防誤踩油門安全控制器應用開發設計

曾順利 羅欽 李有通

摘? 要：汽車油門誤踩的問題越來越受到關注，駕駛員若突然遇到緊急情況時很易造成該事件發生，引發嚴重的交通事故。文章圍繞自研創新產品“保障油門誤踩安全的加裝控制器”進行應用實踐開發，完成了硬件和軟件的設計、產品實物制造與測試，從而可以在駕駛員誤把油門當成剎車踩下時，及時阻止節氣門響應，避免事故發生。產品制造成本低廉、安裝方便，一定程度上填補市場空白，很具實用和推廣性。

關鍵詞：汽車;油門誤踩;自動剎車

中圖分類號：U463? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：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

如今汽車電子油門控制系統已經廣泛應用，其采用油門踏板位置傳感器監控駕駛員踩踏油門的行程位置，再將信號發送至發動機控制單元ECU，ECU再控制節氣門電機的偏轉來控制節氣門開度，從而控制發動機進氣量，完成汽車動力的控制，此種方法相比于傳統拉線式油門系統更能實現汽車最優工況的控制。但仍然存在較多不足之處，如無法識別駕駛員緊急情況下誤把油門當成剎車快速踩下的情況，無法避免由此造成的嚴重交通事故。為此國內外對電子油門系統的智能升級展開了研究，取得了初步成果，但目前防油門誤踩方面技術還有明顯缺陷，市面上還沒有成熟的可以進行防油門誤踩的配置產品。

本產品利用汽車現有結構，通過加裝件形式完善升級汽車電子油門系統，識別誤把油門當做剎車快速踩下的情況，進行緊急制動保護交通、生命財產安全，具有較強的創新與應用價值。

1? 系統設計

控制器主要由信號采集模塊電路、策略識別電路和制動驅動電路等組成。

當駕駛員踩踏油門時，控制器可直接探取原車的油門踏板位置傳感器電壓信號，隨后單片機根據踏板踩下的情況進行綜合決策，如果判定為本是以急踩剎車的速度、加速度的情況下誤踩了油門，則啟動制動保護，斷開串入原車的節氣門偏轉電機搭鐵線，阻止汽車加速，且啟動ABS泵電機轉動，使汽車自動剎車。

電路板通過保險盒取電器、塔鐵鉤、信號探測鉤、并線扣等與原車相連，不影響原車結構與功能，改動簡單、安裝方便，接線柱示意如圖1所示。

主要包含以下模塊：

1.1? 油門狀態采集及主控模塊

油門狀態采集模塊采用常用的夾持刺入式破線探測鉤，直接通過頂部探針刺破信號線束表皮對信號進行采集，送至電路板1號接線柱，且可通過探測頭頂部彎鉤結構進行緊固固定，保持長期數據監測。

踏板位置傳感器的信號電壓與油門踏板被踩下的行程呈線性關系，即通過分析信號電壓值以及其變化量即可得出油門踏板的行程位置、踩踏速度和加速度。信號電壓的范圍為0.3～4.7 V，系統選擇兩個冗余設計的位置傳感器之一的PPS2的信號電壓為采集信號，輸送至主控單片機處理器STC15W401AS。單片機通過P1.2端口獲得來自油門踏板傳感器的電壓信號，經過內部數模轉換程序將踏板位置傳感器的電壓模擬信號轉換為數字信號進行差分運算。由于傳感器信號電壓的大小反映了油門踏板位置的行程，故差分運算結果反映了油門踏板被踩下的速度與加速度情況。5A8DB4EB-735A-4A72-BE36-985E6BA3DD25

單片機通過內部編寫的程序進行誤踩加速度閾值的比對，計算綜合判斷駕駛員是否為緊急情況下發生了把油門當成剎車急踩下，本系統油門誤踩閾值設置為踩踏加速度a=25 m/s2，若超過此值，則判斷為油門被誤踩，若判斷為誤踩油門，則立刻通過輸出端口P1.4與P1.5輸出相應信號觸發驅動執行模塊的ABS制動電機以及節氣門負極線繼電器，施行緊急安全保護措施，保障行車安全。電路如圖2所示。

