防误踩油门安全控制器应用开发设计

曾顺利 罗钦 李有通

摘  要：汽车油门误踩的问题越来越受到关注，驾驶员若突然遇到紧急情况时很易造成该事件发生，引发严重的交通事故。文章围绕自研创新产品“保障油门误踩安全的加装控制器”进行应用实践开发，完成了硬件和软件的设计、产品實物制造与测试，从而可以在驾驶员误把油门当成刹车踩下时，及时阻止节气门响应，避免事故发生。产品制造成本低廉、安装方便，一定程度上填补市场空白，很具实用和推广性。

关键词：汽车;油门误踩;自动刹车

中图分类号：U463        文献标识码：A文章编号：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

如今汽车电子油门控制系统已经广泛应用，其采用油门踏板位置传感器监控驾驶员踩踏油门的行程位置，再将信号发送至发动机控制单元ECU，ECU再控制节气门电机的偏转来控制节气门开度，从而控制发动机进气量，完成汽车动力的控制，此种方法相比于传统拉线式油门系统更能实现汽车最优工况的控制。但仍然存在较多不足之处，如无法识别驾驶员紧急情况下误把油门当成刹车快速踩下的情况，无法避免由此造成的严重交通事故。为此国内外对电子油门系统的智能升级展开了研究，取得了初步成果，但目前防油门误踩方面技术还有明显缺陷，市面上还没有成熟的可以进行防油门误踩的配置产品。

本产品利用汽车现有结构，通过加装件形式完善升级汽车电子油门系统，识别误把油门当做刹车快速踩下的情况，进行紧急制动保护交通、生命财产安全，具有较强的创新与应用价值。

1  系统设计

控制器主要由信号采集模块电路、策略识别电路和制动驱动电路等组成。

当驾驶员踩踏油门时，控制器可直接探取原车的油门踏板位置传感器电压信号，随后单片机根据踏板踩下的情况进行综合决策，如果判定为本是以急踩刹车的速度、加速度的情况下误踩了油门，则启动制动保护，断开串入原车的节气门偏转电机搭铁线，阻止汽车加速，且启动ABS泵电机转动，使汽车自动刹车。

电路板通过保险盒取电器、塔铁钩、信号探测钩、并线扣等与原车相连，不影响原车结构与功能，改动简单、安装方便，接线柱示意如图1所示。

主要包含以下模块：

1.1  油门状态采集及主控模块

油门状态采集模块采用常用的夹持刺入式破线探测钩，直接通过顶部探针刺破信号线束表皮对信号进行采集，送至电路板1号接线柱，且可通过探测头顶部弯钩结构进行紧固固定，保持长期数据监测。

踏板位置传感器的信号电压与油门踏板被踩下的行程呈线性关系，即通过分析信号电压值以及其变化量即可得出油门踏板的行程位置、踩踏速度和加速度。信号电压的范围为0.3～4.7 V，系统选择两个冗余设计的位置传感器之一的PPS2的信号电压为采集信号，输送至主控单片机处理器STC15W401AS。单片机通过P1.2端口获得来自油门踏板传感器的电压信号，经过内部数模转换程序将踏板位置传感器的电压模拟信号转换为数字信号进行差分运算。由于传感器信号电压的大小反映了油门踏板位置的行程，故差分运算结果反映了油门踏板被踩下的速度与加速度情况。5A8DB4EB-735A-4A72-BE36-985E6BA3DD25

单片机通过内部编写的程序进行误踩加速度阈值的比对，计算综合判断驾驶员是否为紧急情况下发生了把油门当成刹车急踩下，本系统油门误踩阈值设置为踩踏加速度a=25 m/s2，若超过此值，则判断为油门被误踩，若判断为误踩油门，则立刻通过输出端口P1.4与P1.5输出相应信号触发驱动执行模块的ABS制动电机以及节气门负极线继电器，施行紧急安全保护措施，保障行车安全。电路如图2所示。

