毕业论文-基于人机工程学的新型制动系统设计.doc

中北大学2017届毕业设计说明书基于人机工程学的新型制动系统设计摘要汽车作为人们出行的主要交通工具之一，随着保有量的不断增加，给人们带来方便的同时，其安全问题也不容忽视。如今道路交通事故已成为世界第一公害，汽车主动安全技术已成为汽车技术发展的重点和趋势。在交通事故中，由于误踩油门造成的事故比比皆是，在重大交通事故中，这类误踩油门事故的比例高达12.6%1，说明不少驾驶员（尤其新手驾驶员或疲劳驾驶）遇到紧急情况时，经常容易误踩油门，造成不可挽回的损失，所以开展防误踩技术的研究具有很强的现实意义。本文从人机工程学的角度出发，分析了驾驶员误踩油门时的各种参数特征，最终以油门踏板上的加速度大小作为误操作的判断标准，通过加速度传感器检测驾驶员踩油门的动作是否为误操作，如果判断为误操作，则由中央控制单元控制执行机构进行制动，从而达到紧急制动的效果，以避免人员伤亡和财产损失。关键词：油门防误踩，人机工程学，制动系统Design of New Braking System Based on ErgonomicsAbstractCar as one of the major transporter of people travel, along with the increase of ownership, the people bring convenient at the same time, its security problem also not allow to ignore. Road traffic accidents have become the first public hazards in the world, and the auto safety technology has become the focus and trend of the development of automobile technology.In the traffic accident, caused by accidentally step on the gas accident abound, in a major traffic accident, this kind of mistake is as high as 12.6%, the proportion of the step on the gas accident that many drivers, especially novice drivers or fatigue driving) in case of emergency, often easy to step on the gas, causing irreparable loss, so to carry out the research of the technology of step on has strong practical significance.This article from the perspective of ergonomics, the paper analyzes the driver error characteristics of various parameters on the accelerator, with a final size of the acceleration on the accelerator pedal as the judgment standard of wrong operation, through the acceleration sensor detects whether the pilot action on the accelerator for the wrong operation, if judged as wrong operation, is controlled by the central control unit brake actuator, so as to achieve the effect of emergency braking, in order to avoid casualties and property losses.Keywords：accelerator pedal, ergonomics, braking system目录1 绪论11.1 课题研究的背景和意义11.2 国内外的研究现状11.2.1 误踩油门原因分析11.2.2 误踩油门装置的研究现状11.3 本设计的指导思想及设计原理概述51.3.1 基于人机工程学的设计原则51.3.2 本设计的基本原理及研究方案52 防误踩油门的设计方案原理72.1 误踩油门判断标准的论证选择72.2 控制模块方案的论证112.3 辅助制动机构方案的论证112.3.1 汽车制动系统的工作原理112.3.2 误踩油门时紧急制动措施122.4 燃油供给断开机构方案论证132.5本章小结143 基于人机工程学的新型制动系统的实施方案163.1 误踩油门判定163.1.1 加速度的传感器的选用163.1.2 误踩加速度的确定173.2 控制模块的设计213.3 执行机构的设计223.3.1 辅助制动机构的设计223.3.2 燃料供给断开机构的设计233.4本章小结254 防误踩油门制动系统总体控制流程264.1 整体程序控制流程图26结论27参考文献28致 谢30I1 绪论1.1 课题研究的背景和意义随着汽车保有量也在不断增多，各类交通事故也频频发生。