汽車油門防誤踩智能控制裝置設(shè)計

魏麗

摘 要： 在對現(xiàn)有相關(guān)設(shè)計的優(yōu)勢與不足進行分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)汽車油門防誤踩需求，完成了一種汽車防誤踩智能控制方案的構(gòu)建，通過綜合運用雷達和相關(guān)功能的傳感器完成對車輛行駛信息的實時采集，通過對比預設(shè)的閾值并結(jié)合運用模糊算法完成智能分析過程，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)對汽車油門防誤踩的智能控制過程，顯著提升了控制過程的實時性和智能性，可使因駕駛員緊張等因素而在剎車時誤踩油門的問題得以有效避免，能夠輔助駕駛員安全駕駛。

關(guān)鍵詞： MSP430單片機; 汽車油門防誤踩; 智能控制系統(tǒng); 怠速控制

中圖分類號： U 463.6 ? ? ?文獻標志碼： A

Abstract： Based on the analysis of the advantages and disadvantages of existing related designs， this paper completes the construction of an intelligent control scheme for anti-misstepping of automobiles based on the requirements of anti-misoperation of automobile throttles. The function of the sensor completes the real-time collection of car driving information. Based on comparing preset thresholds and combining the use of fuzzy algorithms， this paper completes the intelligent analysis process. Thus， the intelligent control process for preventing accidental stepping on the accelerator of the car is significantly improved， i.e.， significantly improving the control process. It can effectively avoid the problem of accidentally stepping on the accelerator if braking due to factors such as driver tension， and can assist the driver to drive safely.

Key words： MSP430 single-chip microcomputer; anti-accidental accelerator pedal of automobile; intelligent control system; idle speed control

0 引言

隨著人們生活水平的提高，汽車已經(jīng)成為日常出行不可或缺的主要交通工具之一，汽車的保有量隨之不斷增加，在為日常生產(chǎn)生活帶來巨大便利的同時，其所導致的交通安全問題也日益突出。促使汽車相關(guān)的主動安全技術(shù)及控制系統(tǒng)成為汽車行業(yè)的一項研究重點。由誤踩油門引發(fā)的交通事在所有交通事故中占比較大，開展防誤踩技術(shù)及控制系統(tǒng)方面的研究已經(jīng)成為有效避免此類事故發(fā)生的重要手段，具有較高的理論研究和實際應(yīng)用價值。目前國內(nèi)在汽車防誤踩方面的研究雖然已取得了一定的進展，但在防誤踩系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)（包括誤踩判定標準的制定、車輛實時行駛狀態(tài)信息的有效檢測及對誤踩的判斷和控制等）仍然有待進一步優(yōu)化和完善[1]。

1 現(xiàn)狀分析

快速發(fā)展的汽車產(chǎn)業(yè)為人們?nèi)粘３鲂刑峁┝吮憷慕煌üぞ?，汽車的?shù)量不斷增多，頻繁發(fā)生的交通事故則使生產(chǎn)企業(yè)及用戶對車輛行駛安全的重視程度不斷提高，在駕駛員發(fā)現(xiàn)前方較近距離有障礙物需進行剎車操作時，及易因緊張而誤踩制動踏板釀成交通事故，作為一種汽車主動安全技術(shù)油門防誤踩技術(shù)可有效避免誤踩引發(fā)的安全事故，基于現(xiàn)有的汽車操控系統(tǒng)通過汽車避障及誤踩的智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)是解決問題的關(guān)鍵所在，目前汽車防撞系統(tǒng)的種類較多，但普遍缺失對防誤踩系統(tǒng)的深入研究，傳統(tǒng)的防誤踩控制系統(tǒng)因智能水平較低而難以滿足市場需求，有些設(shè)計方案的實現(xiàn)需要改變汽車原有機械操作結(jié)構(gòu)，導致駕駛員難以適應(yīng)，并且難以準確區(qū)分駕駛者急踩油門是否屬于誤踩油門。國內(nèi)外關(guān)于油門防誤踩方面的技術(shù)設(shè)計方案主要包括機械式和電子式，已投入應(yīng)用的傳統(tǒng)機械式技術(shù)方案及機械式的油門防誤踩系統(tǒng)雖相對較為成熟，但也存在整體構(gòu)造較復雜、整體測量的精度不高、可靠性及實用性不高等不可避免的缺點，需要較多的外部支持，種類及數(shù)量繁多的部件增加了控制系統(tǒng)整體的復雜程度，在增加使用和維修難度的同時，增加了設(shè)計和維護成本，該類機械式系統(tǒng)通常需專門設(shè)計、僅適用某系列車型，可移植性不高不利于普遍推廣[1]。

