基于傳感器融合的汽車智能油門防誤踩系統(tǒng)設(shè)計

方 健

（吉林工程技術(shù)師范學院，吉林 長春130052）

0 引言

在汽車行駛過程中，駕駛員往往會因為緊張[1-2]而誤將加速踏板當作制動踏板踩下[3]，導致嚴重的交通事故的發(fā)生。因此，汽車防誤踩相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成為很多學者的研究熱點。當前汽車防誤踩油門系統(tǒng)主要存在傳感器單一、誤判率高等問題。本文采用多傳感器融合技術(shù)、模糊控制技術(shù)，利用壓力傳感器、角加速度傳感器、采集油門踏板角加速度和踏板壓力，判斷是否為誤踩油門。并結(jié)合距離傳感器檢測與前方障礙物距離，利用模糊算法得出模糊控制規(guī)則，控制高速電機的響應(yīng)速度，實現(xiàn)柔性制動。

1 系統(tǒng)設(shè)計

智能油門防誤踩系統(tǒng)主要由信號采集部分、控制單元、執(zhí)行機構(gòu)組成。

信號采集部分包括對踩踏板的壓力、速度、加速度以及汽車與前方障礙物的距離進行檢測，并實時傳送檢測信息；控制單元采用高速、低功耗、超強抗干擾的STC12C5A60S2單片機作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制核心。單片機經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換、采樣、微分即可得知此時踏板的角加速度值。將采集到的數(shù)據(jù)輸入到由STM32主控板組成的中央控制單元，分別在數(shù)據(jù)檢測、信號處理和中控單元等模塊對數(shù)據(jù)進行分析處理，并利用模糊算法與設(shè)定的相關(guān)閾值比較、融合分析，若判別壓力、速度、加速度超過了一定距離范圍內(nèi)設(shè)定的閾值，則給出執(zhí)行機構(gòu)信號；控制剎車踏板制動，發(fā)出語音報警。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 加速度檢測

在緊急情況下，駕駛員踩踏制動踏板的速度要比平時快幾倍甚至幾十倍，誤踩油門時，踏板運動速度和加速度都要比正常踩油門大得多，因此可以將傳感器安裝在踏板底部，當傳感器檢測到油門踏板運動速度或加速度超過其預設(shè)閥值時，將判定為油門被誤踩。

1.2 壓力檢測

在車輛的正常行駛過程中，踩踏油門的力度均在幾十牛以下，而在出現(xiàn)突發(fā)危急狀況時，施加在制動踏板上的力可以達到幾百牛以上，因此可在油門踏板處安裝RFP薄膜式壓力傳感器。此傳感器就有厚度薄、易彎曲、價格便宜、實用性高等優(yōu)點，誤踩踩油門時，踩踏油門力度大于預設(shè)作用力，將判定為誤踩油門。

1.3 距離檢測

設(shè)定一個安全距離，并與實際距離進行比對，采用SW-L2DS50A激光測距模塊進行測距，當檢測到實際距離處于非安全范圍時，汽車將啟動自動剎車系統(tǒng)。這樣一來，在駕駛員沒有來得及踩剎車的情況下，自動剎車系統(tǒng)將會快速反應(yīng)，采取強制性的剎車，讓汽車停止下來。

2 電路設(shè)計

2.1 控制單元電路設(shè)計

控制單元是自動控制系統(tǒng)的核心，主要完成傳感器數(shù)據(jù)的檢測、分析，判斷是否為誤踩油門，當誤踩油門時，觸發(fā)驅(qū)動電路，控制執(zhí)行機構(gòu)運行。控制單元電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 控制單元電路結(jié)構(gòu)圖

2.2 信號檢測電路設(shè)計

信號檢測電路包括對踏板的壓力檢測、踏板運動速度和加速度檢測、前方障礙物距離檢測。采用高精度電阻式薄膜壓力傳感器，傳感器厚度僅0.1 mm，對駕駛司機腳部踩踏油門的壓力進行檢測，完全不影響司機駕駛。采用MPU6050，6軸傳感器，對踏板運動的加速度和速度進行檢測。信號檢測電路如圖3所示。

