行为的舒适度及安全性很大程度上取决于汽车轮胎的工作状态。然而，要精确地评估轮胎气压、温度及轮胎/道路摩擦力等参数并不容易，尤其当驾驶人驾驶车辆在道路上行驶时，此类参数的估计就显得更为困难。为解决此类问题，近20年发明了一系列新型的轮胎传感器及检测设备以改善驾驶行为体验，使之更加安全和舒适。NHTSA的调查数据表示，在过去的10年中，轮胎故障已发展成极大的安全隐患，且其中大部分的轮胎故障是由生产缺陷或保养不当造成的。在不同的轮胎故障类型中，轮胎气压不足被认为是当前道路交通事故的首要因素。另外，胎压不足还会引起轮胎表面磨损加剧，车辆性能下降，燃油消耗增加等。除轮胎胎压外，轮胎的工作状态同时还受到包括轮胎胎面、轮胎材质、温度及轴承等多种因素影响。因此，对轮胎工作状态进行全面检查和监测，从而保障车辆更加安全、舒适的行驶。
目前胎压监测技术已经广泛的应用市场，并且已经纳入国家标准，新生产的车辆必须配置胎压监测装置。如前所述，影响行驶安全和舒适的主要影响因素是胎压，除此之外，还有其他影响因素也需要考虑，如轮胎温度、轮胎形变、轮胎/道路摩擦力等。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种基于智能预测综合监测轮胎各重要参数，并基于监测的数据进行智能预测报警，提高车辆行驶的安全性和舒适型的轮胎保护装置及其控制方法。
技术方案：本发明提供了一种基于智能预测的轮胎保护装置，包括轮胎装置、检测***、采集模块、控制***以及制动***；
所述轮胎装置包括轮胎和轮毂基座；
所述检测***安装于轮胎装置上，用于检测轮毂基座与轮胎内壁的距离、检测轮胎内的胎压信号以及检测轮胎的温度信号；
所述采集模块将采集到的距离信号、胎压信号和温度信号传送至控制***；
所述控制***用于控制制动***，进而控制车辆运行；并用于提示轮胎检修提醒。
进一步的，所述检测***包括超声波***、胎压监测***和温度检测***，所述采集模块为无线采集模块；所述超声波***通过基准偏差镜安装于轮毂基座上，超声波***发射的超声波沿超声波路径进行传输，用于监测轮毂基座与轮胎内壁的距离信号，并将检测到的距离信号通过无线传输方式发送至无线采集模块；
所述胎压监测***用于检测轮胎内的胎压，并将检测到的胎压信号通过无线传输方式送至无线采集模块；
所述温度检测***检测轮胎的温度信号，并将检测到的温度信号通过无线传输方式送至无线采集模块。
进一步的，所述控制***包括控制器、辅助制动执行机构、语音提醒***和显示***；
所述控制器的输出分别与辅助制动执行机构、语音提醒***和显示***的输入连接；所述辅助制动执行机构的输出与制动***连接，用于控制车辆；所述语音提醒***用于语音提示轮胎需要检修；所述显示***用于提示轮胎建议维修。
进一步的，所述制动***包括制动器、制动分泵、制动踏板以及辅助制动分泵；
所述制动器安装在轮毂上，制动踏板的输出与制动分泵连接，当踩动制动踏板时，通过制动分泵将制动力传输至制动器，控制车辆；所述控制***的输出与辅助制动分泵连接，将制动力传输到制动器，控制车辆。
本发明还公开了另一种基于智能预测的轮胎保护装置，包括轮胎装置、检测***、采集模块、控制***以及制动***；
所述轮胎装置包括轮胎和轮毂基座；
所述检测***安装于轮胎装置上，包括超声波***、胎压监测***和温度检测***，所述超声波***通过基准偏差镜安装于轮毂基座上，超声波***发射的超声波沿超声波路径进行传输，用于监测轮毂基座与轮胎内壁的距离信号，并将检测到的距离信号通过无线传输方式发送至采集模块；所述胎压监测***用于检测轮胎内的胎压，并将检测到的胎压信号通过无线传输方式送至采集模块；所述温度检测***检测轮胎的温度信号，并将检测到的温度信号通过无线传输方式送至采集模块；
所述采集模块为无线采集模块，其将采集到的距离信号、胎压信号和温度信号传送至控制***；
