防誤踩油門安全控制器應(yīng)用開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

曾順利 羅欽 李有通

摘? 要：汽車油門誤踩的問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注，駕駛員若突然遇到緊急情況時(shí)很易造成該事件發(fā)生，引發(fā)嚴(yán)重的交通事故。文章圍繞自研創(chuàng)新產(chǎn)品“保障油門誤踩安全的加裝控制器”進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐開(kāi)發(fā)，完成了硬件和軟件的設(shè)計(jì)、產(chǎn)品實(shí)物制造與測(cè)試，從而可以在駕駛員誤把油門當(dāng)成剎車踩下時(shí)，及時(shí)阻止節(jié)氣門響應(yīng)，避免事故發(fā)生。產(chǎn)品制造成本低廉、安裝方便，一定程度上填補(bǔ)市場(chǎng)空白，很具實(shí)用和推廣性。

關(guān)鍵詞：汽車;油門誤踩;自動(dòng)剎車

中圖分類號(hào)：U463? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2022）04-0062-04

Application Development and Design of Anti False Stepping on

Accelerator Safety Controller

ZENG Shunli， LUO Qin， LI Youtong

（Guangan Vocatonal & Technical College， Guangan? 638000， China）

Abstract： More and more attention has been paid to the problem of false stepping on the accelerator. If the driver suddenly encounters an emergency， it is easy to cause the event and cause serious traffic accidents. This paper focuses on the application and practical development of the self-developed and innovative product “installing controller to ensure the safety of false stepping on the accelerator”， and completes the design of hardware and software， physical manufacturing and testing of the product， so that when the driver mistakenly steps on the accelerator as the brake， the response of the throttle can be prevented in time to avoid accidents. The product has the advantages of low manufacturing cost and convenient installation. To a certain extent， it fills the market gap and is very practical and popularized.

Keywords： automobile; false stepping on the accelerator; automatic brake

0? 引? 言

如今汽車電子油門控制系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，其采用油門踏板位置傳感器監(jiān)控駕駛員踩踏油門的行程位置，再將信號(hào)發(fā)送至發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元ECU，ECU再控制節(jié)氣門電機(jī)的偏轉(zhuǎn)來(lái)控制節(jié)氣門開(kāi)度，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量，完成汽車動(dòng)力的控制，此種方法相比于傳統(tǒng)拉線式油門系統(tǒng)更能實(shí)現(xiàn)汽車最優(yōu)工況的控制。但仍然存在較多不足之處，如無(wú)法識(shí)別駕駛員緊急情況下誤把油門當(dāng)成剎車快速踩下的情況，無(wú)法避免由此造成的嚴(yán)重交通事故。為此國(guó)內(nèi)外對(duì)電子油門系統(tǒng)的智能升級(jí)展開(kāi)了研究，取得了初步成果，但目前防油門誤踩方面技術(shù)還有明顯缺陷，市面上還沒(méi)有成熟的可以進(jìn)行防油門誤踩的配置產(chǎn)品。

本產(chǎn)品利用汽車現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，通過(guò)加裝件形式完善升級(jí)汽車電子油門系統(tǒng)，識(shí)別誤把油門當(dāng)做剎車快速踩下的情況，進(jìn)行緊急制動(dòng)保護(hù)交通、生命財(cái)產(chǎn)安全，具有較強(qiáng)的創(chuàng)新與應(yīng)用價(jià)值。

1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制器主要由信號(hào)采集模塊電路、策略識(shí)別電路和制動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路等組成。

當(dāng)駕駛員踩踏油門時(shí)，控制器可直接探取原車的油門踏板位置傳感器電壓信號(hào)，隨后單片機(jī)根據(jù)踏板踩下的情況進(jìn)行綜合決策，如果判定為本是以急踩剎車的速度、加速度的情況下誤踩了油門，則啟動(dòng)制動(dòng)保護(hù)，斷開(kāi)串入原車的節(jié)氣門偏轉(zhuǎn)電機(jī)搭鐵線，阻止汽車加速，且啟動(dòng)ABS泵電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使汽車自動(dòng)剎車。

電路板通過(guò)保險(xiǎn)盒取電器、塔鐵鉤、信號(hào)探測(cè)鉤、并線扣等與原車相連，不影響原車結(jié)構(gòu)與功能，改動(dòng)簡(jiǎn)單、安裝方便，接線柱示意如圖1所示。

主要包含以下模塊：

1.1? 油門狀態(tài)采集及主控模塊

油門狀態(tài)采集模塊采用常用的夾持刺入式破線探測(cè)鉤，直接通過(guò)頂部探針刺破信號(hào)線束表皮對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，送至電路板1號(hào)接線柱，且可通過(guò)探測(cè)頭頂部彎鉤結(jié)構(gòu)進(jìn)行緊固固定，保持長(zhǎng)期數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。

