基于聯(lián)合判別參數(shù)的防誤踩油門制動控制系統(tǒng)設(shè)計

曹　菁，孟憲皆

(山東理工大學交通與車輛工程學院， 山東淄博255049)

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基于聯(lián)合判別參數(shù)的防誤踩油門制動控制系統(tǒng)設(shè)計

曹菁，孟憲皆

(山東理工大學交通與車輛工程學院， 山東淄博255049)

摘要：針對頻繁發(fā)生的駕駛員誤將加速踏板當作制動踏板而引起嚴重交通事故的現(xiàn)象，以加速踏板力、加速踏板的加速度、汽車與前方障礙物的距離及方向盤手握力作為聯(lián)合判別參數(shù)，建立了駕駛員誤踩油門判別邏輯規(guī)則，并以STC89C52單片機為核心設(shè)計出一種基于聯(lián)合判別參數(shù)的防誤踩油門制動控制系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進行了實車制動控制性能試驗。試驗結(jié)果表明，駕駛員在車速為20 km/h、40 km/h、60 km/h時誤踩油門時，該系統(tǒng)緊急制動，并得到從誤踩油門到汽車完全停止后的距離分別為3.66 m、10.79 m、21.10 m，比理論制動停車距離略小。可知該系統(tǒng)能夠較精確地判斷駕駛員誤踩油門行為并能高效地進行制動，所設(shè)計的防誤踩油門制動控制系統(tǒng)是可靠的，能夠顯著提高汽車的主動安全性。

關(guān)鍵詞：汽車；誤踩油門；控制系統(tǒng)；設(shè)計

0引言

隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，汽車日益受到人們的青睞[1]，與此同時，隨之而來的交通安全問題亦日漸突出。目前，由于疲勞駕駛及過度緊張等原因，導致司機誤將油門當成制動而引發(fā)的交通事故的比例高達12.6%[2]。為避免誤將油門當成制動而引發(fā)的交通事故，國內(nèi)外設(shè)計了許多機械式、電子式防誤踩油門裝置。例如，文獻[3-5]中分別對剎車和油門的結(jié)構(gòu)進行了改造，設(shè)計出的基于油門與制動踏板合二為一的防誤踩油門裝置。雖然該類裝置能夠獲得較為可靠的制動效果，但此類裝置改變了司機正常踩油門和剎車的習慣，因此使人難以適應，難以在車輛中進行普及應用；梅哲文等[6]利用類似安全帶的原理設(shè)計出了一種實現(xiàn)油門與制動踏板聯(lián)動的補救裝置，在誤踩油門時實現(xiàn)油門與剎車的聯(lián)動，把誤踩油門的力轉(zhuǎn)化為制動力，該類聯(lián)動裝置雖然結(jié)構(gòu)較簡單并易于實現(xiàn)，然而，該類聯(lián)動裝置為純機械式，往往面臨判別精度不高、機械損耗、設(shè)備維護困難等問題。在電子式防誤踩油門的設(shè)計中，日本NISSAN公司利用全景式影像監(jiān)控系統(tǒng)推出了一種以車距為判別依據(jù)的防誤踩油門控制裝置[7]；陳松等[8]利用光電耦合器、單片機等元件設(shè)計了一種以油門踩壓時間為判別依據(jù)的防誤踩油門裝置；王俊華[9]，駱美富等[10]利用加速度信號采集電路、單片機、輔助剎車控制系統(tǒng)等設(shè)計了以油門加速度為判別依據(jù)的防誤踩油門裝置；胡振奇等[11]利用單片機，設(shè)計了一種以節(jié)氣門開啟角度、角速度為判別依據(jù)的防誤踩油門裝置。此類電子式防誤踩油門裝置響應速度較快，但目前該類裝置的誤踩油門判別依據(jù)較為單一且穩(wěn)定性較差，因此，很難取得理想的控制效果。隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，人們對防誤踩油門控制系統(tǒng)提出了更高的設(shè)計要求，目前的防誤踩油門裝置不能滿足車輛發(fā)展及汽車主動安全性設(shè)計的要求。

本文以加速踏板力、加速踏板加速度、汽車與前方障礙物距離及方向盤手握力作為聯(lián)合判別參數(shù)建立駕駛員誤踩油門判別邏輯規(guī)則，以STC89C52單片機為核心設(shè)計一種基于聯(lián)合判別參數(shù)的防誤踩油門制動控制系統(tǒng)，并結(jié)合實車制動控制性能試驗，對防誤踩油門制動控制系統(tǒng)進行有效性驗證。

