汽車緊急制動(dòng)防誤踩油門智能系統(tǒng)的研究

崔亞楠　鄭為民

摘 要：汽車駕駛員特別是新駕駛員遇突發(fā)危險(xiǎn)時(shí)，往往因驚慌失措而誤將油門當(dāng)剎車踩，釀成慘禍。我國(guó)汽車保有量的持續(xù)增加，因誤踩油門而造成的事故更加頻繁。本文依據(jù)駕駛員正常踩踏油門和緊急制動(dòng)時(shí)誤踩油門，兩個(gè)動(dòng)作在速度上的明顯區(qū)別。通過(guò)傳感器將踩踏油門的信號(hào)輸入電子控制單元進(jìn)行比對(duì)運(yùn)算，當(dāng)系統(tǒng)判定屬誤操作時(shí)，自動(dòng)驅(qū)動(dòng)汽車防滑系統(tǒng)的制動(dòng)電磁閥對(duì)汽車進(jìn)行制動(dòng)，同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)停止點(diǎn)火和噴油，從而強(qiáng)制減速，提高汽車的安全操作性。

關(guān)鍵詞：汽車;緊急制動(dòng);誤踩油門;智能系統(tǒng)

隨著人們生活水平的不斷提高，汽車在生活中越來(lái)越普及，所以駕車人都是非職業(yè)駕駛員，因而技術(shù)的未成熟和駕駛水平的高低將間接或直接影響交通事故發(fā)生。據(jù)調(diào)查，在緊急狀況時(shí)，因緊張、分神等因素，致使誤將油門當(dāng)剎車而引起的交通事故約占到12.6%[1]。在智能控制技術(shù)飛速發(fā)展的當(dāng)下，人們迫切需要一種智能防護(hù)裝置，用于防止在緊急制動(dòng)時(shí)因?yàn)榛艁y誤踩油門而造成的交通災(zāi)禍。

1 汽車緊急制動(dòng)防誤操作技術(shù)現(xiàn)狀

當(dāng)前就汽車緊急制動(dòng)防誤操作技術(shù)來(lái)說(shuō)，其總體可分為兩類：一類是電控式裝置，另一類是機(jī)械式裝置。

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外在汽車緊急制動(dòng)防誤操作技術(shù)方面，成果比較顯著的主要集中在歐、美、日等一些發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)。

1.1.1 電控式裝置

此類裝置主要是以電子控制技術(shù)、傳感器技術(shù)以及影像技術(shù)為基礎(chǔ)，裝置本身成本及對(duì)汽車自身硬件的要求較高，多應(yīng)用于高端車輛中，在中低端民用汽車中普及很難。

1.1.2 機(jī)械式裝置

此類裝置主要是按照駕駛員在踩剎車和油門時(shí)腿部動(dòng)作差別的特征，對(duì)原車的制動(dòng)和油門進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，設(shè)計(jì)出不同的機(jī)械式緊急制動(dòng)防誤操作裝置[2]。例如，Matsunsga K，Naruse M等人設(shè)計(jì)的測(cè)壓式油門與自動(dòng)踏板合成裝等。這些裝置都有一個(gè)共同特點(diǎn)：需要對(duì)原車剎車和油門進(jìn)行較大的結(jié)構(gòu)改動(dòng)，同時(shí)也改變了駕駛員的日常駕駛習(xí)慣。所以此類裝置也難以得到普及。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)的研發(fā)現(xiàn)狀主要是從駕駛員踩踏油門時(shí)所用的里或加速度等方面出發(fā)，大部分只是處于方法、方案的原理性設(shè)計(jì)。還沒(méi)有轉(zhuǎn)化成真正的產(chǎn)品投入到實(shí)際應(yīng)用中。

2 汽車緊急制動(dòng)防誤踩油門智能系統(tǒng)理論

基于上述現(xiàn)狀，本文所闡述的是一種具備可靠性高、反應(yīng)迅速，對(duì)原車結(jié)構(gòu)改造較少，不占空間，成本低、通用性好等特點(diǎn)的汽車緊急制動(dòng)防誤踩油門智能系統(tǒng)。

