行車安全輔助系統的研究與實現

秦浠蓮

摘 要：針對目前國內行車安全輔助設備存在功能分散，導致系統安裝復雜、成本昂貴以及系統間相互干擾等缺點，且如防誤踩油門系統等研究尚未成熟，本文研究一款集倒車雷達、行車雷達及防誤踩油門功能于一體的行車安全輔助裝置。論文首先對防誤踩油門模塊的原理組成進行討論及構建;對誤踩油門的判斷因素進行分析，確定了以油門踏板踩下的電壓峰值、電壓峰值變化率以及車輛與障礙物之間的距離作為油門誤踩的判斷依據，并通過實驗獲取誤踩因素的閥值;其次，基于Altium Designer設計STM32單片機核心控制模塊以及各功能子模塊的硬件電路原理圖，研究各功能子模塊軟件實現方法及控制流程，研究系統的集成控制方法，并采用Keil μVision 集成編譯環境編寫STM32控制程序;通過數據共享、交互系統共享等方式將防誤踩油門系統與倒車雷達、行車雷達等系統進行整合。最后，完成系統實物制作并進行測試試驗，試驗結果表明所設計的行車安全輔助系統能夠在駕駛員錯把油門當剎車的情況下，準確識別該誤踩行為并控制發動機進入怠速工作狀態，同時進行語音報警提示。本文設計的行車安全輔助系統成本低、易于推廣，對于保障汽車的行車安全，降低事故的危害性具有一定的意義。

關鍵詞：油門踏板 誤踩油門 STM32 單片機

Research and Realization of Driving Safety Assistant System

Qin Xilian

Abstract：In view of the decentralized functions of the current domestic driving safety auxiliary equipment， the system installation is complicated， the cost is expensive， and the mutual interference between systems， and the research on the anti-accelerator system is not yet mature. This paper studies a set of reversing radar and driving radar. It is a driving safety assist device that integrates the function of preventing accidentally stepping on the accelerator. The thesis first discusses and constructs the principle composition of the anti-accelerator module. Then it analyzes the judgment factors of the accelerator pedal， and determines the voltage peak value， the voltage peak change rate and the distance between the vehicle and the obstacle when the accelerator pedal is stepped on. As the basis for judging the misstepping of the accelerator， the threshold value of the misstepping factor through experiments is obtained; Thirdly， based on Altium Designer， the article designs the core control module of STM32 single-chip microcomputer and the hardware circuit schematic diagram of each functional sub-module， and studies the software implementation method of each functional sub-module and control process， and studies the integrated control method of the system， and uses Keil μVision integrated compilation environment to write STM32 control program to integrating the anti-accelerator system with the reversing radar， driving radar and other systems through data sharing and interactive system sharing. Finally， the article completes the physical production of the system and conducts test tests. The test results show that the designed driving safety assist system can accurately recognize the misstepping behavior and control the engine to enter the idling state when the driver mistakes the accelerator for braking. The driving safety assistance system designed in this paper is low in cost and easy to promote. It has certain significance for ensuring the driving safety of vehicles and reducing the hazards of accidents.

Key words：accelerator pedal， anti-accelerator pedal， STM32， single chip microcomputer

1 引言

1.1 研究的背景與意義

1.1.1 課題的研究背景

汽車作為一種便捷的交通工具，給人們帶來了極大便利的同時，也對我們的安全構成了不小的威脅。尤其是對新手駕駛員，由于汽車盲區的存在以及駕駛經驗的不足，極易發生事故，如由于對汽車周邊物體、行人距離的判斷失誤導致發生碰撞。

汽車安全技術分為兩個方面，一個是主動安全方面，另一個是被動安全方面。

1.1.2 行車安全輔助系統的研究現狀

國外對于油門踏板誤踩系統的研究比我們國內先進很多，主要以歐洲的一些發達國家的研究最為顯著，但是目前也都是在高檔轎車上面使用，并沒有實現普通家用轎車的普及。

1.1.3 研究的意義

通過研究有油門踏板誤踩裝置，可以在駕駛員錯把油門當剎車的情況下，及時斷開油門，并提示駕駛員油門誤踩。在一定的程度上降低了因此原因而造成的事故，同時也減少了事故造成的二次傷害。

