电动自行车自动避免误加档的装置

董佳琳

摘 要：本文针对当前电动自行车缺乏误加档防范手段的问题，提出一种用于电动自行车自动避免误加档的装置，该装置以压力传感器测试骑行者对座位产生的压力，通过压力值的逻辑比较运算，判断是否是正常骑行状态，而对电动自行车电机控制器手把调速器信号有效性进行控制，从而避免推行或危险的站立骑行及儿童误操作等座椅低受压状态时误加档，而造成的加速发生危险。并对装置方案、装置方法、系统技术优势及成本进行了分析，验证了系统的可行性，为提高电动自行车的安全性和智能性提供技术参考。

关键词：电动自行车；压力测量反馈；误加档；安全防范装置

中图分类号：TH16 文献标识码：A

据统计，目前我国电动自行车的市场保有量已达到2.5亿辆，电动自行车已成为我国公民短距离出行的主要交通工具。据统计2013年～2015年，仅上海市抽样交通重特大事故224起，伤亡人员258人，其中电动自行车导致的交通事故占比高达33%。当前，电动自行车事故频发，已成为影响人民财产安全和社会稳定不可忽视的因素。

电动自行车导致的交通事故分为两大类：第一类是碰撞类事故，由交通违规、违法导致车辆碰撞而生的交通事故；第二类是由于电动自行车质量问题、使用或操作不当等原因导致的交通事故。第一类交通事故主要靠提高使用者法律意识和道路交通安全意识、强化执法力度和相关法律法规对该类型事故的针对性等手段来尽量避免。第二类交通事故，一方面主要依赖于强化使用者对规范、安全操作意识，但是主要依赖于电动自行车安全性技术的发展和提升。2017年《中国电动自行车质量安全白皮书》明确指出，进一步保障消费者人身安全是电动自行车技术发展的核心。

在电动自行车误操作安全事故中，最常见、伤害最重的要属儿童误触发电动自行车、成人推行或危险站立骑行误旋动手把调速按钮而导致的生命和财产受损的交通事故。例如：2016年，9月17日，辽宁省朝阳市建平县4岁女童君君，站在电动自行车踏板上，因好奇而误触动电动车手把按钮，导致自行车加速后翻车，君君受重伤送医抢救无效后死亡。另一方面，两轮车电动自行车可骑行、可推行，停车后也需要推车使后支撑架支立才能稳当停放。由于电动自行车骑行者通常在锁车离开时才会通过钥匙关闭自行车电源，当骑行者下车推行、危险的站立骑行或者下车推车支立时，经常会误旋动手把调速旋钮，从而导致车子前冲拖动骑行者摔伤，类似事件更是屡见不鲜，这给骑行者的人身安全造成了极大隐患。因此，开发一种有效的用于电动自行车自动避免误加档的装置，对于提高电动自行车使用安全性具有极其重要的意义。

本文提出一种用于电动自行车自动避免误加档的装置：在座位下均布压力传感器，压力传感器测试骑行者对座位产生的压力，通过压力值的逻辑比较运算，对电动自行车电机控制器的进行控制切换。当压力值高于正常受压的最低值时，则手把调速器信号有效，调速器正常对电机进行调速。当为低压力状态时调速器信号无效，电源输出功率保持0，调速旋钮被推力旋动时电机不会被误加档。以此避免推行误加档和儿童误操作加档。

1.技术方案

1.1 装置构成及原理

装置主要构成如图1所示，包括：压力传感器1、压力传感器2、A/D采样芯片3、手把调速器4、电机控制器5。

其主要工作原理为：由车坐垫下压力传感器1、2反馈压力；利用A/D采样芯片3对压力传感器模拟量信号进行A/D转换后输出数字量信号；电动车电机控制器5接收数字量信号后，将两路压力相加获得总压力，并判断总压力是否超过阈值，以区分因骑行者重力受压的骑行状态或低受压的推行或儿童骑行状态；控制器进行逻辑运算，当为骑行大压力状态时则手把调速器4信号有效，调速器正常对电机进行调速，当为低压力状态时调速器4信号无效，电源输出功率保持0，调速旋钮被旋动时电机不会被误加档。

压力传感器的安装位置如图2所示，压力传感器1和压力传感器2布置在两个减震弹簧机械安装接口处。此处为车座承力支撑点，保证两传感器在骑行状态下有效受压。

由于脚踏和座位安装机械接口对重力的分压作用，电机控制器5内受压的骑行状态或低受压的状态阈值可设置为150N～180N的压力传感器电压值。由于该装置主要为了防止儿童误触发加速旋钮和推行电动自行车时误触发加速旋钮，150N～180N离低压力状态（小于80N）和骑行大压力（大于250N）状态余量均足够。考虑骑行者体重异常，出厂时在150N～180N对电机控制器内的阈值进行调整。

