基于Delphi ESR雷達(dá)智能防誤踩油門系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

文｜文俊杰 李丹 張淏鑫 李新琦

為了避免司機(jī)在緊急制動(dòng)情況下誤踩油門而引發(fā)交通事故，本文提出了一種基于Delphi ESR雷達(dá)的智能防誤踩油門系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)是其制作成本較低，且可根據(jù)油門踩踏板的加速度以及所受壓力，區(qū)別司機(jī)是在正常情況下踩油門還是緊急情況下誤踩油門。本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)傳感器采集壓力及加速度數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸至控制中心，ECU控制中心迅速計(jì)算，在確定誤踩油門后，發(fā)出信號(hào)使車輛進(jìn)行緊急制動(dòng)，以免事故發(fā)生。該系統(tǒng)能夠在判定駕駛員準(zhǔn)備剎車卻誤踩油門的情況下，實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)。

一、引言

近年來(lái)由于司機(jī)誤踩油門導(dǎo)致的交通事故數(shù)量日益增加。對(duì)于汽車而言，制動(dòng)踏板和油門踏板相距很近，當(dāng)遇到突發(fā)狀況需緊急制動(dòng)時(shí)，駕駛員可能將剎車與油門混淆，在需要緊急制動(dòng)時(shí)誤踩到了油門。為了減少因司機(jī)過(guò)度緊張或反應(yīng)不及時(shí)等原因?qū)е逻@種誤踩油門的情況，引發(fā)嚴(yán)重的交通事故從而造成了生命財(cái)產(chǎn)的損失，本文設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)潔高效的控制系統(tǒng)——智能控制防誤踩油門系統(tǒng)。該系統(tǒng)無(wú)須手動(dòng)操作，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，安裝調(diào)試方便。該系統(tǒng)涉及的控制算法簡(jiǎn)單易懂，易于實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)制造成本較低，易于推廣安裝，可實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

二、防誤踩油門系統(tǒng)介紹

（一）系統(tǒng)概述

目前市場(chǎng)主流的防誤踩油門控制系統(tǒng)，會(huì)在司機(jī)快速踩下油門時(shí)發(fā)出蜂鳴聲進(jìn)行提醒。本文設(shè)計(jì)的防誤踩油門系統(tǒng)優(yōu)于現(xiàn)行裝置，除報(bào)警提示外，會(huì)在判定司機(jī)誤踩油門后進(jìn)行緊急制動(dòng)剎車。該系統(tǒng)由信號(hào)接收單元、電子控制單元（ECU）、執(zhí)行單元組成。信號(hào)接收單元包括毫米波雷達(dá)、壓阻式傳感器和壓力傳感器。執(zhí)行單元包括緊急制動(dòng)系統(tǒng)、油門怠速系統(tǒng)以及安全保護(hù)系統(tǒng)。

（二）工作原理

本系統(tǒng)啟動(dòng)剎車信號(hào)由ECU控制中心基于信號(hào)接收單元采集數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算判定發(fā)送。駕駛員踩下油門踏板時(shí)，油門踏板中的壓阻式傳感器測(cè)量踏板的加速度，覆膜電阻型感應(yīng)器測(cè)量踏板所受壓力，雷達(dá)測(cè)算車輛與周圍障礙物之間的距離，通過(guò)傳輸電路將信數(shù)據(jù)傳遞給ECU進(jìn)行分析。當(dāng)ECU判斷駕駛員為誤踩油門動(dòng)作，會(huì)即刻啟動(dòng)制動(dòng)保護(hù)，停止節(jié)氣門轉(zhuǎn)動(dòng)，阻止汽車加速，同時(shí)啟動(dòng)電動(dòng)油泵，使汽車剎車制動(dòng)。當(dāng)駕駛員松開(kāi)油門踏板后，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為零時(shí)，ECU發(fā)出指令，使油門腳踏板和剎車踏板恢復(fù)正常，汽車回歸到正常行駛狀態(tài)。

（三）系統(tǒng)硬件構(gòu)成

1.檢測(cè)信號(hào)的接收與處理

在本系統(tǒng)中，雷達(dá)的性能在很大程度上影響了系統(tǒng)的運(yùn)行精度。雷達(dá)傳感器主要作用為收集汽車位置信息，因此雷達(dá)測(cè)距必須滿足安全行車閾值的大小，其工作穩(wěn)定性尤為重要。本系統(tǒng)選擇采用毫米波雷達(dá)傳感器，可智能獲取與附近車輛的相對(duì)位置和車輛的狀態(tài)信息。與其他雷達(dá)相比，毫米波雷達(dá)導(dǎo)頭穿過(guò)固態(tài)的能力和抗干擾能力更強(qiáng)，適應(yīng)各種天氣環(huán)境。

2.ECU控制芯片

ECU主控板的芯片采用ARM公司的STM32F103R8T6。它是一款32位中等密度性能微控制器，其工作頻率為72MHz，有20K字節(jié)的SRAM。功耗低，可在汽車未啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行睡眠模式或者待機(jī)模式。該款芯片也是ST公司一款常用的增強(qiáng)型系列微控制器。

3.加速度與壓力傳感器

本系統(tǒng)判定司機(jī)誤踩油門的依據(jù)主要通過(guò)壓阻式加速度傳感器與壓力傳感器傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。加速度傳感器使用3022硅壓阻加速度傳感器，其靈敏度較高，可以更快速地獲取信息與傳遞信息，該傳感器還擁有體積小，不易破壞，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。壓力感應(yīng)器采用FSR電阻型或覆膜電阻型感應(yīng)器，其特點(diǎn)為非線性、輸出功率訊號(hào)較弱，電阻應(yīng)變式傳感器運(yùn)用了金屬材質(zhì)的應(yīng)變效果。

