汽車油門誤踏信號觸發裝置研究與設計

詹峻

摘要：新手司機由于駕駛技術不夠嫻熟，在緊急情況下容易錯誤踩下油門踏板，這種“把油門當剎車”的事故屢見不鮮。但是在輔助駕駛技術愈發成熟的今天，市場上卻沒有一種安全可行的油門防誤踏裝置。為此，就如何甄別誤踏信號以及如何設計油門誤踏信號觸發裝置提出構想。

關鍵詞：緊急制動;油門誤踏;信號觸發

中圖分類號：U463.6 收稿日期：2022-02-16

DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.04.016

l 前言

道路交通安全一直是人類關注的熱點，汽車作為人類最常見的交通工具之一，在其為我們提供方便的同時也來帶了很多潛在危險。據有關資料顯示，在眾多造成交通事故的原因之中，約有12.6%的交通事故是由于駕駛員錯誤操控油門踏板而造成的[1]。國家統計局資料顯示，2020年我國發生交通事故總計247108起，若按上述比率計算，2020年約有31136起交通事故與誤踩踏油門踏板相關。

在輔助駕駛技術已經相當成熟的今天，市場上卻依然沒有廣泛應用的油門踏板防止誤踏的技術手段。為了提高汽車的安全性能，降低新手司機誤踩踏板的風險，減少道路交通事故發生的概率，設計一種可靠的汽車油門踏板防誤踏裝置是相當必要的。本文對誤踏信號如何觸發和甄別進行研究，提出一些信號觸發裝置的設計思路。

2 誤踏信號的甄別方法

油門踏板防誤踏裝置屬于汽車制動輔助系統（BAS）中的一種類型，而ECE R139法規中（聯合國歐洲經濟委員會制訂的汽車法規，R139對應的領域為制動輔助系統）根據觸發條件不同，把汽車制動輔助系統分成了三類：a.以施加在制動踏板的力的人小為依據來判斷是否發生了緊急制動，從而提前提高ABS系統管路中的液壓，使車輛盡早獲得最大制動力;b.以制動踏板的運動速度為依據，進行緊急制動工況判定，并控制BAS系統工作，是目前市場中應用最多的一種類型：c.以上兩類的結合，即以踏板運動速度為主要判定依據，踏板受力情況為輔助參考依據，共同判定BAS裝置是否觸發。

上述BAS系統的工作原理是通過監測制動踏板的運動和受力情況對駕駛員是否有主觀的緊急制動意愿進行識別，之后再控制BAS液壓單元和真空助力器動作，提高制動管路液壓，保證制動時擁有最人制動力。防誤踏裝置的工作原理與其類似，區別在于其監測的對象是油門踏板而非制動踏板，通過分析油門踏板的運動和受力狀態以甄別是駕駛員主動踩踏，還是面對緊急情況的錯誤操縱。然后再根據信號采集結果決定是否要提醒駕駛員及時糾正并控制車輛減速停車。

在瀏覽相關文獻的過程中發現國內外的一些專家、學者已經對不同年齡、性別和駕齡的駕駛員，在不同路況、不同時間駕駛不同車輛的過程中，對駕駛員的動作特征進行了詳盡研究。發現正常駕駛的情況下，絕人多數駕駛員踩下油門踏板的力度和踩下制動踏板的力度是不同的，后者一般要比前者的力度大一些。

如圖1所示，當踩下油門踏板時，駕駛員對踏板施加力的人小集中在20-32 N之間的占比達到64%。而踩制動踏板時，踏板受力集中在26-42 N的占比達到69%[2]。由此可知，人們在駕駛的過程中已經形成了“重踩剎車，輕踩油門”的駕駛習慣。

在新聞中報道經常看到的“把油門當剎車”的事故中，絕人多數情況由于遇到突發情況，駕駛員企圖迅速停車，卻錯誤地急速踩下加速踏板而造成的。在緊急制動的情況下，駕駛員踩下制動踏板的速度更快更急，其施加在制動踏板上的力通常要達到180-200 N才能激活車輛的BAS系統介入工作。根據研究結果顯示（圖2），不論是緊急制動還是常規制動，踏板的位移量在20-50 mm時，其運動速度最快，之后便呈現較為明顯的下降趨勢。常規制動情況下踏板的峰值速度未達到150 mm/s，而緊急制動情況下踏板的運動速度均超過了250 mm/s，兩者出現明顯的差異[3]。

油門踏板的運動速度和受力人小可以作為緊急情況下甄別駕駛員是否錯誤踩下油門踏板的判定依據。當油門踏板的運動速度超過250 mm/s或者踏板受力超過180 N時，系統定義此為誤踏信號，提醒駕駛員及時糾止并幫助車輛減速制動。

3 誤踏信號觸發裝置的設計

誤踏信號觸發裝置在設計上應該滿足如下幾個要求：a.該裝置不能改變廣人駕駛員原有的駕駛習慣;b.信號觸發結果不能與駕駛員的本意產生沖突，比如，把駕駛員的急加速意圖判定為“誤踏信號”而控制車輛減速的情況不應出現;c.裝置失效或出現故障時能保證車輛原有的加速、制動功能止常運行;d.系統排除了誤踏風險以后，能自動恢復車輛原來的功能：e.對原車的空間布局沒有太人的影響。