根據(jù)常規(guī)操作油門與剎車兩個(gè)動(dòng)作速度上的截然不同，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)具備兩個(gè)基本功能：一是檢測(cè)油門踏板速度的裝置，當(dāng)其速度超過(guò)一定值時(shí)判定為誤踩;二是根據(jù)判定結(jié)果實(shí)施相應(yīng)的控制，若為誤踩，則激活緊急制動(dòng)程序，阻止汽車加速而進(jìn)行緊急制動(dòng)。

由于8051單片機(jī)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，有著非常成熟的全套技術(shù)，并且價(jià)格低廉，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。該系統(tǒng)采用8051單片機(jī)對(duì)信息進(jìn)行接收、分析處理以及最后發(fā)出相應(yīng)的指令。

3 各模塊的研究和設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)的采集

信號(hào)采集由感應(yīng)模塊完成，其由旋轉(zhuǎn)式電位器和若干電阻電容等組成。通過(guò)將油門踏板的心軸與旋轉(zhuǎn)式的可變電阻連接在一起作為踏板速度傳感器，由于旋轉(zhuǎn)式可變電阻與踏板軸直接相連，可以最大限度的減小響應(yīng)速度，并且對(duì)不同的車型兼容性更強(qiáng)。在踩下油門踏板的同時(shí)，可變電阻軸也跟著旋轉(zhuǎn)，使得電阻值產(chǎn)生相應(yīng)的變化，這是信號(hào)采集模塊到的最基本的信號(hào)。

3.2 電阻信號(hào)的轉(zhuǎn)換

之所以要對(duì)電阻信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，是因?yàn)閱纹瑱C(jī)系統(tǒng)核心采集的信號(hào)有模擬電壓信號(hào)、模擬電流信號(hào)、PWM信號(hào)、數(shù)字邏輯信號(hào)等[3]。而信息采集模塊采集到的是模擬電阻信號(hào)，單片機(jī)不能對(duì)其進(jìn)行識(shí)別處理，所以需要把模擬電阻信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號(hào)。根據(jù)U=I*R這一基本定理，將采集到的模擬電阻信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)。然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再輸入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3.3 信號(hào)轉(zhuǎn)換的方法

模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)我們稱之為模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換。模數(shù)轉(zhuǎn)換可以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換，由于單片機(jī)只能處理二進(jìn)制數(shù)據(jù)，而機(jī)器反饋給人類的信息以模擬信號(hào)的形式展示，讓我們能更直接地接收，模數(shù)轉(zhuǎn)換也是人類和機(jī)器溝通的非常重要的橋梁。模數(shù)轉(zhuǎn)換是一種非常成熟的技術(shù)，只需使用A/D轉(zhuǎn)換器就能得到我們想要的數(shù)字信號(hào)，本系統(tǒng)選用了LM331壓頻轉(zhuǎn)換芯片，壓頻轉(zhuǎn)換是模數(shù)轉(zhuǎn)換的一種。把轉(zhuǎn)換后的模擬電壓信號(hào)輸入LM331的接收端口，然后芯片內(nèi)部進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再把轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)由LM331的輸出口輸入到單片機(jī)的接收口，這就是完整的信號(hào)采集過(guò)程。因?yàn)槟M信號(hào)的構(gòu)成比較復(fù)雜，有許多不確定的因素，并且容易受到電磁波等的干擾。對(duì)此需要使用電容濾波技術(shù)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，使其免受干擾，在LM331的接收端口接上電容，就能達(dá)到濾波整流的效果。

3.4 單片機(jī)對(duì)信號(hào)的處理

對(duì)信息的分析處理需要通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，這也是整個(gè)技術(shù)中最核心的部分。

前文已提到，正常操作油門與剎車兩個(gè)動(dòng)作速度上存在明顯差別，采集的信號(hào)就是速度上的差別，轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)后就是電壓變化率的快慢，單片機(jī)通過(guò)定時(shí)/計(jì)數(shù)口P1獲得變化的頻率信號(hào)，通過(guò)編程，利用中斷實(shí)現(xiàn)對(duì)0.1ms時(shí)間內(nèi)電壓頻率變化速度（即踩踏板的速度），也就是每0.1 ms檢測(cè)一次。當(dāng)電壓頻率變化速度（即踩踏板的速度）≦0.5S（駕駛員在緊急情況下踩踏板所需的時(shí)間小于0.5秒）判定為誤操作，發(fā)出警報(bào)信號(hào)。