其中，驾驶员误将油门踏板当成制动踏板而引发的车祸也非常多，在重大交通事故中，这类误踩油门事故的比例高达12.6%，这说明不少驾驶员（尤其新手驾驶员或疲劳驾驶）在紧急情况下很容易将油门踏板误当作制动踏板而踩下，造成惨重的事故。因此，汽车主动安全技术也愈发受到重视，设计一套基于人机工程学的新型制动系统迫在眉睫。目前，防误踩油门的制动系统还处在论证和研发初期，国内外很多汽车研究人员对误踩油门的现象提出了很多相关的研究方案，对汽车原有的油门和制动机构进行相应的改进，但真正运用到实际生产中的防误踩油门的装置却很少，因此，对误踩油门装置研究现状归纳总结显得十分重要，亟需研制出一种成本低、判别精度高、通用性强的防误踩油门装置来解决驾驶员误将油门当作刹车而导致交通事故的问题。1.2 国内外的研究现状1.2.1 误踩油门原因分析（1） 缺乏驾驶经验的新手司机，在遇到突发情况时容易紧张不知所措，慌乱中误将油门当作刹车；（2）驾驶汽车时心神不专，遇到紧急情况就惊慌失措，误踩油门；（3）疲劳驾驶，反应迟钝，可能误踩油门；（4）司机酒后驾车，神经中枢反应迟缓，判断能力变差，可能导致误踩。1.2.2 误踩油门装置的研究现状通过调查研究，目前存在的防误踩油门的装置主要有两种：一种是纯机械式；另一种是电子与机械结合式，下面对国内外的防误踩油门装置的研究现状和问题进行分析。1. 纯机械式防误踩油门装置国外主要以美国、日本和德国等一些汽车工业发达的国家对防误踩油门装置的研究取得的成果较为显著，早在20世纪70年代，国外就有相关学者根据司机在踩油门与制动时脚部不同的动作特征对油门和制动踏板结构进行改造2，设计出机械式油门与刹车合成装置，下面是几种比较有代表性的纯机械式油门与制动合成装置。日本学者MATSUNAGA.K，NARUSE.M等设计了一种测压式的油门与刹车合成装置（见图1.1），司机加速时，右脚前部向右侧平移侧压油门踏板实现加速，当需要刹车时，右脚前部踩下制动踏板实现制动，制动踏板被压下的同时油门踏板被释放从而加速解除实现制动3。瑞典学者 Gustafsson 设计并由瑞典Nomix发展公司进一步研发得到一种新型油门与刹车合成的单踏板装置（见图1.2），司机加速时，以踏板后部的轴为轴心，脚的前部踩下踏板，使踏板沿着该轴作旋转运动实现加速，当需要制动时，脚掌将整个踏板踩下实现制动，瑞典两大汽车生产商沃尔沃和绅宝均对单踏板装置的汽车安全性能感兴趣，但两家公司在进行测试后均表示，没有马上开发生产这种汽车的计划4。 图1.1侧压式油门与制动踏板合成装置结构简图 图 1.2 油门与制动合二为一的单踏板结构简图 对于国内的纯机械式防误踩油门装置，其中国内的油门与刹车合成装置主要以专利的形式存在，尚没有成熟性的产品，除了油门与刹车合成装置以外，国内还存在一类以油门踏板的作用力或油门踏板角速度的大小为判别依据的机械联动补救装置。梅哲文等人，设计出了一种油门与制动机械联动补救装置5（见图1.3），该装置主要由内箱体和外箱体组成，内箱体通过相关元件与节气门连接，外箱体与制动踏板连接，正常情况下踩下油门踏板，内箱体转动从而拉动节气门，使汽车正常加速，若司机误踩了油门，由于踩油门的速度过大，内箱体竖向导轨方向向下滑动，使内外箱体相互嵌套，内箱体带动外箱体一起转动从而拉动制动踏板，起到了误踩油门后紧急制动的作用。李俊、郭厚等人设计了一种油门与制动机械联动补救装置6，在紧急情况下误踩油门时，油门踏板带动油门转轴使另一个轴快速旋转，当转速到一定值时，转轴上的离合器使连接块与转轴固接，连接块与制动拉杆一起转动，拉杆拉动制动拉线和熄火拉线，使汽车熄火并停车。虽然纯机械式的油门与刹车合成装置能够获得较为可靠的制动效果，但是此类装置改变了司机正常踩油门和刹车的习惯，对传统油门和制动结构改动较大，很难在车辆中进行普及应用。 图1.3油门与制动踏板联动补救装置结构图 1.油门踏板连接带2.制动连接带3.油门连接带4 防误踩装置外箱体5. 弹簧6.轴7.挡圈8.带槽棘轮9.内箱体10.齿轮11.棘齿12.弹簧13.滑块14.轴承15.内箱体拉杆16.轴承17.挡圈18.带槽齿轮19.轴2.电子与机械结合式装置国外的电子与机械结合式的防误踩油门装置主要是以控制技术为基础并且主要应用于一些高端车上进行相关研究。