汽車誤踩油門智能保護系統(tǒng)的設(shè)計

鄧 彪，簡曉春

隨著生活質(zhì)量的提高，私家汽車的擁有量在不斷增加，伴隨而來的是汽車交通事故的發(fā)生也越來越多。據(jù)統(tǒng)計，在緊急狀況時，由于技術(shù)不熟練、疲勞駕駛及過度緊張等原因，導致駕駛?cè)苏`將油門踏板當成制動踏板而引發(fā)的交通事故在重大交通事故中占到了12.6%［1］。另外，在通常情況下，汽車的油門踏板和制動踏板是緊挨著的，而且駕駛?cè)嗽谛旭傔^程中往往都會將腳放在油門踏板位置處。在遇到緊急情況下，駕駛?cè)撕苋菀渍`把油門當剎車使用而猛踩油門，導致汽車突然加速，從而引發(fā)交通事故，如：追尾、駛出路面及翻車等。

為了避免該類交通事故的發(fā)生，許多研究機構(gòu)開發(fā)出了很多誤踩油門的保護裝置。該裝置主要分為兩類：

1）判斷為誤踩油門后立即進行斷油熄火操作，即控制電磁噴油器，將油路斷開［2－6］。但汽車在實際的運行過程中若突然斷油熄火，就會降低車輛的制動效能，同時導致轉(zhuǎn)向沉重，難以迅速轉(zhuǎn)向，規(guī)避障礙物。因此，駕駛?cè)嗽谡`踩油門時，不能讓發(fā)動機斷油熄火，而應(yīng)該讓發(fā)動機在怠速工況下運行，即啟動怠速控制系統(tǒng)進行怠速控制，從而保持汽車的制動效能和操縱穩(wěn)定性。并且這類裝置是以油門踏板加速度或者油門踏板力作為判斷的依據(jù)。這樣的判斷使得精度不高，容易出現(xiàn)誤判的問題。

2）將油門和制動合二為一［7］，其操作特點為：右腳以腳跟為圓心，左、右偏轉(zhuǎn)來操縱油門，踩下踏板來進行制動。這類裝置的問題在于改變了汽車現(xiàn)行的駕駛操作界面，改變了已定型的操作行為，人們很難適應(yīng)。

在了解了現(xiàn)有的各類防誤踩油門控制系統(tǒng)后，作者擬提出：駕駛?cè)瞬倏v油門踏板時，以油門踏板加速度、油門踏板力以及車速三者的閾值作為觸發(fā)條件，經(jīng)過電子控制單元（Electronic Control Unit，簡稱為ECU）計算，并判斷是否為誤踩油門，然后開啟光電耦合電子開關(guān)，控制執(zhí)行機構(gòu)工作。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

根據(jù)設(shè)計要求，本系統(tǒng)主要包括信號采集單元、電子控制單元及執(zhí)行單元，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。信號采集單元包括油門踏板加速度傳感器、油門踏板力傳感器及車速傳感器。電子控制單元包括Atmel公司生產(chǎn)的AT89C51單片機和電子開關(guān)。執(zhí)行機構(gòu)包括怠速控制系統(tǒng)、緊急制動系統(tǒng)及語音報警系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Overall structure of the system

