汽车智能防误踩油门系统的设计

吴春江 邓彪

（重庆交通大学）

通常，汽车的油门踏板和制动踏板并列安装在一起，而且驾驶员在驾驶时通常将脚放在油门踏板位置处，所以在遇到紧急情况，如突然有人或动物横穿马路、前方突然出现障碍物、突然遇到急转弯道等突发状况时，驾驶员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。为减少这种在紧急状况时，因过度紧张等原因，驾驶员误将油门踏板当成制动踏板而引发的交通事故，学者提出了不同的控制策略[1-2]，文章设计了一种智能的防误踩油门控制系统。该系统采用电子控制技术结合机械装置的方法来实现误踩油门时的紧急制动控制，系统的响应速度快，安全可靠，具有较高的应用价值和应用前景。

1 控制系统设计方案

1.1 结构组成

本系统主要由信号采集单元、电子控制单元（ECU）及执行单元组成。信号采集单元包括油门踏板加速度传感器、油门踏板位置传感器、车速传感器和雷达探测器；ECU 包括单片机和电子开关；执行机构包括怠速控制系统、紧急制动系统和电子油门控制系统。

1.2 工作原理

初始状态，ECU 输出低电平信号，电子开关断开，各执行机构电路断开，汽车正常行驶。驾驶员踩下油门踏板时，油门踏板加速度传感器测量踏板的加速度，位置传感器监测踏板的位置，雷达测算障碍物的距离，并将这些信号传递给ECU，ECU 对这些信号进行分析和判断。当判断驾驶员的操作属于误将油门当刹车使用时，ECU 发送指令给执行机构，即ECU 输出高电平信号，电子开关接通。此时，执行机构开始工作，执行怠速控制和紧急制动等动作。当驾驶员松开油门踏板时，即油门踏板位置恢复到初始位置，或者车速为0 时，ECU再次发出指令，即输出低电平信号，执行机构电路断开，这时执行单元停止工作，汽车恢复到正常行驶状态。

2 系统硬件设计

2.1 信号采集单元

油门踏板加速度传感器采集油门踏板的加速度，雷达探测器探测并计算障碍物与汽车间的距离。油门踏板位置传感器则是电子油门控制系统本身就有的，用于监测油门踏板的位置。

2.2 怠速控制系统

很多防误踩油门装置在判断驾驶员的操作为误踩油门后，对发动机采取的措施是直接将供油系统断开，但汽车在高速行驶时若突然断油，则会影响汽车的平稳性及安全性。最好的方式是令发动机处于怠速工况运转。所以文章结合汽车原有的怠速控制系统来实现汽车怠速行驶，提高汽车的安全性。怠速控制系统的工作原理:ECU 输出控制信号，怠速控制电路通电并将怠速控制阀打开，即打开空气旁通通道，此时节气门全关，空气绕过节气门，经由旁通通道进入进气歧管，发动机进入怠速工况。断电后，怠速控制阀关闭空气旁通通道，发动机结束怠速运转。

2.3 电子油门控制系统

传统发动机节气门操纵机构是通过拉索（软钢丝）或者拉杆，一端连接油门踏板，另一端连接节气门连动板而工作。电子油门没有拉线，它通过踏板位置传感器测量油门踏板的深浅，并将信号传送到ECU 中，最后，由ECU 驱动步进电机控制节气门的开度。现在大多数汽车都使用电子油门代替了传统拉线油门。文章设计的防误踩油门控制系统中，电子油门控制系统是在当判断驾驶员误踩油门时，关闭节气门，配合怠速控制系统实现怠速控制。

2.4 紧急制动系统

工作原理:利用ABS 的制动压力调节装置来实现紧急制动。误踩油门控制系统ECU 输出高电平信号，直流电动机（M）通电，控制液压泵向制动轮缸输出制动液，从而迅速进行制动，此时电磁阀没有通电处于断开状态。当驾驶员松开油门或汽车停止时，误踩油门控制系统ECU 输出低电平信号，M 未通电，不工作。误踩油门控制系统ECU 的控制电路与ABS 的控制电路是并联的，电路间互不影响。当车轮抱死，汽车有滑移倾向时，ABS 开始工作，防止车轮抱死，实现安全制动。

