鄧 彪，簡(jiǎn)曉春

隨著生活質(zhì)量的提高，私家汽車(chē)的擁有量在不斷增加，伴隨而來(lái)的是汽車(chē)交通事故的發(fā)生也越來(lái)越多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在緊急狀況時(shí)，由于技術(shù)不熟練、疲勞駕駛及過(guò)度緊張等原因，導(dǎo)致駕駛?cè)苏`將油門(mén)踏板當(dāng)成制動(dòng)踏板而引發(fā)的交通事故在重大交通事故中占到了12.6%［1］。另外，在通常情況下，汽車(chē)的油門(mén)踏板和制動(dòng)踏板是緊挨著的，而且駕駛?cè)嗽谛旭傔^(guò)程中往往都會(huì)將腳放在油門(mén)踏板位置處。在遇到緊急情況下，駕駛?cè)撕苋菀渍`把油門(mén)當(dāng)剎車(chē)使用而猛踩油門(mén)，導(dǎo)致汽車(chē)突然加速，從而引發(fā)交通事故，如：追尾、駛出路面及翻車(chē)等。

為了避免該類(lèi)交通事故的發(fā)生，許多研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)出了很多誤踩油門(mén)的保護(hù)裝置。該裝置主要分為兩類(lèi)：

1）判斷為誤踩油門(mén)后立即進(jìn)行斷油熄火操作，即控制電磁噴油器，將油路斷開(kāi)［2－6］。但汽車(chē)在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中若突然斷油熄火，就會(huì)降低車(chē)輛的制動(dòng)效能，同時(shí)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向沉重，難以迅速轉(zhuǎn)向，規(guī)避障礙物。因此，駕駛?cè)嗽谡`踩油門(mén)時(shí)，不能讓發(fā)動(dòng)機(jī)斷油熄火，而應(yīng)該讓發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況下運(yùn)行，即啟動(dòng)怠速控制系統(tǒng)進(jìn)行怠速控制，從而保持汽車(chē)的制動(dòng)效能和操縱穩(wěn)定性。并且這類(lèi)裝置是以油門(mén)踏板加速度或者油門(mén)踏板力作為判斷的依據(jù)。這樣的判斷使得精度不高，容易出現(xiàn)誤判的問(wèn)題。

2）將油門(mén)和制動(dòng)合二為一［7］，其操作特點(diǎn)為：右腳以腳跟為圓心，左、右偏轉(zhuǎn)來(lái)操縱油門(mén)，踩下踏板來(lái)進(jìn)行制動(dòng)。這類(lèi)裝置的問(wèn)題在于改變了汽車(chē)現(xiàn)行的駕駛操作界面，改變了已定型的操作行為，人們很難適應(yīng)。

在了解了現(xiàn)有的各類(lèi)防誤踩油門(mén)控制系統(tǒng)后，作者擬提出：駕駛?cè)瞬倏v油門(mén)踏板時(shí)，以油門(mén)踏板加速度、油門(mén)踏板力以及車(chē)速三者的閾值作為觸發(fā)條件，經(jīng)過(guò)電子控制單元（Electronic Control Unit，簡(jiǎn)稱(chēng)為ECU）計(jì)算，并判斷是否為誤踩油門(mén)，然后開(kāi)啟光電耦合電子開(kāi)關(guān)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)主要包括信號(hào)采集單元、電子控制單元及執(zhí)行單元，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。信號(hào)采集單元包括油門(mén)踏板加速度傳感器、油門(mén)踏板力傳感器及車(chē)速傳感器。電子控制單元包括Atmel公司生產(chǎn)的AT89C51單片機(jī)和電子開(kāi)關(guān)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括怠速控制系統(tǒng)、緊急制動(dòng)系統(tǒng)及語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Overall structure of the system

本系統(tǒng)整體的電路原理如圖2所示：由LM2596、電容C1與C2、穩(wěn)壓管D1、電感線(xiàn)圈L1共同組成的變壓電路，將汽車(chē)點(diǎn)火電路電源IG降至5V供單片機(jī)AT89C51電路使用。光電耦合電子開(kāi)關(guān)K中的發(fā)光二極管D2外接12V電源。初始狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)輸出低電平信號(hào)，三極管Q1處于截止?fàn)顟B(tài)，電子開(kāi)關(guān)K中的發(fā)光二極管D2無(wú)電流流過(guò)，不發(fā)光，光電晶體管Q2和Q3處于截止?fàn)顟B(tài)，執(zhí)行單元中的怠速控制系統(tǒng)電動(dòng)機(jī) M1、緊急制動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)M2、語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)F電路斷開(kāi)，緊急制動(dòng)系統(tǒng)兩位三通電磁閥H電路接通，柱塞克服復(fù)位彈簧的作用力被吸起來(lái)，電磁閥H的輪缸管端A就與低壓管端B接通，高壓管端P關(guān)閉。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到的油門(mén)踏板加速度信號(hào)、油門(mén)踏板力信號(hào)及車(chē)速信號(hào)達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，單片機(jī)就輸出高電平信號(hào)，三極管Q1導(dǎo)通，電子開(kāi)關(guān)K中的發(fā)光二極管D2發(fā)光，光電晶體管Q2和Q3導(dǎo)通，電子開(kāi)關(guān)K就接通，此時(shí)，執(zhí)行單元中的怠速控制系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)M1、緊急制動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)M2及語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)F開(kāi)始工作，電磁閥H被導(dǎo)通的光電晶體管Q3短路，電磁閥H斷電，柱塞在復(fù)位彈簧的作用下復(fù)位，電磁閥H的高壓管端P與輪缸管端A接通。當(dāng)車(chē)速減為零時(shí)，單片機(jī)又輸出低電平信號(hào)，恢復(fù)到初始狀態(tài)。