本系統(tǒng)整體的電路原理如圖2所示：由LM2596、電容C1與C2、穩(wěn)壓管D1、電感線圈L1共同組成的變壓電路，將汽車點火電路電源IG降至5V供單片機AT89C51電路使用。光電耦合電子開關(guān)K中的發(fā)光二極管D2外接12V電源。初始狀態(tài)時，單片機輸出低電平信號，三極管Q1處于截止狀態(tài)，電子開關(guān)K中的發(fā)光二極管D2無電流流過，不發(fā)光，光電晶體管Q2和Q3處于截止狀態(tài)，執(zhí)行單元中的怠速控制系統(tǒng)電動機 M1、緊急制動系統(tǒng)電動機M2、語音報警系統(tǒng)F電路斷開，緊急制動系統(tǒng)兩位三通電磁閥H電路接通，柱塞克服復位彈簧的作用力被吸起來，電磁閥H的輪缸管端A就與低壓管端B接通，高壓管端P關(guān)閉。當單片機檢測到的油門踏板加速度信號、油門踏板力信號及車速信號達到設(shè)定閾值時，單片機就輸出高電平信號，三極管Q1導通，電子開關(guān)K中的發(fā)光二極管D2發(fā)光，光電晶體管Q2和Q3導通，電子開關(guān)K就接通，此時，執(zhí)行單元中的怠速控制系統(tǒng)電動機M1、緊急制動系統(tǒng)電動機M2及語音報警系統(tǒng)F開始工作，電磁閥H被導通的光電晶體管Q3短路，電磁閥H斷電，柱塞在復位彈簧的作用下復位，電磁閥H的高壓管端P與輪缸管端A接通。當車速減為零時，單片機又輸出低電平信號，恢復到初始狀態(tài)。

圖2 系統(tǒng)電路原理示意Fig.2 Schematic circuit diagram of the system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

在本系統(tǒng)中，油門踏板加速度傳感器用來檢測油門踏板的加速度，油門踏板力傳感器用來檢測右腳作用在油門踏板上的力，車速傳感器用來檢測車速。這些傳感器都有現(xiàn)成的產(chǎn)品，只需根據(jù)具體要求來選擇。

電子控制單元是系統(tǒng)的控制中樞，它的微處理器是Atmel公司生產(chǎn)的高性能AT89C51單片機。單片機的作用就是接收傳感器檢測到的油門踏板加速度信號、油門踏板力信號以及車速信號，并判斷是否超過閾值，同時輸出控制信號，來控制電子開關(guān)K的斷開或接通。

電子開關(guān)K是光電耦合開關(guān)。當單片機輸出低電平信號時，電子開關(guān)K就斷開；當有高電平信號輸出時，電子開關(guān)K就接通。

執(zhí)行機構(gòu)包括怠速控制系統(tǒng)、緊急制動系統(tǒng)及語音報警系統(tǒng)。

2.1 怠速控制系統(tǒng)

本裝置中的怠速控制系統(tǒng)如圖3所示，系統(tǒng)由步進電機、進給絲杠、怠速控制閥軸、怠速控制閥及空氣旁通通道等組成。系統(tǒng)的工作原理為：控制信號控制直流電機的轉(zhuǎn)子順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)，從而控制進給絲杠帶動怠速控制閥軸克服回位彈簧的作用力向上運行，讓怠速控制閥離開閥座，即打開空氣旁通通道，此時，電子節(jié)氣門處于關(guān)閉狀態(tài)，空氣就從旁通通道進入氣缸。斷電后，怠速控制閥在回位彈簧的作用下頂住閥座，從而關(guān)閉空氣旁通通道，此時電子節(jié)氣門打開，空氣從電子節(jié)氣門處進入氣缸。

圖3 怠速控制系統(tǒng)Fig.3 Idle control system

2.2 緊急制動系統(tǒng)

本裝置中的緊急制動系統(tǒng)是汽車上的一種輔助制動系統(tǒng)（如圖4所示），由儲液器、直流電機、液壓泵、制動輪缸、電磁閥及制動輪缸等組成。系統(tǒng)的工作原理為：ECU輸出控制信號，控制直流電機M2帶動液壓泵，通過高壓管和電磁閥向制動輪缸輸入制動液，從而迅速進行制動，此時，電磁閥被短路，處于斷電狀態(tài)（即在復位彈簧的作用下，柱塞落座，上腔室與制動輪缸接通）；當檢測到車速為零之后，單片機輸出低電平控制信號，直流電機M2關(guān)閉，電磁閥通電，柱塞在電磁力的作用下克服復位彈簧的作用力被吸起，上腔室的高壓油頂開單向閥，使下腔室與上腔室接通，上腔室的高壓油經(jīng)過單向閥流到下腔室，并從低壓管流回儲液器，即解除制動。