所述控制***包括控制器、辅助制动执行机构、语音提醒***和显示***，所述控制器的输出分别与辅助制动执行机构、语音提醒***和显示***的输入连接；所述辅助制动执行机构的输出与制动***连接，用于控制车辆；所述语音提醒***用于语音提示轮胎需要检修；所述显示***用于提示轮胎建议维修；
所述制动***包括制动器、制动分泵、制动踏板以及辅助制动分泵，所述制动器安装在轮毂上，制动踏板的输出与制动分泵连接，当踩动制动踏板时，通过制动分泵将制动力传输至制动器，控制车辆；所述控制***的输出与辅助制动分泵连接，将制动力传输到制动器，控制车辆。
其中，所述辅助制动执行机构为行程电机。所述制动器为液压式制动器。
本发明还公开了一种基于所述智能预测轮胎保护装置的控制方法，该控制方法采用T-S模糊预测控制，包括以下步骤：
(1)定义输入、输出变量及模糊分割
输入变量x＝[x1,x2,x3]；
输出变量y；
各变量定义如下：
输入变量x1：胎压值c；
输入变量x2：胎温值t；
输入变量x3：变形量△l；
输出变量y：安全系数s；
各输入变量的模糊分割为：
输入变量x1：胎压值c模糊分割：
[PL(正大)，ZE(零)，NL(负大)]；
输入变量x2：胎温值t模糊分割：
[PL(正大)，ZE(零)，NL(负大)]；
输入变量x3：变形量△l模糊分割：
[PL(正大)，ZE(零)，NL(负大)]；
输出变量y：安全系数s，采用T-S模糊模型，输出值是精确值，无需模糊分割；
(2)模糊推理
T-S模糊模型采用“if-then”规则定义模糊规则，具体T-S模糊控制规则为Ri：
Figure BDA0001544048330000041
其中，
Figure BDA0001544048330000042
为模糊***的模糊集合，i为模糊集合数，i＝1,2,3，即正大、零、负大，j为输入变量个数，j＝1,2,3；
Figure BDA0001544048330000043
与
Figure BDA0001544048330000044
为模糊***参数，范围为(0，1)，yi为根据模糊控制规则得到第i条规则的输出，输入部分是模糊的，输出部分是确定的，T-S模糊推理表示输出为输入的线性组合；
输入变量x＝[x1,x2,x3]，首先根据模糊规则计算各输入变量的隶属度：
Figure BDA0001544048330000045
式中，
Figure BDA0001544048330000046
Figure BDA0001544048330000047
分别为隶属度函数的中心和宽度；
(3)模糊计算与输出
将隶属度进行模糊计算，采用模糊算子为连乘算子：
Figure BDA0001544048330000048
式中，ωi为模糊算子，物理意义为第i条模糊控制规则的权重，
Figure BDA0001544048330000049
为输入变量x1属于模糊集合
Figure BDA00015440483300000410
的隶属度，
Figure BDA00015440483300000411
为输入变量x2属于模糊集合
Figure BDA00015440483300000412
的隶属度，
Figure BDA00015440483300000413
为输入变量x3属于模糊集合
Figure BDA00015440483300000414
的隶属度。
第i条规则输出为yi，它的权重为ωi，则根据模糊计算结果计算模糊模型的总输出值y：
Figure BDA00015440483300000415
(4)输出信号处理
将输出值y按等级划分为五个等级：
优秀：0.9≤y≤1；
良好：0.8≤y<0.9；
建议检修：0.7≤y<0.8；
警告：0.6≤y<0.7；
危险急停：y<0.6；
其中，优秀与良好表明轮胎可以正常运行。
进一步的，所述T-S模糊预测控制，还包括建议检修控制方案、警告控制方案和急停控制方案；
