汽車智能輪胎異物檢測系統設計

王獻玉 李文超 劉奎

摘?要：汽車在行駛過程中如果經過路況特別差的地帶，輪胎有可能會被異物刺穿造成損傷，進而發生漏氣、爆胎等事故，嚴重影響行車安全，因此在汽車行駛時及時對地面附近的異物進行檢測以避免發生輪胎破損是非常重要的。本文著眼于在汽車行駛過程中的輪胎異物檢測系統的實際方案，分析了汽車輪胎智能異物監測的主要原理及智能檢測系統的整理設計方案。

關鍵詞：汽車;輪胎;異物;智能化;檢測裝置

隨著科學技術的進飛速步和人民收入水平的提高，如今汽車在我國的普及率也越來越高，根據相關部門的統計數據顯示，截止到2019年上半年，我國汽車擁有量為3.4億量。日益增多的汽車數量除給人民生活帶來便利之外，也為交通安全埋下了隱患。根據相關統計數據顯示，在高速公路發生的交通事故中，輪胎故障引發的事故占百分之十。汽車輪胎工作狀態是否正常是影響行車安全的一個重要因素，根據這幾年來對交通事故發生原因的分析，我們發現爆胎是造成多起交通事故發生的主要原因。

1 汽車輪胎異物檢測重要性及基本原理

汽車在發生爆胎事故時輪胎內的壓力和溫度會發生急劇變化，為了對汽車輪胎的工作狀態進行檢測，目前大多數汽車在輪胎上都安裝了相應的溫度傳感器和壓力傳感器，以及時發現異常情況并進行處理。但爆胎事故的原因除了超速行駛和高溫之外，更多的是路面異物戳刺輪胎而造成漏氣，因此這種方式并不能做到完全預防爆胎事故的發生，還需要及時對路面異物進行檢測，以避開與異物接觸。一般來說引起爆胎事故的異物主要是碎玻璃、碎陶瓷、石塊、銳利的鐵釘等，檢測方法和原理根據其性質不同也有差異，但總體來說主要包括金屬和非金屬兩大類。

1.1 汽車輪胎金屬異物檢測原理及方法

在汽車行駛過程中對路面上的鐵釘和鐵刺等異物進行檢測的基本原理是利用金屬的電磁感性效應，所使用的檢測工具主要是電渦流傳感器。電渦流傳感器由緊密纏繞的線圈組成，并在線圈中通以高頻變化的交變電流，根據法拉第的電磁感應定理，當通過線圈中的電流發生變化時，線圈中的磁場也會隨之發生改變，據此我們可以在線圈的中心軸方向建立高頻變化的交變磁場。用來檢測金屬異物的電渦流傳感器固定在汽車輪胎內，如果行駛路面存在金屬異物，則在輪胎向異物靠近時在金屬異物內部就會激勵出感應電流，變化的感應電流產生磁場，以此來抵御自身磁場的變化。同時金屬內部產生的磁場也會對電渦流傳感器的磁場大小造成影響，進而使得傳感器線圈內部的電流電流發生變化，將電流的變化通過計算機進行處理分析即可大致確定金屬異物的位置和距離，避免與其接觸。

1.2 汽車輪胎非金屬異物檢測原理及方法

非金屬由于導電性差，所以不能利用電磁感應原理來檢測。因此我們在對非金屬異物進行檢測時主要使用電容傳感器。根據對電容的基本性質的了解，電容傳感器中的電容大小主要與電容器之間介質的種類，電容器正對面積和兩板之間的距離有關，且與面積大小呈正比，與距離長短成反比。汽車在行駛過程中電容傳感器兩極之間存在的介質主要是空氣，因此可認為介電常數不變。電容傳感器在設計過程中面積已知，因此我們也可認為面積不變，所以對電容量大小具有決定性影響的就是距離因素。在行駛過程中當輪胎上存在玻璃等非金屬異物時，距離減小，電容增大，通過外圍電路把電容量的變化轉變為可直接進行檢測的電壓或電流變化，再通過計算元件進行處理分析即可得到距離信息。

2 汽車智能輪胎異物檢測系統整體設計方案

路面的異物種類是不確定的，可能有金屬也可能有非金屬，我們所設計的系統應當具備對這兩類物質的檢測能力，因此在傳感器檢測元件選擇時應選取電渦流傳感器和電容傳感器。除此之外，輪胎智能異物檢測系統的基本裝置還應包括具有分析處理能力的單片機、傳感器保護外殼、外圍支撐電路、與駕駛室主機相連的數據總線、報警指示燈和蜂鳴器等。

2.1 基本信號采集與傳輸

承擔信號采集任務的主要是電渦流傳感器以及電容傳感器，在設計時傳感器探頭及其外圍支撐電路安裝于汽車車輪上的安全位置，調節探頭的方向，使其面向車輪流水槽，并測量正常情況下傳感器探頭到車輪頂部的初始距離。當汽車輪胎上存在異物時，傳感器電路中的電流或電壓就會發生改變，并通過數據線將信號傳遞給單片機系統。

2.2 數據分析

數據分析主要通過異物檢測系統中的單片機元件來進行，單片機中存儲了事先編輯的用于檢測義務的算法。由于工作原理不同，金屬異物和非金屬異物的檢測是兩種不同的算法。單片機中的中央控制處理器將傳感器收集到的數據進行運算分析已判定汽車輪胎上是否存在異物，同時單片機將處理之后的結果傳遞給駕駛室中的計算機系統。當汽車輪胎上存在石子、金屬等異物之后運算結果會發生變化。

2.3 數據處理

駕駛室中的計算機系統在收到單片機傳來的運算結果之后，與設定閾值進行比較，若發現存在異常，則啟動報警系統。異物檢測報警指示燈持續閃爍，蜂鳴器持續發生報警提醒駕駛人員停車處理。

3 結語

在汽車過程中路面異物是造成輪胎損傷的一個重要原因，為了有效避免輪胎卡入異物之后持續運轉而造成的對輪胎不可逆的損傷，我們設計了一種汽車輪胎智能異物檢測系統。汽車輪胎中的智能異物檢測系統主要由電渦流傳感器、電容傳感器、中央處理部件、傳輸數據線路以及蜂鳴器和指示燈等元件構成。這種系統可以分別對金屬物質和非金屬物質進行檢測，發現異常時可及時報警，處理速度快。

參考文獻：

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