汽車緊急制動防誤踩油門智能系統(tǒng)的研究

崔亞楠　鄭為民

摘 要：汽車駕駛員特別是新駕駛員遇突發(fā)危險時，往往因驚慌失措而誤將油門當剎車踩，釀成慘禍。我國汽車保有量的持續(xù)增加，因誤踩油門而造成的事故更加頻繁。本文依據(jù)駕駛員正常踩踏油門和緊急制動時誤踩油門，兩個動作在速度上的明顯區(qū)別。通過傳感器將踩踏油門的信號輸入電子控制單元進行比對運算，當系統(tǒng)判定屬誤操作時，自動驅(qū)動汽車防滑系統(tǒng)的制動電磁閥對汽車進行制動，同時使發(fā)動機停止點火和噴油，從而強制減速，提高汽車的安全操作性。

關(guān)鍵詞：汽車;緊急制動;誤踩油門;智能系統(tǒng)

隨著人們生活水平的不斷提高，汽車在生活中越來越普及，所以駕車人都是非職業(yè)駕駛員，因而技術(shù)的未成熟和駕駛水平的高低將間接或直接影響交通事故發(fā)生。據(jù)調(diào)查，在緊急狀況時，因緊張、分神等因素，致使誤將油門當剎車而引起的交通事故約占到12.6%[1]。在智能控制技術(shù)飛速發(fā)展的當下，人們迫切需要一種智能防護裝置，用于防止在緊急制動時因為慌亂誤踩油門而造成的交通災禍。

1 汽車緊急制動防誤操作技術(shù)現(xiàn)狀

當前就汽車緊急制動防誤操作技術(shù)來說，其總體可分為兩類：一類是電控式裝置，另一類是機械式裝置。

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外在汽車緊急制動防誤操作技術(shù)方面，成果比較顯著的主要集中在歐、美、日等一些發(fā)達國家和地區(qū)。

1.1.1 電控式裝置

此類裝置主要是以電子控制技術(shù)、傳感器技術(shù)以及影像技術(shù)為基礎(chǔ)，裝置本身成本及對汽車自身硬件的要求較高，多應用于高端車輛中，在中低端民用汽車中普及很難。

1.1.2 機械式裝置

此類裝置主要是按照駕駛員在踩剎車和油門時腿部動作差別的特征，對原車的制動和油門進行結(jié)構(gòu)改造，設計出不同的機械式緊急制動防誤操作裝置[2]。例如，Matsunsga K，Naruse M等人設計的測壓式油門與自動踏板合成裝等。這些裝置都有一個共同特點：需要對原車剎車和油門進行較大的結(jié)構(gòu)改動，同時也改變了駕駛員的日常駕駛習慣。所以此類裝置也難以得到普及。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)的研發(fā)現(xiàn)狀主要是從駕駛員踩踏油門時所用的里或加速度等方面出發(fā)，大部分只是處于方法、方案的原理性設計。還沒有轉(zhuǎn)化成真正的產(chǎn)品投入到實際應用中。

2 汽車緊急制動防誤踩油門智能系統(tǒng)理論

基于上述現(xiàn)狀，本文所闡述的是一種具備可靠性高、反應迅速，對原車結(jié)構(gòu)改造較少，不占空間，成本低、通用性好等特點的汽車緊急制動防誤踩油門智能系統(tǒng)。

根據(jù)常規(guī)操作油門與剎車兩個動作速度上的截然不同，設計的系統(tǒng)應具備兩個基本功能：一是檢測油門踏板速度的裝置，當其速度超過一定值時判定為誤踩;二是根據(jù)判定結(jié)果實施相應的控制，若為誤踩，則激活緊急制動程序，阻止汽車加速而進行緊急制動。

由于8051單片機經(jīng)過多年的發(fā)展，有著非常成熟的全套技術(shù)，并且價格低廉，廣泛應用于工業(yè)控制領(lǐng)域。該系統(tǒng)采用8051單片機對信息進行接收、分析處理以及最后發(fā)出相應的指令。

3 各模塊的研究和設計

3.1 信號的采集

信號采集由感應模塊完成，其由旋轉(zhuǎn)式電位器和若干電阻電容等組成。通過將油門踏板的心軸與旋轉(zhuǎn)式的可變電阻連接在一起作為踏板速度傳感器，由于旋轉(zhuǎn)式可變電阻與踏板軸直接相連，可以最大限度的減小響應速度，并且對不同的車型兼容性更強。在踩下油門踏板的同時，可變電阻軸也跟著旋轉(zhuǎn)，使得電阻值產(chǎn)生相應的變化，這是信號采集模塊到的最基本的信號。

3.2 電阻信號的轉(zhuǎn)換

之所以要對電阻信號進行轉(zhuǎn)換，是因為單片機系統(tǒng)核心采集的信號有模擬電壓信號、模擬電流信號、PWM信號、數(shù)字邏輯信號等[3]。而信息采集模塊采集到的是模擬電阻信號，單片機不能對其進行識別處理，所以需要把模擬電阻信號轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號。根據(jù)U=I*R這一基本定理，將采集到的模擬電阻信號轉(zhuǎn)化成電壓信號。然后通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再輸入單片機進行數(shù)據(jù)處理。