德国continental公司研制了名为 AFFP（accelerator of force feedback pedal）的装置在汽车内部安装相关传感器采集行车线路和自车车速7，如果驾驶员在遇到紧急情况误踩油门，AFFP 装置判定为车辆处于危险的行车距离时，油门踏板下面的电机将对油门施加向上的力，可以较为有效纠正驾驶员的误踩行为，由于该系统成本较高，同时对汽车自身硬件的要求较高，此技术主要应用于高端汽车上进行相关研究。日本尼桑公司推出了一种油门误踩辅助技术，这项技术将通过日产车型所配备的全景监测系统（Around View Monitor），利用车辆四周分布的摄像头，判断车辆是否处在停车场的环境当中。若在汽车的周围监测到有障碍物，这时司机误踩油门时，系统会限制汽车的加速。但这些技术中全景式影像监控系统的图像解析等高端技术，成本比较高，这项技术将主要运用在高端汽车当中，很难在普通民用汽车中进行普及应用。在国内的电子与机械结合式的防误踩油门装置中，存在一类利用压力开关传感器触发电子控制电路进而控制相关执行装置的设计。贾佳鹏所设计的防误踩油门装置，该装置针对使用气压制动的中大型汽车，利用在加速踏板行程的最末处安装一个压力开关，当压力开关受到较大压力时开关接通，当误踩油门时压力开关接通，使并联在制动踏板管路两侧的电磁气阀打开使汽车制动8。对于利用压力开关传感器触发电子控制电路进而控制相关执行装置的这类设计，虽然对原车结构改造少，成本较低，当系统判别驾驶员为误踩油门时油门已经被踩到底，在实现制动之前必然会加速，虽然最后实现了制动的效果，但是停车的距离较长。在国内的电子与机械结合式的防误踩油门装置设计中，还存在一类以单片机为核心的防误踩油门装置，单片机通过相关传感器采集的信号来控制相关执行装置实行紧急制动。其中，有利用相关传感器采集到的油门踏板踩压速度或踩压加速度信号作为驾驶员误踩油门的判定依据。例如，陈松等设计的防误踩油门装置，利用光电耦合器检测加速踏板的动作速度，当驾驶员踩油门踏板时，单片机将收集的踩油门的时间与预设时间比较，若踩油门过急从而实行紧急制动9。又如王俊华，张开明等设计的一种防误踩油门装置，当误踩油门时，安置于踏板后侧的触杆移动过快，从而使与触杆相连的电容电桥平衡被破坏，产生一个电压信号进入单片机，单片机发出控制信号使车载打气泵联动刹车踏板使汽车制动。有的设计是利用相关传感器采集到的节气门开启信号作为驾驶员误踩油门的判定依据。例如，胡振奇等利用了驾驶员正常踩油门和误踩油门存在的节气门角速度不同，利用节气门位置传感器采集节气门的角度信号，利用差分法得出节气门角速度信号，若瞬时速度超出设定的临界值，单片机控制安装在真空助力器处的电磁阀使真空助力器膜片动作，实现制动10。有的设计则是利用电磁感应的原理，线圈切割磁感线而产生的电信号作为驾驶员误踩油门的判定依据11，例如，杨发权等设计的防误踩油门装置，该系统由油门判断电路、单片机、切断油门部分及驱动刹车部分组成。若误踩加速踏板，连接加速踏板的感应器就会产生电磁感应电信号，通过单片机自带中的 AD 模块将感应信号转换为数字信号，若检测得到的数字电信号大于设定的临界值，则判断为误踩油门，单片机通过驱动电路控制相关的继电器实现驱动刹车并切断油门。1.3 本设计的指导思想及设计原理概述1.3.1 基于人机工程学的设计原则国际人机工程学会(International Ergonomics Association, 简称IEA) 对人机工程学的定义为：人机工程学是研究人在工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的因素，研究系统中各组成部分的相互作用，研究在工作、生活和休假时如何统一考虑工作效率、健康、安全和舒适等问题的学科”12。任何一个人机系统都必然是既要尽量做到机宜人,也要设法做到人适机。由人机工程学的基本原理是“人适机，机宜人”，我们必须把人和机器视为一个有机结合的系统，使该系统中的人付出适宜的代价后可获得整个系统的最佳效益，形成安全、高效、经济的有机系统。本次设计的新型制动系统正是从人机工程学基本原理的两个方面来考虑的：（1）“人适机”。在人机系统中，人是系统的主体。我们的行车环境是非常复杂的，车祸的发生就在一瞬间，在驾驶员和车辆这个人机交互的系统中，驾驶员应该时刻保持高度警惕，“眼观六路，耳听八方”，不能心不在焉，胡思乱想。同时，作为人机系统的主体，人应该积极发挥自己的主观能动性，利用自身良好的可塑性，通过学习训练提高自己的可靠性，做到防微杜渐。这是防止危险发生最经济的选择。（2）“机宜人”。正如前面所述，紧急情况下人的可靠性大大低于正常情况人的可靠性，误操作在所难免，这是一个客观存在的问题，人的可靠性（不出错误的能力）只能是努力提高，但不能绝对避免。目前在汽车制动器的设计上考虑机构功能比较多，而忽略了作为系统的主要因素人，导致没能充分发挥制动器的功用。本设计就是考虑了人机系统中人的可靠性因素的一种防误踩油门的制动系统。