2 汽車油門防誤踩智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) ?針對現(xiàn)階段國內(nèi)行車安全輔助設(shè)備存在的功能分散、系統(tǒng)安裝復雜度較高且相互間存在干擾、成本昂貴等問題和不足，本文基于汽車原有機械操作結(jié)構(gòu)的研究成果，設(shè)計了一種電子式的基于MSP430單片機的汽車油門防誤踩智能控制系統(tǒng)，能夠?qū)ο嚓P(guān)檢測閾值進行設(shè)計并對車輛行駛狀態(tài)進行實時檢測，通過智能算法對比計算車輛狀態(tài)和閾值間的差異，據(jù)此判斷出是否存在誤踩操作。通過對汽車的智能檢測和控制實現(xiàn)對駕駛員操作意圖的真實反映，從而確保行車安全，該智能油門防誤踩系統(tǒng)有效降低了使用及運維成本，具備較高的檢測精度和控制精度，并且易于擴展。

2.1 控制系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的控制系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖，如圖1所示。

主要由信號采集模塊、主控模塊、執(zhí)行模塊3個模塊構(gòu)成，系統(tǒng)的工作原理可描述為：駕駛員在車輛行駛過程中踩油門踏板時，節(jié)氣門開度信息由節(jié)氣門傳感器負責采集，壓力信息（f）由油門壓力傳感器負責采集，障礙物距離信息（l）通過雷達完成測量，再由信號采集模塊分別完成油門踏板加速度信息（a）、所有傳感器信息及測量信息的采集后，同控制系統(tǒng)中的預設(shè)閾值進行比較，系統(tǒng)在相關(guān)參數(shù)同時滿足油門誤踩信息判斷標準的情況下判定為駕駛員誤踩油門，由主控模塊驅(qū)動執(zhí)行模塊通過控制節(jié)氣門不產(chǎn)生開度實現(xiàn)發(fā)動機怠速，啟動車輛報警系統(tǒng)，同時通過驅(qū)動步進電機拉動連接剎車系統(tǒng)的鋼絲，輔助汽車制動[2]。

2.2 核心模塊功能的實現(xiàn)

2.2.1 信息采集模塊

該模塊主要負責采集車輛行駛狀態(tài)相關(guān)信息，具體通過使用各類智能傳感器實現(xiàn)，主要包括節(jié)氣門位置、測距雷達、油門踏板壓力及加速度4類傳感器，在4類傳感數(shù)據(jù)信息同時滿足油門誤踩判定要求的情況下由主控模塊驅(qū)動執(zhí)行模塊動作。

（1） 節(jié)氣門位置傳感器（即節(jié)氣門開度傳感器），該傳感器主要負責完成對節(jié)氣門的開度和時間兩個關(guān)鍵參數(shù)的測量，汽車節(jié)氣門的開度和變化時間在正常加速和突發(fā)狀況下的加速過程呈現(xiàn)出較大的差異，駕駛員在緊急情況下誤踩油門通常會踩到底，進而導致節(jié)氣門開度快速增至最大;節(jié)氣門開度在車輛正常加速行駛時則慢慢增大，需通過反復試驗測試確定節(jié)氣門開度的閾值，超過此閾值則可判定汽車非正常提速。

（2） 測距雷達，現(xiàn)有常用的測距方法主要通過利用超聲波、紅外線和雷達等完成距離測量，考慮到超聲波及紅外測距存在精度偏低的不足，難以有效滿足車輛油門防誤踩智能控制系統(tǒng)的精準測量需求，雷達測距具備較強的穿透力、抗干擾能力及反隱身能力，基本不受霧、煙等惡劣天氣條件的影響，可有效滿足本文控制系統(tǒng)在各種條件下的工作需求;測量距離范圍較廣，可使控制系統(tǒng)功能在寬闊復雜的道路上得以充分發(fā)揮;測距模塊體積較小的雷達具備較高的分辨率，能夠?qū)囕v前方障礙物距離進行主動測試并獲取較為精準的數(shù)據(jù)結(jié)果。通過對適合系統(tǒng)使用的各種雷達進行對比分析后選用了采用可靠的固態(tài)技術(shù)的ESR毫米波雷達（美國Delphi），該款雷達長短距離二合為一、無移動部件，抗惡劣環(huán)境和振動的性能較佳，在性能、封裝和耐久性方面具備極大的優(yōu)勢，采用單個雷達即可滿足多個安全系統(tǒng)的使用需求，包括針對間隔距離及前方碰撞的告警、剎車控制及自動巡航控制等，有精確的多目標區(qū)分能力（包括距離、速度和角度數(shù)據(jù)），可完成脈沖多普勒波形的同時發(fā)送和接收，不影響車輛造型的同時易于集成到現(xiàn)有車型中，用于輸出精確的測量數(shù)據(jù)[3]。