1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

防誤踩油門制動控制系統(tǒng)主要由信號采集模塊、智能控制模塊和執(zhí)行模塊三部分組成。其中，防誤踩油門制動控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)框圖

1.1信號采集模塊

信號采集是設(shè)計防誤踩油門制動控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。FSR406超薄膜壓力傳感器(長寬為43 mm×43 mm)具有厚度薄、易彎曲等優(yōu)點，因此，本系統(tǒng)采用FSR406超薄膜壓力傳感器進行壓力信號采集。在加速踏板表面安裝兩個FSR406超薄膜壓力傳感器以及在方向盤左手常握區(qū)分別安裝6個FSR406超薄膜壓力傳感器。其中，加速踏板表面位置處的傳感器用于采集加速踏板力，方向盤常握區(qū)的傳感器用于采集駕駛員的方向盤左手握力值。傳感器所采集到的加速踏板力和方向盤左手握力值信號，經(jīng)過信號放大集成模塊、AD模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并通過串行通信傳至單片機，其中，所采用AD模塊為AD0832芯片。

圖2傳感器安裝示意圖

Fig.2Sensors installation diagram

采集加速踏板處的加速度選用ADXL345數(shù)字傳感器。該傳感器是數(shù)字輸出、精度高、緊湊型的加速度傳感器，采用大小為3 mm×5 mm×1 mm，14引腳小型超薄塑料封裝，使用時無需進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而節(jié)省電路板面積，其分辨率高(13位)，測量范圍可達±160 m/s2，數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進制補碼格式，可通過I2C數(shù)字接口訪問單片機。

方向盤處的超薄膜壓力傳感器安裝位置如圖2所示，油門處超薄膜壓力傳感器和ADXL345傳感器的安裝位置如圖2所示。

利用KS109超聲波測距傳感器采集汽車與前方障礙物距離，同樣使用I2 C串口接口與單片機通信，探測范圍為3～1 000 cm，采用獨特的可調(diào)濾波降噪技術(shù)，當電源電壓受干擾或噪音較大時仍可正常工作，其工作電壓為3.0～5.5 V直流電源。

信號采集模塊電路原理圖如圖3所示。

1.2智能控制模塊

智能控制模塊主要是以STC89C52單片機為核心的控制電路。其中，STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8 K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲器512字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，可以滿足系統(tǒng)正常工作要求。

當點火開關(guān)接通后，三端穩(wěn)壓集成電路lm7805芯片等電子元件將汽車電源由12 V降至5 V給STC89C52供電，STC89C52單片機根據(jù)預設(shè)的邏輯程序?qū)λ杉降募铀偬ぐ辶?、加速踏板加速度、汽車與前方障礙物距離及方向盤手握力進行分析，最終判斷駕駛員是否為誤踩油門，并利用12864LCD液晶屏將采集的加速踏板力、加速踏板加速度、汽車與前方障礙物距離及方向盤手握力實時顯示在屏幕上。若系統(tǒng)判斷為誤踩油門，智能控制模塊則對執(zhí)行模塊發(fā)出相應的控制信號，否則，汽車正常行駛。

1.3執(zhí)行模塊

執(zhí)行模塊包括發(fā)動機緊急熄火裝置、語音報警裝置、緊急制動執(zhí)行裝置。

發(fā)動機緊急熄火裝置主要由常閉繼電器、電路保護元件等組成。其中，常閉繼電器串聯(lián)在發(fā)動機ECU與點火模塊之間的IGT線路，誤踩油門時切斷發(fā)動機ECU與點火模塊之間的IGT線路，使點火系統(tǒng)停止工作，從而切斷動力源。

語音報警裝置是利用ISD1820語音模塊、LM386音頻功率放大器、揚聲器等組成的報警裝置，其中ISD1820語音模塊是一種使用方便的單片8～10 s語音錄放，單片機通過一觸發(fā)信號發(fā)出語言報警，第一時間提醒車內(nèi)人員。

緊急制動執(zhí)行裝置主要由LC860H電機驅(qū)動器和86BYGH98-4004A大扭矩兩相步進電機組成。通過脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)來決定步進電機的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)位置，其中86BYGH98-4004A兩相步進電機的最大扭矩可達5.5 N·M，滿足工作條件。由于電機驅(qū)動器的驅(qū)動電壓為24 V，則需要利用升壓模塊將12 V汽車電源電壓升至24 V。當判斷為誤踩油門時，單片機通過電機驅(qū)動器控制步進電機輸出軸轉(zhuǎn)動一定角度，將步進電機固定安裝在汽車車架前部合適位置，將繞線組與步進電機的輸出軸相連接，將鋼絲細繩一端固定在繞線組，另一端與制動踏板相連接，繞線組上設(shè)有環(huán)形凹槽用來纏繞鋼絲細繩，通過鋼絲細繩拉動制動踏板實現(xiàn)緊急制動。智能控制模塊和執(zhí)行模塊電路原理圖如圖4所示，控制系統(tǒng)實物圖如圖5所示。