圖3 信號檢測電路

3 驅(qū)動電路設(shè)計

執(zhí)行機構(gòu)的電機控制使用的是電機控制專用芯片L298N，其內(nèi)部含有兩個相同H橋式驅(qū)動電路，以及4通道邏輯驅(qū)動電路，即內(nèi)含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，分為由EnA、IN1、IN2控制的A橋和由EnB、IN3、IN4控制的B橋。具有驅(qū)動電流大（單路驅(qū)動約2 A）、低電平范圍寬等優(yōu)點。四路光電耦合電路通過電-光-電的轉(zhuǎn)換，對輸入和輸出電路進行隔離。L298N驅(qū)動電路如圖4所示。

圖4 L298N驅(qū)動電路

4 軟件設(shè)計

4.1 程序設(shè)計

控制單元主要是對單片機操作程序進行編程，包含傳感器的數(shù)據(jù)采集、分析，誤踩油門的判定、驅(qū)動電機輸出和語音報警。系統(tǒng)啟動后，首先進行初始化，將執(zhí)行機構(gòu)恢復到原位。然后，讀取并分析加速度、速度傳感器、壓力傳感器及距離傳感器檢測到的數(shù)據(jù)，判斷是否為誤踩油門，如果誤踩油門，則驅(qū)動電機動作，使汽車停止下來；否則繼續(xù)讀取、分析傳感器檢測的數(shù)據(jù)。軟件流程圖如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

4.2 系統(tǒng)測試

（1）油門踏板變量檢測

利用LABVIEW設(shè)計監(jiān)測系統(tǒng)，當駕駛?cè)擞鲆娡话l(fā)狀況誤踩油門時踏板角速度發(fā)生突變?nèi)鐖D6所示；踏板受力變化如圖7所示。為了使測試數(shù)據(jù)具備一定代表性，分別對不同年齡段的200駕駛員樣本進行測試，分別得到正常踩踏、緊急踩踏和誤踩油門情況下的角速度和壓力的范圍如表1所示。

圖6 油門踏板角速度檢測系統(tǒng)

圖7 油門踏板壓力檢測系統(tǒng)

表1 實驗測試數(shù)據(jù)

（2）設(shè)計防誤踩模糊控制規(guī)則

利用模糊控制算法[4-6]來描述油門踏板加速度和壓力，通過制動控制系統(tǒng)進行減速制動。

選擇加速度和壓力作為兩個輸入控制信號；汽車期望的轉(zhuǎn)速作為輸出控制信號。將這些信號設(shè)置為7個模糊子集：NB=負方向大的偏差（Negative Big），NM=負方向中的偏差（Negative Medium），NS=負方向小的偏差（Negative Small），ZO=近于零的偏差（Zero），PS=正方向小的偏差（Positive Small），PM=正方向中的偏差（Positive Medium），PB=正方向大的偏差（Positive Big），由此可形成16條模糊規(guī)則，模糊控制規(guī)則表如表2所示。通過模糊規(guī)則即可實現(xiàn)誤踩油門的柔性制動。

表2 防誤踩模糊控制規(guī)則

（3）系統(tǒng)整體調(diào)試

系統(tǒng)整體調(diào)試硬件組成如圖8所示，主要由一個主控制單元和物理測試平臺構(gòu)成。系統(tǒng)分別對20位駕駛員進行300次的正常踩踏和誤踩操作，測試準確率達到99.8%.測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以有效判斷是否誤踩油門，并實現(xiàn)報警和緊急制動。

圖8 系統(tǒng)整體調(diào)試硬件組成

5 結(jié)論

本文設(shè)計了智能油門防誤踩油門系統(tǒng)，從踏板加速度、踏板壓力和汽車與前方障礙物距離等多維度進行融合分析，判斷是否誤踩油門。該系統(tǒng)實現(xiàn)了當駕駛員誤踩油門踏板時，等同于踩制動踏板，起到了防止駕駛員誤踩油門的作用，對保障人們的生命財產(chǎn)安全有著非常重大的意義。

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