三、系統(tǒng)的執(zhí)行流程與設(shè)計(jì)

（一）信號(hào)采集單元

該系統(tǒng)的信號(hào)采集單元為Delphi ESR毫米波雷達(dá)。Delphi ESR毫米波雷達(dá)能識(shí)別很小的目標(biāo)，而且能夠同時(shí)識(shí)別多個(gè)目標(biāo)。該雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)使得系統(tǒng)可以在80m內(nèi)迅速收集到周圍車輛的運(yùn)動(dòng)情況。在較遠(yuǎn)距離時(shí)，還可以提供前后車輛間的距離以及速度數(shù)據(jù)。Delphi ESR毫米波雷達(dá)的最大探測(cè)距離為174m，在高速行車時(shí)，安全行車距離是在100m以上，所收集的信息有足夠時(shí)間得到反饋。

（二）加速度與壓力傳感器的閾值取值

加速度與壓力傳感器的閾值設(shè)定會(huì)根據(jù)實(shí)際路況在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)設(shè)定下有所差別。在緊急情況下駕駛員誤踩油門時(shí)，油門腳踏板轉(zhuǎn)動(dòng)的加速度要比正常情況下快得多，所受壓力也比正常情況下大很多。根據(jù)青、中、老年在正常踩油門腳踏板時(shí)平均加速度（m/s2）分別為10、10、5，壓力（N）分別為30、30、15。同時(shí)超車時(shí)，油門腳踏板轉(zhuǎn)動(dòng)的普遍加速度為40、35、25，壓力為110、90、50。在緊急情況下誤踩油門時(shí)，油門腳踏板加速度為150、135、119，壓力都在200以上。為了防止在超車時(shí)系統(tǒng)被誤啟動(dòng)，油門腳踏板加速度閾值a0應(yīng)大于40 m/s2，壓力閾值a1也應(yīng)大于最大值110N。在緊急情況下，誤踩油門時(shí)油門腳踏板加速度最小為100 m/s2，壓力最小為200N。為了保證系統(tǒng)啟動(dòng)的成功率，加速度閾值a0應(yīng)小于100 m/s2，壓力閾值a1應(yīng)小于200N。為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠程度，本系統(tǒng)取a0=60 m/s2，a1=160N。同時(shí)在系統(tǒng)上安裝轉(zhuǎn)向燈信號(hào)探測(cè)器，它將會(huì)收集左轉(zhuǎn)向燈狀態(tài)，如果探測(cè)到車輛左轉(zhuǎn)向燈開(kāi)啟，則將系統(tǒng)的閾值提高。在高速上行駛時(shí)，將閾值提高百分之十，在其他情況下，將閾值提高百分之五。

（三）系統(tǒng)運(yùn)行流程

該系統(tǒng)運(yùn)行流程包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理以及信號(hào)發(fā)送。剎車啟動(dòng)信號(hào)取決于兩種傳感器在油門腳踏板內(nèi)部記錄油門腳踏板的轉(zhuǎn)動(dòng)的加速度以及所受壓力的大小。當(dāng)ECU檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生超過(guò)閾值變化，并判斷其為誤踩油門后，控制電動(dòng)油泵以及節(jié)氣門使得汽車進(jìn)行剎車制動(dòng)以及油門怠速，同時(shí)立即開(kāi)啟ABS系統(tǒng)，以此來(lái)保護(hù)駕駛?cè)?。?dāng)車停止且油門松開(kāi)后，系統(tǒng)停止工作，汽車恢復(fù)正常制動(dòng)功能。

四、結(jié)論

本文設(shè)計(jì)裝置擁有實(shí)用性強(qiáng)、成本低、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。本文主要論述了根據(jù)駕駛?cè)嗽谡Ｐ熊嚭途o急制動(dòng)行車時(shí)對(duì)油門的踩踏力以及腳踏板轉(zhuǎn)動(dòng)加速度數(shù)值不同來(lái)判斷駕駛?cè)瞬忍び烷T動(dòng)作是否為操作不當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。本文還分析了在不同的距離下，車速和制動(dòng)對(duì)車輛控制的關(guān)系，以及汽車在突然沒(méi)油和怠速運(yùn)作兩種情況下車輛的行駛情況，以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出一種更高效更有說(shuō)服力的方案，即設(shè)計(jì)了一款全新的智能雷達(dá)測(cè)速與防誤踩油門系統(tǒng)。

本系統(tǒng)的未來(lái)研究方向?qū)⒅攸c(diǎn)放在以下三個(gè)方面：

（1） 用戶使用體驗(yàn)收集，通過(guò)安裝本系統(tǒng)的車輛用戶行駛體驗(yàn)的反饋，更新檢查該裝置的實(shí)用性和持續(xù)性。

（2） 系統(tǒng)控制精度仍需提高，由于系統(tǒng)應(yīng)用車型各異，駕駛?cè)藛T情況不同，本系統(tǒng)設(shè)置的觸發(fā)閾值需要更精確地實(shí)時(shí)設(shè)定，以提高安全性能。

（3）系統(tǒng)自身的運(yùn)算速度需要提升，縮短延遲時(shí)間，以達(dá)到快速啟動(dòng)運(yùn)行的目的。