圖4　智能控制模塊和執(zhí)行模塊電路原理圖

圖5　系統(tǒng)實物圖

2判別參數(shù)臨界值的確定

利用USB壓力信號采集卡、USB加速度信號采集卡及PC機，通過信號采集試驗來確定判別參數(shù)的臨界值。超薄膜壓力傳感器將采集到的加速踏板力、方向盤左手握力信號通過USB壓力信號采集卡傳輸至PC機。利用USB加速度信號采集卡將加速踏板加速度采集的數(shù)據(jù)傳輸至PC機。利用汽車模擬駕駛器對平穩(wěn)加速、緊急加速、突發(fā)情況誤踩油門這三種情況下的加速踏板力和加速踏板加速度進行模擬試驗。其中，挑選具有實際駕車經(jīng)驗的男、女駕駛員各 150 人，分為男、女兩組作為試驗對象(年齡均勻分布在20～50歲，男試驗者編號為1～150，女試驗者編號為151～300)，對每名試驗者分別進行平穩(wěn)加速、緊急加速、突發(fā)情況誤踩油門的測試，且每種情況各測試5 min。利用MATLAB軟件提取每名測試者在平穩(wěn)加速、緊急加速、突發(fā)情況誤踩油門3種情況下所采集的踏板力、踏板加速度最大值，其中，男、女兩組測試者的加速踏板力最大值分布箱形圖如圖6所示，油門加速度最大值分布箱形圖如圖7所示，得到在平穩(wěn)加速、緊急加速、突發(fā)情況誤踩油門三種情況下男(編號1～150)和女(編號151～300)兩組測試者們踩油門的踏板力和踏板加速度的最大值分布情況。

由圖6可知，除極個別異常值外，突發(fā)情況誤踩油門時男測試者們的踏板力最大值主要分布在280～400 N，女測試者們的踏板力最大值主要分布在230～330 N，而緊急加速時踏板力的最大值主要分布在80～160 N，可見，突發(fā)情況誤踩油門時測試者們的踏板力最大值的分布下限為230 N，急加速時踏板力的最大值分布上限為160 N，兩者區(qū)分明顯。因此，加速踏板力的臨界值F0可在160～230 N選取，本文設(shè)定踏板力的臨界值F0=200 N。

由圖7可知，除極個別異常值外，緊急加速時踏板加速度最大值與突發(fā)情況誤踩油門時踏板加速度最大值的分布范圍之間存有重合，說明某些司機緊急加速時加速踏板加速度可能比某些司機在誤踩油門時踏板加速度還要大。因此，可將踩加速踏板的加速度大體分為三類：①踏板加速度范圍在0～A1，此過程說明是正常加速；②踏板加速度的加速度范圍在A1～A2，此過程說明駕駛員可能為緊急加速,也有可能為突發(fā)情況誤踩油門；③踏板加速度大于A2，此過程說明為駕駛員誤踩油門。由圖7可以看出，誤踩油門時踏板加速度最大值分布范圍的下限為8.23 m/s2，可分析得出絕大多數(shù)駕駛員在誤踩油門時踏板加速度的最大值不會小于8 m/s2，為此，本文設(shè)定加速踏板加速度的臨界值A(chǔ)1=8 m/s2，緊急加速時踏板加速度的最大值分布范圍的上限為15.16 m/s2，可分析得出絕大多數(shù)駕駛員在緊急加速時踏板加速度的最大值不會大于16 m/s2。本文設(shè)定另一個加速踏板加速度的臨界值A(chǔ)2=16 m/s2。

采用實車行駛試驗對駕駛員的方向盤左手握力值進行測取。其中，挑選具有實際駕車經(jīng)驗的男、女各 100 人，分為男、女兩組，分別在市區(qū)(白天)、市區(qū)(夜晚)進行測試(年齡均勻分布在20～50歲，男試驗者編號為1～100，女試驗者編號為101～200)，每人測試10 min，利用MATLAB軟件提取每名測試者在市區(qū)(白天)、市區(qū)(夜晚)這兩種情況下實車行駛時采集的方向盤左手握力值的最大值。其中，在市區(qū)(白天)、市區(qū)(夜晚)這兩種情況下男(編號1～100)和女(編號100～200)兩組測試者實車行駛時左手握力最大值分布箱形圖如圖8所示。