3.1 電了式信號觸發裝置

電子式信號觸發裝置的系統設計邏輯如圖3所示，該裝置主要利用集成在油門位置踏板傳感器上的壓力傳感器和速度傳感器所收集的信號的人小來判定是否發生“誤踏”情況。若油門踏板的運動速度人于250 mm/s，并且踏板在此期間受到一個人于180 N的瞬時作用力，即判定發生了“誤踏”情形，產生誤踏信號傳送給發動機控制單元。發動機控制單元收到信號后完成發送三個指令：a.減小節氣門開度甚至關閉節氣門，以達到降低發動機輸出功率的目的：b.通過CAN網絡將相關信息分享給BAS控制單元，由后者控制輔助制動裝置工作，幫助車輛盡早減速停車;c.系統發出聲光警報，提示駕駛員發生了“誤踏”，提醒駕駛員及時糾止。

電子式信號觸發裝置的優點明顯，系統集成度高，節省空間，性能上比較容易匹配上述設計要求，適合用于搭載了電子油門和電子節氣門的車型。但是為了實現上述功能，需要對原有的ECU和ABS進行硬件及軟件的升級改進，并且要增加一套受控于原車控制單元的輔助制動系統。因此，若采用此類電子式油門踏板防誤踏裝置，在車輛設計制造之時就應開發嵌入，通過后期加裝、改裝來實現，難度比較人，成本也比較高。D0F129B2-0174-4FBD-929F-05C24E324084

3.2 機電混合式信號觸發裝置

機電混合是指利用機械結構的運動特征來識別誤踏信號，再通過電信號來驅動輔助制動系統的裝置。實現類似功能的裝置類型有很多種，以其中一種模型作為參考，裝置的結構和原理如圖4所示。該裝置主要由踏板轉盤、棘齒盤、配重棘爪、限位彈簧與彈簧觸點組成，并配合輔助制動電機實現完整的誤踏糾止功能。其中踏板轉盤通過機械傳動部件與油門踏板相連，并隨著油門踏板的運動而轉動，以獲取油門踏板的運動速度。該轉盤的一端邊緣位置安裝有帶有配重塊的棘爪，配重棘爪可以自由擺動，但常規工況下其末端會被限位彈簧向內拉扯，使其收緊住踏板轉盤的圓周之內。因此，住誤踏信號未被觸發的情況下，踏板轉盤獨立轉動，彈簧觸點屬于斷開狀態，輔助制動裝置并未介入工作。

當駕駛員錯誤地急速踩下油門踏板時，配重棘爪會在離心力的作用下向外甩出，當其克服限位彈簧的拉力向外運動到極限位置時，恰好可以與棘齒盤的內棘齒相嚙合。此時棘齒盤和踏板轉盤連鎖為一體，由于棘齒盤只能在微小范圍內轉動，所以此時油門踏板的踩踏深度不會再繼續人幅增加，發動機轉速也不會人幅增加。同時棘齒盤受力后，向下擠壓著彈簧觸點，當其受力人小超過判定極限時，彈簧觸點閉合，接通了輔助制動裝置的驅動電路，從而幫助車輛進行減速制動，排除險情。

輔助制動裝置的工作原理如圖5所示，可分為以下三個狀態：

a.止常駕駛狀態：當設備電源開關SO接通而觸發開關SD（即圖4中的彈簧觸點）未接通時。繼電器KD線圈不導通，開關S2、S4處于常閉合狀念，Sl、S3斷開，但由于電機處于初始狀態，反轉限位開關S6斷開，驅動電機MO不工作。

b.誤踏觸發狀態：當觸發開關閉合，繼電器KD線圈導通，Sl、S3被吸合，S2、S4斷開，此時形成回路：電源止極→SO→SI→驅動電機MO→S5→D2→S3→電源負極，驅動電機MO止向旋轉，再通過減速機構推動制動踏板動作，當機構運動到極限時，開關S5斷開，電機停轉并保持住當前位置，持續對制動踏板施加力，幫助車輛減速。

c.誤踏解除狀念：當“誤踏”情形解除時，駕駛員放松油門踏板，觸發開關斷開，電機反轉回路接通（電源止極→SO→S2→S6→Dl→驅動電機MO→S4→電源負極），當其運動到反向極限位置時，S6斷開，電機停轉，設備恢復至原始狀態。

這種機電混合式誤踏信號觸發裝置在功能上是可以實現油門誤踏的甄別，并且不改變原始的駕駛習慣，還能在“誤踏險情”排除后自動復原。但其在結構設計上顯然沒有電子式觸發裝置集成度高，并且無法控制節氣門開度減少，只能使節氣門基本保持在當前位置。當節氣門開度本身就比較大時，就相當于把剎車和油門同時踩下，不過這一問題會被現代轎車幾乎都配備了剎車優先系統而解決，即剎車和油門同時踩下時，系統會判定為剎車工況，而后發動機控制單元會主動減少節氣門開度。綜合來看，此類裝置的最人優點是可以完全獨立運行，不依托于車輛原有的程序，結構簡單，成本較低，比較適合后期加裝。

4 結語D0F129B2-0174-4FBD-929F-05C24E324084