1.3.2 本设计的基本原理及研究方案综合国内外防误踩油门系统的研究现状，以单片机为核心的电子类防误踩装置将是当前及未来研究的主流，该类装置响应速度较快，占用汽车空间较机械类要少，并且相对于机械类系统对零件安装精度要求略低，汽车电子技术在汽车上的占比越来越高，也是未来汽车技术发展的方向。本文所研究的防误踩油门紧急制动系统属于电子类防误踩油门装置，针对目前频繁发生的司机误将油门踏板当作制动踏板而引起严重交通事故的现状，研发出一种成本较低、性能稳定且判别准确的防误踩油门紧急制动系统显得很有必要。本设计研究的主要内容如下：1. 通过查阅相关资料和调研，结合当前国内外防误踩油门技术的研究现状，对误踩油门系统的关键要素进行全面的分析和研究，从而确定该系统的判定标准和系统紧急制动方案。2. 确定防误踩油门紧急制动系统的总体设计方案，选取满足设计要求的相关硬件，设计出判别信号采集模块、以 STC12C5A60S2单片机为核心的中心控制模块及紧急执行模块等外围电路。3. 通过对年龄均匀分布在 2050 岁之间的试验者在平稳加速、紧急加速、突发情况误踩油门这三种工况下所采集到的油门踏板加速度信号得到该系统的判别参数临界值，为下一步设计提供重要的数据支持。4.进行执行机构的设计，执行机构分为两部分，一是燃油供给断开机构，另一个是辅助制动机构，当中心控制模块检测到误操作的信号就会立刻控制执行机构进行干预。2 防误踩油门的设计方案原理2.1 误踩油门判断标准的论证选择根据人机工程学的原理，人机系统中人机关系的基本原则可分为两个方面：机宜人和人适机。但机宜人是有条件的，人适机也是有限度的，人机之间有着相互依存、相互影响、相互制约的关系13。因此，人机系统是以人的因素为主，人的因素中某些方面可以量化，可以提供基本阈值的均值，但也有许多因素难以准确量化，如情绪、生理状态、运动状态等，在紧急情况下这些因素就变得更加难以准确预料。比如酒后驾驶、疲劳驾驶等情况下，驾驶员的情绪、生理状态、运动状态波动比较大，与正常情况下有很大的差别。遇到紧急情况时，驾驶员的可靠性下降，对当前的环境做出迅速而又准确判断的概率降低，发生误操作的可能性增加，误踩油门便是一种常见的误操作事故，导致了人员伤亡和经济损失。许多研究人员也提出了多种方案解决此问题，但存在不能对急加速时是否误踩做出准确判断、制动装置不易安装实现、造价昂贵等缺点，因此没有在汽车上得到广泛的运用。本文所讨论的制动系统就是关于防止误踩油门这种误操作造成恶性事故的一种电子与机械复合式系统。要防止紧急制动时发生误踩引发人员伤亡事故，首先需要判断什么情况下属于驾驶员误踩，当判定为误踩后才能进一步通过一些辅助装置进行制动，以避免事故发生。要判定误踩，需要准确了解踩制动踏板时误踩到油门踏板这种误操作的产生机制，才能选择出合理的参数作为判定标准，使得辅助装置及时使汽车制动。紧急制动时驾驶员-车辆这个人机交互系统的具体状况如下：当汽车驾驶员遇到紧急情况，如前方有障碍物、行人、车辆等，熟练的驾驶员应该迅速地将放在油门踏板上的右脚移开，然后踩下制动踏板进行制动，此时驾驶员完成这一些列动作心平气和，生理参数（如脉搏、血压、心率、血氧等）与正常情况相差无几；动作一气呵成（见图2.1）与正常制动情况下相比就是制动踏板踩的很快。图2.1 正常制动时脚步的动作示意图但是新手驾车、酒后驾车、疲劳驾车或者是驾驶员情绪不稳定、注意力不集中等情况下出现紧急情况需要急刹车的时候，这些驾驶员的准确驾驶的可靠性就会急剧下降，驾驶员就可能会手忙脚乱，出现误操作的情况。我们在分析调查过程中发现，当新手出现手忙脚乱的情况时候，他的脉搏跳动次数会迅速增加，血压升高，心率增大。当驾驶员疲劳驾驶时，驾驶员的血氧浓度降低，心率变慢，同时更重要的一个特征是他们出于本能，都会迅速地踏下踏板，万一踏下的这个踏板不是制动踏板而是油门踏板，这个时候就会发生误踩油门的惨剧，实际情况中是十分危险的。根据上面的分析，我们可以总结出误踩油门的判断参数主要有以下几个：驾驶员的脉搏、血压、心率、血氧以及踩下油门的快慢。对于脉搏和血压这两个参数我们分析得知，出现紧急情况而发生误操作时，驾驶员由于紧张而致使脉搏跳动次数会迅速增加、血压会急剧增加。在实验过程中发现测量这两个参数需要被测量者不能在刚吃完饭进行测量，尽量不要动弹，否则测得的数据变化情况很不稳定。对于心率和血氧这两个参数也同样当被测者紧张的时候，心率会增大，血氧会增加，这个可以作为一个参考因素。还有一个参数是油门踏板踩下过程中的位置变化情况，我们可以测量的参数有踩得深浅程度（位移），踩得快慢程度（速度），踩下踏板快慢程度的变化情况（加速度）这三种。从国内外对相关方面进行研究的情况来看，选用的参数也不外乎这三种。我们知道现在的汽车已经采用电子节气门技术，其控制原理是：驾驶员操纵加速踏板，加速踏板位置传感器产生相应的电压信号输入节气门控制单元，控制单元首先对输入的信号进行滤波，以消除环境噪声的影响，然后根据当前的工作模式、踏板移动量和变化率解析驾驶员意图，计算出对发动机扭矩的基本需求，得到相应的节气门转角的基本期望值。