3.5 信號(hào)輸出和轉(zhuǎn)換

單片機(jī)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行一系列的分析處理后，判定為誤操作的，就要輸出信號(hào)讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。同樣，單片機(jī)采集的數(shù)字信號(hào)，那么輸出的同樣也是數(shù)字信號(hào)。我們要把數(shù)字信號(hào)再轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接處理，原理與模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)一樣。

3.6 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

本系統(tǒng)以汽車自身的ASR系統(tǒng)為制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)檢測(cè)到駕駛員制動(dòng)時(shí)誤踩油門踏板時(shí)，輸出電路向制動(dòng)總泵隔離電磁閥和蓄能器隔離電磁閥充電，使這兩個(gè)閥門動(dòng)作關(guān)閉總泵油路，打開(kāi)蓄能器油路，高壓制動(dòng)液經(jīng)ABS控制閥進(jìn)入驅(qū)動(dòng)輪制動(dòng)分泵進(jìn)行制動(dòng)。當(dāng)松開(kāi)油門踩板時(shí)，系統(tǒng)復(fù)位，輸出電路斷電，制動(dòng)總泵隔離電磁閥和蓄能器隔離電磁閥復(fù)位，同時(shí)輸出電路分別向蓄能器隔離電磁閥和油泵電機(jī)通電使制動(dòng)分泵回位，并重新建立ASR系統(tǒng)的備壓[4]。

3.7 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)：

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否工作需要由單片機(jī)的輸出信號(hào)來(lái)控制，如果單片機(jī)檢測(cè)到駕駛員是誤操作時(shí)，就需要要有驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。因?yàn)閳?zhí)行機(jī)構(gòu)使用了電磁閥，所以不僅要有驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制電磁閥工作，還要有驅(qū)動(dòng)電流來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁閥工作，這樣整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)才能完成工作。但是單片機(jī)的輸出口的輸出電流很小，要驅(qū)動(dòng)電磁閥是不可能的，所以需要大功率放大三極管組成放大電路來(lái)放大單片機(jī)的輸出電流進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電磁閥工作。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是利用汽車自身的ASR系統(tǒng)為制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。解決了以往防誤操作裝置制動(dòng)能源的難題，以及對(duì)駕駛員操作是否正常的精確判斷。系統(tǒng)稍加改動(dòng)同樣可用于大型車輛。實(shí)驗(yàn)證明：具有對(duì)原車結(jié)構(gòu)無(wú)改造、占用空間少、可靠性高、成本低、通用性好和適合家用轎車等優(yōu)點(diǎn)。

但是由于本系統(tǒng)是基于ASR系統(tǒng)的，所以實(shí)際制動(dòng)時(shí)只對(duì)驅(qū)動(dòng)輪有效，制動(dòng)能力與實(shí)際踩制動(dòng)時(shí)的能力還有一定的差距。只能在低速時(shí)制止事故發(fā)生，而在高速時(shí)只能降低事故的嚴(yán)重性，不能制止事故的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧彪，簡(jiǎn)曉森.汽車誤踩油門智能保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].交通科學(xué)與工程，2014，30（2）：67-71.

[2]曹菁.防誤踩油門緊急制動(dòng)系統(tǒng)的研究[D].山東理工大學(xué)，2016.

[3]杜珺.基于單片機(jī)的脈沖信號(hào)采集與處理[J].科技與創(chuàng)新，2014（24）：80-83.

[4]鄭為民，武威.誤踩油門自動(dòng)控制系統(tǒng)[J].汽車維修，2013（09）：4-10.

[5]彭金柱，徐磊，邵毅明.汽車主動(dòng)安全技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].公路與汽運(yùn)，2014（1）：1-4.

[6]汪衛(wèi)東.汽車交通事故與哪些因素有關(guān)[J]汽車與安全，2005，6（3）;74-76.

[7]霍慶澤.力重與適——油門踏板安全輔助系統(tǒng)[J].世界汽車，2008（10）：30-30.

[8]梅哲文，李曉佳，王明環(huán)，等.汽車油門防誤踩緊急制動(dòng)裝置[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010，7（10）：201-203.

[9]賈佳鵬.防誤踩油門裝置的設(shè)計(jì)構(gòu)想[J].汽車電器，2006（8）：9-10.