汽車(chē)智能防誤踩油門(mén)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

吳春江 鄧彪

（重慶交通大學(xué)）

通常，汽車(chē)的油門(mén)踏板和制動(dòng)踏板并列安裝在一起，而且駕駛員在駕駛時(shí)通常將腳放在油門(mén)踏板位置處，所以在遇到緊急情況，如突然有人或動(dòng)物橫穿馬路、前方突然出現(xiàn)障礙物、突然遇到急轉(zhuǎn)彎道等突發(fā)狀況時(shí)，駕駛員很容易誤把油門(mén)當(dāng)剎車(chē)使用而猛踩油門(mén)，導(dǎo)致汽車(chē)突然加速。為減少這種在緊急狀況時(shí)，因過(guò)度緊張等原因，駕駛員誤將油門(mén)踏板當(dāng)成制動(dòng)踏板而引發(fā)的交通事故，學(xué)者提出了不同的控制策略[1-2]，文章設(shè)計(jì)了一種智能的防誤踩油門(mén)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用電子控制技術(shù)結(jié)合機(jī)械裝置的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)誤踩油門(mén)時(shí)的緊急制動(dòng)控制，系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，安全可靠，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 結(jié)構(gòu)組成

本系統(tǒng)主要由信號(hào)采集單元、電子控制單元（ECU）及執(zhí)行單元組成。信號(hào)采集單元包括油門(mén)踏板加速度傳感器、油門(mén)踏板位置傳感器、車(chē)速傳感器和雷達(dá)探測(cè)器；ECU 包括單片機(jī)和電子開(kāi)關(guān)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括怠速控制系統(tǒng)、緊急制動(dòng)系統(tǒng)和電子油門(mén)控制系統(tǒng)。

1.2 工作原理

初始狀態(tài)，ECU 輸出低電平信號(hào)，電子開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路斷開(kāi)，汽車(chē)正常行駛。駕駛員踩下油門(mén)踏板時(shí)，油門(mén)踏板加速度傳感器測(cè)量踏板的加速度，位置傳感器監(jiān)測(cè)踏板的位置，雷達(dá)測(cè)算障礙物的距離，并將這些信號(hào)傳遞給ECU，ECU 對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行分析和判斷。當(dāng)判斷駕駛員的操作屬于誤將油門(mén)當(dāng)剎車(chē)使用時(shí)，ECU 發(fā)送指令給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即ECU 輸出高電平信號(hào)，電子開(kāi)關(guān)接通。此時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作，執(zhí)行怠速控制和緊急制動(dòng)等動(dòng)作。當(dāng)駕駛員松開(kāi)油門(mén)踏板時(shí)，即油門(mén)踏板位置恢復(fù)到初始位置，或者車(chē)速為0 時(shí)，ECU再次發(fā)出指令，即輸出低電平信號(hào)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路斷開(kāi)，這時(shí)執(zhí)行單元停止工作，汽車(chē)恢復(fù)到正常行駛狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)采集單元

油門(mén)踏板加速度傳感器采集油門(mén)踏板的加速度，雷達(dá)探測(cè)器探測(cè)并計(jì)算障礙物與汽車(chē)間的距離。油門(mén)踏板位置傳感器則是電子油門(mén)控制系統(tǒng)本身就有的，用于監(jiān)測(cè)油門(mén)踏板的位置。

2.2 怠速控制系統(tǒng)