1.2 本文研究的主要內容

針對目前國內行車安全輔助設備存在功能分散，而如防誤踩油門系統等研究尚未成熟，本文研究一款新型行車安全輔助裝置，將目前市面上常見的倒車雷達、行車雷達等功能進行整合，并提出獨特、低成本且易于推廣的防誤踩油門系統構思，并實現系統整體的設計以及試驗。

2 行車安全輔助系統原理的研究

油門踏板防誤踩功能是本行車安全輔助系統的核心功能，也是本文的設計重點，要確定的是什么情況下油門踏板為誤踩，是什么因素導致的油門踏板誤踩。

2.1 油門踏板誤踩的判斷因素

本文研究的油門踏板防誤踩輔助系統主要是針對電子油門踏板，電子油門踏板是目前使用最多的油門踏板。經過查閱資料，得知電子油門踏板在設計時為了保證輸出高可靠性的信號，如圖1所示。

圖2為輸出電壓特性曲線，使用精度為0.5%的高精度電壓表測量出電子加速踏板的表征點電壓為：Videl1=0.745V，Vmax1=3.838V，Videl2=0.376V，Vmax2=1.914V[1-2]。

油門踏板正常踩下的電壓變化值與誤踩情況下踩下的電壓值和電壓峰值是線性相關的規律。通過測試踩下油門踏板時其電壓規律，即可換算出油門踏板的踩下速率。

收集兩百名試驗者在三種工況下搜收集到的油門踏板電壓值與電壓峰值，計算得出三種情況下的油門踏板電壓變化率，通過油門踏板電壓值和電壓峰值的變化規律所整理出的電壓變化率分布如下：男試驗者在正常加速時油門踏板電壓變化率分布范圍為1.87-2.97V/s2，緊急加速時，油門踏板電壓變化率分布范圍為3.67-15.16V/s2，在遇到突發情況誤踩油門加速時，油門踏板電壓變化率分布范圍為11.83-25.99V/s2;女試驗者在正常加速時油門踏板電壓變化率的分布范圍為1.14-2.16V/s2，緊急加速時，油門踏板電壓變化率分布范圍為2.39-12.36V/s2，在突發情況誤踩油門加速時，油門踏板電壓變化率分布范圍為8.23-19.62V/s2。

為了防止出現誤判的情況，可將油門踏板電壓變化率分為三類情況：踏板電壓變化率變化范圍在0-V1，此過程是平穩加速階段;踏板電壓變化率變化范圍在V1-V2，此過程可能為駕駛員緊急加速也可能為駕駛員突發情況誤踩油門;踏板電壓變化率變化大于V2，此時可判斷駕駛員為誤踩油門。

2.2 汽車與障礙物臨界值的確定

當汽車前方為靜止障礙物或行人時制動，此類情況通常出現在車輛以較慢速度穿梭在行人較為密的學校或停車場等場所，車速通常在0km/h-20km/h之間，根據公式，汽車速度v1在0km/h-20km/h制動時應保持的最小安全距離S的變化規律，通過計算可知在瀝青或混凝土（干）、瀝青或混凝土（濕）兩類路面，車速v1在0km/h-20km/h之間制動時汽車與前方靜止障礙應保持的最小安全距離S不會超過5m。

通過上述分析，可知汽車與前方障礙間距在5m以內時，則需要進一步提高系統誤踩油門的判別靈敏度，因此，本文設定汽車與障礙物距離S臨界值為5m，其中，汽車與障礙物距離S1是通過超聲波測距傳感器采集得到。

當汽車與障礙的距離小于臨界值S（5m）時，為保證此時的汽車安全，應使系統判別誤踩油門更加靈敏，需另設一個許用油門開度V，使得汽車與障礙距離S1在5m以內時進一步提高系統判別的靈敏程度，設定汽車距障礙距離S1由5m減至0m的過程中，油門開度Vt隨著汽車與障礙物距離S的減小由之前的許用值Vt呈線性減小0，0m

2.3 防誤踩系統的工作原理

油門踏板防誤踩輔助系統的工作原理圖如下分析。其工作原理為：油門踏板位置傳感器采集油門踏板的電壓信息，確定油門踏板的位置，超聲波測距傳感器采集車輛周邊障礙物距離信號，并將信號發送至智能控制模塊，智能控制模塊將該信號轉換為電壓峰值和電壓峰值變化率，根據判斷結果，系統執行以下操作：電壓峰值或者電壓峰值變化率小于相應閾值，判定為“正常”狀態，汽車正常加速行駛;電壓峰值≥閾值，且電壓峰值變化率≥閾值，判定為“誤踩”狀態，ECU按怠速工況給發動機供油，并進行語音提示駕駛員油門誤踩。考慮到車型及駕駛員習慣存在差異，系統預存了多組閾值，可通過按鍵輸入設定最優閾值組合。