所述建议检修控制方案为：控制器输出建议检修至显示***，提醒驾驶员对车辆进行检查；
所述警告控制方案为：控制器输出警告信号至语音提醒***，提醒驾驶员对车辆进行检查；
所述急停控制方案：分为自动控制模式与手动控制模式，可通过切换开关进行切换。
更进一步的，所述自动控制模式为：控制器输出控制信号，控制辅助制动执行机构进行间歇性制动，制动动作为：制动1秒，停止制动1秒，制动力为车辆总制动力1/3，如此循环，直至车辆停止，自动控制模式可切换手动控制模式，由驾驶员自行控制车辆；手动控制模式：当切换为手动控制模式，由驾驶员通过控制制动踏板控制车辆的行驶。
有益效果：与现有技术相比，本发明检测轮胎胎压、温度和轮胎形变量作为输入信号，通过无线传输方式，送至控制器，全面监测轮胎状况，更加精确；且传统的控制方案是轮胎发生故障和安全隐患才发出警报，而本发明采用T-S模糊预测控制方法，基于轮胎温度、胎压、变形量之间的关系，通过模糊推理，得到轮胎行驶安全***，根据行驶安全系数的不同，实现轮胎的警告、检修、急停控制功能，使车辆更加安全行驶，具有预测功能。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明T-S模糊控制器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，一种基于智能预测的轮胎保护装置，包括轮胎1、基准边偏差镜2、超声波路径3、超声波***4、制动器5、制动分泵6、制动踏板7、胎压监测***8、辅助制动分泵9、辅助制动执行机构10、语音提醒***11、显示***12、控制器13、无线采集模块14、轮毂基座15和温度检测***16。
其中，基准边偏差镜固定安装在轮毂基座上，超声波***安装在基准边偏差镜上，超声波***发射的超声波沿超声波路径进行传输，进而监测轮毂基座与轮胎内壁的距离信号(即轮胎的变形量)，并将检测到的距离信号通过无线传输方式送至无线采集模块。
胎压监测***检测轮胎内的胎压，并将检测到的胎压信号通过无线传输方式送至无线采集模块。
温度检测***检测轮胎的温度信号，并将检测到的温度信号通过无线传输方式送至无线采集模块。
无线采集模块将采集到的温度信号、胎压信号和距离信号(即轮胎的变形量)送至控制器的输入端，控制器通过T-S模糊控制算法，得到轮胎行驶安全系数。
制动器安装在车桥上，制动踏板的输出与制动分泵连接，当驾驶员踩动制动踏板时，通过制动分泵将制动力传输至制动器，控制车辆。
控制器的输出分别与辅助制动执行机构、语音提醒***和显示***的输入连接，辅助制动执行机构的输出与辅助制动分泵连接，将制动力传输到制动器，控制车辆。
其中，轮胎是车辆行驶轮胎。基准边偏差镜是固定安装在轮毂基座上，随着车轮一起旋转，用于提供超声波路径。超声波路径是超声波***发出的超声波传输路径。超声波***检测轮毂基座与轮胎内壁的距离(即轮胎的变形量)，同时具有无限传输功能，将检测到的距离信号无限传输至无线采集模块。制动器由液压式制动器构成，用于产生制动力。制动分泵将制动踏板的力转换为液压力进行传输，送至制动器中，产生制动力。制动踏板由传统的制动踏板构成。胎压监测***由无线胎压监测构成，监测到的胎压信号通过无线传输送至无线采集模块。辅助制动分泵用于产生制动力，控制车辆。辅助制动执行机构由行程电机构成，用于控制辅助制动分泵的状态，从而产生制动力。语音提醒***用于语音提示轮胎需要检修。显示***用于提示轮胎建议维修。无线采集模块用于采集轮胎的温度信号、压力信号和变形量信号。轮毂基座用于支撑车辆。温度检测***采集轮胎温度信号，并通过无线传输送至无线采集模块。
控制器根据无线采集模块的信号，通过T-S模糊预测控制方案，得到车辆轮胎危险***，从而输出不同的控制信号，分别控制辅助制动执行机构、语音提醒***和显示***。
日本学者Takagi和Sugeno提出一种新的模糊推理模型：T-S型模糊推理模型，该模型输出为精确量，因此输出不需要解模糊。
