汽车误踩油门智能保护系统的设计

邓 彪，简晓春

随着生活质量的提高，私家汽车的拥有量在不断增加，伴随而来的是汽车交通事故的发生也越来越多。据统计，在紧急状况时，由于技术不熟练、疲劳驾驶及过度紧张等原因，导致驾驶人误将油门踏板当成制动踏板而引发的交通事故在重大交通事故中占到了12.6%［1］。另外，在通常情况下，汽车的油门踏板和制动踏板是紧挨着的，而且驾驶人在行驶过程中往往都会将脚放在油门踏板位置处。在遇到紧急情况下，驾驶人很容易误把油门当刹车使用而猛踩油门，导致汽车突然加速，从而引发交通事故，如：追尾、驶出路面及翻车等。

为了避免该类交通事故的发生，许多研究机构开发出了很多误踩油门的保护装置。该装置主要分为两类：

1）判断为误踩油门后立即进行断油熄火操作，即控制电磁喷油器，将油路断开［2－6］。但汽车在实际的运行过程中若突然断油熄火，就会降低车辆的制动效能，同时导致转向沉重，难以迅速转向，规避障碍物。因此，驾驶人在误踩油门时，不能让发动机断油熄火，而应该让发动机在怠速工况下运行，即启动怠速控制系统进行怠速控制，从而保持汽车的制动效能和操纵稳定性。并且这类装置是以油门踏板加速度或者油门踏板力作为判断的依据。这样的判断使得精度不高，容易出现误判的问题。

2）将油门和制动合二为一［7］，其操作特点为：右脚以脚跟为圆心，左、右偏转来操纵油门，踩下踏板来进行制动。这类装置的问题在于改变了汽车现行的驾驶操作界面，改变了已定型的操作行为，人们很难适应。

在了解了现有的各类防误踩油门控制系统后，作者拟提出：驾驶人操纵油门踏板时，以油门踏板加速度、油门踏板力以及车速三者的阈值作为触发条件，经过电子控制单元（Electronic Control Unit，简称为ECU）计算，并判断是否为误踩油门，然后开启光电耦合电子开关，控制执行机构工作。

1 系统整体设计方案

根据设计要求，本系统主要包括信号采集单元、电子控制单元及执行单元，整体结构如图1所示。信号采集单元包括油门踏板加速度传感器、油门踏板力传感器及车速传感器。电子控制单元包括Atmel公司生产的AT89C51单片机和电子开关。执行机构包括怠速控制系统、紧急制动系统及语音报警系统。

图1 系统整体结构示意Fig.1 Overall structure of the system

本系统整体的电路原理如图2所示：由LM2596、电容C1与C2、稳压管D1、电感线圈L1共同组成的变压电路，将汽车点火电路电源IG降至5V供单片机AT89C51电路使用。光电耦合电子开关K中的发光二极管D2外接12V电源。初始状态时，单片机输出低电平信号，三极管Q1处于截止状态，电子开关K中的发光二极管D2无电流流过，不发光，光电晶体管Q2和Q3处于截止状态，执行单元中的怠速控制系统电动机 M1、紧急制动系统电动机M2、语音报警系统F电路断开，紧急制动系统两位三通电磁阀H电路接通，柱塞克服复位弹簧的作用力被吸起来，电磁阀H的轮缸管端A就与低压管端B接通，高压管端P关闭。当单片机检测到的油门踏板加速度信号、油门踏板力信号及车速信号达到设定阈值时，单片机就输出高电平信号，三极管Q1导通，电子开关K中的发光二极管D2发光，光电晶体管Q2和Q3导通，电子开关K就接通，此时，执行单元中的怠速控制系统电动机M1、紧急制动系统电动机M2及语音报警系统F开始工作，电磁阀H被导通的光电晶体管Q3短路，电磁阀H断电，柱塞在复位弹簧的作用下复位，电磁阀H的高压管端P与轮缸管端A接通。当车速减为零时，单片机又输出低电平信号，恢复到初始状态。

图2 系统电路原理示意Fig.2 Schematic circuit diagram of the system

2 系统硬件设计

在本系统中，油门踏板加速度传感器用来检测油门踏板的加速度，油门踏板力传感器用来检测右脚作用在油门踏板上的力，车速传感器用来检测车速。这些传感器都有现成的产品，只需根据具体要求来选择。

电子控制单元是系统的控制中枢，它的微处理器是Atmel公司生产的高性能AT89C51单片机。单片机的作用就是接收传感器检测到的油门踏板加速度信号、油门踏板力信号以及车速信号，并判断是否超过阈值，同时输出控制信号，来控制电子开关K的断开或接通。

