汽车紧急制动防误踩油门智能系统的研究
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摘 要：汽车驾驶员特别是新驾驶员遇突发危险时，往往因惊慌失措而误将油门当刹车踩，酿成惨祸。我国汽车保有量的持续增加，因误踩油门而造成的事故更加频繁。本文依据驾驶员正常踩踏油门和紧急制动时误踩油门，两个动作在速度上的明显区别。通过传感器将踩踏油门的信号输入电子控制单元进行比对运算，当系统判定属误操作时，自动驱动汽车防滑系统的制动电磁阀对汽车进行制动，同时使发动机停止点火和喷油，从而强制减速，提高汽车的安全操作性。
关键词：汽车;紧急制动;误踩油门;智能系统
随着人们生活水平的不断提高，汽车在生活中越来越普及，所以驾车人都是非职业驾驶员，因而技术的未成熟和驾驶水平的高低将间接或直接影响交通事故发生。据调查，在紧急状况时，因紧张、分神等因素，致使误将油门当刹车而引起的交通事故约占到12.6%[1]。在智能控制技术飞速发展的当下，人们迫切需要一种智能防护装置，用于防止在紧急制动时因为慌乱误踩油门而造成的交通灾祸。
1 汽车紧急制动防误操作技术现状
当前就汽车紧急制动防误操作技术来说，其总体可分为两类：一类是电控式装置，另一类是机械式装置。
1.1 国外研究现状
国外在汽车紧急制动防误操作技术方面，成果比较显著的主要集中在欧、美、日等一些发达国家和地区。
1.1.1 电控式装置
此类装置主要是以电子控制技术、传感器技术以及影像技术为基础，装置本身成本及对汽车自身硬件的要求较高，多应用于高端车辆中，在中低端民用汽车中普及很难。
1.1.2 机械式装置
此类装置主要是按照驾驶员在踩刹车和油门时腿部动作差别的特征，对原车的制动和油门进行结构改造，设计出不同的机械式紧急制动防误操作装置[2]。例如，Matsunsga K，Naruse M等人设计的测压式油门与自动踏板合成装等。这些装置都有一个共同特点：需要对原车刹车和油门进行较大的结构改动，同时也改变了驾驶员的日常驾驶习惯。所以此类装置也难以得到普及。
1.2 国内研究现状
国内的研发现状主要是从驾驶员踩踏油门时所用的里或加速度等方面出发，大部分只是处于方法、方案的原理性设计。还没有转化成真正的产品投入到实际应用中。
2 汽车紧急制动防误踩油门智能系统理论
基于上述现状，本文所阐述的是一种具备可靠性高、反应迅速，对原车结构改造较少，不占空间，成本低、通用性好等特點的汽车紧急制动防误踩油门智能系统。
根据常规操作油门与刹车两个动作速度上的截然不同，设计的系统应具备两个基本功能：一是检测油门踏板速度的装置，当其速度超过一定值时判定为误踩;二是根据判定结果实施相应的控制，若为误踩，则激活紧急制动程序，阻止汽车加速而进行紧急制动。
由于8051单片机经过多年的发展，有着非常成熟的全套技术，并且价格低廉，广泛应用于工业控制领域。该系统采用8051单片机对信息进行接收、分析处理以及最后发出相应的指令。
3 各模块的研究和设计
3.1 信号的采集
信号采集由感应模块完成，其由旋转式电位器和若干电阻电容等组成。通过将油门踏板的心轴与旋转式的可变电阻连接在一起作为踏板速度传感器，由于旋转式可变电阻与踏板轴直接相连，可以最大限度的减小响应速度，并且对不同的车型兼容性更强。在踩下油门踏板的同时，可变电阻轴也跟着旋转，使得电阻值产生相应的变化，这是信号采集模块到的最基本的信号。
3.2 电阻信号的转换
之所以要对电阻信号进行转换，是因为单片机系统核心采集的信号有模拟电压信号、模拟电流信号、PWM信号、数字逻辑信号等[3]。而信息采集模块采集到的是模拟电阻信号，单片机不能对其进行识别处理，所以需要把模拟电阻信号转化为模拟电压信号。根据U=I*R这一基本定理，将采集到的模拟电阻信号转化成电压信号。然后通过A/D转换器将模拟信号转换成数字信号再输入单片机进行数据处理。