圖2 系統(tǒng)電路原理示意Fig.2 Schematic circuit diagram of the system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，油門(mén)踏板加速度傳感器用來(lái)檢測(cè)油門(mén)踏板的加速度，油門(mén)踏板力傳感器用來(lái)檢測(cè)右腳作用在油門(mén)踏板上的力，車(chē)速傳感器用來(lái)檢測(cè)車(chē)速。這些傳感器都有現(xiàn)成的產(chǎn)品，只需根據(jù)具體要求來(lái)選擇。

電子控制單元是系統(tǒng)的控制中樞，它的微處理器是Atmel公司生產(chǎn)的高性能AT89C51單片機(jī)。單片機(jī)的作用就是接收傳感器檢測(cè)到的油門(mén)踏板加速度信號(hào)、油門(mén)踏板力信號(hào)以及車(chē)速信號(hào)，并判斷是否超過(guò)閾值，同時(shí)輸出控制信號(hào)，來(lái)控制電子開(kāi)關(guān)K的斷開(kāi)或接通。

電子開(kāi)關(guān)K是光電耦合開(kāi)關(guān)。當(dāng)單片機(jī)輸出低電平信號(hào)時(shí)，電子開(kāi)關(guān)K就斷開(kāi)；當(dāng)有高電平信號(hào)輸出時(shí)，電子開(kāi)關(guān)K就接通。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括怠速控制系統(tǒng)、緊急制動(dòng)系統(tǒng)及語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)。

2.1 怠速控制系統(tǒng)

本裝置中的怠速控制系統(tǒng)如圖3所示，系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)、進(jìn)給絲杠、怠速控制閥軸、怠速控制閥及空氣旁通通道等組成。系統(tǒng)的工作原理為：控制信號(hào)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從而控制進(jìn)給絲杠帶動(dòng)怠速控制閥軸克服回位彈簧的作用力向上運(yùn)行，讓怠速控制閥離開(kāi)閥座，即打開(kāi)空氣旁通通道，此時(shí)，電子節(jié)氣門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)，空氣就從旁通通道進(jìn)入氣缸。斷電后，怠速控制閥在回位彈簧的作用下頂住閥座，從而關(guān)閉空氣旁通通道，此時(shí)電子節(jié)氣門(mén)打開(kāi)，空氣從電子節(jié)氣門(mén)處進(jìn)入氣缸。

圖3 怠速控制系統(tǒng)Fig.3 Idle control system

2.2 緊急制動(dòng)系統(tǒng)

本裝置中的緊急制動(dòng)系統(tǒng)是汽車(chē)上的一種輔助制動(dòng)系統(tǒng)（如圖4所示），由儲(chǔ)液器、直流電機(jī)、液壓泵、制動(dòng)輪缸、電磁閥及制動(dòng)輪缸等組成。系統(tǒng)的工作原理為：ECU輸出控制信號(hào)，控制直流電機(jī)M2帶動(dòng)液壓泵，通過(guò)高壓管和電磁閥向制動(dòng)輪缸輸入制動(dòng)液，從而迅速進(jìn)行制動(dòng)，此時(shí)，電磁閥被短路，處于斷電狀態(tài)（即在復(fù)位彈簧的作用下，柱塞落座，上腔室與制動(dòng)輪缸接通）；當(dāng)檢測(cè)到車(chē)速為零之后，單片機(jī)輸出低電平控制信號(hào)，直流電機(jī)M2關(guān)閉，電磁閥通電，柱塞在電磁力的作用下克服復(fù)位彈簧的作用力被吸起，上腔室的高壓油頂開(kāi)單向閥，使下腔室與上腔室接通，上腔室的高壓油經(jīng)過(guò)單向閥流到下腔室，并從低壓管流回儲(chǔ)液器，即解除制動(dòng)。

圖4 緊急制動(dòng)系統(tǒng)Fig.4 Emergency braking system

2.3 語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)