測試者在測試過程中，自車前方出現(xiàn)突發(fā)情況需要緊急制動時，手握力值瞬間增大，如圖9所示。這是由于在突發(fā)危險情況下，測試者下丘腦將掌管著身體不同部位的激素釋放激發(fā)了一系列生理反應，使軀體做好了急性應激準備的結(jié)果[12]。

為了對突發(fā)情況進行合理的判斷，本文采用兩個方向盤手握力臨界值即f0和f1作為方向盤手握力判別參數(shù)的判斷依據(jù)。

由圖8可知，車輛正常行駛時的方向盤手握力一般不會超過40 N，而當駕駛員在遇到突發(fā)情況時，手握力會超過50 N，如圖9所示，因此，設(shè)定手握力的一個臨界值為50 N，即f0=50 N，當方向盤手握力f≥f0時，即方向盤手握力f大于50 N時，說明此時駕駛員可能遭遇突發(fā)情況，此時手握力作為一個輔助信號與加速踏板的加速度信號進一步聯(lián)合判別是否誤踩油門。

根據(jù)文獻[13]可知，正常成年人的手握力最大值通常高于300 N，因此，可設(shè)定手握力的臨界值f1=300 N，當手握力f>f1時，即手握力f大于300 N，遠遠超出正常行駛時的方向盤手握力的上限40 N，說明此時駕駛員處于緊握方向盤的狀態(tài)，可作為一個獨立的信號控制汽車緊急制動。

圖9　測試者在突發(fā)情況時左手握力值變化

3軟件系統(tǒng)設(shè)計

防誤踩油門制動控制系統(tǒng)中的控制程序代碼利用嵌入式C語言編寫。

系統(tǒng)的軟件主要由系統(tǒng)初始化模塊、系統(tǒng)主程序模塊、液晶12864顯示模塊、超聲波距離測試模塊、加速度測試模塊、步進電機控制模塊、加速踏板力測試模塊、方向盤力測試模塊、報警模塊等組成，通過主程序模塊調(diào)用其他模塊來滿足工作流程[14-16]。

誤踩油門多發(fā)生于車流人流較多的區(qū)域，由于在繁華鬧區(qū)同向行駛的車輛安全車距應保持在5 m以上[17]，因此，本文設(shè)定汽車與前方障礙物距離S的臨界值S1為5 m，其中，汽車與前方障礙物距離S是通過KS109超聲波測距傳感器采集得到。在汽車與前方障礙物距離S大于臨界值S1時，此時可利用加速踏板力的臨界值F0=200 N，加速踏板加速度臨界值A(chǔ)1=8 m/s2和A2=16 m/s2，方向盤手握力臨界值f0=50 N和f1=300 N,來進行誤踩油門的判斷，以保證行車安全。

隨著汽車與前方障礙距離的縮短，汽車的危險程度會相應增加，因此，當汽車與前方障礙的距離小于臨界值S1時，為保證當汽車距前方障礙較近時的汽車安全，使系統(tǒng)判別誤踩油門更加靈敏，需另設(shè)一個加速踏板力的臨界值F1。在汽車距前方障礙距離S由5 m減至0 m的過程中，加速踏板力的臨界值F1隨著汽車與前方障礙物距離S呈線性減小，即臨界值F1由F0=200 N線性減小至0 N，因此，加速踏板力的臨界值F1=40S。

系統(tǒng)的主程序流程如圖10所示。

當汽車與前方障礙物距離S大于5 m時，以下3個條件滿足其一，則執(zhí)行模塊工作，否則，汽車正常行駛。

①若方向盤手握力f大于f1時，即f>300 N時，執(zhí)行模塊工作。

②若加速踏板力F大于F0時，即F>200 N時，執(zhí)行模塊工作。

③若加速踏板加速度A在A1～A2時，即8 m/s250 N，執(zhí)行模塊工作；若加速踏板加速度A大于A2時，即A≥16 m/s2時，執(zhí)行模塊工作。

當汽車與前方障礙物的距離S由5 m減至0 m時，加速踏板力臨界值F1=40S，此時若加速踏板力F>F1時，即F>40S時，則執(zhí)行模塊工作，否則，汽車正常行駛。

執(zhí)行模塊工作時，單片機控制緊急斷火裝置中的常閉繼電器斷開,以實現(xiàn)發(fā)動機斷火，同時控制緊急制動裝置中的步進電機通過鋼絲細繩拉動制動踏板實現(xiàn)制動，此時語言報警裝置進行語言警報，5 s后，發(fā)動機緊急斷火裝置中的常閉繼電器閉合使點火線路復原，同時緊急制動裝置中的步進電機轉(zhuǎn)回到原來位置使制動解除。