3.3 信号转换的方法
模拟信号转换成数字信号我们称之为模数（A/D）转换。模数转换可以实现模拟信号和数字信号之间的相互转换，由于单片机只能处理二进制数据，而机器反馈给人类的信息以模拟信号的形式展示，让我们能更直接地接收，模数转换也是人类和机器沟通的非常重要的桥梁。模数转换是一种非常成熟的技术，只需使用A/D转换器就能得到我们想要的数字信号，本系统选用了LM331压频转换芯片，压频转换是模数转换的一种。把转换后的模拟电压信号输入LM331的接收端口，然后芯片内部进行转换，再把转换后的数字信号经由LM331的输出口输入到单片机的接收口，这就是完整的信号采集过程。因为模拟信号的构成比较复杂，有许多不确定的因素，并且容易受到电磁波等的干扰。对此需要使用电容滤波技术对模拟信号进行预处理，使其免受干扰，在LM331的接收端口接上电容，就能达到滤波整流的效果。
3.4 单片机对信号的处理
对信息的分析处理需要通过编程来实现，这也是整个技术中最核心的部分。
前文已提到，正常操作油门与刹车两个动作速度上存在明显差别，采集的信号就是速度上的差别，转换成模拟信号后就是电压变化率的快慢，单片机通过定时/计数口P1获得变化的频率信号，通过编程，利用中断实现对0.1ms时间内电压频率变化速度（即踩踏板的速度），也就是每0.1 ms检测一次。当电压频率变化速度（即踩踏板的速度）≦0.5S（驾驶员在紧急情况下踩踏板所需的时间小于0.5秒）判定为误操作，发出警报信号。
3.5 信号输出和转换
单片机对采集到的信号进行一系列的分析处理后，判定为误操作的，就要输出信号让执行机构工作。同样，单片机采集的数字信号，那么输出的同样也是数字信号。我们要把数字信号再转换成模拟信号让执行机构直接处理，原理与模拟信号转换成数字信号一样。 3.6 执行机构
本系统以汽车自身的ASR系统为制动执行机构。当单片机系统处理数据检测到驾驶员制动时误踩油门踏板时，输出电路向制动总泵隔离电磁阀和蓄能器隔离电磁阀充电，使这两个阀门动作关闭总泵油路，打开蓄能器油路，高压制动液经ABS控制阀进入驱动轮制动分泵进行制动。当松开油门踩板时，系统复位，输出电路断电，制动总泵隔离电磁阀和蓄能器隔离电磁阀复位，同时输出电路分别向蓄能器隔离电磁阀和油泵电机通电使制动分泵回位，并重新建立ASR系统的备压[4]。
3.7 驱动机构：
执行机构是否工作需要由单片机的输出信号来控制，如果单片机检测到驾驶员是误操作时，就需要要有驱动信号来驱动执行机构工作。因为执行机构使用了电磁阀，所以不仅要有驱动信号控制电磁阀工作，还要有驱动电流来驱动电磁阀工作，这样整个执行机构才能完成工作。但是单片机的输出口的输出电流很小，要驱动电磁阀是不可能的，所以需要大功率放大三极管组成放大电路来放大单片机的输出电流进而驱动电磁阀工作。
4 结论
本系统最大的特点是利用汽车自身的ASR系统为制动执行机构。解决了以往防误操作装置制动能源的難题，以及对驾驶员操作是否正常的精确判断。系统稍加改动同样可用于大型车辆。实验证明：具有对原车结构无改造、占用空间少、可靠性高、成本低、通用性好和适合家用轿车等优点。
但是由于本系统是基于ASR系统的，所以实际制动时只对驱动轮有效，制动能力与实际踩制动时的能力还有一定的差距。只能在低速时制止事故发生，而在高速时只能降低事故的严重性，不能制止事故的发生。
参考文献：
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