1.2硬件方案

本文给出该系统的一种详细硬件设计方案见表1。由于电动自行车电机控制器通常自带DSP等数字信号处理电路，因此本装置可以与电机控制器共用数字信号处理电路。因此本装置的主要硬件选型是压力传感器和A/D采样电路。本文只需给出该装置两部件的硬件选型。压力传感器选择S型拉压传感器，量程为0～200kg，精度为5‰。主要考虑人体体重通常不超过150kg，并且考虑颠簸路况下过载情况而选定量程。如前所述该装置中阈值余量较大，因此传感器精度在5%以内均可以接受，考虑当前市场压力传感器不同等级精度情况，本文给出的精度为5‰，远远满足该装置的精度要求。压力传感器带有信号变送器，输出为0～5V或4～20mA模拟量输出；A/D采用HX711SOP16A/D芯片2路，量化位数为12位，因为量化而产生的误差小于0.04kg，满足本装置的测量需求。传输速率为1Kbps，码速率带来的延迟小于1ms，响应时间短，满足系统的及时响应需求。

表1硬件類型及参数

编号 类型 参数

1、2 S型拉压传感器 量程：0～200kg；

精度：5‰；

输出：0～5V或4～20mA；

3 HX711SOP16

A/D芯片 量化位数：12位；

传输速率：1Kbps；endprint

1.3控制及其逻辑

该装置的控制是在电机控制器的DSP等数字信号处理电路中实现的。与电机控制信号共用运算处理单元。其主要的控制逻辑如图3所示。压力传感器1、2，经过A/D采样传输至DSP，通过算术加求二者压力之和为总受压压力值。然后进行逻辑比较运算，当总压力值超过设置阈值时，生成使能信号，手把调速旋钮输出有效，手把调速旋钮正常调节电源输出的占空比对电动自行车进行调速，电源按实际平均功率输出。如果总压力值沒有超过设置阈值时，关闭使能信号，手把调速旋钮调速信号无效，并将电源输出占空比调节至0，电源平均输出功率为0。通过上述逻辑对误触发状态进行识别，实现避免电动自行车的推行误加档、儿童误触发，避免站立骑行等危险骑行姿态。

2.技术优势及成本分析

该装置的优点在于：结合电动自行车的使用特点和使用环境，采用2路压力传感器作为反馈，兼容骑行者坐姿变化以及电动自行车减震性能弱颠簸环境下的压力分布不均；将压力传感器布置弹簧安装机械接口处，并将其阈值设置在150N～180N。这主要因为成人体重绝大多数在25kg以上，重力为250N以上，在脚踏等分担压力的情况下两传感器受力总和远大于80N，在非成人骑行的低受压条件下车座预压力远小于20N。考虑体重异常骑行者的需求，可在150N～180N出厂时可调。压力传感器连续的电压输出，比汽车安全带报警装置等类似装置稳定性更高，适应电动自行车的使用环境；并且大余量的可调阈值设计，提高了装置的容差性能。该功能除了可以自动避免推行误加档之外，还可以自动避免骑行者站立骑行的危险骑姿，以及未成年幼儿触动手把旋钮造成意外伤害。

该装置如果应用于电动自行车，必须考虑其成本状况，经市场调研发现，压力传感器是主要成本增加，批量低于40元/支，两支不超过80元，A/D芯片批量不超过5元/支，合计不超过85元/支，再加上工艺、工时的增加，以及控制软件开发成本摊销，增加该装置的每辆电动车成本增加不超过100元/辆。成本较为低廉，安装了该装置的电动自行车附加值上升可以远大于该成本的增加，因此该装置从制造成本角度具备可行性。

结论

本文提出一种用于电动自行车自动避免误加档的装置，并对其方案、控制方法及技术优势和成本进行了详细分析，主要结论如下：

（1）主要方案：在座位下均布压力传感器，压力传感器测试骑行者对座位产生的压力，通过压力值的逻辑比较运算，判断是否是正常骑行状态，而对电动自行车电机控制器手把调速器信号有效性进行控制，从而避免推行误加档、儿童误操作加档、危险站立骑姿加档等座椅低受压状态时加速发生危险。

（2）本文给出了该装置压力传感器布置方案、硬件选型方案及控制方法方案，为该装置的工程设计提供技术参考。

（3）本文对系统稳定性和兼容性进行了分析，对系统当前方案下的制造成本进行了调研，结果表明该系统具备较好的工程可用性。

参考文献

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指导老师：张镜洋，沈萍。endprint