汽車油門防誤踩系統(tǒng)設(shè)計(jì)

談 凜，葉忻泉，葉盈余，張 潔，周光照，何 濤,?

(1．溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，浙江溫州 325035；2．溫州市甌海區(qū)第三人民醫(yī)院，浙江溫州325035；3．溫州裝備數(shù)字化技術(shù)研發(fā)與服務(wù)平臺，浙江溫州 325035)

汽車油門防誤踩系統(tǒng)設(shè)計(jì)

談 凜1，葉忻泉1，葉盈余2，張 潔3，周光照1，何 濤1,?

(1．溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，浙江溫州 325035；2．溫州市甌海區(qū)第三人民醫(yī)院，浙江溫州325035；3．溫州裝備數(shù)字化技術(shù)研發(fā)與服務(wù)平臺，浙江溫州 325035)

針對行車中駕駛員需緊急剎車時(shí)卻快速誤踩油門的現(xiàn)象，分析了現(xiàn)有汽車油門防誤踩系統(tǒng)的不足，提出一種新型智能油門防誤踩系統(tǒng)．該系統(tǒng)通過采集踩踏油門踏板加速度、車速與車距等信息，能快速準(zhǔn)確判斷駕駛員急踩油門的意圖，從而防止駕駛員需緊急剎車卻誤踩油門事故的發(fā)生．

油門防誤踩；傳感器；雷達(dá)測距；DSP2812

隨著人們生活水平不斷提高，汽車擁有量快速增長，交通事故也隨之增多．據(jù)NISSAN公司報(bào)道①Nissan Motor Corporation. Helps reduce accidents caused by pedal misapplication [EB/OL]. [2012-11-18]. http://www.nissan-global.com/EN/TECHNOLOGY/OVERVIEW/pedal.html.，日本每年約有7 000起事故是駕駛員欲踩剎車卻誤踩油門所致．據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，單純因誤踩油門造成的事故就占總事故比例的12.6%．造成誤踩油門的原因，主要是汽車設(shè)計(jì)上采用同一只腳控制剎車踏板和油門踏板，當(dāng)駕駛過程中出現(xiàn)緊急情況，如前方突然有障礙物出現(xiàn)，往往導(dǎo)致駕駛員（甚至是老駕駛員）精神瞬間高度緊張，容易在慌亂中將油門當(dāng)成剎車急速踩下，導(dǎo)致車輛非但不會(huì)停止，反而迅猛提速，從而造成相當(dāng)嚴(yán)重的事故．

為此，國內(nèi)外學(xué)者們紛紛進(jìn)行了研究，提出多種防誤踩油門技術(shù)方案，以減少或避免駕駛員因想要急剎車卻誤踩油門而導(dǎo)致的交通事故發(fā)生，如：Kang D. C. 等[2]通過控制傳動(dòng)過程中機(jī)油的壓力，當(dāng)駕駛員因誤踩油門而導(dǎo)致汽車突然加速時(shí)，阻止動(dòng)力傳送到輪組上，以起到保護(hù)駕駛員和車輛的目的．豐田公司將推出一種新型安全系統(tǒng)以期能夠減少因誤踩油門而造成的高速碰撞事故②Bowman Z. Toyota developing new pre-crash braking aids [EB/OL]. [2012-11-25]. http://www.autoblog.com/ 2012/11/25/toyota-developing-new-pre-crash-braking-aids/.．國內(nèi)學(xué)者們設(shè)計(jì)方案主要分為兩種形式．第一種是機(jī)械式．文獻(xiàn)[3-4]的設(shè)計(jì)利用正常行駛與緊急情況下踩油門時(shí)踏板踩踏力的不同，從踩踏力上區(qū)分這兩種情況．若判定為誤踩油門，裝置通過聯(lián)動(dòng)將踩踏油門的力轉(zhuǎn)化為踩踏剎車的力，達(dá)到制動(dòng)效果．機(jī)械式僅根據(jù)踩踏力進(jìn)行判斷，因此判斷條件單一，不能準(zhǔn)確判斷駕駛員急踩油門的真實(shí)目的，故系統(tǒng)的可靠性與實(shí)用性不高．第二種則是基于單片機(jī)或行車電腦的電子控制系統(tǒng)裝置，文獻(xiàn)[5-7]設(shè)計(jì)的系統(tǒng)預(yù)設(shè)汽車節(jié)氣門開啟的角度、角速度或角加速度等參數(shù)的閾值，當(dāng)同時(shí)超過各自閾值時(shí)，裝置判斷駕駛員誤踩油門，并控制汽車制動(dòng)減速．基于單片機(jī)的電子控制裝置，判斷條件較少，響應(yīng)速度較慢，準(zhǔn)確性和可靠性不高，且關(guān)鍵技術(shù)仍不成熟，大部分僅有方案設(shè)計(jì)．

