電動自行車自動避免誤加檔的裝置

董佳琳

摘 要：本文針對當前電動自行車缺乏誤加檔防范手段的問題，提出一種用于電動自行車自動避免誤加檔的裝置，該裝置以壓力傳感器測試騎行者對座位產生的壓力，通過壓力值的邏輯比較運算，判斷是否是正常騎行狀態，而對電動自行車電機控制器手把調速器信號有效性進行控制，從而避免推行或危險的站立騎行及兒童誤操作等座椅低受壓狀態時誤加檔，而造成的加速發生危險。并對裝置方案、裝置方法、系統技術優勢及成本進行了分析，驗證了系統的可行性，為提高電動自行車的安全性和智能性提供技術參考。

關鍵詞：電動自行車；壓力測量反饋；誤加檔；安全防范裝置

中圖分類號：TH16 文獻標識碼：A

據統計，目前我國電動自行車的市場保有量已達到2.5億輛，電動自行車已成為我國公民短距離出行的主要交通工具。據統計2013年～2015年，僅上海市抽樣交通重特大事故224起，傷亡人員258人，其中電動自行車導致的交通事故占比高達33%。當前，電動自行車事故頻發，已成為影響人民財產安全和社會穩定不可忽視的因素。

電動自行車導致的交通事故分為兩大類：第一類是碰撞類事故，由交通違規、違法導致車輛碰撞而生的交通事故；第二類是由于電動自行車質量問題、使用或操作不當等原因導致的交通事故。第一類交通事故主要靠提高使用者法律意識和道路交通安全意識、強化執法力度和相關法律法規對該類型事故的針對性等手段來盡量避免。第二類交通事故，一方面主要依賴于強化使用者對規范、安全操作意識，但是主要依賴于電動自行車安全性技術的發展和提升。2017年《中國電動自行車質量安全白皮書》明確指出，進一步保障消費者人身安全是電動自行車技術發展的核心。

在電動自行車誤操作安全事故中，最常見、傷害最重的要屬兒童誤觸發電動自行車、成人推行或危險站立騎行誤旋動手把調速按鈕而導致的生命和財產受損的交通事故。例如：2016年，9月17日，遼寧省朝陽市建平縣4歲女童君君，站在電動自行車踏板上，因好奇而誤觸動電動車手把按鈕，導致自行車加速后翻車，君君受重傷送醫搶救無效后死亡。另一方面，兩輪車電動自行車可騎行、可推行，停車后也需要推車使后支撐架支立才能穩當停放。由于電動自行車騎行者通常在鎖車離開時才會通過鑰匙關閉自行車電源，當騎行者下車推行、危險的站立騎行或者下車推車支立時，經常會誤旋動手把調速旋鈕，從而導致車子前沖拖動騎行者摔傷，類似事件更是屢見不鮮，這給騎行者的人身安全造成了極大隱患。因此，開發一種有效的用于電動自行車自動避免誤加檔的裝置，對于提高電動自行車使用安全性具有極其重要的意義。

本文提出一種用于電動自行車自動避免誤加檔的裝置：在座位下均布壓力傳感器，壓力傳感器測試騎行者對座位產生的壓力，通過壓力值的邏輯比較運算，對電動自行車電機控制器的進行控制切換。當壓力值高于正常受壓的最低值時，則手把調速器信號有效，調速器正常對電機進行調速。當為低壓力狀態時調速器信號無效，電源輸出功率保持0，調速旋鈕被推力旋動時電機不會被誤加檔。以此避免推行誤加檔和兒童誤操作加檔。

1.技術方案

1.1 裝置構成及原理

裝置主要構成如圖1所示，包括：壓力傳感器1、壓力傳感器2、A/D采樣芯片3、手把調速器4、電機控制器5。

其主要工作原理為：由車坐墊下壓力傳感器1、2反饋壓力；利用A/D采樣芯片3對壓力傳感器模擬量信號進行A/D轉換后輸出數字量信號；電動車電機控制器5接收數字量信號后，將兩路壓力相加獲得總壓力，并判斷總壓力是否超過閾值，以區分因騎行者重力受壓的騎行狀態或低受壓的推行或兒童騎行狀態；控制器進行邏輯運算，當為騎行大壓力狀態時則手把調速器4信號有效，調速器正常對電機進行調速，當為低壓力狀態時調速器4信號無效，電源輸出功率保持0，調速旋鈕被旋動時電機不會被誤加檔。

壓力傳感器的安裝位置如圖2所示，壓力傳感器1和壓力傳感器2布置在兩個減震彈簧機械安裝接口處。此處為車座承力支撐點，保證兩傳感器在騎行狀態下有效受壓。

由于腳踏和座位安裝機械接口對重力的分壓作用，電機控制器5內受壓的騎行狀態或低受壓的狀態閾值可設置為150N～180N的壓力傳感器電壓值。由于該裝置主要為了防止兒童誤觸發加速旋鈕和推行電動自行車時誤觸發加速旋鈕，150N～180N離低壓力狀態（小于80N）和騎行大壓力（大于250N）狀態余量均足夠。考慮騎行者體重異常，出廠時在150N～180N對電機控制器內的閾值進行調整。