3 系统软件设计

3.1 理论分析

驾驶员在紧急情况下误踩油门时，猛踩油门踏板到底的时间大约是0.1 s，而正常踩油门到底的时间大约是1.1 s，因此2 种情况下驾驶员踩油门踏板的速率和加速度不同[3]。根据驾驶员踩油门踏板的时间及油门踏板的行程可估算得:正常踩油门时的油门踏板加速度大约为0.25 m/s2，误踩油门时油门踏板的加速度大约为30 m/s2，这两者之间的差值很大，文章拟以设定的油门踏板加速度a0=30 m/s2为判断阈值。

汽车的安全车距阈值可以根据汽车的制动过程进行估算。当驾驶员误踩下油门时，ECU 进行判断并发出控制信号，最终使汽车停止，这整个过程主要包括传感器信号传递过程、ECU 分析判断过程、制动装置接收指令到产生制动力过程、制动力增长过程及持续制动至完全停车这几个阶段。忽略传感器及ECU 的响应时间，现只计算制动装置接收到指示信号到完全停车3 个阶段的制动距离。汽车的制动距离（S/m）为[4]:

式中:t2'——制动装置接收到形成制动压力的时间，液压制动系一般为0.03～0.05 s；

t2''——制动力增长过程所需的时间，液压制动系一般为0.15～0.20 s；

S2——（t2'+t2''）这段时间内汽车的制动距离，m；

S3——持续制动至完全停车的时间内，汽车的制动距离，m；

u0——制动初始速度，即ECU 判断驾驶员误踩油门时车速传感器检测到的车速，m/s；

abmax——最大制动减速度，m/s2；

φ——峰值附着系数，干沥青和混凝土路面一般为0.8～0.9，湿沥青路面一般为0.5～0.7。

因为t2''很小，故式（1）中略去项，将车速单位m/s 换算成km/h，则有:

文章给出的判断值只是一个理论参考值，未经实践检验。在实际的应用中，针对不同的汽车，不同的情况，需要对参考值进行修正，以保证控制系统ECU 能做出正确的判断。为了确保汽车拥有足够的制动距离，将根据车速计算得到的S 增大大约30%左右，作为安全制动距离的阈值S0，即S0=1.3S。

现利用matlab 绘制S，S0与车速（u/（km/h）的关系曲线图，取t2'=0.04 s，t2''=0.16 s，g=9.8 m/s2,φ=0.8，由公式（2）和（3）可得干沥青或混凝土路面制动距离和车速曲线图，如图1 所示。

3.2 软件设计流程

设:a1为油门踏板加速度，m/s2；a0为设定的油门踏板加速度阈值，m/s2；S1为雷达测算到的障碍物与汽车的距离，m；S0为对应当前行驶速度的安全制动距离，m。

ECU 判断过程如下:

当a1＜a0时，控制系统ECU 判断驾驶员行为为正常加速，汽车正常行驶；

当a1≥a0，S1＞S0，或前方无障碍物时，汽车正常加速；

当a1≥a0，S1≤S0时，ECU 判断驾驶员行为为误踩油门，执行机构执行怠速控制和紧急制动动作；

当驾驶员松开油门或车速u=0 时，执行结构控制电路断开，汽车恢复正常状态。

4 结论

文章分析了驾驶员正常踩油门与紧急制动误踩油门2 种不同动作引起的油门加速度的明显差异，可以此作为判别驾驶员操作油门动作是否为误操作的阈值。同时分析了车速与制动距离之间的关系，以及汽车突然断油和怠速运转2 种不同情况下汽车的行驶状态，在此基础上提出了新型智能式防误踩油门控制系统的设计方案。控制系统以油门踏板加速度的阈值及汽车与障碍物的距离作为触发条件，通过ECU 计算并判断是否为误踩油门，然后控制怠速控制系统、紧急制动系统、执行发动机怠速运转及紧急制动等动作。该控制系统有效地结合汽车原有的电子控制系统，实现驾驶员误踩油门后的紧急制动操作，可避免交通事故发生，提高汽车的行驶安全性。

文章的研究尚存在一些不足，后续研究还需做3 个方面的工作:1）将该系统安装到汽车上，进行实际的路面驾驶试验，验证系统的有效性；2）对于不同的汽车以及不同的驾驶者，系统触发的阈值需要重新标定，才能提高控制的精确性；3）提高系统的响应速度，达到快速响应的目的。