針對(duì)EPB系統(tǒng)車型的防油門誤踩制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉港 黎仕增 羅婷劼 韋錦

1.廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣西南寧市 530007 2.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 廣西南寧市 530004

1 前言

近幾年，汽車工業(yè)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。據(jù)《2018年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》數(shù)據(jù)顯示：截至2018年底，全國(guó)的民用汽車保有量24028萬(wàn)輛。隨著汽車保有量的增加，因誤踩油門引起的交通事故也不斷增加，占比達(dá)到12.6%[1]。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，設(shè)計(jì)了各種防油門誤踩控制系統(tǒng)：國(guó)內(nèi)的學(xué)者代表有陳松、胡振奇等，國(guó)外的學(xué)者代表有梅哲文、Gustafsson、continental等。但他們所設(shè)計(jì)的防油門誤踩技術(shù)，有的可靠性不高，有的反應(yīng)速度太慢，有的準(zhǔn)確率不足等，致使防止油門誤踩系統(tǒng)未能得到推廣和普及。

本文針對(duì)配有動(dòng)態(tài)應(yīng)急制動(dòng)功能EPB系統(tǒng)的車型，利用原車的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了防油門誤踩制動(dòng)系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明：該控制系統(tǒng)在油門誤踩的情況下，能及時(shí)執(zhí)行緊急制動(dòng)，對(duì)減少交通事故具有積極的促進(jìn)作用。

2 防油門誤踩制動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

通過(guò)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的油門位置傳感器（電位計(jì)）獲取油門位置信號(hào)，以電壓信號(hào)的方式傳送給汽車的ECU，通過(guò)ECU將信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓變化率和電壓值，從而控制節(jié)氣門和自動(dòng)變速器等機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。汽車防油門誤踩制動(dòng)控制系統(tǒng)如圖1所示[2]。

（1）當(dāng)電壓變化率小于所設(shè)定的閥值時(shí)，控制系統(tǒng)將自動(dòng)認(rèn)定為“正常”狀態(tài)，STM32單片機(jī)將自動(dòng)選擇油門位置傳感器信號(hào)，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)按照“正常”狀態(tài)來(lái)運(yùn)行。

（2）當(dāng)電壓變化率大于或等于所設(shè)定的閥值、且電壓值小于所設(shè)定的閥值時(shí)，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行怠速指令，語(yǔ)音和圖像提示“油門切斷”。

（3）當(dāng)電壓變化率大于或等于閥值且電壓值也大于或等于所設(shè)定的閥值時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)認(rèn)定為“誤踩”狀態(tài)，STM32單片機(jī)選擇怠速分配器的怠速信號(hào)，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行怠速指令，語(yǔ)音和圖像提示“油門切斷”，接通EPB動(dòng)態(tài)應(yīng)急制動(dòng)開(kāi)關(guān)，執(zhí)行緊急制動(dòng)操作。

該系統(tǒng)的制動(dòng)操作通過(guò)原車EPB系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)緊急制動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并可根據(jù)車速狀態(tài)自動(dòng)選擇液壓系統(tǒng)制動(dòng)或者機(jī)械駐車制動(dòng)機(jī)構(gòu)的方式實(shí)施制動(dòng)。當(dāng)車速較高時(shí)選擇液壓系統(tǒng)制動(dòng)，此時(shí)ABS／ESP系統(tǒng)全程介入，確保了汽車制動(dòng)過(guò)程穩(wěn)定性。駕駛員只需長(zhǎng)按駐車制動(dòng)開(kāi)關(guān)鍵即可觸發(fā)該功能，本系統(tǒng)僅需并聯(lián)繼電器控制電路即可執(zhí)行油門誤踩后的制動(dòng)操作。汽車防油門誤踩制動(dòng)控制系統(tǒng)的主要組成結(jié)構(gòu)如圖2所示[2]。

圖1 防油門誤踩制動(dòng)控制系統(tǒng)

圖2 系統(tǒng)主要組成結(jié)構(gòu)

2.2 防油門誤踩制動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

防油門誤踩制動(dòng)控制系統(tǒng)如圖3所示[3]。操作過(guò)程如下：

（1）當(dāng)dU/dt＜dU0/dt時(shí)，信號(hào)分配器選擇U值向發(fā)動(dòng)機(jī)ECU發(fā)送。

圖3 防油門誤踩控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

（2）當(dāng)dU/dt≥dU0/dt且U＜U0時(shí)，單片機(jī)向信號(hào)分配器發(fā)送指令，信號(hào)分配器選擇Ud向ECU發(fā)送，并且接通語(yǔ)音圖像提示電源。