1.2? 驅動執行模塊

執行模塊主要由開關驅動電路組成。通過開關放大電路和繼電器的通斷供電來控制節氣門電機的通斷以及ABS剎車電機的工作。

其中NPN三極管Q1、Q2和P型MOS管Q3均起開關放大作用。單片機的P1.5引腳接NPN三極管Q1的基極，三極管集電極接發光二極管和5V電源，發射級接地。繼電器通電時可打到NO檔位，此時節氣門電機M1可與地接通。單片機的P1.4與NPN型三極管Q2基極連接，Q2的發射級與P型MOS管Q3的門極連接，MOS管源極接12V電源，漏極接ABS剎車電機的供電線。電路如圖3所示。

驅動模塊主要實現以下功能：

（1）緊急制動。緊急制動模塊主要涉及產品電路板的5號引腳，由于其功能邏輯，采用市面常見的免剝線并線扣，通過其銅鍍錫破線刀的導電作用，使產品的緊急制動導線與到原車ABS泵電機的驅動線合并。在并線扣被壓下，在破線刀的導電作用下，兩根線形成并聯通路，達成線路合并。從而在該系統5號引腳輸出高電平時，ABS泵也會得到相應信號從而開始工作，驅動制動輪缸進行緊急制動，由于5號引腳是并入ABS泵的原車控制線路的，故其不工作時，不會影響原車激活ABS剎車電機。具體電路原理如下：

當系統正常踩油門時，P1.5輸出高電平，Q1導通，發光二極管指示燈亮，繼電器小電流引腳接通，繼電器打到NO檔，故節氣門電機接地線導通，節氣門電機M1轉動。正常狀態時P1.4為低電平，NPN三極管Q2截止，P型MOS管Q3的門極為高電平，此時MOS管截止，剎車電機M2不轉。

當誤踩發生時，單片機P1.4輸出切換為高電平，三極管Q2導通，此時Q2發射級變為低電平，從而P型MOS管Q3的門極變為低電平，從而導通，剎車電機M2與12V電源接通，從而剎車電機M2轉動，從而汽車減速剎車。當油門松開時，P1.4恢復高電平，及時停掉剎車電機，使ABS泵停機回到正常狀態。此方法可不對車輛進行較大改造，只需安裝一并線扣即可完成，原理簡單，安裝便捷。

（2）節氣門片偏轉抑制。當緊急情況誤踩油門發生時，為了盡可能使車速降低，直接將發動機斷油熄火會使汽車失去剎車和轉向助力，也易引發安全事故。因此需要抑制油門反應，即讓節氣門片不要偏轉。

本模塊主要涉及產品電路板的6號接線柱引腳，設備對汽車原有的節氣門片控制電機電路進行處理，利用免剝線并線扣將串聯入汽車節氣門片偏轉電機的負極線。

未發生誤踩情況時，單片機P1.5引腳正常輸出高電平，Q1導通，繼電器小電流引腳接通，大電流引腳打到NO檔，節氣門電機的負極線即可正常導通，由于本產品與汽車采用共同搭鐵，節氣門此時可正常工作，產品不影響原車功能。

當系統判斷誤踩發生時，單片機P1.5引腳切換為低電平，Q1截止，繼電器小電流引腳斷開，繼電器打到NC檔，從而節氣門電機的負極與地斷開，節氣門停止轉動，此時節氣門片在其本身的機械限位結構與復位彈簧的作用下，回到靜態位置僅保持較小開度，從而阻止發動機加速，使發動機保持怠速運轉，既阻止了汽車加速，也使汽車保持轉向助力和剎車助力功能，最大程度避免交通事故發生。當油門松開后并再次正常踩下時，系統恢復正常踩油門的工作狀態。

1.3? 誤踩識別抑制——轉向燈信號采集

由于汽車在超車時，駕駛員往往也會較快地踩下油門踏板，此時油門踏板的加速度會明顯高于正常行駛情況下的加速度。因此系統此時可能把超車狀態誤識別為油門誤踩緊急狀態，一旦誤判，在超車時系統錯誤地啟動了自動緊急剎車，則會影響駕駛甚至引發事故，因此必須對超車狀態進行識別，在超車時停止系統的油門誤踩識別功能，以提高識別準確性。