本文針對現(xiàn)有油門防誤踩技術(shù)的不足，提出了一種新型汽車油門防誤踩系統(tǒng)，該系統(tǒng)制作成本較低，結(jié)構(gòu)簡單，且系統(tǒng)響應(yīng)速度較快，準(zhǔn)確性和可靠性較高．

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 工作原理

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路為：由傳感器獲取車輛的行駛狀態(tài)以及車前障礙物信息并傳送到信號分析處理系統(tǒng)中，處理系統(tǒng)統(tǒng)籌各信息后做出判斷．系統(tǒng)原理框圖如圖1所示．

系統(tǒng)的工作原理圖如圖2所示．該系統(tǒng)的工作原理是：（1）安裝在油門踏板機(jī)構(gòu)1上的加速度傳感器2收集踏板的加速度信號，雷達(dá)傳感器3收集前方障礙物與本車的距離信息，同時(shí)車速傳感器14收集車速信息．（2）加速度傳感器、雷達(dá)傳感器收集到的信號如加速度a、車速v（含相對速度）、前方障礙物的距離l傳送到DSP中．（3）系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定閾值作為安全行車的臨界值，DSP控制器按照預(yù)設(shè)程序分析并處理收到的數(shù)字信號．（4）在雷達(dá)測距傳感器探測到前方有障礙物的條件下，若油門踏板的加速度a、車速v（含相對速度），或車速v與車距l(xiāng)超出閾值，則系統(tǒng)判斷為誤踩油門并快速響應(yīng)，發(fā)送信號到ECU中，ECU控制節(jié)氣門不產(chǎn)生開度，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為怠速狀態(tài)，達(dá)到降低車速的目的，同時(shí)DSP控制伺服電機(jī)帶動(dòng)鋼絲拉動(dòng)制動(dòng)踏板迅速制動(dòng)．

圖1 油門防誤踩系統(tǒng)原理框架圖

圖2 油門防誤踩系統(tǒng)工作原理圖①1-油門踏板, 2-加速度傳感器, 3-雷達(dá)傳感器, 4-DSP2812控制器, 5-伺服電機(jī), 6-ECU, 7-節(jié)氣門, 8-制動(dòng)踏板, 9-控制閥, 10-真空助力器, 11-制動(dòng)主缸, 12-前輪組, 13-后輪組, 14-速度傳感器.

1.2 測距雷達(dá)選擇

目前車用測距方式一般有紅外測距、超聲波測距與雷達(dá)測距[8]，各種雷達(dá)性能見表1．紅外測距及超聲波測距因精度較低，測距距離較近，目前主要用于倒車?yán)走_(dá)．雷達(dá)測距在汽車安全領(lǐng)域中最為常見，該測距方法范圍較遠(yuǎn)，精度較高，實(shí)時(shí)性也較好．由于本系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境是馬路，雷達(dá)測距的設(shè)計(jì)要求為：（1）測距范圍廣；（2）穿透霧、煙、灰塵的能力強(qiáng)，可以全天候全天時(shí)工作；（3）體積小，質(zhì)量輕，空間分辨率高．由表1可見，毫米波雷達(dá)測距符合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求．它可以主動(dòng)獲得與前方障礙物的距離等信息，具有體積小、質(zhì)量輕和空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，并且穿透霧、煙、灰塵的能力強(qiáng)，可全天候全天時(shí)工作．另外，毫米波雷達(dá)的抗干擾、反隱身能力也優(yōu)于其他微波雷達(dá)[9]．

本系統(tǒng)選用德國Symeo公司的LPR-1DX系列的LPR-1D高精度毫米波雷達(dá)，其性能參數(shù)如表2所示．該雷達(dá)傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：使用無線電信號，適應(yīng)全氣候工作．-45℃ - +75℃的工作環(huán)境，粉塵、超聲、水霧、振動(dòng)等條件對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度影響均非常?。夹g(shù)先進(jìn)，品質(zhì)可靠．