如图2所示，一种基于智能预测轮胎保护装置的控制方法，该方法基于T-S模糊预测控制，包括以下步骤：
第一步：定义输入、输出变量及模糊分割：
输入变量x＝[x1,x2,x3]；
输出变量y；
各变量定义如下：
输入变量x1：胎压值c；
输入变量x2：胎温值t；
输入变量x3：变形量△l；
输出变量y：安全系数s。
各输入变量的模糊分割为：
输入变量x1：胎压值c模糊分割：
[PL(正大)，ZE(零)，NL(负大)]。
输入变量x2：胎温值t模糊分割：
[PL(正大)，ZE(零)，NL(负大)]。
输入变量x3：变形量△l模糊分割：
[PL(正大)，ZE(零)，NL(负大)]。
输出变量y：安全系数s，采用T-S模糊模型，输出值是精确值，无需模糊分割。
第二步：模糊推理
T-S模糊模型采用“if-then”规则定义模糊规则，具体T-S模糊控制规则为Ri
Figure BDA0001544048330000081
其中，
Figure BDA0001544048330000082
为模糊***的模糊集合，i为模糊集合数，i＝1,2,3，即正大、零、负大，j为输入变量个数，j＝1,2,3；
Figure BDA0001544048330000083
与
Figure BDA0001544048330000084
为模糊***参数，范围为(0，1)，yi为根据模糊控制规则得到第i条规则的输出，输入部分是模糊的，输出部分是确定的，T-S模糊推理表示输出为输入的线性组合。
本发明输入变量x＝[x1,x2,x3]，首先根据模糊规则计算各输入变量的隶属度：
Figure BDA0001544048330000085
式中，
Figure BDA0001544048330000086
Figure BDA0001544048330000087
分别为隶属度函数的中心和宽度。
第三步：模糊计算与输出
将隶属度进行模糊计算，采用模糊算子为连乘算子：
Figure BDA0001544048330000088
式中，ωi为模糊算子，物理意义为第i条模糊控制规则的权重，
Figure BDA0001544048330000089
为输入变量x1属于模糊集合
Figure BDA00015440483300000810
的隶属度，
Figure BDA00015440483300000811
为输入变量x2属于模糊集合
Figure BDA00015440483300000812
的隶属度，
Figure BDA00015440483300000813
为输入变量x3属于模糊集合
Figure BDA00015440483300000814
的隶属度。
第i条规则输出为yi，它的权重为ωi，则根据模糊计算结果计算模糊模型的总输出值y：
Figure BDA00015440483300000815
第四步：输出信号处理
将输出值y按等级划分为五个等级：
优秀：0.9≤y≤1；
良好：0.8≤y<0.9；
建议检修：0.7≤y<0.8；
警告：0.6≤y<0.7；
危险急停：y<0.6。
其中，优秀与良好表明轮胎可以正常运行。
另外，该T-S模糊预测控制，还包括建议检修、警告和急停控制方案：
建议检修控制方案：
控制器输出建议检修至显示***，提醒驾驶员对车辆进行检查；
警告控制方案：
控制器输出警告信号至语音提醒***，提醒驾驶员对车辆进行检查。
急停控制方案：分为自动控制模式与手动控制模式，可通过切换开关进行切换。
其中，自动控制模式：控制器输出控制信号，控制辅助制动执行机构进行间歇性制动，制动动作为：制动1秒，停止制动1秒，制动力为车辆总制动力1/3，如此循环，直至车辆停止，自动控制模式可切换手动控制模式，由驾驶员自行控制车辆。
手动控制模式：当切换为手动控制模式，由驾驶员通过控制制动踏板控制车辆的行驶。