2.4 相關技術

從各傳感器的性能比較表可以看出，雖然超聲波只有最長距離為10m的探測距離，但是在車輛駕駛時不需監測很長的距離。超聲波探測的距離足夠滿足倒車泊車時對周圍環境距離的判斷。這種傳感器的成本低，對環境的適應性好[3]，因此，本文的研究使用該種傳感器作為距離測量傳感器。

3 系統的硬件設計

3.1 系統總體設計方案

3.1.1 方案對比及選擇

根據系統硬件的組織方式，行車安全輔助系統硬件電路的總體結構方案有一體式和模塊式兩種。

（1）一體式方案。硬件系統一體式方案系統組成上包括信號采集模塊、控制模塊、緊急執行模塊、人機交互模塊四部分組成。（2）模塊式方案。模塊式方案則是在一體式方案基礎上根據系統子模塊的特性進行的劃分與組合。

3.1.2 人機交互節點

行車安全輔助系統離不開一個友好的人機交互設備。一方面，駕駛員需要對系統進行工作模式、工作參數的設置，另一方面，系統需要向駕駛員提示系統的檢測的距離數據、油門狀態數據等。通過串口屏、按鍵、揚聲器等實現駕駛員與系統的信息、命令交互。

3.1.3 測距節點

單片機通過采集安裝在汽車各個方向位置的雷達數據，計算出障礙物體的距離，并通過CAN收發器發送到CAN總線上。

3.1.4 油門測控節點

單片機采集電子油門踏板的電壓值、電壓變化率信號，同時接收測距計算出障礙物體的距離，綜合計算后控制怠速切換裝置的工作或截止，并通過CAN收發器將怠速切換裝置的狀態信號發送到CAN總線上。

3.2 單片機控制模塊的設計

選用STM32f103C8T6單片機作為節點的核心控制器。

3.3 油門踏板信號采集模塊的設計

加速踏板選用的是電阻式加速模擬踏板。

如圖3所示為油門踏板信號檢測電路，原油門踏板與發動機ECU通過線束直接連接，為了不破壞原發動機有線束，增加了P1與P2間的轉接線，將轉接線的一路油門信號引出到單片機的PB0口以進行采集分析。

3.4 超聲波測距模塊的設計

3.4.1 超聲波收發電路

STM32的引腳P3.4和P3.5連接到CD4052的A、B端口，用于輸出信號。P3.3引腳連接CD4052的端口X，P3.3引腳工作時，輸出一組40KHz頻率的脈沖電壓信號，并通過芯片CD4052將該組脈沖信號加載到驅動電路上，驅動發射超聲波的發射傳感器。當聲波遇到前方有障礙物時，它將返回并產生回波。接收傳感器接收回波并將接收到的機械波轉換成弱電信號。

3.4.2 超聲波回波電信號的放大原理

通常情況下超聲回波接收傳感器所接收到的回波信號是非常微弱的，為實現放大電信號的功能，本系統放大電路的控制核心選擇的是 CX20106A 型芯片[4-7]。

CX2016A芯片的各引腳功能如下表1：

該CX2016A芯片內置有放大器，能夠自動控制進行大倍數的放大功能。

3.5 交互模塊的設計

3.5.1 語音交互的實現

語音模塊采用WT588D作為核心芯片。

3.5.2 圖形顯示界面的實現

采用2.2寸型號為TJC3224T022-011R的HMI智能串口屏，其為可編輯的智能LCD觸摸顯示屏。表2為該型號顯示屏的基本參數。

3.6 怠速切換電路的設計

歸納起來，怠速切換電路需要滿足兩個十分重要的要求：（1）進行怠速切換時，確保發動機ECU能夠獲得怠速工作信號;（2）當本文設計的行車安全輔助系統發生故障時，不會影響汽車的正常行駛。