表1 不同頻段雷達(dá)性能比較

1.3 系統(tǒng)控制電路

和單片機(jī)相比，DSP的集成度更高，具有更快的CPU，因此本系統(tǒng)的響應(yīng)速度和可靠性也更高．考慮到防誤踩油門系統(tǒng)是車載式，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇低功耗且含有多個(gè)I/O端口處理器的控制單元，本系統(tǒng)選用TI公司的TMS320F2812的32位定點(diǎn)DSP．該芯片具有以下主要特點(diǎn)：具有高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，具有低功耗模式和省電模式；高性能的32位CPU；12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）；自帶增強(qiáng)型控制器局域網(wǎng)絡(luò)（eCAN）模塊，可靠性好，成本較低，適合本系統(tǒng)．

表2 LPR-1D型雷達(dá)性能

系統(tǒng)的控制電路原理如圖3所示．圖3中，加速度傳感器MPU-6050收集踏板加速度a，通過ADCINA0口傳送至DSP并由ADC模塊讀?。甃PR-1D高精度型雷達(dá)測距傳感器與XD0-XD8端口的RS232總線集成連接．由于光電耦合器抗干擾能力較強(qiáng)，三極管可起到功率放大作用，因此采用三極管和光電耦合器作為驅(qū)動(dòng)，將伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路連接至XD9引腳．ECU通過CAN收發(fā)器PCA82C250和DSP2812的CANTXA和CANRXA端子相連，車速傳感器輸出脈沖信號傳送到DSP中．DSP獲取到加速度傳感器、雷達(dá)傳感器與車速傳感器傳來的信息之后，再與DSP2812中預(yù)先設(shè)定的閾值對比，當(dāng)滿足系統(tǒng)操作條件后分別向電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出脈沖信號，并通過CAN總線向ECU發(fā)出制動(dòng)信號．

圖3 油門防誤踩系統(tǒng)控制電路原理圖

2 系統(tǒng)軟件流程

本系統(tǒng)的軟件流程如圖4所示．

圖4中，a、l、v分別為加速度傳感器、雷達(dá)傳感器與車速傳感器采集到的信號值，a0、l0、v0是系統(tǒng)中設(shè)置的閾值，在不同車型上需要做調(diào)整修改．

系統(tǒng)操作方案如下：

（1）a＜a0，則系統(tǒng)判斷駕駛員為正常加速，不執(zhí)行命令；

（2）a≥a0，且v≤v0，若l＞l0，系統(tǒng)判斷駕駛員意圖為緊急提速而急踩油門，不執(zhí)行命令；

（3）a≥a0，且v＞v0，若l≤l0，系統(tǒng)判斷為駕駛員誤踩油門，系統(tǒng)執(zhí)行命令，車輛停止供油并制動(dòng)；

（4）a≥a0，且v＞v0，若l＞l0，系統(tǒng)判斷駕駛員意圖為緊急提速而急踩油門，不執(zhí)行命令．

圖4 油門防誤踩系統(tǒng)軟件流程

3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定

3.1 油門踏板加速度閾值設(shè)定

油門踏板加速度數(shù)據(jù)見表3[10]．正?；虺嚥忍び烷T時(shí)，油門踏板加速度范圍5.5 – 40 m/s2，為確保系統(tǒng)不會(huì)由于正常行駛或超車誤啟動(dòng)，加速度閾值a0應(yīng)大于40 m/s2．在緊急情況下駕駛員誤踩油門的加速度范圍為100 – 140 m/s2，為確保系統(tǒng)安全可靠，加速度閾值a0應(yīng)小于100 m/s2，由表3可知，a0應(yīng)取值在50 – 80 m/s2較為合適，可同時(shí)滿足正常行駛及超車時(shí)踩踏油門系統(tǒng)不操作、緊急情況誤踩油門時(shí)系統(tǒng)操作的條件．

表3 油門踏板加速度數(shù)據(jù)

3.2 車距閾值和相應(yīng)車速閾值設(shè)定

剎車過程中各參數(shù)關(guān)系如圖5所示．其中圖（a）為剎車距離與時(shí)間關(guān)系圖，圖（b）為汽車速度與時(shí)間關(guān)系圖，圖（c）為加速度與時(shí)間關(guān)系圖．

