防汽車油門誤踩制動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

黎仕增 韋錦 劉港 蔣銀靜

（1.廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530007；2.廣西大學(xué)，南寧 530004）

主題詞：油門誤踩 緊急制動(dòng) 制動(dòng)控制

1 前言

近年來，隨著我國(guó)汽車保有量的增長(zhǎng)，交通事故也逐年增加，其中誤踩油門造成的事故占總事故數(shù)量的12.6%[1]。為防止駕駛員誤將油門踏板當(dāng)作制動(dòng)踏板踩踏而引發(fā)交通事故，國(guó)內(nèi)外學(xué)者設(shè)計(jì)了許多防油門誤踩裝置。Gustafsson設(shè)計(jì)了新型油門與制動(dòng)合成的單踏板裝置[2]；德國(guó)大陸集團(tuán)開發(fā)了力反饋油門踏板（Accelerator of Force Feedback Pedal，AFFP）系統(tǒng)[3]；陳松等利用誤踩油門時(shí)的速率差設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)，對(duì)誤踩油門進(jìn)行判別并發(fā)出制動(dòng)指令[4]；梅哲文等研制了油門與制動(dòng)踏板聯(lián)動(dòng)補(bǔ)救裝置[5]；胡振奇設(shè)計(jì)了防誤踩油門加速踏板系統(tǒng)[6]。然而這些方案不同程度地存在著一些缺陷：改變駕駛習(xí)慣；對(duì)硬件設(shè)備要求很高，成本高；準(zhǔn)確性不高，響應(yīng)速度慢。因此，防止油門誤踩技術(shù)目前尚未得到廣泛應(yīng)用。

目前，電子油門在乘用車中已成標(biāo)準(zhǔn)配置[7]。本文以原車油門踏板位置傳感器的電壓信號(hào)以及將電壓轉(zhuǎn)換得到的電壓變化率作為油門是否被誤踩的判別參數(shù)，以STM32單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了一種防油門誤踩制動(dòng)控制系統(tǒng)，并通過實(shí)車性能試驗(yàn)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行有效驗(yàn)證。

2 防油門誤踩制動(dòng)控制系統(tǒng)

2.1 油門踏板誤踩判別試驗(yàn)

目前主流電子油門技術(shù)是采用油門位置傳感器（電位計(jì)）以電壓方式將位置信號(hào)傳送至發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，作為控制節(jié)氣門、自動(dòng)變速器等機(jī)構(gòu)運(yùn)行的參數(shù)。

為實(shí)現(xiàn)可靠的“誤踩”判別，安排了以下試驗(yàn)：

a.選取某轎車作為試驗(yàn)用車，在油門踏板插接器處連接轉(zhuǎn)接線，將油門踏板位置信號(hào)送至存儲(chǔ)示波器，示波器采樣頻率設(shè)置為2 kHz；

b.選取不同駕齡和性別的駕駛員共30名，每人在原地以緊急制動(dòng)踩制動(dòng)踏板的方式踩下油門踏板20次，示波器中記錄下油門“原地誤踩”狀態(tài)下的600條電壓-時(shí)間曲線；

c. 以上30名駕駛員每人分別駕車在市區(qū)道路、陡峭的鄉(xiāng)村公路各行駛3 km以上，高速路上行駛10 km以上，重復(fù)測(cè)試3次。要求每名駕駛員在各種路段測(cè)試時(shí)在安全且不超速的前提下，以符合自己駕駛習(xí)慣的方式完成起步、急加速、高速行駛、減速、隨機(jī)不同初速度急加速至道路最高限速、較高初速度爬坡等操作。記錄油門“道路行駛”狀態(tài)下的3種道路條件下共270條電壓-時(shí)間曲線；

d.在MATLAB軟件中對(duì)數(shù)據(jù)分析處理，篩選出電壓峰值和電壓變化率峰值，并統(tǒng)計(jì)兩種狀態(tài)下“峰值”位于各區(qū)間的數(shù)量（不考慮電壓變化率為負(fù)的峰值），如表1所示。

表1 電壓峰值和電壓率峰

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：每次“誤踩”均同時(shí)滿足電壓變化率大于20 V/s和電壓大于4 V兩個(gè)條件；“道路行駛”狀態(tài)時(shí)，電壓變化率大于20 V/s的點(diǎn)有1個(gè)，電壓大于4 V的點(diǎn)有11個(gè)，但同時(shí)滿足這2個(gè)條件的點(diǎn)為0。表明本試驗(yàn)中將電壓與電壓變化率同時(shí)滿足作為“誤踩”判別條件，其判別較為精確。

2.2 防油門誤踩制動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理

防油門誤踩制動(dòng)控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 防油門誤踩制動(dòng)控制系統(tǒng)框圖

其工作原理為：油門踏板位置傳感器采集油門踏板位置信號(hào)，送至智能控制模塊，智能控制模塊將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓變化率和電壓值，系統(tǒng)根據(jù)判別結(jié)果執(zhí)行以下操作：電壓變化率或者電壓小于相應(yīng)閾值，判定為“正?！睜顟B(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行；電壓變化率≥閾值，且電壓≥閾值，判定為“誤踩”狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)按怠速給油，開啟制動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行電磁閥，實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)。