考慮到車輛超車時需要提前打左轉向燈，系統以是否打左轉向燈來進行超車狀態的識別。當探測鉤探測到原車轉向燈開啟信號時，則通過內部程序不進行誤踩識別，其設計如下：

1.3.1? 電源設置模塊

設備的供電為電路板3號引腳，采用汽車電子加裝設備常用的保險盒取電器從蓄電池附近的B架進行12 V取電，將原保險絲取下，在原來的保險絲插孔處插入取電器取電引腳，原保險絲裝入取電器上的保險絲插孔即可。通過LM2576S5.0穩壓芯片轉換為+5 V電源，并設置POWER發光二極管上電指示燈。由于設備工作功率小，既不會對汽車原電路造成影響，也可保證本設備穩定供電。

同時設備的搭鐵為電路板4號引腳，采用市面常見的小搭鐵線鉤，其頂部為一半圓扁狀導電片，可在蓄電池附近B架上任一螺絲搭鐵處用螺絲壓緊，即可完成搭鐵，安裝緊固，不影響汽車原有結構和功能。

1.3.2? 轉向燈信號采集

當左轉向燈開啟時，電路通過2號接線柱的轉向燈信號探測鉤提取到汽車蓄電池的12 V電源高電平，這一高電平信號輸送給單片機P3.3端口，此時系統便可識別出駕駛員可能即將加速超車，通過內部控制邏輯程序停止誤踩識別，此時無論踩油門踏板加速度的快慢為多少，均不觸發誤踩自動剎車機制，而是正常開啟節氣門電機，從而避免狀態誤判，保障汽車正常超車。同時此時轉向燈指示燈二極管點亮。當系統沒檢測到左轉向燈開啟時，則不做誤踩識別抑制，正常識別工作。

該部分電路如圖4所示。

1.4? 軟件設計

系統采用新一代STC15W401AS單片機作為數據處理器，該單片機為高速可靠低功耗的新一代8051單片機，代碼兼容8051，但速度快8～12倍。系統采用C語言編程，基于模塊化總體到局部的軟件設計思路，主要包含eeprom數據保存程序、延時函數程序、PWM控制的PCA時鐘脈沖控制程序、定時器初始化和中斷程序、以及main函數主程序等組成。5A8DB4EB-735A-4A72-BE36-985E6BA3DD25

系統的ADC轉換油門位置信號檢測子程序選用STC15W401AS單片機內部自帶10位ADC數模轉換器，不斷對通道接口進行檢查采樣，內部AD轉換器將油門踏板位置傳感器發送的模擬信號轉換為數字量進行計算。設備研發時采用的最具代表性的大眾新捷達電子油門踏板，其兩個電位計傳感器電壓變化范圍為3.87V-1.77V，4.67V-2.74V，均隨踏板踩下幅度行程線性變化，其變化量的絕對值與市面上大多油門參數吻合，因此數字微分和數字濾波子程序具有普適性。

2? 結? 論

產品結合汽車電子節氣門系統工作結構和原理，設計了誤踩油門信號的分析閾值以及誤踩識別方法和反應策略，經驗證，本系統能夠根據油門誤踩信號特點進行準備識別并及時采取補救反應，是一款能夠在緊急情況下抑制汽車加速并自動剎車制動的智能電子節氣門控制系統，結構簡單、成本實惠、原理清晰、安裝簡便，且沒有改變原有油門踏板的設計和駕駛方式，不需要改變駕駛員的操作習慣，具有較大的推廣應用價值。

當然產品也有尚可改進之處，如還可加入誤踩油門識別靈敏度可調功能程序開發、適應不同駕駛風格的自適應功能，以使本產品對不同的駕駛員有更加普適和方便的調節適應功能，還需解決安裝與隔熱的問題、以及結合不同車速時自動調節識別閾值等，提高產品的可靠性和智能性。

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作者簡介：曾順利（2002—），男，漢族，四川攀枝花人，研究方向：汽車電子、汽車檢測與維修;羅欽（1991—），男，漢族，四川南充人，講師，碩士研究生，研究方向：汽車電子;李有通（1986—），男，漢族，四川廣安人，副教授，本科，研究方向：汽車維修。5A8DB4EB-735A-4A72-BE36-985E6BA3DD25