很多防誤踩油門(mén)裝置在判斷駕駛員的操作為誤踩油門(mén)后，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)采取的措施是直接將供油系統(tǒng)斷開(kāi)，但汽車(chē)在高速行駛時(shí)若突然斷油，則會(huì)影響汽車(chē)的平穩(wěn)性及安全性。最好的方式是令發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速工況運(yùn)轉(zhuǎn)。所以文章結(jié)合汽車(chē)原有的怠速控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)怠速行駛，提高汽車(chē)的安全性。怠速控制系統(tǒng)的工作原理:ECU 輸出控制信號(hào)，怠速控制電路通電并將怠速控制閥打開(kāi)，即打開(kāi)空氣旁通通道，此時(shí)節(jié)氣門(mén)全關(guān)，空氣繞過(guò)節(jié)氣門(mén)，經(jīng)由旁通通道進(jìn)入進(jìn)氣歧管，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入怠速工況。斷電后，怠速控制閥關(guān)閉空氣旁通通道，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)束怠速運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3 電子油門(mén)控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)操縱機(jī)構(gòu)是通過(guò)拉索（軟鋼絲）或者拉桿，一端連接油門(mén)踏板，另一端連接節(jié)氣門(mén)連動(dòng)板而工作。電子油門(mén)沒(méi)有拉線，它通過(guò)踏板位置傳感器測(cè)量油門(mén)踏板的深淺，并將信號(hào)傳送到ECU 中，最后，由ECU 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)控制節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度。現(xiàn)在大多數(shù)汽車(chē)都使用電子油門(mén)代替了傳統(tǒng)拉線油門(mén)。文章設(shè)計(jì)的防誤踩油門(mén)控制系統(tǒng)中，電子油門(mén)控制系統(tǒng)是在當(dāng)判斷駕駛員誤踩油門(mén)時(shí)，關(guān)閉節(jié)氣門(mén)，配合怠速控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)怠速控制。

2.4 緊急制動(dòng)系統(tǒng)

工作原理:利用ABS 的制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)。誤踩油門(mén)控制系統(tǒng)ECU 輸出高電平信號(hào)，直流電動(dòng)機(jī)（M）通電，控制液壓泵向制動(dòng)輪缸輸出制動(dòng)液，從而迅速進(jìn)行制動(dòng)，此時(shí)電磁閥沒(méi)有通電處于斷開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)駕駛員松開(kāi)油門(mén)或汽車(chē)停止時(shí)，誤踩油門(mén)控制系統(tǒng)ECU 輸出低電平信號(hào)，M 未通電，不工作。誤踩油門(mén)控制系統(tǒng)ECU 的控制電路與ABS 的控制電路是并聯(lián)的，電路間互不影響。當(dāng)車(chē)輪抱死，汽車(chē)有滑移傾向時(shí)，ABS 開(kāi)始工作，防止車(chē)輪抱死，實(shí)現(xiàn)安全制動(dòng)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 理論分析

駕駛員在緊急情況下誤踩油門(mén)時(shí)，猛踩油門(mén)踏板到底的時(shí)間大約是0.1 s，而正常踩油門(mén)到底的時(shí)間大約是1.1 s，因此2 種情況下駕駛員踩油門(mén)踏板的速率和加速度不同[3]。根據(jù)駕駛員踩油門(mén)踏板的時(shí)間及油門(mén)踏板的行程可估算得:正常踩油門(mén)時(shí)的油門(mén)踏板加速度大約為0.25 m/s2，誤踩油門(mén)時(shí)油門(mén)踏板的加速度大約為30 m/s2，這兩者之間的差值很大，文章擬以設(shè)定的油門(mén)踏板加速度a0=30 m/s2為判斷閾值。

汽車(chē)的安全車(chē)距閾值可以根據(jù)汽車(chē)的制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行估算。當(dāng)駕駛員誤踩下油門(mén)時(shí)，ECU 進(jìn)行判斷并發(fā)出控制信號(hào)，最終使汽車(chē)停止，這整個(gè)過(guò)程主要包括傳感器信號(hào)傳遞過(guò)程、ECU 分析判斷過(guò)程、制動(dòng)裝置接收指令到產(chǎn)生制動(dòng)力過(guò)程、制動(dòng)力增長(zhǎng)過(guò)程及持續(xù)制動(dòng)至完全停車(chē)這幾個(gè)階段。忽略傳感器及ECU 的響應(yīng)時(shí)間，現(xiàn)只計(jì)算制動(dòng)裝置接收到指示信號(hào)到完全停車(chē)3 個(gè)階段的制動(dòng)距離。汽車(chē)的制動(dòng)距離（S/m）為[4]:

式中:t2'——制動(dòng)裝置接收到形成制動(dòng)壓力的時(shí)間，液壓制動(dòng)系一般為0.03～0.05 s；

t2''——制動(dòng)力增長(zhǎng)過(guò)程所需的時(shí)間，液壓制動(dòng)系一般為0.15～0.20 s；

S2——（t2'+t2''）這段時(shí)間內(nèi)汽車(chē)的制動(dòng)距離，m；

S3——持續(xù)制動(dòng)至完全停車(chē)的時(shí)間內(nèi)，汽車(chē)的制動(dòng)距離，m；

u0——制動(dòng)初始速度，即ECU 判斷駕駛員誤踩油門(mén)時(shí)車(chē)速傳感器檢測(cè)到的車(chē)速，m/s；

abmax——最大制動(dòng)減速度，m/s2；

φ——峰值附著系數(shù)，干瀝青和混凝土路面一般為0.8～0.9，濕瀝青路面一般為0.5～0.7。

因?yàn)閠2''很小，故式（1）中略去項(xiàng)，將車(chē)速單位m/s 換算成km/h，則有:

文章給出的判斷值只是一個(gè)理論參考值，未經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)。在實(shí)際的應(yīng)用中，針對(duì)不同的汽車(chē)，不同的情況，需要對(duì)參考值進(jìn)行修正，以保證控制系統(tǒng)ECU 能做出正確的判斷。為了確保汽車(chē)擁有足夠的制動(dòng)距離，將根據(jù)車(chē)速計(jì)算得到的S 增大大約30%左右，作為安全制動(dòng)距離的閾值S0，即S0=1.3S。

現(xiàn)利用matlab 繪制S，S0與車(chē)速（u/（km/h）的關(guān)系曲線圖，取t2'=0.04 s，t2''=0.16 s，g=9.8 m/s2,φ=0.8，由公式（2）和（3）可得干瀝青或混凝土路面制動(dòng)距離和車(chē)速曲線圖，如圖1 所示。

3.2 軟件設(shè)計(jì)流程

設(shè):a1為油門(mén)踏板加速度，m/s2；a0為設(shè)定的油門(mén)踏板加速度閾值，m/s2；S1為雷達(dá)測(cè)算到的障礙物與汽車(chē)的距離，m；S0為對(duì)應(yīng)當(dāng)前行駛速度的安全制動(dòng)距離，m。

ECU 判斷過(guò)程如下:

當(dāng)a1＜a0時(shí)，控制系統(tǒng)ECU 判斷駕駛員行為為正常加速，汽車(chē)正常行駛；

當(dāng)a1≥a0，S1＞S0，或前方無(wú)障礙物時(shí)，汽車(chē)正常加速；

當(dāng)a1≥a0，S1≤S0時(shí)，ECU 判斷駕駛員行為為誤踩油門(mén)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行怠速控制和緊急制動(dòng)動(dòng)作；

當(dāng)駕駛員松開(kāi)油門(mén)或車(chē)速u(mài)=0 時(shí)，執(zhí)行結(jié)構(gòu)控制電路斷開(kāi)，汽車(chē)恢復(fù)正常狀態(tài)。

4 結(jié)論

文章分析了駕駛員正常踩油門(mén)與緊急制動(dòng)誤踩油門(mén)2 種不同動(dòng)作引起的油門(mén)加速度的明顯差異，可以此作為判別駕駛員操作油門(mén)動(dòng)作是否為誤操作的閾值。同時(shí)分析了車(chē)速與制動(dòng)距離之間的關(guān)系，以及汽車(chē)突然斷油和怠速運(yùn)轉(zhuǎn)2 種不同情況下汽車(chē)的行駛狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上提出了新型智能式防誤踩油門(mén)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案?？刂葡到y(tǒng)以油門(mén)踏板加速度的閾值及汽車(chē)與障礙物的距離作為觸發(fā)條件，通過(guò)ECU 計(jì)算并判斷是否為誤踩油門(mén)，然后控制怠速控制系統(tǒng)、緊急制動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)及緊急制動(dòng)等動(dòng)作。該控制系統(tǒng)有效地結(jié)合汽車(chē)原有的電子控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)駕駛員誤踩油門(mén)后的緊急制動(dòng)操作，可避免交通事故發(fā)生，提高汽車(chē)的行駛安全性。

文章的研究尚存在一些不足，后續(xù)研究還需做3 個(gè)方面的工作:1）將該系統(tǒng)安裝到汽車(chē)上，進(jìn)行實(shí)際的路面駕駛試驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性；2）對(duì)于不同的汽車(chē)以及不同的駕駛者，系統(tǒng)觸發(fā)的閾值需要重新標(biāo)定，才能提高控制的精確性；3）提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，達(dá)到快速響應(yīng)的目的。