防汽车油门误踩制动控制系统设计＊

黎仕增 韦锦 刘港 蒋银静

（1.广西机电职业技术学院，南宁 530007；2.广西大学，南宁 530004）

主题词：油门误踩 紧急制动 制动控制

1 前言

近年来，随着我国汽车保有量的增长，交通事故也逐年增加，其中误踩油门造成的事故占总事故数量的12.6%[1]。为防止驾驶员误将油门踏板当作制动踏板踩踏而引发交通事故，国内外学者设计了许多防油门误踩装置。Gustafsson设计了新型油门与制动合成的单踏板装置[2]；德国大陆集团开发了力反馈油门踏板（Accelerator of Force Feedback Pedal，AFFP）系统[3]；陈松等利用误踩油门时的速率差设计了控制系统，对误踩油门进行判别并发出制动指令[4]；梅哲文等研制了油门与制动踏板联动补救装置[5]；胡振奇设计了防误踩油门加速踏板系统[6]。然而这些方案不同程度地存在着一些缺陷：改变驾驶习惯；对硬件设备要求很高，成本高；准确性不高，响应速度慢。因此，防止油门误踩技术目前尚未得到广泛应用。

目前，电子油门在乘用车中已成标准配置[7]。本文以原车油门踏板位置传感器的电压信号以及将电压转换得到的电压变化率作为油门是否被误踩的判别参数，以STM32单片机为核心设计了一种防油门误踩制动控制系统，并通过实车性能试验对该系统进行有效验证。

2 防油门误踩制动控制系统

2.1 油门踏板误踩判别试验

目前主流电子油门技术是采用油门位置传感器（电位计）以电压方式将位置信号传送至发动机ECU，作为控制节气门、自动变速器等机构运行的参数。

为实现可靠的“误踩”判别，安排了以下试验：

a.选取某轿车作为试验用车，在油门踏板插接器处连接转接线，将油门踏板位置信号送至存储示波器，示波器采样频率设置为2 kHz；

b.选取不同驾龄和性别的驾驶员共30名，每人在原地以紧急制动踩制动踏板的方式踩下油门踏板20次，示波器中记录下油门“原地误踩”状态下的600条电压-时间曲线；

c. 以上30名驾驶员每人分别驾车在市区道路、陡峭的乡村公路各行驶3 km以上，高速路上行驶10 km以上，重复测试3次。要求每名驾驶员在各种路段测试时在安全且不超速的前提下，以符合自己驾驶习惯的方式完成起步、急加速、高速行驶、减速、随机不同初速度急加速至道路最高限速、较高初速度爬坡等操作。记录油门“道路行驶”状态下的3种道路条件下共270条电压-时间曲线；

d.在MATLAB软件中对数据分析处理，筛选出电压峰值和电压变化率峰值，并统计两种状态下“峰值”位于各区间的数量（不考虑电压变化率为负的峰值），如表1所示。

表1 电压峰值和电压率峰

试验数据显示：每次“误踩”均同时满足电压变化率大于20 V/s和电压大于4 V两个条件；“道路行驶”状态时，电压变化率大于20 V/s的点有1个，电压大于4 V的点有11个，但同时满足这2个条件的点为0。表明本试验中将电压与电压变化率同时满足作为“误踩”判别条件，其判别较为精确。

2.2 防油门误踩制动控制系统工作原理

防油门误踩制动控制系统如图1所示。

图1 防油门误踩制动控制系统框图

其工作原理为：油门踏板位置传感器采集油门踏板位置信号，送至智能控制模块，智能控制模块将该信号转换为电压变化率和电压值，系统根据判别结果执行以下操作：电压变化率或者电压小于相应阈值，判定为“正常”状态，发动机正常运行；电压变化率≥阈值，且电压≥阈值，判定为“误踩”状态，发动机按怠速给油，开启制动系统执行电磁阀，实现紧急制动。

考虑到车型及驾驶员习惯存在差异，系统预存了多组阈值，可通过按键输入设定最优阈值组合。

3 硬件设计

系统硬件组成如图2所示。原车油门位置传感器采集电压信号后分别送至信号分配器和单片机，怠速信号生成电路向信号分配器提供常通的怠速信号。当系统判定为“正常”状态时，单片机控制信号分配器选择油门踏板位置传感器信号发送至发动机ECU，发动机正常工作；当系统判定为“误踩”状态时，单片机控制信号分配器选择怠速分配器提供的怠速信号发送至发动机ECU，发动机则按怠速供给燃油。

图2 防油门误踩制动控制系统硬件组成

制动执行机构如图3所示。增压泵的电源由单片机控制，每当汽车完成起动后，增压泵通电运行，蓄能器中压力上升，压力传感器随时监测蓄能器油压，当超过系统设置的上限时，单片机控制切断增压泵电源，低于下限时，接通电源，蓄能器中始终保持工作压力。汽车正常行驶时，常闭型制动执行电磁阀关闭，不影响汽车正常制动；当系统判定“误踩”状态时，STM32单片机控制开启制动执行电磁阀，蓄能器中的所储存的压力能迅速通过三通进入制动管路，使制动管路中的油压立即升高。

图3 制动执行机构

4 软件设计

系统软件设计如图4所示。其中，U为油门踏板位置传感器采集的电压信号，采样频率设定为2 kHz；dU/dt为电压变化率；U0、dU0/dt分别为设定的电压和电压变化率阈值；Uf为复位电压阈值；Ud为本车型怠速信号电压。

图4 防油门误踩控制系统软件设计

5 实车验证

5.1 原地驻车试验

为判断当实施了紧急制动时系统是否发送了制动操作指令，以3种车型作为试验用车，分别安装防油门误踩制动控制系统。将指示灯与制动执行电磁阀并联，通过指示灯是否点亮来判断系统是否执行了制动操作。起动发动机，使汽车处于空挡位置，设定好阈值。选取30名不同驾龄和性别的驾驶员在以上3种车型上每人以紧急制动的习惯动作踩下油门踏板（即误踩状态）30次，以加速超车的习惯动作踩下油门踏板30次，记录两种方式踩踏后系统执行按怠速给油和制动操作的次数。

原地驻车试验结果显示：所有误踩状态都触发了本系统，执行了按怠速给油和制动操作，而正常加速超车状态没有执行操作。说明本系统能较精确地判别“误踩”行为，正确执行相应操作，达到预期要求。

5.2 误踩制动试验

选取上述3种车型分别在沥青路面上进行试验。选取不同驾龄和性别的驾驶员共30名，每人分别以30 km/h、45 km/h、60 km/h的速度行驶至标记处，踩制动踏板紧急制动至车辆停止，测量制动距离，每人测试3组；以同样方法踩油门踏板，并测量制动距离，试验结果如表2所示。

试验数据显示：在3种车速下，系统全部执行了制动操作，且制动距离与正确紧急制动时相比，偏差率均小于10%。同时，制动过程车辆平稳，系统满足工作要求。

表2 沥青道路试验结果

6 结论

防油门误踩制动控制系统合理利用原车油门踏板位置传感器作为误踩判别的信号源，对原车改动少、可靠性高、响应速度快、成本低。实车试验结果表明：该系统能准确判别“误踩”并正确执行按怠速给油和紧急制动操作，有效防止驾驶员误踩油门引发交通事故，提高了汽车的主动安全性。