然后再经过CAN总线和整车控制单元进行通讯，获取其他工况信息以及各种传感器信号如发动机转速、档位、节气门位置、空调能耗等等，由此计算出整车所需求的全部扭矩，通过对节气门转角期望值进行补偿，得到节气门的最佳开度，并把相应的电压信号发送到驱动电路模块，驱动控制电机使节气门达到最佳的开度位置。节气门位置传感器则把节气门的开度信号反馈给节气门控制单元，形成闭环的位置控制14。节气门驱动电机一般为步进电机或直流电机，两者的控制方式也有所不同。驱动步进电机常采用H桥电路结构，控制单元通过发出的脉冲个数、频率与方向控制电平对步进电机进行控制。电平的高低控制步进电机转动的方向，脉冲个数控制电机转动的角度，即发出一个脉冲信号，步进电机就转动一个步进角，脉冲频率控制电机转速，转速与脉冲频率成正比。因此，通过对上述三个参数的调节可以实现电机精确定位与调速。控制直流电机采用脉冲宽度调制（PWM）技术，其特点有频率高，效率高，功率密度高与可靠性高。控制单元通过调节脉宽调制信号的占空比，来控制直流电机转角的大小，电机方向则是由和节气门相连的复位弹簧控制的。电机输出转矩和脉宽调制信号的占空比成正比。当占空比一定，电机输出转矩与回位弹簧阻力矩保持平衡时，节气门开度不变；当占空比增大时，电机驱动力矩克服回位弹簧阻力矩，节气门开度增大；反之，当占空比减小时，电机输出转矩和节气门开度也随之减小。我们可以看出发动机功率的增减适合节气门开度的大小或者是油门踏板位移的大小有关的，但是我们若是采集节气门旋开角度的大小或者是油门踏下位移的大小作为判断误踩是不太合适的，因为发动机在正常情况下大负荷工作时节气门旋开的角度与误踩情况下节气门旋开的角度很难辨别。这里我们再讨论一个细节，就是误踩时将油门踏板踏到底的时间很短暂，而车辆在正常驾驶情况下踏下油门踏板的时间较长。所以我们引入时间变量，即将油门踏板踩下深浅的程度（位移）对时间求导数，得出了踩下油门踏板的快慢程度（速度），根据这个踩下速度的大小我们可以判断是否是误踩。如果我们再将这个量对时间求一次导数，本质上就是把踩下油门踏板的位移对时间求二阶导数，也就是踩下油门踏板的加速度，通过这个量我们在一定程度上更早的判断是不是误踩。在误踩油门这种极其危险的误操作现象中，系统检测到的时间越早对当事人越有利，误操作造成的损失越小甚至可以避免。比如汽车以接近百公里的时速狂奔，发现紧急情况时，如果能提前0.1秒实施制动，那么可能使汽车停下的距离就会减少接近3米，而这3米在很多情况下可以避免巨大的损失甚至挽救许多生命。所以我们方案实施过程中，选用了价格稍贵些的加速度测量模块，测量踩下油门过程中的加速度值。其次，测量这些生理参数过程中所用的设备价格昂贵，动辄好几万，万一应用在系统中，将会是整个系统的成本剧增数十倍乃至上百倍，比如让一辆5万左右的QQ车安装一个10万左右的防误踩油门的装置显然是不现实的，这势必会使该系统普及举步维艰。另一方面是在实验过程中被测量者手臂上绑着血压脉搏测量绑带，额头上用医用胶带粘着血氧心率测量探头，不仅不能做一些幅度较大的动作，而且感觉就像一个病人似的接了各种各样的仪器。我们不妨想象一下，一个新手本来对车辆驾驶就不熟练，再让他身上接上各种各样的设备，同时不允许有大幅度的动作，在实际驾驶过程中该有多么不舒服，很容易引起他们的反感和排斥，这样整套系统也就起不到了任何作用。我们在试验过程中还发现正常踩下油门踏板的加速度和应该急刹车时误踩下油门踏板的加速度有很大的差别、很容易区分。所以我们决定抓住主要特征，舍弃次要特征，将踩下油门踏板的加速度大小作为判断是否误踩的标准，不再选用这些生理参数。在接下来的实验过程中因为仅仅选用油门踏板踩下的加速度作为参照标准，不影响实验结果的前提下大大降低了整个系统的成本，简化了实验的步骤，提高了效率和系统的稳定性。另外从人机工程学的角度来看，人作为人机交互系统中的主要因素，是个多变的因素，许多因素还会因时、因地、因人、因年龄、因情绪、因性别等的不同而变化。考虑到这种原因，我们必须根据人机工程学中的人体测量数据来进行设计，少数几次的测量数据不能作为设计的依据，必须进行广泛而又深入的实验。汽车是一种在人群中广泛使用的产品，故设计时需要的是一个群体的人体测量数据，通常该项数据是通过统计的方法获得。为了得到更大的适用性，人体测量数据常以百分位数来表示人体测量数据的等级，百分位数是一种位置指标，一个界值，以符号表示，一个百分位数将总体或样本的全部测量值分为两部分，有K%的测量值等于或小于次数，有（100-K）%的值大于此数。最常用的是第5、50、95三个百分位数，分别为、。本文所讨论的设计中主要用到这个百分位数。油门踏板的加速度主要由人体生物力学参数中的腿部和脚部的加速度决定，根据人机工程学中的人体测量参数可得到这个人体参数的腿部和脚部的加速度值，表示有5%的人群的腿部和脚部的加速度小于此值，而另外95%的人群的腿部和脚部的加速度都大于此值，所以认为对于绝大多数人来说误踩油门的情况下腿部和脚部的加速度值应该大于对应的这个值。