踏板位置傳感器的信號(hào)電壓與油門踏板被踩下的行程呈線性關(guān)系，即通過(guò)分析信號(hào)電壓值以及其變化量即可得出油門踏板的行程位置、踩踏速度和加速度。信號(hào)電壓的范圍為0.3～4.7 V，系統(tǒng)選擇兩個(gè)冗余設(shè)計(jì)的位置傳感器之一的PPS2的信號(hào)電壓為采集信號(hào)，輸送至主控單片機(jī)處理器STC15W401AS。單片機(jī)通過(guò)P1.2端口獲得來(lái)自油門踏板傳感器的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換程序?qū)⑻ぐ逦恢脗鞲衅鞯碾妷耗M信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行差分運(yùn)算。由于傳感器信號(hào)電壓的大小反映了油門踏板位置的行程，故差分運(yùn)算結(jié)果反映了油門踏板被踩下的速度與加速度情況。5A8DB4EB-735A-4A72-BE36-985E6BA3DD25

單片機(jī)通過(guò)內(nèi)部編寫(xiě)的程序進(jìn)行誤踩加速度閾值的比對(duì)，計(jì)算綜合判斷駕駛員是否為緊急情況下發(fā)生了把油門當(dāng)成剎車急踩下，本系統(tǒng)油門誤踩閾值設(shè)置為踩踏加速度a=25 m/s2，若超過(guò)此值，則判斷為油門被誤踩，若判斷為誤踩油門，則立刻通過(guò)輸出端口P1.4與P1.5輸出相應(yīng)信號(hào)觸發(fā)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊的ABS制動(dòng)電機(jī)以及節(jié)氣門負(fù)極線繼電器，施行緊急安全保護(hù)措施，保障行車安全。電路如圖2所示。

1.2? 驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊

執(zhí)行模塊主要由開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路組成。通過(guò)開(kāi)關(guān)放大電路和繼電器的通斷供電來(lái)控制節(jié)氣門電機(jī)的通斷以及ABS剎車電機(jī)的工作。

其中NPN三極管Q1、Q2和P型MOS管Q3均起開(kāi)關(guān)放大作用。單片機(jī)的P1.5引腳接NPN三極管Q1的基極，三極管集電極接發(fā)光二極管和5V電源，發(fā)射級(jí)接地。繼電器通電時(shí)可打到NO檔位，此時(shí)節(jié)氣門電機(jī)M1可與地接通。單片機(jī)的P1.4與NPN型三極管Q2基極連接，Q2的發(fā)射級(jí)與P型MOS管Q3的門極連接，MOS管源極接12V電源，漏極接ABS剎車電機(jī)的供電線。電路如圖3所示。

驅(qū)動(dòng)模塊主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）緊急制動(dòng)。緊急制動(dòng)模塊主要涉及產(chǎn)品電路板的5號(hào)引腳，由于其功能邏輯，采用市面常見(jiàn)的免剝線并線扣，通過(guò)其銅鍍錫破線刀的導(dǎo)電作用，使產(chǎn)品的緊急制動(dòng)導(dǎo)線與到原車ABS泵電機(jī)的驅(qū)動(dòng)線合并。在并線扣被壓下，在破線刀的導(dǎo)電作用下，兩根線形成并聯(lián)通路，達(dá)成線路合并。從而在該系統(tǒng)5號(hào)引腳輸出高電平時(shí)，ABS泵也會(huì)得到相應(yīng)信號(hào)從而開(kāi)始工作，驅(qū)動(dòng)制動(dòng)輪缸進(jìn)行緊急制動(dòng)，由于5號(hào)引腳是并入ABS泵的原車控制線路的，故其不工作時(shí)，不會(huì)影響原車激活A(yù)BS剎車電機(jī)。具體電路原理如下：

當(dāng)系統(tǒng)正常踩油門時(shí)，P1.5輸出高電平，Q1導(dǎo)通，發(fā)光二極管指示燈亮，繼電器小電流引腳接通，繼電器打到NO檔，故節(jié)氣門電機(jī)接地線導(dǎo)通，節(jié)氣門電機(jī)M1轉(zhuǎn)動(dòng)。正常狀態(tài)時(shí)P1.4為低電平，NPN三極管Q2截止，P型MOS管Q3的門極為高電平，此時(shí)MOS管截止，剎車電機(jī)M2不轉(zhuǎn)。

