基于传感器融合的汽车智能油门防误踩系统设计

2018-05-07方健

装备制造技术 2018年2期

方健

（吉林工程技术师范学院，吉林长春130052）

0 引言

在汽车行驶过程中，驾驶员往往会因为紧张[1-2]而误将加速踏板当作制动踏板踩下[3]，导致严重的交通事故的发生。因此，汽车防误踩相关技术已经成为很多学者的研究热点。当前汽车防误踩油门系统主要存在传感器单一、误判率高等问题。本文采用多传感器融合技术、模糊控制技术，利用压力传感器、角加速度传感器、采集油门踏板角加速度和踏板压力，判断是否为误踩油门。并结合距离传感器检测与前方障碍物距离，利用模糊算法得出模糊控制规则，控制高速电机的响应速度，实现柔性制动。

1 系统设计

智能油门防误踩系统主要由信号采集部分、控制单元、执行机构组成。

信号采集部分包括对踩踏板的压力、速度、加速度以及汽车与前方障碍物的距离进行检测，并实时传送检测信息；控制单元采用高速、低功耗、超强抗干扰的STC12C5A60S2单片机作为数据采集系统的控制核心。单片机经过A/D转换、采样、微分即可得知此时踏板的角加速度值。将采集到的数据输入到由STM32主控板组成的中央控制单元，分别在数据检测、信号处理和中控单元等模块对数据进行分析处理，并利用模糊算法与设定的相关阈值比较、融合分析，若判别压力、速度、加速度超过了一定距离范围内设定的阈值，则给出执行机构信号；控制刹车踏板制动，发出语音报警。系统结构框图如图1所示。

图1 系统框图

1.1 加速度检测

在紧急情况下，驾驶员踩踏制动踏板的速度要比平时快几倍甚至几十倍，误踩油门时，踏板运动速度和加速度都要比正常踩油门大得多，因此可以将传感器安装在踏板底部，当传感器检测到油门踏板运动速度或加速度超过其预设阀值时，将判定为油门被误踩。

1.2 压力检测

在车辆的正常行驶过程中，踩踏油门的力度均在几十牛以下，而在出现突发危急状况时，施加在制动踏板上的力可以达到几百牛以上，因此可在油门踏板处安装RFP薄膜式压力传感器。此传感器就有厚度薄、易弯曲、价格便宜、实用性高等优点，误踩踩油门时，踩踏油门力度大于预设作用力，将判定为误踩油门。

1.3 距离检测

设定一个安全距离，并与实际距离进行比对，采用SW-L2DS50A激光测距模块进行测距，当检测到实际距离处于非安全范围时，汽车将启动自动刹车系统。这样一来，在驾驶员没有来得及踩刹车的情况下，自动刹车系统将会快速反应，采取强制性的刹车，让汽车停止下来。

2 电路设计

2.1 控制单元电路设计

控制单元是自动控制系统的核心，主要完成传感器数据的检测、分析，判断是否为误踩油门，当误踩油门时，触发驱动电路，控制执行机构运行。控制单元电路结构图如图2所示。

图2 控制单元电路结构图

2.2 信号检测电路设计

信号检测电路包括对踏板的压力检测、踏板运动速度和加速度检测、前方障碍物距离检测。采用高精度电阻式薄膜压力传感器，传感器厚度仅0.1 mm，对驾驶司机脚部踩踏油门的压力进行检测，完全不影响司机驾驶。采用MPU6050，6轴传感器，对踏板运动的加速度和速度进行检测。信号检测电路如图3所示。

图3 信号检测电路

3 驱动电路设计

执行机构的电机控制使用的是电机控制专用芯片L298N，其内部含有两个相同H桥式驱动电路，以及4通道逻辑驱动电路，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，分为由EnA、IN1、IN2控制的A桥和由EnB、IN3、IN4控制的B桥。具有驱动电流大（单路驱动约2 A）、低电平范围宽等优点。四路光电耦合电路通过电-光-电的转换，对输入和输出电路进行隔离。L298N驱动电路如图4所示。

图4 L298N驱动电路

4 软件设计

4.1 程序设计

控制单元主要是对单片机操作程序进行编程，包含传感器的数据采集、分析，误踩油门的判定、驱动电机输出和语音报警。系统启动后，首先进行初始化，将执行机构恢复到原位。然后，读取并分析加速度、速度传感器、压力传感器及距离传感器检测到的数据，判断是否为误踩油门，如果误踩油门，则驱动电机动作，使汽车停止下来；否则继续读取、分析传感器检测的数据。软件流程图如图5所示。

图5 软件流程图

4.2 系统测试

（1）油门踏板变量检测

利用LABVIEW设计监测系统，当驾驶人遇见突发状况误踩油门时踏板角速度发生突变如图6所示；踏板受力变化如图7所示。为了使测试数据具备一定代表性，分别对不同年龄段的200驾驶员样本进行测试，分别得到正常踩踏、紧急踩踏和误踩油门情况下的角速度和压力的范围如表1所示。

图6 油门踏板角速度检测系统

图7 油门踏板压力检测系统

表1 实验测试数据

（2）设计防误踩模糊控制规则

利用模糊控制算法[4-6]来描述油门踏板加速度和压力，通过制动控制系统进行减速制动。

选择加速度和压力作为两个输入控制信号；汽车期望的转速作为输出控制信号。将这些信号设置为7个模糊子集：NB=负方向大的偏差（Negative Big），NM=负方向中的偏差（Negative Medium），NS=负方向小的偏差（Negative Small），ZO=近于零的偏差（Zero），PS=正方向小的偏差（Positive Small），PM=正方向中的偏差（Positive Medium），PB=正方向大的偏差（Positive Big），由此可形成16条模糊规则，模糊控制规则表如表2所示。通过模糊规则即可实现误踩油门的柔性制动。