这就保证了安装有该系统的车辆不会在急加速、超车等大负荷工况下出现误判。在这个腿部和脚部的加速度值下加速踏板可以得到一个加速度值.因此我们将加速度踏板的加速度分为两个区域：a，a。当加速度处于a区域时，可判定为正常加速操作；当加速度在a区域时，可判定为误踩操作。这个第5百分位数对应的加速度值就是需要我们实验测定的数值15。2.2 控制模块方案的论证我们在实验数据测试，确定加速度阈值的时候，可以通过计算机来采集数据。但是真正应用的时候还需要一个控制各个机电零部件协调工作的模块。关于控制模块的选择大致有三种方案：方案一：选用可编程逻辑控制器PLC。该方案结构简单，但是功能单一，程序可移植性和可读性差，所以我们放弃了这个方案。方案二：使用51单片机。51单片机具有体积小，功耗低，价格便宜，可以用简单明了的C语言进行编程，程序的可移植性和可读性好等优点。但是51单片机的端口驱动能力弱，集成的功能少，为了弥补这些不足势必会增加额外的元器件，不仅增加了成本，更重要的是降低了系统的可靠性。方案三：选用STC12单片机。STC12C5A60S2单片机与51单片机基本相似，但是增强型的51单片机，也可用简单明了的C语言进行编程，程序的可移植性和可读性好等优点。但是STC12单片机可以AD转换，而且STC系列单片机支持串口程序烧写。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护程序16。2.3 辅助制动机构方案的论证2.3.1 汽车制动系统的工作原理汽车的正常制动的原理如图2.2所示，踩下制动踏板后，真空助力器将制动踏板的力增大后送入制动主缸，使制动主缸分配一定的液压到制动轮缸，利用旋转元件和固定元件之间的摩擦，产生一个与牵引力矩方向相反的制动力矩，作用在车轮和地面上，使地面对车轮产生一个与牵引力方向相反的制动力，使汽车减速以至停车17。当放开制动踏板时回位弹簧即将制动蹄拉回原位，制动力消失。图2.2 传统制动系统工作原理2.3.2 误踩油门时紧急制动措施制动系统的好坏是汽车能否安全行驶的关键。制动系统所要实现的功能主要包括：使汽车减速；在预定的距离内停车；不跑偏，不甩尾。其主要结构主要包括操纵机构、传动机构，制动压力调节机构、制动器等。汽车的制动系统分为4种制动系统，包括行车制动系统、应急制动系统、驻车制动系统和辅助制动系统。在汽车的行驶过程中，主要使用行车制动系统，即降低汽车的行驶速度或停车。为保持改造工序的尽量简单，判定误踩油门后的紧急制动方法应该基于原制动系统。我们初步考虑的方案有以下几种：（1） 在汽车制动系统管路中增加一个液压泵，当接收到误踩油门的信号后，液压泵往制动管路中供给高压油，推动制动轮缸中的活塞移动，达到实现制动的目的。液压泵需要供给的高压油的流量并不需要太多，所以体积就可以做的很小。这是它显著的优点。但是在汽车停止后，为了保证不影响原有制动系统的使用，必须减少制动管路中的一部分液压油，减少的体积需要恰好等于刚才增加的那部分高压油的体积。在实际中真正做到这一点是比较困难的，如果减少的体积少于增加的体积，无形中会使原有的匹配良好的制动系统管路出现多余的油，车辆行驶过程中正常制动就可能导致制动管路泄露甚至爆裂，使制动系统失效。如果减少的体积多于增加的体积，车辆行驶过程中正常制动就会出现制动不足刹不住车的现象，也是十分危险的。（2） 在汽车制动踏板背后固定一钢索，由于钢索比较柔软，又能承受很大的拉力。在正常制动过程中，不影响制动踏板踩下；系统检测到误踩油门（此时驾驶员的脚踩在油门踏板上而不是制动踏板上）发生时，发出相应的控制信号，使辅助制动系统中的动力源通过钢索迅速地将制动踏板拉下，达到与驾驶员脚踩制动踏板相同的效果，可是这个动力源的选择又需要考虑很多问题。若采用液压油缸，如果液压油的来源是发动机的机油的话，油缸的截面积需要很大，不可避免的带来体积庞大、质量较大，甚至还有机油泄漏污染环境等问题，更关键的是油缸活塞的移动速度缓慢，不能在最短的时间内将制动踏板拉下，可能错过挽救损失的最佳时机，达不到理想的效果。若采用电动机带动绞盘。根据资料，我们得知普通乘用车的制动踏板的行程在150mm左右、制动力500N左右，出现误操作时要求它在最短的时间内拉下制动踏板，使得制动管路中迅速建立起压力，推动制动轮缸工作，让行驶汽车很快的停下来。我们可以大致估算一下电机的功率5000.15/（0.150%）=1.5kw，式中我们取制动时间t=0.1s，效率=50%。在普通乘用车14v电压系统中，如此大功率的电动机需要的工作电流达到100多安，在乘用车的零部件中只有启动电机符合这个功率要求。为了保证在汽车停止后，辅助制动机构不影响原有的制动系统，所以在钢索在汽车停止后应该回来的原来的位置，这就需要电动机反转。