當(dāng)誤踩發(fā)生時(shí)，單片機(jī)P1.4輸出切換為高電平，三極管Q2導(dǎo)通，此時(shí)Q2發(fā)射級(jí)變?yōu)榈碗娖?，從而P型MOS管Q3的門極變?yōu)榈碗娖?，從而?dǎo)通，剎車電機(jī)M2與12V電源接通，從而剎車電機(jī)M2轉(zhuǎn)動(dòng)，從而汽車減速剎車。當(dāng)油門松開(kāi)時(shí)，P1.4恢復(fù)高電平，及時(shí)停掉剎車電機(jī)，使ABS泵停機(jī)回到正常狀態(tài)。此方法可不對(duì)車輛進(jìn)行較大改造，只需安裝一并線扣即可完成，原理簡(jiǎn)單，安裝便捷。

（2）節(jié)氣門片偏轉(zhuǎn)抑制。當(dāng)緊急情況誤踩油門發(fā)生時(shí)，為了盡可能使車速降低，直接將發(fā)動(dòng)機(jī)斷油熄火會(huì)使汽車失去剎車和轉(zhuǎn)向助力，也易引發(fā)安全事故。因此需要抑制油門反應(yīng)，即讓節(jié)氣門片不要偏轉(zhuǎn)。

本模塊主要涉及產(chǎn)品電路板的6號(hào)接線柱引腳，設(shè)備對(duì)汽車原有的節(jié)氣門片控制電機(jī)電路進(jìn)行處理，利用免剝線并線扣將串聯(lián)入汽車節(jié)氣門片偏轉(zhuǎn)電機(jī)的負(fù)極線。

未發(fā)生誤踩情況時(shí)，單片機(jī)P1.5引腳正常輸出高電平，Q1導(dǎo)通，繼電器小電流引腳接通，大電流引腳打到NO檔，節(jié)氣門電機(jī)的負(fù)極線即可正常導(dǎo)通，由于本產(chǎn)品與汽車采用共同搭鐵，節(jié)氣門此時(shí)可正常工作，產(chǎn)品不影響原車功能。

當(dāng)系統(tǒng)判斷誤踩發(fā)生時(shí)，單片機(jī)P1.5引腳切換為低電平，Q1截止，繼電器小電流引腳斷開(kāi)，繼電器打到NC檔，從而節(jié)氣門電機(jī)的負(fù)極與地?cái)嚅_(kāi)，節(jié)氣門停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)節(jié)氣門片在其本身的機(jī)械限位結(jié)構(gòu)與復(fù)位彈簧的作用下，回到靜態(tài)位置僅保持較小開(kāi)度，從而阻止發(fā)動(dòng)機(jī)加速，使發(fā)動(dòng)機(jī)保持怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，既阻止了汽車加速，也使汽車保持轉(zhuǎn)向助力和剎車助力功能，最大程度避免交通事故發(fā)生。當(dāng)油門松開(kāi)后并再次正常踩下時(shí)，系統(tǒng)恢復(fù)正常踩油門的工作狀態(tài)。

1.3? 誤踩識(shí)別抑制——轉(zhuǎn)向燈信號(hào)采集

由于汽車在超車時(shí)，駕駛員往往也會(huì)較快地踩下油門踏板，此時(shí)油門踏板的加速度會(huì)明顯高于正常行駛情況下的加速度。因此系統(tǒng)此時(shí)可能把超車狀態(tài)誤識(shí)別為油門誤踩緊急狀態(tài)，一旦誤判，在超車時(shí)系統(tǒng)錯(cuò)誤地啟動(dòng)了自動(dòng)緊急剎車，則會(huì)影響駕駛甚至引發(fā)事故，因此必須對(duì)超車狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，在超車時(shí)停止系統(tǒng)的油門誤踩識(shí)別功能，以提高識(shí)別準(zhǔn)確性。

考慮到車輛超車時(shí)需要提前打左轉(zhuǎn)向燈，系統(tǒng)以是否打左轉(zhuǎn)向燈來(lái)進(jìn)行超車狀態(tài)的識(shí)別。當(dāng)探測(cè)鉤探測(cè)到原車轉(zhuǎn)向燈開(kāi)啟信號(hào)時(shí)，則通過(guò)內(nèi)部程序不進(jìn)行誤踩識(shí)別，其設(shè)計(jì)如下：

1.3.1? 電源設(shè)置模塊

設(shè)備的供電為電路板3號(hào)引腳，采用汽車電子加裝設(shè)備常用的保險(xiǎn)盒取電器從蓄電池附近的B架進(jìn)行12 V取電，將原保險(xiǎn)絲取下，在原來(lái)的保險(xiǎn)絲插孔處插入取電器取電引腳，原保險(xiǎn)絲裝入取電器上的保險(xiǎn)絲插孔即可。通過(guò)LM2576S5.0穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換為+5 V電源，并設(shè)置POWER發(fā)光二極管上電指示燈。由于設(shè)備工作功率小，既不會(huì)對(duì)汽車原電路造成影響，也可保證本設(shè)備穩(wěn)定供電。