3.3 信號轉(zhuǎn)換的方法

模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號我們稱之為模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換。模數(shù)轉(zhuǎn)換可以實現(xiàn)模擬信號和數(shù)字信號之間的相互轉(zhuǎn)換，由于單片機只能處理二進制數(shù)據(jù)，而機器反饋給人類的信息以模擬信號的形式展示，讓我們能更直接地接收，模數(shù)轉(zhuǎn)換也是人類和機器溝通的非常重要的橋梁。模數(shù)轉(zhuǎn)換是一種非常成熟的技術(shù)，只需使用A/D轉(zhuǎn)換器就能得到我們想要的數(shù)字信號，本系統(tǒng)選用了LM331壓頻轉(zhuǎn)換芯片，壓頻轉(zhuǎn)換是模數(shù)轉(zhuǎn)換的一種。把轉(zhuǎn)換后的模擬電壓信號輸入LM331的接收端口，然后芯片內(nèi)部進行轉(zhuǎn)換，再把轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號經(jīng)由LM331的輸出口輸入到單片機的接收口，這就是完整的信號采集過程。因為模擬信號的構(gòu)成比較復雜，有許多不確定的因素，并且容易受到電磁波等的干擾。對此需要使用電容濾波技術(shù)對模擬信號進行預處理，使其免受干擾，在LM331的接收端口接上電容，就能達到濾波整流的效果。

3.4 單片機對信號的處理

對信息的分析處理需要通過編程來實現(xiàn)，這也是整個技術(shù)中最核心的部分。

前文已提到，正常操作油門與剎車兩個動作速度上存在明顯差別，采集的信號就是速度上的差別，轉(zhuǎn)換成模擬信號后就是電壓變化率的快慢，單片機通過定時/計數(shù)口P1獲得變化的頻率信號，通過編程，利用中斷實現(xiàn)對0.1ms時間內(nèi)電壓頻率變化速度（即踩踏板的速度），也就是每0.1 ms檢測一次。當電壓頻率變化速度（即踩踏板的速度）≦0.5S（駕駛員在緊急情況下踩踏板所需的時間小于0.5秒）判定為誤操作，發(fā)出警報信號。

3.5 信號輸出和轉(zhuǎn)換

單片機對采集到的信號進行一系列的分析處理后，判定為誤操作的，就要輸出信號讓執(zhí)行機構(gòu)工作。同樣，單片機采集的數(shù)字信號，那么輸出的同樣也是數(shù)字信號。我們要把數(shù)字信號再轉(zhuǎn)換成模擬信號讓執(zhí)行機構(gòu)直接處理，原理與模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號一樣。

3.6 執(zhí)行機構(gòu)

本系統(tǒng)以汽車自身的ASR系統(tǒng)為制動執(zhí)行機構(gòu)。當單片機系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)檢測到駕駛員制動時誤踩油門踏板時，輸出電路向制動總泵隔離電磁閥和蓄能器隔離電磁閥充電，使這兩個閥門動作關(guān)閉總泵油路，打開蓄能器油路，高壓制動液經(jīng)ABS控制閥進入驅(qū)動輪制動分泵進行制動。當松開油門踩板時，系統(tǒng)復位，輸出電路斷電，制動總泵隔離電磁閥和蓄能器隔離電磁閥復位，同時輸出電路分別向蓄能器隔離電磁閥和油泵電機通電使制動分泵回位，并重新建立ASR系統(tǒng)的備壓[4]。

3.7 驅(qū)動機構(gòu)：

執(zhí)行機構(gòu)是否工作需要由單片機的輸出信號來控制，如果單片機檢測到駕駛員是誤操作時，就需要要有驅(qū)動信號來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)工作。因為執(zhí)行機構(gòu)使用了電磁閥，所以不僅要有驅(qū)動信號控制電磁閥工作，還要有驅(qū)動電流來驅(qū)動電磁閥工作，這樣整個執(zhí)行機構(gòu)才能完成工作。但是單片機的輸出口的輸出電流很小，要驅(qū)動電磁閥是不可能的，所以需要大功率放大三極管組成放大電路來放大單片機的輸出電流進而驅(qū)動電磁閥工作。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)最大的特點是利用汽車自身的ASR系統(tǒng)為制動執(zhí)行機構(gòu)。解決了以往防誤操作裝置制動能源的難題，以及對駕駛員操作是否正常的精確判斷。系統(tǒng)稍加改動同樣可用于大型車輛。實驗證明：具有對原車結(jié)構(gòu)無改造、占用空間少、可靠性高、成本低、通用性好和適合家用轎車等優(yōu)點。

但是由于本系統(tǒng)是基于ASR系統(tǒng)的，所以實際制動時只對驅(qū)動輪有效，制動能力與實際踩制動時的能力還有一定的差距。只能在低速時制止事故發(fā)生，而在高速時只能降低事故的嚴重性，不能制止事故的發(fā)生。

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