（3）當(dāng)dU/dt≥dU0/dt且U≥U0時(shí)，單片機(jī)向信號(hào)分配器發(fā)送指令，信號(hào)分配器選擇Ud向ECU發(fā)送，并接通語(yǔ)音圖像提示和EPB動(dòng)態(tài)應(yīng)急制動(dòng)開(kāi)關(guān)電源電路。

（4）在系統(tǒng)完成執(zhí)行指令后，駕駛員松開(kāi)油門踏板，U下降，當(dāng)U＜Uf時(shí)，系統(tǒng)復(fù)位，見(jiàn)圖3。

本系統(tǒng)須在電壓變化率和電壓值都超過(guò)閾值時(shí)才執(zhí)行制動(dòng)操作，這是考慮到可能有個(gè)別駕駛員，在某些極端條件下瞬間猛踩油門加速而導(dǎo)致電壓變化率超出閾值的情況出現(xiàn)，如果此時(shí)執(zhí)行制動(dòng)操作，汽車在駕駛員“意料之外”突然減速，易引發(fā)事故，而僅執(zhí)行怠速操作，則相對(duì)安全[3]。另外，如果系統(tǒng)設(shè)定為電壓變化率和電壓均超出閾值再一步執(zhí)行怠速和制動(dòng)，則又延遲了系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間[4]。

3 試驗(yàn)

3.1 “誤踩”判別試驗(yàn)

為檢驗(yàn)防油門誤踩制動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性，首先要對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行“誤踩”判別的試驗(yàn)：

（1）以配有EPB系統(tǒng)的09款大眾邁騰作為試驗(yàn)車型，按要求正確安裝防油門誤踩制動(dòng)控制系統(tǒng)。

（2）選取10名不同性別和駕齡的駕駛員，各在不同的路段上分別進(jìn)行正常駕車行駛和“誤踩”油門操作，并記錄油門在兩種狀態(tài)下的電壓-時(shí)間曲線。

（3）通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，統(tǒng)計(jì)兩種狀態(tài)下各區(qū)間“峰值”的個(gè)數(shù)，如表1所示。

由表1可見(jiàn)：正常行駛狀態(tài)下電壓的變化率均小于20V/s，電壓值均小于4V；而在“誤踩”的狀態(tài)下，其電壓變化率均超過(guò)了20V/s，電壓值均超過(guò)4V。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：將電壓變化率和電壓值作為“誤踩”的判別條件是可行的。

3.2 原地駐車試驗(yàn)

（1）選取09款大眾邁騰作為試驗(yàn)用車，原地啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，怠速運(yùn)行。由于原地駐車，無(wú)法實(shí)際測(cè)試EPB緊急制動(dòng)操作，因此換接了制動(dòng)指令指示燈來(lái)判斷系統(tǒng)是否發(fā)送了制動(dòng)操作指令。

表1 電壓峰值和電壓電壓率峰值統(tǒng)計(jì)表

（2）選取不同駕齡和性別的駕駛員共10名，分別以急剎車制動(dòng)的動(dòng)作和加速超車的動(dòng)作各操作50次。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 原地駐車試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表2可見(jiàn)：在這組閾值條件下，所有誤踩狀態(tài)都觸發(fā)了本系統(tǒng)，并完全正確執(zhí)行了怠速、語(yǔ)音圖像提示操作，發(fā)出制動(dòng)指令；500次加速超車試驗(yàn)中，系統(tǒng)執(zhí)行了2次怠速和語(yǔ)音圖像提示操作，0次發(fā)出制動(dòng)指令，正確識(shí)別率99.6%。

3.3 “誤踩”制動(dòng)試驗(yàn)

（1）選取09款大眾邁騰在駕校練車場(chǎng)路段進(jìn)行試驗(yàn)。

（2）選取10名不同駕齡和性別的駕駛員，在不同的車速下（試驗(yàn)時(shí)速分別為30、45、60 km/h）分別進(jìn)行正常急剎車和油門“誤踩”操作，并記下制動(dòng)距離。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3可見(jiàn)：在不同車速下以急剎車的方式踩油門踏板，系統(tǒng)均執(zhí)行了制動(dòng)操作，制動(dòng)過(guò)程中車輛平穩(wěn)，且制動(dòng)距離與正確急剎車制動(dòng)距離偏差不超過(guò)10%，完全滿足工作要求。

表3 誤踩制動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

4 結(jié)論

本文針對(duì)配有動(dòng)態(tài)應(yīng)急制動(dòng)功能EPB的車型，利用汽車油門位置傳感器作為信號(hào)采集，通過(guò)原車配置的EPB系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)的防油門誤踩制動(dòng)控制系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)能準(zhǔn)確判別“誤踩”現(xiàn)象，并能及時(shí)實(shí)施緊急制動(dòng)操作和語(yǔ)音、圖像提示，有效提高汽車駕駛的安全性。