1.2  驱动执行模块

执行模块主要由开关驱动电路组成。通过开关放大电路和继电器的通断供电来控制节气门电机的通断以及ABS刹车电机的工作。

其中NPN三极管Q1、Q2和P型MOS管Q3均起开关放大作用。单片机的P1.5引脚接NPN三极管Q1的基极，三极管集电极接发光二极管和5V电源，发射级接地。继电器通电时可打到NO档位，此时节气门电机M1可与地接通。单片机的P1.4与NPN型三极管Q2基极连接，Q2的发射级与P型MOS管Q3的门极连接，MOS管源极接12V电源，漏极接ABS刹车电机的供电线。电路如图3所示。

驱动模块主要实现以下功能：

（1）紧急制动。紧急制动模块主要涉及产品电路板的5号引脚，由于其功能逻辑，采用市面常见的免剥線并线扣，通过其铜镀锡破线刀的导电作用，使产品的紧急制动导线与到原车ABS泵电机的驱动线合并。在并线扣被压下，在破线刀的导电作用下，两根线形成并联通路，达成线路合并。从而在该系统5号引脚输出高电平时，ABS泵也会得到相应信号从而开始工作，驱动制动轮缸进行紧急制动，由于5号引脚是并入ABS泵的原车控制线路的，故其不工作时，不会影响原车激活ABS刹车电机。具体电路原理如下：

当系统正常踩油门时，P1.5输出高电平，Q1导通，发光二极管指示灯亮，继电器小电流引脚接通，继电器打到NO档，故节气门电机接地线导通，节气门电机M1转动。正常状态时P1.4为低电平，NPN三极管Q2截止，P型MOS管Q3的门极为高电平，此时MOS管截止，刹车电机M2不转。

当误踩发生时，单片机P1.4输出切换为高电平，三极管Q2导通，此时Q2发射级变为低电平，从而P型MOS管Q3的门极变为低电平，从而导通，刹车电机M2与12V电源接通，从而刹车电机M2转动，从而汽车减速刹车。当油门松开时，P1.4恢复高电平，及时停掉刹车电机，使ABS泵停机回到正常状态。此方法可不对车辆进行较大改造，只需安装一并线扣即可完成，原理简单，安装便捷。

（2）节气门片偏转抑制。当紧急情况误踩油门发生时，为了尽可能使车速降低，直接将发动机断油熄火会使汽车失去刹车和转向助力，也易引发安全事故。因此需要抑制油门反应，即让节气门片不要偏转。

本模块主要涉及产品电路板的6号接线柱引脚，设备对汽车原有的节气门片控制电机电路进行处理，利用免剥线并线扣将串联入汽车节气门片偏转电机的负极线。

未发生误踩情况时，单片机P1.5引脚正常输出高电平，Q1导通，继电器小电流引脚接通，大电流引脚打到NO档，节气门电机的负极线即可正常导通，由于本产品与汽车采用共同搭铁，节气门此时可正常工作，产品不影响原车功能。

当系统判断误踩发生时，单片机P1.5引脚切换为低电平，Q1截止，继电器小电流引脚断开，继电器打到NC档，从而节气门电机的负极与地断开，节气门停止转动，此时节气门片在其本身的机械限位结构与复位弹簧的作用下，回到静态位置仅保持较小开度，从而阻止发动机加速，使发动机保持怠速运转，既阻止了汽车加速，也使汽车保持转向助力和刹车助力功能，最大程度避免交通事故发生。当油门松开后并再次正常踩下时，系统恢复正常踩油门的工作状态。

1.3  误踩识别抑制——转向灯信号采集

由于汽车在超车时，驾驶员往往也会较快地踩下油门踏板，此时油门踏板的加速度会明显高于正常行驶情况下的加速度。因此系统此时可能把超车状态误识别为油门误踩紧急状态，一旦误判，在超车时系统错误地启动了自动紧急刹车，则会影响驾驶甚至引发事故，因此必须对超车状态进行识别，在超车时停止系统的油门误踩识别功能，以提高识别准确性。