3.7 電源電路

如圖4所示為該系統的電源電路。

電源模塊的設計是保證整個防誤踩系統正常工作的前提，高質量的電源模塊能夠給系統提供穩定的電壓、電流。

3.8 PCB設計

PCB設計的基本流程包括：創建并生成集成元件庫、創建項目工程和原理圖文件、繪制原理圖、創建PCB文件并繪制PCB幾個步驟，在將原理圖導入PCB之前需要將電器規則都設置好后再布線。

4 系統的軟件設計

本章研究行車安全輔助系統實現超聲波測距、誤踩油門判斷及怠速切換、人機語音圖像交互等功能的程序機理，最終實現系統的聯合調試。

4.1 軟件工具介紹

本文使用STM32開發的油門防誤踩輔助系統，使用的是C語言來編寫。

完成了C語言程序的編寫之后，只需要通過ST-Link軟件將程序寫入到單片機內即可。

4.2 整體軟件程序設計方案

軟件系統包括主控制程序模塊、A/D轉換模塊、距離檢測模塊、油門電路檢測模塊、HMI顯示模塊、語音報警模塊、怠速切換模塊等。

4.2.1 油門電路檢測模塊設計

程序開始定義單片機的引腳為油門電路的檢測電壓通訊引腳。配置好單片機的寄存器，方便后續的讀取和調用。油門檢測電路實時檢測油門踏板的電壓變化并且向主程序實時發送數據。

4.2.2 A/D轉換模塊設計

A/D轉換模塊是將采集到的電信號轉換為單片機可以讀取并識別使用的數字信號。

4.2.3 顯示模塊設計

HMI串口屏圖形交互界面的設計是通過USART HMI圖形開發平臺進行。

4.2.4 語音提示模塊的設計

控制器以命令碼的形式給語音模塊發送語音播放命令。

4.2.5 超聲波距離檢測模塊設計

當汽車掛入倒檔，該系統便開始進入到工作狀態。首先初始化系統，初始化系統使每個緩沖單元清零，使顯示模塊進行初始化設置和初始顯示等。當系統初始化完成后，系統開始檢測是否有倒車信號傳來，沒有的話便繼續等待，如果有倒車信號傳來，超聲波測距支路便開始進入工作狀態。

5 系統的試驗與數據分析

將畫好的電路圖進行打樣，將相關的電路元件焊接至電路板，同時進行程序的燒錄調試工作。

5.1 系統實物

圖5為輔助系統的主控板實物圖。

如下圖6為系統安裝示意圖。

安裝時，行車安全輔助系統的探頭應該與主機盒上插孔一一對應;應保持超聲波探頭在一個干擾較低的位置;超聲波探頭、踏板傳感器應保持在干凈狀態工作，冰雪或者泥巴等物體附著會影響工作。

5.2 臺架實驗

通過臺架模擬實驗，我們可以方便的對該輔助系統進行調試。用示波器觀察到系統運行的波形，檢查波形是否平穩無雜波、無干擾。

5.3 實車實驗

實車實驗分為駐車實驗以及行車實驗兩部分。

5.3.1 駐車實驗

在進行行車實驗之前，我們需要進行駐車實驗，確保油門防誤踩選輔助系統的安全性與可靠性。

5.3.2 行車試驗

完成了原地駐車試驗后，在確保車輛以及道路安全的前提下，車輛以時速30KM/h的速度前行，分別進行正常加速以及誤踩油門兩個動作。

5.4 數據整理與分析

完成了駐車以及行車兩個實驗后，我們得到了以下數據。

從試驗收集到的數據來看，總體來說該系統能夠達到設計的目標。從實驗觀察可知：在駕駛員正常加速形式的時候，該輔助系統不起作用;當駕駛員誤踩油門踏板的時候，該系統進行斷開油門的動作，并提示駕駛員油門斷開，需要踩剎車進行制動。

6 總結與展望

本文以油門踏板踩下的電壓峰值和電壓峰值變化率兩者之間的為U1≈2U2的關系，以及車輛與障礙物之間的距離作為油門誤踩的判斷邏輯，通過采集電子油門的阻值變化，計算出電壓值的變化，設計出了基于判斷參數、以STM32單片機為核心的油門踏板防誤踩輔助系統，并對該系統進行了實驗驗證。試驗結果表明所設計的油門踏板防誤踩輔助系統能夠在駕駛員錯把油門當剎車的情況下，能夠準確的識別到這一誤踩行為，并進行油門斷開，發動機怠速給油和語音報警提示，對于汽車的行車安全具有重大的意義。

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