（3） 油門踏板壓力傳感器，壓力傳感器選用了電阻式薄膜壓力傳感器，具備厚度較薄、精度較高、易彎曲、性價比較高的優(yōu)勢，將該傳感器安裝于車輛踏板處，完全不影響駕駛員駕駛，突發(fā)狀況的腳作用力大可達幾百，而正常行駛過程踩油門的力度約為幾十N，考慮到踏板受力情況會因人而異，因此本文選取了100位駕駛員作為實驗樣本進行測試，踩踏板的力度數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果為：正常踩踏時的踏板壓力在90-190N區(qū)間內(nèi)、緊急踩踏時的踏板壓力在160-295N區(qū)間內(nèi)、誤踩踏時的踏板壓力在295-490N區(qū)間內(nèi)。油門在緊急情況踩踏和誤踩時表現(xiàn)出一定的差異性，駕駛員誤踩油門時的壓力超過設(shè)定的閾值（f0 =295 N）時，系統(tǒng)即可判定該駕駛操作屬于誤踩油門[1]。

（4） 油門踏板加速度傳感器，選用了較為流行的MPU-6050傳感器（屬于一種空間運動傳感器芯片），具備體積小、能耗低、精度較高的優(yōu)勢，可獲取3個加速度分量和3個旋轉(zhuǎn)角速度，將該傳感器安裝于踏板的底部，相比于正常行駛情況下的加速踩踏板，駕駛員在誤踩油門時的踩踏速度要快數(shù)十倍，針對正常踩踏、緊急踩踏和誤踩3種情況同樣選取100位駕駛員進行統(tǒng)計測試，踩踏板的加速度數(shù)據(jù)測試結(jié)果為正常踩踏時的加速度在7.4-9.0區(qū)間內(nèi)、緊急踩踏情況下的踩踏板加速度為31.6-39、誤踩踏情況下的踩踏板加速度為122.3-139.0（單位：m/s 2），3種踩踏情況下的加速度的差別較大，綜合上述測試數(shù)據(jù)為安全起見，將油門踏板加速度閾值（a 0）設(shè)置為=40 m/s 2 ，系統(tǒng)在油門踏板加速度超過閾值時驅(qū)動執(zhí)行模塊執(zhí)行相關(guān)動作指令[4]。

2.2.2 主控模塊

作為系統(tǒng)的重要構(gòu)成該模塊負責完成對全部數(shù)據(jù)的分析對比（并據(jù)此作出準確判斷）以及對執(zhí)行模塊動作的驅(qū)動功能，本系統(tǒng)的主控模塊選用了MSP430單片機（美國德州儀器有限公司，一種混合信號處理器），該單片機具備功耗低、數(shù)據(jù)運算及處理能力強、片內(nèi)資源豐富、靈活方便等優(yōu)勢，MSP430具有精簡指令集（RISC），內(nèi)部集成了看門狗電路、ADC、DAC、FLASH等，具備較多中斷源的MSP430 單片機可以任意嵌套。處于低功耗狀態(tài)下的系統(tǒng)的中斷喚醒僅需5μs。包含OTP 型、FLASH 型和 ROM 型3類，內(nèi)置JTAG調(diào)試接口的FLASH型具有便捷高效的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，含有可電擦寫的 FLASH 存儲器，可先在 FLASH內(nèi)下載程序，然后在器件內(nèi)執(zhí)行軟件控制程序，供設(shè)計者通過使用片內(nèi)信息（由JTAG 接口讀取）完成調(diào)試過程，無需仿真器和編程器，僅需使用PC機和JTAG調(diào)試器，開發(fā)語言采用C語言[5]。