車距閾值確定與車速有關(guān)，具體分析如下．

以駕駛員遇到突發(fā)狀況時(shí)開始計(jì)算剎車距離S，如圖5所示，可將整個(gè)過程分為以下幾個(gè)部分：

駕駛員發(fā)現(xiàn)狀況到踩下踏板的t1時(shí)段中：

式中：v1為汽車剎車前的行駛速度；t1為駕駛員反應(yīng)時(shí)間，一般為0.10 – 0.20 s①百度百科. 剎車距離[EB/OL]. [2014-02-10]. http://baike.baidu.com/view/2938902.htm?fr=aladdin.．

踩下制動(dòng)踏板到產(chǎn)生制動(dòng)力的t2時(shí)段中：

式中：t2為從踩下踏板到產(chǎn)生制動(dòng)力的時(shí)間，液壓系統(tǒng)為0.03 – 0.05 s[11]．

為保證工作可靠，本文取t1＋t2＝0.25 s計(jì)算．

從汽車產(chǎn)生制動(dòng)力到制動(dòng)力達(dá)最大值的t3時(shí)段中：產(chǎn)生制動(dòng)力后，汽車開始減速，其減速度a呈線性增長，且減速度最大值a1＝μg．μ為車與地面的摩擦系數(shù)，一般取值為0.7；g為重力系數(shù)，取g＝9.8 m/s2．

由圖5中的（c）圖可得任意點(diǎn)減速度ai的計(jì)算公式為：

式中：ti為t3時(shí)間段內(nèi)任意點(diǎn)的時(shí)間，t3為汽車減速度增長時(shí)間，一般取0.15 s[11]．

圖5 剎車各參數(shù)關(guān)系圖

式中：v2為t3階段的末速度．

汽車制動(dòng)力最大到汽車完全停止的t4時(shí)段中：

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入上述各式，可得不同車速閾值v0對應(yīng)的車距閾值l0，計(jì)算結(jié)果如表4所示．

表4 車速-車距閾值計(jì)算結(jié)果

由表4可知，當(dāng)車速v1為30 km/h，而車距l(xiāng)小于7.76 m時(shí)，若油門踏板加速度超過閾值，則判斷為誤踩油門，防誤踩油門系統(tǒng)將立即工作，從而保證安全．

4 結(jié) 論

本文針對現(xiàn)有的油門防誤踩裝置的不足，基于加速度傳感器、車速傳感器、雷達(dá)傳感器以及數(shù)字信號控制原理，設(shè)計(jì)了汽車油門防誤踩系統(tǒng)．該系統(tǒng)在駕駛員誤踩油門踏板時(shí)，等同于踩踏制動(dòng)踏板，可以起到防止駕駛員誤踩油門的作用．油門防誤踩系統(tǒng)對于提升我國交通安全質(zhì)量，降低交通故事發(fā)生的幾率，促進(jìn)智能交通的發(fā)展有著重要意義．

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Design of Pedal Misapplication Prevention System

TAN Lin1, YE Xinquan1, YE Yingyu2, ZHANG Jie3, ZHOU Guangzhao1, HE Tao1
(1. College of Electromechanical Engineering, Wenzhou University, Wenzhou, China 325035; 2. Wenzhou Ouhai NO.3 People's Hospital, Wenzhou, China 325035; 3. Wenzhou Research-service Platform of Equipment Digitilization, Wenzhou, China 325035)

In allusion to the phenomenon where a driver has to conduct emergency brake but instead rushly step on the accelerator pedal, this paper comes up with a new type of smart pedal misapplication prevention system by means of the analysis on the existing drawbacks of car pedal misapplication prevention system. This system is able to estimate rapidly and accurately the intention of the driver’s steping on the gas through collection of the pedal accelerated speed as well as the information of vehicle speed and vehicle interval distance so as to effectively prevent the accident caused by pedal misapplication.

Pedal Misapplication; Sensor; Radar Ranging; DSP2812

U463.5

A

1674-3563(2015)01-0053-06

10.3875/j.issn.1674-3563.2015.01.009 本文的PDF文件可以從xuebao.wzu.edu.cn獲得

(編輯：封毅)

2014-06-16

談凜(1989- )，男，江蘇無錫人，碩士研究生，研究方向：機(jī)電一體化．? 通訊作者，664919292@qq.com