本发明通过采集轮胎的胎压信号、温度信号以及轮胎变形量信号，通过无线传输方式，送至控制器。控制方案采用T-S模糊预测控制，根据输入信号，经过控制算法得到轮胎行驶安全系数，根据行驶安全系数的不同，实现轮胎的警告、检修、急停控制功能，使车辆更加安全行驶。

Claims (5)

1.一种基于智能预测轮胎保护装置的控制方法，其特征在于，采用的智能预测轮胎保护装置包括轮胎装置、检测***、采集模块、控制***以及制动***；
所述轮胎装置包括轮胎(1)和轮毂基座(15)；
所述检测***安装于轮胎装置上，用于检测轮毂基座与轮胎内壁的距离、检测轮胎内的胎压信号以及检测轮胎的温度信号；检测***包括超声波***(4)、胎压监测***(8)和温度检测***(16)，所述采集模块为无线采集模块(14)；所述超声波***通过基准偏差镜(2)安装于轮毂基座上，超声波***发射的超声波沿超声波路径(3)进行传输，用于监测轮毂基座与轮胎内壁的距离信号，并将检测到的距离信号通过无线传输方式发送至无线采集模块；
所述胎压监测***用于检测轮胎内的胎压，并将检测到的胎压信号通过无线传输方式送至无线采集模块；
所述温度检测***检测轮胎的温度信号，并将检测到的温度信号通过无线传输方式送至无线采集模块；
所述采集模块将采集到的距离信号、胎压信号和温度信号传送至控制***；
所述控制***用于控制制动***，进而控制车辆运行；并用于提示轮胎检修提醒；控制***包括控制器(13)、辅助制动执行机构(10)、语音提醒***(11)和显示***(12)；所述控制器的输出分别与辅助制动执行机构、语音提醒***和显示***的输入连接；所述辅助制动执行机构的输出与制动***连接，用于控制车辆；所述语音提醒***用于语音提示轮胎需要检修；所述显示***用于提示轮胎建议维修；
该控制方法采用T-S模糊预测控制，包括以下步骤：
(1)定义输入、输出变量及模糊分割
输入变量x＝[x1,x2,x3]；
输出变量y；
各变量定义如下：
输入变量x1：胎压值c；
输入变量x2：胎温值t；
输入变量x3：变形量Δl；
输出变量y：安全系数s；
各输入变量的模糊分割为：
输入变量x1：胎压值c模糊分割：
[PL(正大)，ZE(零)，NL(负大)]；
输入变量x2：胎温值t模糊分割：
[PL(正大)，ZE(零)，NL(负大)]；
输入变量x3：变形量Δl模糊分割：
[PL(正大)，ZE(零)，NL(负大)]；
输出变量y：安全系数s，采用T-S模糊模型，输出值是精确值，无需模糊分割；
(2)模糊推理
T-S模糊模型采用“if-then”规则定义模糊规则，具体T-S模糊控制规则为Ri：
Figure FDA0002466931160000021
其中，
Figure FDA0002466931160000022
为模糊***的模糊集合，i为模糊集合数，i＝1,2,3，即正大、零、负大，j为输入变量个数，j＝1,2,3；
Figure FDA0002466931160000023
与
Figure FDA0002466931160000024
为模糊***参数，范围为(0，1)，yi为根据模糊控制规则得到第i条规则的输出，输入部分是模糊的，输出部分是确定的，T-S模糊推理表示输出为输入的线性组合；
输入变量x＝[x1,x2,x3]，首先根据模糊规则计算各输入变量的隶属度：
Figure FDA0002466931160000025
式中，
Figure FDA0002466931160000026
分别为隶属度函数的中心和宽度；
(3)模糊计算与输出
将隶属度进行模糊计算，采用模糊算子为连乘算子：
Figure FDA0002466931160000027
其中，ωi为模糊算子，物理意义为第i条模糊控制规则的权重，
Figure FDA0002466931160000028
为输入变量x1属于模糊集合
Figure FDA0002466931160000029
的隶属度，
Figure FDA00024669311600000210