圖4 緊急制動系統(tǒng)Fig.4 Emergency braking system

2.3 語音報警系統(tǒng)

語音報警系統(tǒng)就是語音報警器，該報警器位于駕駛室內(nèi)。當誤踩油門時，ECU輸出控制信號，控制報警器啟動，從而在第一時間通知駕駛?cè)撕统丝筒扇“踩胧?，最大程度地減小交通事故中人員的損傷和財產(chǎn)的損失。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 閾值的確定

在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)閾值的確定是本系統(tǒng)能夠準確可靠有效運行的先決條件。通過研究發(fā)現(xiàn)：

1）駕駛?cè)嗽诰o急情況下猛踩剎車時，將剎車踏板踩到底所需的時間約為0.1s，誤踩油門時，猛踩油門踏板的時間與其相等，為0.1s。而正常踩油門到底的時間約為1.1s［8］（見表1），因此，兩種情況下，駕駛?cè)瞬扔烷T踏板的速率和加速度不同。

表1 踩油門踏板和剎車踏板時間Table 1 Time to step on the gas pedal and braking pedal

現(xiàn)推導駕駛?cè)瞬扔烷T踏板的加速度。為了簡化分析過程，將油門踏板的運動過程近視看成勻加速直線運動，初速度為零。于是，有

式中：S為油門踏板的行程；a為油門踏板的加速度；t為猛踩油門踏板踩的時間。

從而，得：a＝2S／t2。

油門踏板的行程不超過100mm，某型車S＝100mm、t＝0.1s代入式中，可得：正常踩油門時油門踏板的加速度a正max＝0.17m／s2；而誤踩油門時油門踏板的加速度a誤max＝20m／s2。

兩種情況下的加速度數(shù)值差距比較明顯，因此，就以20m／s2作為該型車加速度的判斷閾值。取該值作為判斷值是考慮到超車加速的油門踏板加速度也較大，如果取值較小的話，易引起判斷失誤。不同的車型，油門踏板的行程S以及猛踩踩油門踏板的時間t也就不同，最終系統(tǒng)的油門踏板加速度判斷閾值就不同，需根據(jù)具體車型進行計算。

2）行車過程中，一旦出現(xiàn)緊急狀況，駕駛?cè)司o急制動時踩制動車踏板的力可以達到400N以上，而通常情況下，駕駛?cè)瞬忍び烷T踏板的力度不超過20N［9］。因此，該型車最終以20m／s2的油門踏板加速度、400N的油門踏板力、車速為零作為系統(tǒng)判斷的閾值。當油門踏板加速度超過20m／s2或者油門踏板力超過400N，單片機就輸出高電平控制信號，接通電子開關(guān)K。當車速減為零，單片機就輸出低電平控制信號，從而斷開電子開關(guān)K。

3.2 軟件設(shè)計流程

將編寫好的單片機控制程序?qū)懭氲絾纹瑱C內(nèi)部的Flash中。其軟件設(shè)計流程如圖5所示。由圖5可知，單片機控制器的程序包括變量的初始化；采集踏板加速度信號、踏板力信號、車速信號；以及與閾值的比較；輸出控制信號等。

4 結(jié)論

針對駕駛?cè)苏`踩油門引發(fā)交通事故頻發(fā)的現(xiàn)象，設(shè)計出一種新型誤踩油門智能保護系統(tǒng)。該系統(tǒng)以油門踏板加速度、油門踏板力以及車速作為誤踩油門判別閾值，自動啟動制動并將發(fā)動機降到怠速，直至停車。文章詳細介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計思想及軟硬件設(shè)計，通過計算，確定某型車最終以20m／s2的油門踏板加速度、400N的油門踏板力、車速為零作為系統(tǒng)判斷的閾值。當然，對于不同的車型，系統(tǒng)判斷閾值還需進行矯正。該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)誤踩油門智能保護功能，降低了交通事故發(fā)生的概率，實現(xiàn)了汽車的行駛安全。

圖5 軟件設(shè)計流程示意Fig.5 The flow chart of the software design

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