圖10　主程序流程圖

4實車制動控制性能試驗

為了驗證所設(shè)計制動控制系統(tǒng)制動控制性能，選用04款尼桑藍鳥汽車進行測試。試驗行駛路況為干燥、平坦、車流少的瀝青路，實驗人員是已取得B1級別駕照并具有多年駕齡的司機。試驗分別設(shè)計在車速為20 km/h、40 km/h、60 km/h時誤踩油門，測量得到從誤踩油門到汽車完全停止時的停車距離，其中，每種車速下各測試20次，將測量的距離取平均值，得到上述3種車速下從誤踩油門到汽車完全停止時的停車距離平均值分別為3.66 m、10.79 m、21.16 m，理論制動停車距離S表示為

(1)

試驗路面是干燥、平坦的瀝青路，干燥瀝青路面附著系數(shù)μ為0.85，a1=μg，故汽車最大制動減速度a1取8.5 m/s2，由公式(1)可知汽車在速度為20 km/h、40 km/h、60 km/h時的理論制動停車距離S分別為4.03 m、11.65 m、22.99 m。所得到的試驗測試結(jié)果如表1所示。

由表1可知， 20 km/h、40 km/h、60 km/h時誤踩油門，得到從誤踩油門到汽車完全停止后的距離分別為3.66 m、10.79 m、21.10 m，比在車速為20 km/h、40 km/h、60 km/h時對應的理論制動停車距離4.03 m、11.65 m、22.99 m要略小，說明該系統(tǒng)的制動效果較好，且該系統(tǒng)能較精確地辨識誤踩油門這一行為，基本滿足預期的工作要求。

表1　道路試驗結(jié)果

5結(jié)語

通過基于聯(lián)合判別參數(shù)的防誤踩油門制動控制系統(tǒng)設(shè)計研究及實車制動控制性能試驗，可知，利用加速踏板力、加速踏板加速度、汽車與前方障礙物距離及方向盤手握力這四種信號作為駕駛員是否誤踩油門的聯(lián)合判別參數(shù)，相對于其他設(shè)計方案，本研究考慮影響因素更多，也更全面，使得誤踩油門判斷精確性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時，該控制系統(tǒng)對原車的改裝較少，通用性好，并且不改變駕駛員的正常駕駛習慣。結(jié)果表明，所設(shè)計的基于聯(lián)合判別參數(shù)的防誤踩油門制動控制系統(tǒng)能夠較精確地識別誤踩油門這一行為，并進行緊急制動和語音報警提示，可以有效地避免由于誤踩油門而引發(fā)的交通事故，對于提高汽車的主動安全性具有十分重要的意義。

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(責任編輯裴潤梅)

Brake control system design against mistakenly stepping on accelerator based on joint discriminate parameter

CAO Jing，MENG Xian-jie

(School of Transportation and Vehicle Engineering，Shandong University of Technololgy， Zibo 255049，China)

Abstract:Based on the frequent traffic accidents on drivers mistakenly stepping the accelerator pedal as the brake pedal, the logic principals of drivers’ stepping on the accelerator by mistake by combining of the acceleration pedal force, the accelerator pedal acceleration, the distances between the vehicles and the front obstacle as well as the grip strength of steering wheel is established. A brake control system based on the core SCM STC89C52 is developed. It was based on the joint discrimination parameter of faulty operation of stepping on accelerator pedal Experiment in braking control performance is carried out. The result shows that when vehicle speeds are at 20 km/h、40 km/h or 60km/h correspondingly, and when stepping on the throttle mistakenly, the system convert into emergency braking state immediately. The distances from the wrong action to the completely stop of the vehicle are 3.66 m、10.79 m and 21.10 m, which are shorter than the theoretical braking stopping distances. Then the system can accurately determine the wrong action and correct it efficiently. So, the braking control system is reliable for it can increase active safety of vehicles.

Key words:automobiles; mistakenly stepping on the accelerator; control system; design

中圖分類號：TP303

文獻標識碼：A

文章編號：1001-7445(2016)02-0470-10

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0470

通訊作者：孟憲皆(1965—)，男，山東聊城人，山東理工大學副教授，工學博士；E-mail：mxjie88@126 .com。

基金項目：山東省重點研發(fā)計劃項目(2015GGX105006)，山東省自然科學基金資助項目(ZR2013EEM007)

收稿日期：2015-11-03；

修訂日期：2015-12-16

引文格式：曹菁，孟憲皆.基于聯(lián)合判別參數(shù)的防誤踩油門制動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(2)：470-479.