为输入变量x2属于模糊集合
Figure FDA00024669311600000211
的隶属度，
Figure FDA00024669311600000212
为输入变量x3属于模糊集合
Figure FDA0002466931160000031
的隶属度；
第i条规则输出为yi，它的权重为ωi，则根据模糊计算结果计算模糊模型的总输出值y：
Figure FDA0002466931160000032
(4)输出信号处理
将输出值y按等级划分为五个等级：
优秀：0.9≤y≤1；
良好：0.8≤y<0.9；
建议检修：0.7≤y<0.8；
警告：0.6≤y<0.7；
危险急停：y<0.6；
其中，优秀与良好表明轮胎可以正常运行；
所述T-S模糊预测控制，还包括建议检修控制方案、警告控制方案和急停控制方案；
所述建议检修控制方案为：控制器输出建议检修至显示***，提醒驾驶员对车辆进行检查；
所述警告控制方案为：控制器输出警告信号至语音提醒***，提醒驾驶员对车辆进行检查；
所述急停控制方案：分为自动控制模式与手动控制模式，可通过切换开关进行切换；
所述自动控制模式为：控制器输出控制信号，控制辅助制动执行机构进行间歇性制动，制动动作为：制动1秒，停止制动1秒，制动力为车辆总制动力1/3，如此循环，直至车辆停止，自动控制模式可切换手动控制模式，由驾驶员自行控制车辆；
手动控制模式：当切换为手动控制模式，由驾驶员通过控制制动踏板控制车辆的行驶。
2.根据权利要求1所述的基于智能预测轮胎保护装置的控制方法，其特征在于，所述制动***包括制动器(5)、制动分泵(6)、制动踏板(7)以及辅助制动分泵(9)；
所述制动器安装在轮毂上，制动踏板的输出与制动分泵连接，当踩动制动踏板时，通过制动分泵将制动力传输至制动器，控制车辆；所述控制***的输出与辅助制动分泵连接，将制动力传输到制动器，控制车辆。
3.根据权利要求1所述的基于智能预测轮胎保护装置的控制方法，其特征在于，采用的智能预测轮胎保护装置的另一种结构为：包括轮胎装置、检测***、采集模块、控制***以及制动***；
所述轮胎装置包括轮胎(1)和轮毂基座(15)；
所述检测***安装于轮胎装置上，包括超声波***(4)、胎压监测***(8)和温度检测***(16)，所述超声波***通过基准偏差镜(2)安装于轮毂基座上，超声波***发射的超声波沿超声波路径(3)进行传输，用于监测轮毂基座与轮胎内壁的距离信号，并将检测到的距离信号通过无线传输方式发送至采集模块；所述胎压监测***用于检测轮胎内的胎压，并将检测到的胎压信号通过无线传输方式送至采集模块；所述温度检测***检测轮胎的温度信号，并将检测到的温度信号通过无线传输方式送至采集模块；
所述采集模块为无线采集模块，其将采集到的距离信号、胎压信号和温度信号传送至控制***；
所述控制***包括控制器(13)、辅助制动执行机构(10)、语音提醒***(11)和显示***(12)，所述控制器的输出分别与辅助制动执行机构、语音提醒***和显示***的输入连接；所述辅助制动执行机构的输出与制动***连接，用于控制车辆；所述语音提醒***用于语音提示轮胎需要检修；所述显示***用于提示轮胎建议维修；
所述制动***包括制动器(5)、制动分泵(6)、制动踏板(7)以及辅助制动分泵(9)，所述制动器安装在轮毂上，制动踏板的输出与制动分泵连接，当踩动制动踏板时，通过制动分泵将制动力传输至制动器，控制车辆；所述控制***的输出与辅助制动分泵连接，将制动力传输到制动器，控制车辆。
4.根据权利要求3所述的基于智能预测轮胎保护装置的控制方法，其特征在于：所述辅助制动执行机构为行程电机。
5.根据权利要求3所述的基于智能预测轮胎保护装置的控制方法，其特征在于：所述制动器为液压式制动器。
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