考慮到車型及駕駛員習(xí)慣存在差異，系統(tǒng)預(yù)存了多組閾值，可通過按鍵輸入設(shè)定最優(yōu)閾值組合。

3 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。原車油門位置傳感器采集電壓信號(hào)后分別送至信號(hào)分配器和單片機(jī)，怠速信號(hào)生成電路向信號(hào)分配器提供常通的怠速信號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)判定為“正?！睜顟B(tài)時(shí)，單片機(jī)控制信號(hào)分配器選擇油門踏板位置傳感器信號(hào)發(fā)送至發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作；當(dāng)系統(tǒng)判定為“誤踩”狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)控制信號(hào)分配器選擇怠速分配器提供的怠速信號(hào)發(fā)送至發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，發(fā)動(dòng)機(jī)則按怠速供給燃油。

圖2 防油門誤踩制動(dòng)控制系統(tǒng)硬件組成

制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖3所示。增壓泵的電源由單片機(jī)控制，每當(dāng)汽車完成起動(dòng)后，增壓泵通電運(yùn)行，蓄能器中壓力上升，壓力傳感器隨時(shí)監(jiān)測(cè)蓄能器油壓，當(dāng)超過系統(tǒng)設(shè)置的上限時(shí)，單片機(jī)控制切斷增壓泵電源，低于下限時(shí)，接通電源，蓄能器中始終保持工作壓力。汽車正常行駛時(shí)，常閉型制動(dòng)執(zhí)行電磁閥關(guān)閉，不影響汽車正常制動(dòng)；當(dāng)系統(tǒng)判定“誤踩”狀態(tài)時(shí)，STM32單片機(jī)控制開啟制動(dòng)執(zhí)行電磁閥，蓄能器中的所儲(chǔ)存的壓力能迅速通過三通進(jìn)入制動(dòng)管路，使制動(dòng)管路中的油壓立即升高。

圖3 制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)如圖4所示。其中，U為油門踏板位置傳感器采集的電壓信號(hào)，采樣頻率設(shè)定為2 kHz；dU/dt為電壓變化率；U0、dU0/dt分別為設(shè)定的電壓和電壓變化率閾值；Uf為復(fù)位電壓閾值；Ud為本車型怠速信號(hào)電壓。

圖4 防油門誤踩控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5 實(shí)車驗(yàn)證

5.1 原地駐車試驗(yàn)

為判斷當(dāng)實(shí)施了緊急制動(dòng)時(shí)系統(tǒng)是否發(fā)送了制動(dòng)操作指令，以3種車型作為試驗(yàn)用車，分別安裝防油門誤踩制動(dòng)控制系統(tǒng)。將指示燈與制動(dòng)執(zhí)行電磁閥并聯(lián)，通過指示燈是否點(diǎn)亮來判斷系統(tǒng)是否執(zhí)行了制動(dòng)操作。起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，使汽車處于空擋位置，設(shè)定好閾值。選取30名不同駕齡和性別的駕駛員在以上3種車型上每人以緊急制動(dòng)的習(xí)慣動(dòng)作踩下油門踏板（即誤踩狀態(tài)）30次，以加速超車的習(xí)慣動(dòng)作踩下油門踏板30次，記錄兩種方式踩踏后系統(tǒng)執(zhí)行按怠速給油和制動(dòng)操作的次數(shù)。

原地駐車試驗(yàn)結(jié)果顯示：所有誤踩狀態(tài)都觸發(fā)了本系統(tǒng)，執(zhí)行了按怠速給油和制動(dòng)操作，而正常加速超車狀態(tài)沒有執(zhí)行操作。說明本系統(tǒng)能較精確地判別“誤踩”行為，正確執(zhí)行相應(yīng)操作，達(dá)到預(yù)期要求。

5.2 誤踩制動(dòng)試驗(yàn)

選取上述3種車型分別在瀝青路面上進(jìn)行試驗(yàn)。選取不同駕齡和性別的駕駛員共30名，每人分別以30 km/h、45 km/h、60 km/h的速度行駛至標(biāo)記處，踩制動(dòng)踏板緊急制動(dòng)至車輛停止，測(cè)量制動(dòng)距離，每人測(cè)試3組；以同樣方法踩油門踏板，并測(cè)量制動(dòng)距離，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：在3種車速下，系統(tǒng)全部執(zhí)行了制動(dòng)操作，且制動(dòng)距離與正確緊急制動(dòng)時(shí)相比，偏差率均小于10%。同時(shí)，制動(dòng)過程車輛平穩(wěn)，系統(tǒng)滿足工作要求。

表2 瀝青道路試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)論

防油門誤踩制動(dòng)控制系統(tǒng)合理利用原車油門踏板位置傳感器作為誤踩判別的信號(hào)源，對(duì)原車改動(dòng)少、可靠性高、響應(yīng)速度快、成本低。實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)能準(zhǔn)確判別“誤踩”并正確執(zhí)行按怠速給油和緊急制動(dòng)操作，有效防止駕駛員誤踩油門引發(fā)交通事故，提高了汽車的主動(dòng)安全性。