2.2.3 執(zhí)行模塊

（1） 怠速控制系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)完成對駕駛員存在誤踩油門操作的判斷時，傳統(tǒng)的防誤踩系統(tǒng)大多采用斷開油路的方式實現(xiàn)減速功能，在行駛過程中突然斷油的汽車會對車輛的平穩(wěn)性產(chǎn)生較大的影響，存在一定的安全隱患，為此本控制系統(tǒng)在判定誤踩油門后通過主控模塊實現(xiàn)對節(jié)氣門開關(guān)狀態(tài)的控制，空氣會繞過被關(guān)閉的節(jié)氣門進入到進氣歧管，使汽車發(fā)動機進入怠速狀態(tài)，從而輔助汽車制動功能更好的實現(xiàn)。

（2） 驅(qū)動電機和報警系統(tǒng)，汽車的剎車系統(tǒng)和電機間使用鋼絲相連，該系統(tǒng)的主控模塊在判定為油門誤踩時通過啟動步進電機實現(xiàn)對鋼絲的拉動操作，進而實現(xiàn)剎車系統(tǒng)制動功能，采用L298N（一種專用的控制芯片，技術(shù)發(fā)展較為成熟）作為電機控制電路，該芯片可根據(jù)實際需求控制電機的轉(zhuǎn)動;報警系統(tǒng)會根據(jù)判斷結(jié)果及時提醒駕駛員，具體采用了驅(qū)動蜂鳴器電路實現(xiàn)告警功能[6]。

2.3 軟件流程

汽車油門防誤踩智能控制系統(tǒng)基于采集到的相關(guān)傳感器信息數(shù)據(jù)（包括節(jié)氣門開度信息、障礙物距離測量信息、油門踏板壓力信息及加速度信息參數(shù)），完成對是否存在油門誤踩情況的分析和判斷，在判斷結(jié)果為誤踩的情況下立即驅(qū)動執(zhí)行模塊動作，具體通過控制節(jié)氣門實現(xiàn)發(fā)動機怠速、通過驅(qū)動步進電機拉動連接剎車系統(tǒng)的鋼絲幫助汽車制動，同時啟動車輛報警提示功能;在不符合誤踩條件的情況下返回到初始狀態(tài)繼續(xù)采集和判斷行車信息，確保車輛正常行駛?？刂葡到y(tǒng)[7]具體工作流程如圖2所示。

3 系統(tǒng)測試

為檢測本文所設(shè)計系統(tǒng)的實用性和可靠性，在實驗室中進行了正常及誤踩兩種情況下的模擬測試，選擇不同年齡層和性別的40名志愿者作為測試對象，部分統(tǒng)計測試結(jié)果如表1所示。

40人測試全部成功，在系統(tǒng)檢測到節(jié)氣門有開度信息、油門壓力超過295 N、油門踏板加速度超過40 m/s2、雷達測試距離小于6 m的情況下，該控制系統(tǒng)能夠準確判斷出油門誤踩，并立即驅(qū)動執(zhí)行模塊動作、向駕駛員發(fā)出報警提示，使防止誤踩及誤踩時采取有效措施的目標得以有效實現(xiàn)，證明系統(tǒng)具備較高的實用性和可靠性[8]。

4 總結(jié)

在駕駛員實際駕駛車輛過程中極易發(fā)生誤把油門當成剎車的問題，為有效避免緊急剎車時誤踩油門問題的出現(xiàn)，本文主要對汽車油門防誤踩智能控制系統(tǒng)進行了設(shè)計，在對現(xiàn)有相關(guān)設(shè)計的優(yōu)勢與不足進行分析的基礎(chǔ)上，完成了一種汽車油門防誤踩智能控制系統(tǒng)的設(shè)計，該系統(tǒng)基于MSP430單片機實現(xiàn)智能控制過程，汽車的行駛信息通過使用節(jié)氣門位置、油門壓力及油門加速度傳感器、測距雷達進行采集，將獲取的智能控制參數(shù)對比預設(shè)閾值并進行智能分析，據(jù)此完成對駕駛員踩油門意圖的準確判斷，在確認發(fā)生油門誤踩后立即通過采取發(fā)動機怠速控制及緊急制動功能確保車輛能夠安全行駛。

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（收稿日期： 2020.02.20）