电子开关K是光电耦合开关。当单片机输出低电平信号时，电子开关K就断开；当有高电平信号输出时，电子开关K就接通。

执行机构包括怠速控制系统、紧急制动系统及语音报警系统。

2.1 怠速控制系统

本装置中的怠速控制系统如图3所示，系统由步进电机、进给丝杠、怠速控制阀轴、怠速控制阀及空气旁通通道等组成。系统的工作原理为：控制信号控制直流电机的转子顺时针或逆时针旋转，从而控制进给丝杠带动怠速控制阀轴克服回位弹簧的作用力向上运行，让怠速控制阀离开阀座，即打开空气旁通通道，此时，电子节气门处于关闭状态，空气就从旁通通道进入气缸。断电后，怠速控制阀在回位弹簧的作用下顶住阀座，从而关闭空气旁通通道，此时电子节气门打开，空气从电子节气门处进入气缸。

图3 怠速控制系统Fig.3 Idle control system

2.2 紧急制动系统

本装置中的紧急制动系统是汽车上的一种辅助制动系统（如图4所示），由储液器、直流电机、液压泵、制动轮缸、电磁阀及制动轮缸等组成。系统的工作原理为：ECU输出控制信号，控制直流电机M2带动液压泵，通过高压管和电磁阀向制动轮缸输入制动液，从而迅速进行制动，此时，电磁阀被短路，处于断电状态（即在复位弹簧的作用下，柱塞落座，上腔室与制动轮缸接通）；当检测到车速为零之后，单片机输出低电平控制信号，直流电机M2关闭，电磁阀通电，柱塞在电磁力的作用下克服复位弹簧的作用力被吸起，上腔室的高压油顶开单向阀，使下腔室与上腔室接通，上腔室的高压油经过单向阀流到下腔室，并从低压管流回储液器，即解除制动。

图4 紧急制动系统Fig.4 Emergency braking system

2.3 语音报警系统

语音报警系统就是语音报警器，该报警器位于驾驶室内。当误踩油门时，ECU输出控制信号，控制报警器启动，从而在第一时间通知驾驶人和乘客采取安全措施，最大程度地减小交通事故中人员的损伤和财产的损失。

3 系统软件设计

3.1 阈值的确定

在本系统中，系统阈值的确定是本系统能够准确可靠有效运行的先决条件。通过研究发现：

1）驾驶人在紧急情况下猛踩刹车时，将刹车踏板踩到底所需的时间约为0.1s，误踩油门时，猛踩油门踏板的时间与其相等，为0.1s。而正常踩油门到底的时间约为1.1s［8］（见表1），因此，两种情况下，驾驶人踩油门踏板的速率和加速度不同。

表1 踩油门踏板和刹车踏板时间Table 1 Time to step on the gas pedal and braking pedal

现推导驾驶人踩油门踏板的加速度。为了简化分析过程，将油门踏板的运动过程近视看成匀加速直线运动，初速度为零。于是，有

式中：S为油门踏板的行程；a为油门踏板的加速度；t为猛踩油门踏板踩的时间。

从而，得：a＝2S／t2。

油门踏板的行程不超过100mm，某型车S＝100mm、t＝0.1s代入式中，可得：正常踩油门时油门踏板的加速度a正max＝0.17m／s2；而误踩油门时油门踏板的加速度a误max＝20m／s2。

两种情况下的加速度数值差距比较明显，因此，就以20m／s2作为该型车加速度的判断阈值。取该值作为判断值是考虑到超车加速的油门踏板加速度也较大，如果取值较小的话，易引起判断失误。不同的车型，油门踏板的行程S以及猛踩踩油门踏板的时间t也就不同，最终系统的油门踏板加速度判断阈值就不同，需根据具体车型进行计算。

2）行车过程中，一旦出现紧急状况，驾驶人紧急制动时踩制动车踏板的力可以达到400N以上，而通常情况下，驾驶人踩踏油门踏板的力度不超过20N［9］。因此，该型车最终以20m／s2的油门踏板加速度、400N的油门踏板力、车速为零作为系统判断的阈值。当油门踏板加速度超过20m／s2或者油门踏板力超过400N，单片机就输出高电平控制信号，接通电子开关K。当车速减为零，单片机就输出低电平控制信号，从而断开电子开关K。

3.2 软件设计流程

将编写好的单片机控制程序写入到单片机内部的Flash中。其软件设计流程如图5所示。由图5可知，单片机控制器的程序包括变量的初始化；采集踏板加速度信号、踏板力信号、车速信号；以及与阈值的比较；输出控制信号等。

4 结论

针对驾驶人误踩油门引发交通事故频发的现象，设计出一种新型误踩油门智能保护系统。该系统以油门踏板加速度、油门踏板力以及车速作为误踩油门判别阈值，自动启动制动并将发动机降到怠速，直至停车。文章详细介绍了该系统的设计思想及软硬件设计，通过计算，确定某型车最终以20m／s2的油门踏板加速度、400N的油门踏板力、车速为零作为系统判断的阈值。当然，对于不同的车型，系统判断阈值还需进行矫正。该控制系统能够实现误踩油门智能保护功能，降低了交通事故发生的概率，实现了汽车的行驶安全。

图5 软件设计流程示意Fig.5 The flow chart of the software design

（

）：

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