经过对启动电机的仔细观察和分析，发现启动电机负极始终搭铁，要想保证电机正反转均不出现问题，必须对电机内部原有的电路加以改造，我们在实际操作过程中发现这种永磁直流启动电机的工作电流100多个安培，在启动瞬间的电流又是工作电流的5倍以上，断开瞬间的剩余电动势亦是非常惊人，为了保证电机可靠的进行正反转转换，整个电路模块相当庞大，价格不菲，加上启动电机非常笨重，我们最后放弃了这个选择。（3） 最终我们考虑用一个三位三通电磁阀和电动液压泵在一般制动系统基础上设计一套自动制动操作机构。当系统需要自动制动时电控单元输出电脉冲给油泵电机，三位三通电磁阀通电开始工作，实现自动制动。2.4 燃油供给断开机构方案论证由于驾驶员误踩下油门踏板的之后，节气门大开，发动机将会发出相应工况下的最大功率，如果这个时候我们的辅助制动机构将制动踏板迅速的拉下，实际上就是既将油门轰到最大又将刹车踩到底，不仅会导致制动距离增大，而且会对汽车本身造成很大的伤害，所以我们要求执行机构能在发现驾驶员误操作时迅速制动的同时切断燃油供给。现在的汽车已经采用电子节气门技术，汽车电子技术也是未来发展的趋势，本设计基于电子节气门进行燃油断开机构设计，其控制原理是：驾驶员操纵加速踏板，加速踏板位置传感器产生相应的电压信号输入节气门控制单元，控制单元首先对输入的信号进行滤波，以消除环境噪声的影响，然后根据当前的工作模式、踏板移动量和变化率解析驾驶员意图，计算出对发动机扭矩的基本需求，得到相应的节气门转角的基本期望值。然后再经过CAN总线和整车控制单元进行通讯，获取其他工况信息以及各种传感器信号如发动机转速、档位、节气门位置、空调能耗等等，由此计算出整车所需求的全部扭矩，通过对节气门转角期望值进行补偿，得到节气门的最佳开度，并把相应的电压信号发送到驱动电路模块，驱动控制电机使节气门达到最佳的开度位置。节气门位置传感器则把节气门的开度信号反馈给节气门控制单元，形成闭环的位置控制。节气门驱动电机一般为步进电机或直流电机，两者的控制方式也有所不同。驱动步进电机常采用H桥电路结构，控制单元通过发出的脉冲个数、频率与方向控制电平对步进电机进行控制。电平的高低控制步进电机转动的方向，脉冲个数控制电机转动的角度，即发出一个脉冲信号，步进电机就转动一个步进角，脉冲频率控制电机转速，转速与脉冲频率成正比。因此，通过对上述三个参数的调节可以实现电机精确定位与调速。控制直流电机采用脉冲宽度调制（PWM）技术，其特点有频率高，效率高，功率密度高与可靠性高。控制单元通过调节脉宽调制信号的占空比，来控制直流电机转角的大小，电机方向则是由和节气门相连的复位弹簧控制的。电机输出转矩和脉宽调制信号的占空比成正比。当占空比一定，电机输出转矩与回位弹簧阻力矩保持平衡时，节气门开度不变；当占空比增大时，电机驱动力矩克服回位弹簧阻力矩，节气门开度增大；反之，当占空比减小时，电机输出转矩和节气门开度也随之减小。本设计通过单片机判断误操作后，输出PWM波信号给汽车节气门控制单元，通过节气门电机控制器，控制节气门电机关闭节气门以实现动力中断。2.5本章小结这一章论证了基于人机工程学的新型制动系统的两个主要部分的实施方案，一是把踩下油门踏板的加速度大小作为误踩的判定标准，二是系统检测到误踩油门发生时，辅助制动机构迅速工作，同时控制节气门电机切断车辆的燃料供给。降低损失，将误踩油门可能引发的伤亡事故最大程度的减少，有很好的可行性以及很强的现实意义。3 基于人机工程学的新型制动系统的实施方案3.1 误踩油门判定由前面方案论证过程中，我们选择的最重要的判断参数是踩下油门踏板过程中的加速度值的大小。因此需要对踏下油门踏板的加速度进行大量的数据采集，然后整理分析，得出结论。3.1.1 加速度的传感器的选用我们采用的是采用MPU-6050型加速度传感器，这种传感器将信号采集电路和调理电路都封装在一块很小的芯片中，具有抗干扰能力强，外围电路简单，性价比高等优点。引脚示意图如图3.1： 图3.1 MPU-6050型加速度传感器引脚设计意图在正常情况下，3.3V供电，输出x、y、z轴的模拟电压，这种电容式加速度传感器的测量原理是两片有一定弹性间距的平板，两个平板构成一个电容，由于物体的运动，导致两平板之间的距离发生变化，从而相当于改变电容的极板间距即改变电容，因此改变输出电压。加速度的大小与电容平板上的电荷变化有关；或者说，加速度与输出电压的变化有关，而与输出电压的初始位置状态无关（即与平板电容的初始电容量无关）。所以加速度的测量一定要用实时的输出电压与传感器位置固定初始输出电压相减，才能得到正确的最终结果。该加速度模块的各种参数是根据电源电压进行测定和标称的，当电源电压变化时所得到的参数也会发生变化，因为其输出灵敏度会随电源电压的不同而不同，所以实验中应选定一量程和灵敏度进行测量。加速度为0时的输出电压与电源电压相关，约为/2（为传感器供电电压），当有加速度时根据输出电压和灵敏度判断加速度的大小和方向。本设计中电源电压为3.6V，量程和灵敏度为800mV/g，即在输出电压为1.8V左右时加速度为0,输出电压每增加800mV，加速度增加1g，实验过程中我们取1g=9.8m/s2。