1.2硬件方案

本文給出該系統的一種詳細硬件設計方案見表1。由于電動自行車電機控制器通常自帶DSP等數字信號處理電路，因此本裝置可以與電機控制器共用數字信號處理電路。因此本裝置的主要硬件選型是壓力傳感器和A/D采樣電路。本文只需給出該裝置兩部件的硬件選型。壓力傳感器選擇S型拉壓傳感器，量程為0～200kg，精度為5‰。主要考慮人體體重通常不超過150kg，并且考慮顛簸路況下過載情況而選定量程。如前所述該裝置中閾值余量較大，因此傳感器精度在5%以內均可以接受，考慮當前市場壓力傳感器不同等級精度情況，本文給出的精度為5‰，遠遠滿足該裝置的精度要求。壓力傳感器帶有信號變送器，輸出為0～5V或4～20mA模擬量輸出；A/D采用HX711SOP16A/D芯片2路，量化位數為12位，因為量化而產生的誤差小于0.04kg，滿足本裝置的測量需求。傳輸速率為1Kbps，碼速率帶來的延遲小于1ms，響應時間短，滿足系統的及時響應需求。

表1硬件類型及參數

編號 類型 參數

1、2 S型拉壓傳感器 量程：0～200kg；

精度：5‰；

輸出：0～5V或4～20mA；

3 HX711SOP16

A/D芯片 量化位數：12位；

傳輸速率：1Kbps；endprint

1.3控制及其邏輯

該裝置的控制是在電機控制器的DSP等數字信號處理電路中實現的。與電機控制信號共用運算處理單元。其主要的控制邏輯如圖3所示。壓力傳感器1、2，經過A/D采樣傳輸至DSP，通過算術加求二者壓力之和為總受壓壓力值。然后進行邏輯比較運算，當總壓力值超過設置閾值時，生成使能信號，手把調速旋鈕輸出有效，手把調速旋鈕正常調節電源輸出的占空比對電動自行車進行調速，電源按實際平均功率輸出。如果總壓力值沒有超過設置閾值時，關閉使能信號，手把調速旋鈕調速信號無效，并將電源輸出占空比調節至0，電源平均輸出功率為0。通過上述邏輯對誤觸發狀態進行識別，實現避免電動自行車的推行誤加檔、兒童誤觸發，避免站立騎行等危險騎行姿態。

2.技術優勢及成本分析

該裝置的優點在于：結合電動自行車的使用特點和使用環境，采用2路壓力傳感器作為反饋，兼容騎行者坐姿變化以及電動自行車減震性能弱顛簸環境下的壓力分布不均；將壓力傳感器布置彈簧安裝機械接口處，并將其閾值設置在150N～180N。這主要因為成人體重絕大多數在25kg以上，重力為250N以上，在腳踏等分擔壓力的情況下兩傳感器受力總和遠大于80N，在非成人騎行的低受壓條件下車座預壓力遠小于20N?？紤]體重異常騎行者的需求，可在150N～180N出廠時可調。壓力傳感器連續的電壓輸出，比汽車安全帶報警裝置等類似裝置穩定性更高，適應電動自行車的使用環境；并且大余量的可調閾值設計，提高了裝置的容差性能。該功能除了可以自動避免推行誤加檔之外，還可以自動避免騎行者站立騎行的危險騎姿，以及未成年幼兒觸動手把旋鈕造成意外傷害。

該裝置如果應用于電動自行車，必須考慮其成本狀況，經市場調研發現，壓力傳感器是主要成本增加，批量低于40元/支，兩支不超過80元，A/D芯片批量不超過5元/支，合計不超過85元/支，再加上工藝、工時的增加，以及控制軟件開發成本攤銷，增加該裝置的每輛電動車成本增加不超過100元/輛。成本較為低廉，安裝了該裝置的電動自行車附加值上升可以遠大于該成本的增加，因此該裝置從制造成本角度具備可行性。

結論

本文提出一種用于電動自行車自動避免誤加檔的裝置，并對其方案、控制方法及技術優勢和成本進行了詳細分析，主要結論如下：

（1）主要方案：在座位下均布壓力傳感器，壓力傳感器測試騎行者對座位產生的壓力，通過壓力值的邏輯比較運算，判斷是否是正常騎行狀態，而對電動自行車電機控制器手把調速器信號有效性進行控制，從而避免推行誤加檔、兒童誤操作加檔、危險站立騎姿加檔等座椅低受壓狀態時加速發生危險。

（2）本文給出了該裝置壓力傳感器布置方案、硬件選型方案及控制方法方案，為該裝置的工程設計提供技術參考。

（3）本文對系統穩定性和兼容性進行了分析，對系統當前方案下的制造成本進行了調研，結果表明該系統具備較好的工程可用性。

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指導老師：張鏡洋，沈萍。endprint