考虑到车辆超车时需要提前打左转向灯，系统以是否打左转向灯来进行超车状态的识别。当探测钩探测到原车转向灯开启信号时，则通过内部程序不进行误踩识别，其设计如下：

1.3.1  电源设置模块

设备的供电为电路板3号引脚，采用汽车电子加装设备常用的保险盒取电器从蓄电池附近的B架进行12 V取电，将原保险丝取下，在原来的保险丝插孔处插入取电器取电引脚，原保险丝装入取电器上的保险丝插孔即可。通过LM2576S5.0稳压芯片转换为+5 V电源，并设置POWER发光二极管上电指示灯。由于设备工作功率小，既不会对汽车原电路造成影响，也可保证本设备稳定供电。

同时设备的搭铁为电路板4号引脚，采用市面常见的小搭铁线钩，其顶部为一半圆扁状导电片，可在蓄电池附近B架上任一螺丝搭铁处用螺丝压紧，即可完成搭铁，安装紧固，不影响汽车原有结构和功能。

1.3.2  转向灯信号采集

当左转向灯开启时，电路通过2号接线柱的转向灯信号探测钩提取到汽车蓄电池的12 V电源高电平，这一高电平信号输送给单片机P3.3端口，此时系统便可识别出驾驶员可能即将加速超车，通过内部控制逻辑程序停止误踩识别，此时无论踩油门踏板加速度的快慢为多少，均不触发误踩自动刹车机制，而是正常开启节气门电机，从而避免状态误判，保障汽车正常超车。同时此时转向灯指示灯二极管点亮。当系统没检测到左转向灯开启时，则不做误踩识别抑制，正常识别工作。

该部分电路如图4所示。

1.4  软件设计

系统采用新一代STC15W401AS单片机作为数据处理器，该单片机为高速可靠低功耗的新一代8051单片机，代码兼容8051，但速度快8～12倍。系统采用C语言编程，基于模块化总体到局部的软件设计思路，主要包含eeprom数据保存程序、延时函数程序、PWM控制的PCA时钟脉冲控制程序、定时器初始化和中断程序、以及main函数主程序等组成。5A8DB4EB-735A-4A72-BE36-985E6BA3DD25

系统的ADC转换油门位置信号检测子程序选用STC15W401AS单片机内部自带10位ADC数模转换器，不断对通道接口进行检查采样，内部AD转换器将油门踏板位置传感器发送的模拟信号转换为数字量进行计算。设备研发时采用的最具代表性的大众新捷达电子油门踏板，其两个电位计传感器电压变化范围为3.87V-1.77V，4.67V-2.74V，均随踏板踩下幅度行程线性变化，其变化量的绝对值与市面上大多油门参数吻合，因此数字微分和数字滤波子程序具有普适性。

2  结  论

产品结合汽车电子节气门系统工作結构和原理，设计了误踩油门信号的分析阈值以及误踩识别方法和反应策略，经验证，本系统能够根据油门误踩信号特点进行准备识别并及时采取补救反应，是一款能够在紧急情况下抑制汽车加速并自动刹车制动的智能电子节气门控制系统，结构简单、成本实惠、原理清晰、安装简便，且没有改变原有油门踏板的设计和驾驶方式，不需要改变驾驶员的操作习惯，具有较大的推广应用价值。

当然产品也有尚可改进之处，如还可加入误踩油门识别灵敏度可调功能程序开发、适应不同驾驶风格的自适应功能，以使本产品对不同的驾驶员有更加普适和方便的调节适应功能，还需解决安装与隔热的问题、以及结合不同车速时自动调节识别阈值等，提高产品的可靠性和智能性。

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作者简介：曾顺利（2002—），男，汉族，四川攀枝花人，研究方向：汽车电子、汽车检测与维修;罗钦（1991—），男，汉族，四川南充人，讲师，硕士研究生，研究方向：汽车电子;李有通（1986—），男，汉族，四川广安人，副教授，本科，研究方向：汽车维修。5A8DB4EB-735A-4A72-BE36-985E6BA3DD25