3.1.2 误踩加速度的确定要判定误踩，则需要加速度阈值，即，这个数值的测定根据人机工程学中的人体参数测量原理应该多次测量得出。我们通过多次测量新手驾驶员（刚刚考过驾照或驾驶实习过的同学）正常情况下踩加速踏板（轻加油）和紧急情况下误踩（快速）加速踏板时加速度值，由统计方法可得出正常情况和紧急情况下误踩的加速度数值的大小，从而确定出加速度阈值。下面分别是几位新手驾驶员正常情况下踩加速踏板（轻加油）和紧急情况下误踩（快踩）加速踏板时加速度值。1） 甲同学是一位比较瘦小的男生，从表3-1数据中我们不难看出，该同学正常踩下加速踏板的情况下，加速度最大值不超过1.5 m/s2；紧急情况下迅速踏下踏板时，加速度最小值大于6 m/s2。我们可以很清楚地看到正常踩下油门与误踩下油门两者加速度的大小有很明显的区别。表3-1 甲同学踩油门踏板的加速度值分布情况编号正常踩加速度最大值误踩加速度最小值10.628410.054821.12456.007431.39049.997540.98616.093151.47988.080561.031510.085170.710811.856280.93328.988891.189812.0065101.02768.6562110.96718.9055120.993910.4695130.85959.9068141.02878.3658151.16589.66782） 乙同学是一位高大健壮的男生，从表3-2数据中我们不难看出，该同学正常踩下加速踏板的情况下，加速度最大值不超过2.0m/s2；紧急情况下迅速踏下踏板时，加速度最小值大于17 m/s2。从加速度分布曲线图中，我们同样可以很清楚地看到正常踩下油门与误踩下油门两者加速度的大小有显著的差别。表3-2 乙同学踩油门踏板的加速度值分布情况编号正常踩加速度最大值误踩加速度最小值11.658419.153321.266620.062431.390417.634240.986121.353151.329820.566561.031519.085170.810618.856280.933220.458891.189821.2465101.027618.5462110.867520.9024120.973617.4755130.856320.9468141.158718.3658151.025819.66783） 丙同学是一位身高和体重介于前面两位同学之间的男生，从表3-3数据中我们不难看出，该同学正常踩下加速踏板的情况下，加速度最大值不超过2 m/s2；紧急情况下迅速踏下踏板时，加速度最小值大于8 m/s2。从加速度分布曲线图中，我们同样可以很清楚地看到正常踩下油门与误踩下油门两者加速度的大小有显著的差别。表3-3 丙同学踩油门踏板的加速度值分布情况编号正常踩加速度最大值误踩加速度最小值11.137111.152621.20319.103230.942310.657541.286120.223151.45988.080561.099910.687170.71089.367580.933215.367591.256212.0065101.027613.5467110.865310.3657121.354617.3576130.859516.3657141.242320.3687150.987519.346744） 丁同学是一位身高和体重偏向于瘦弱类型的女生，从表3-4数据中我们很容易看出，该同学正常踩下加速踏板的情况下，加速度最大值不超过2 m/s2；紧急情况下迅速踏下踏板时，加速度最小值大于5m/s2。从加速度分布曲线图中，我们同样可以很清楚地看到正常踩下油门与误踩下油门两者加速度的大小有显著的差别。表3-4 丁同学踩油门踏板的加速度值分布情况编号正常踩加速度最大值误踩加速度最小值10.453211.346720.86549.346530.68758.344240.98616.093150.75649.341761.03159.346170.57617.346180.78136.345191.39865.3164101.02766.4316110.543110.3461121.13248.3461130.85958.3679140.67317.3168150.76839.6425我们查找一些有关人机工程学资料发现，一般女性的肌力比男性约低20%-35%，但是汽车厂商提供的汽车，大部分是不管男性还是女性都可以驾驶的18。实验之初，进行方案论证的时候，我们一致认为当一个高大健壮的男士和一个瘦小文弱的女士遇到同样紧急情况发生误踩油门时，踩下踏板的加速度肯定有相当大的区别，这点很好识别；但是当这个男士在需要车辆急加速的时候，可能踩下油门踏板的加速度也不小，那么这个加速度和那个女士“误踩油门”时的加速度是不是还有很明显的区别呢，此时就出现了分歧。于是我们让上面几位同学做了大量实验，其中乙同学是一位高大健壮的男生，而丁同学是一位瘦小文弱的女生。在几十次实验过程中，乙同学正常加速过程中踩下油门踏板的加速度最大值小于2.0m/s2