同時(shí)設(shè)備的搭鐵為電路板4號(hào)引腳，采用市面常見(jiàn)的小搭鐵線鉤，其頂部為一半圓扁狀導(dǎo)電片，可在蓄電池附近B架上任一螺絲搭鐵處用螺絲壓緊，即可完成搭鐵，安裝緊固，不影響汽車原有結(jié)構(gòu)和功能。

1.3.2? 轉(zhuǎn)向燈信號(hào)采集

當(dāng)左轉(zhuǎn)向燈開(kāi)啟時(shí)，電路通過(guò)2號(hào)接線柱的轉(zhuǎn)向燈信號(hào)探測(cè)鉤提取到汽車蓄電池的12 V電源高電平，這一高電平信號(hào)輸送給單片機(jī)P3.3端口，此時(shí)系統(tǒng)便可識(shí)別出駕駛員可能即將加速超車，通過(guò)內(nèi)部控制邏輯程序停止誤踩識(shí)別，此時(shí)無(wú)論踩油門踏板加速度的快慢為多少，均不觸發(fā)誤踩自動(dòng)剎車機(jī)制，而是正常開(kāi)啟節(jié)氣門電機(jī)，從而避免狀態(tài)誤判，保障汽車正常超車。同時(shí)此時(shí)轉(zhuǎn)向燈指示燈二極管點(diǎn)亮。當(dāng)系統(tǒng)沒(méi)檢測(cè)到左轉(zhuǎn)向燈開(kāi)啟時(shí)，則不做誤踩識(shí)別抑制，正常識(shí)別工作。

該部分電路如圖4所示。

1.4? 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用新一代STC15W401AS單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理器，該單片機(jī)為高速可靠低功耗的新一代8051單片機(jī)，代碼兼容8051，但速度快8～12倍。系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編程，基于模塊化總體到局部的軟件設(shè)計(jì)思路，主要包含eeprom數(shù)據(jù)保存程序、延時(shí)函數(shù)程序、PWM控制的PCA時(shí)鐘脈沖控制程序、定時(shí)器初始化和中斷程序、以及main函數(shù)主程序等組成。5A8DB4EB-735A-4A72-BE36-985E6BA3DD25

系統(tǒng)的ADC轉(zhuǎn)換油門位置信號(hào)檢測(cè)子程序選用STC15W401AS單片機(jī)內(nèi)部自帶10位ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換器，不斷對(duì)通道接口進(jìn)行檢查采樣，內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器將油門踏板位置傳感器發(fā)送的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進(jìn)行計(jì)算。設(shè)備研發(fā)時(shí)采用的最具代表性的大眾新捷達(dá)電子油門踏板，其兩個(gè)電位計(jì)傳感器電壓變化范圍為3.87V-1.77V，4.67V-2.74V，均隨踏板踩下幅度行程線性變化，其變化量的絕對(duì)值與市面上大多油門參數(shù)吻合，因此數(shù)字微分和數(shù)字濾波子程序具有普適性。

2? 結(jié)? 論

產(chǎn)品結(jié)合汽車電子節(jié)氣門系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)和原理，設(shè)計(jì)了誤踩油門信號(hào)的分析閾值以及誤踩識(shí)別方法和反應(yīng)策略，經(jīng)驗(yàn)證，本系統(tǒng)能夠根據(jù)油門誤踩信號(hào)特點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)備識(shí)別并及時(shí)采取補(bǔ)救反應(yīng)，是一款能夠在緊急情況下抑制汽車加速并自動(dòng)剎車制動(dòng)的智能電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本實(shí)惠、原理清晰、安裝簡(jiǎn)便，且沒(méi)有改變?cè)杏烷T踏板的設(shè)計(jì)和駕駛方式，不需要改變駕駛員的操作習(xí)慣，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

當(dāng)然產(chǎn)品也有尚可改進(jìn)之處，如還可加入誤踩油門識(shí)別靈敏度可調(diào)功能程序開(kāi)發(fā)、適應(yīng)不同駕駛風(fēng)格的自適應(yīng)功能，以使本產(chǎn)品對(duì)不同的駕駛員有更加普適和方便的調(diào)節(jié)適應(yīng)功能，還需解決安裝與隔熱的問(wèn)題、以及結(jié)合不同車速時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)識(shí)別閾值等，提高產(chǎn)品的可靠性和智能性。

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作者簡(jiǎn)介：曾順利（2002—），男，漢族，四川攀枝花人，研究方向：汽車電子、汽車檢測(cè)與維修;羅欽（1991—），男，漢族，四川南充人，講師，碩士研究生，研究方向：汽車電子;李有通（1986—），男，漢族，四川廣安人，副教授，本科，研究方向：汽車維修。5A8DB4EB-735A-4A72-BE36-985E6BA3DD25