語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)就是語(yǔ)音報(bào)警器，該報(bào)警器位于駕駛室內(nèi)。當(dāng)誤踩油門(mén)時(shí)，ECU輸出控制信號(hào)，控制報(bào)警器啟動(dòng)，從而在第一時(shí)間通知駕駛?cè)撕统丝筒扇“踩胧?，最大程度地減小交通事故中人員的損傷和財(cái)產(chǎn)的損失。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 閾值的確定

在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)閾值的確定是本系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確可靠有效運(yùn)行的先決條件。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：

1）駕駛?cè)嗽诰o急情況下猛踩剎車(chē)時(shí)，將剎車(chē)踏板踩到底所需的時(shí)間約為0.1s，誤踩油門(mén)時(shí)，猛踩油門(mén)踏板的時(shí)間與其相等，為0.1s。而正常踩油門(mén)到底的時(shí)間約為1.1s［8］（見(jiàn)表1），因此，兩種情況下，駕駛?cè)瞬扔烷T(mén)踏板的速率和加速度不同。

表1 踩油門(mén)踏板和剎車(chē)踏板時(shí)間Table 1 Time to step on the gas pedal and braking pedal

現(xiàn)推導(dǎo)駕駛?cè)瞬扔烷T(mén)踏板的加速度。為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，將油門(mén)踏板的運(yùn)動(dòng)過(guò)程近視看成勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，初速度為零。于是，有

式中：S為油門(mén)踏板的行程；a為油門(mén)踏板的加速度；t為猛踩油門(mén)踏板踩的時(shí)間。

從而，得：a＝2S／t2。

油門(mén)踏板的行程不超過(guò)100mm，某型車(chē)S＝100mm、t＝0.1s代入式中，可得：正常踩油門(mén)時(shí)油門(mén)踏板的加速度a正max＝0.17m／s2；而誤踩油門(mén)時(shí)油門(mén)踏板的加速度a誤max＝20m／s2。

兩種情況下的加速度數(shù)值差距比較明顯，因此，就以20m／s2作為該型車(chē)加速度的判斷閾值。取該值作為判斷值是考慮到超車(chē)加速的油門(mén)踏板加速度也較大，如果取值較小的話(huà)，易引起判斷失誤。不同的車(chē)型，油門(mén)踏板的行程S以及猛踩踩油門(mén)踏板的時(shí)間t也就不同，最終系統(tǒng)的油門(mén)踏板加速度判斷閾值就不同，需根據(jù)具體車(chē)型進(jìn)行計(jì)算。

2）行車(chē)過(guò)程中，一旦出現(xiàn)緊急狀況，駕駛?cè)司o急制動(dòng)時(shí)踩制動(dòng)車(chē)踏板的力可以達(dá)到400N以上，而通常情況下，駕駛?cè)瞬忍び烷T(mén)踏板的力度不超過(guò)20N［9］。因此，該型車(chē)最終以20m／s2的油門(mén)踏板加速度、400N的油門(mén)踏板力、車(chē)速為零作為系統(tǒng)判斷的閾值。當(dāng)油門(mén)踏板加速度超過(guò)20m／s2或者油門(mén)踏板力超過(guò)400N，單片機(jī)就輸出高電平控制信號(hào)，接通電子開(kāi)關(guān)K。當(dāng)車(chē)速減為零，單片機(jī)就輸出低電平控制信號(hào)，從而斷開(kāi)電子開(kāi)關(guān)K。

3.2 軟件設(shè)計(jì)流程

將編寫(xiě)好的單片機(jī)控制程序?qū)懭氲絾纹瑱C(jī)內(nèi)部的Flash中。其軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。由圖5可知，單片機(jī)控制器的程序包括變量的初始化；采集踏板加速度信號(hào)、踏板力信號(hào)、車(chē)速信號(hào)；以及與閾值的比較；輸出控制信號(hào)等。

4 結(jié)論

針對(duì)駕駛?cè)苏`踩油門(mén)引發(fā)交通事故頻發(fā)的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)出一種新型誤踩油門(mén)智能保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以油門(mén)踏板加速度、油門(mén)踏板力以及車(chē)速作為誤踩油門(mén)判別閾值，自動(dòng)啟動(dòng)制動(dòng)并將發(fā)動(dòng)機(jī)降到怠速，直至停車(chē)。文章詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想及軟硬件設(shè)計(jì)，通過(guò)計(jì)算，確定某型車(chē)最終以20m／s2的油門(mén)踏板加速度、400N的油門(mén)踏板力、車(chē)速為零作為系統(tǒng)判斷的閾值。當(dāng)然，對(duì)于不同的車(chē)型，系統(tǒng)判斷閾值還需進(jìn)行矯正。該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)誤踩油門(mén)智能保護(hù)功能，降低了交通事故發(fā)生的概率，實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)的行駛安全。

圖5 軟件設(shè)計(jì)流程示意Fig.5 The flow chart of the software design

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