基于模糊算法的汽车智慧预警制动辅助驾驶系统的开发与研究

中图分类号：TP272 文献标志码：A

引言

汽车安全是汽车产业发展的一大主题 ， 也是汽车最基础、最重要的性能。汽车安全对于车辆来说分为被动安全和主动安全两大方面，被动安全是指汽车在发生事故以后对车内乘员的保护；主动安全是使用前进技术和装备，主动预防、避免碰撞或者是减少事故的发生率获降低碰撞伤害 [1]。主动安全技术能够主动避免人员与车辆的损失，尤其是可以避免事故发生所引起的间接损失，因此，汽车主动安全技术是未来汽车安全发展的重点。

除了汽车本身以外，没有良好的驾驶习惯，驾乘人员也是不安全的，甚至反而会使安全配备无法发挥其应有作用。据相关部门调查统计，由于驾驶员注意力不集中导致刹车不及时引发的交通事故占交通事故中 60% 左右，由于慌乱、疲劳驾驶等原因，而导致刹车不及时所引发的交通事故占有很大的比例，来不及刹车或误踩油门，导致车辆制动不及时造成更为严重交通事故。

通过充分调研，目前只有部分中高端汽车有倒车及低速行驶提醒、自动制动功能，功能相对单一；而且只有部分高端汽车上有防误踩的功能，未能普及。市场上并未有集预警、自动制动及防误踩三者一体的智慧系统，并且未普及化。为了避免驾驶员在紧急情况下刹车不及时或误踩油门这种情况的发生，汽车行业迫切需求判断精准、反应灵敏的智慧预警制动辅助驾驶系统，将更高性能、更高集成、更低成本的技术产品开发作为研发主体，因此，研发一种符合驾驶员行为特性的智慧预警制动辅助驾驶系统具有突出的理论研究意义和实用价值。

1 系统设计思路

本系统设计方案具备三个递进式的功能：低速预警功能；自动制动功能；油门防误踩功能。当车辆车速小于 20km/h ，系统发出提示音，警示周边行人及车辆；当信号采集模块（各类传感器实时监测）识别车辆前方 4 米内有障碍物且刹车踏板无压力信号，油门踏板仍然有信号时，车速在 20-60km/h 时，系统判断汽车有异常碰撞隐患，立刻紧急制动；当误踩油门时，主控模块分析采集到的各类传感器数据，分析比对，应用模糊算法精准判定误踩油门，驱动执行模块使汽车紧急制动并发出预警提示音警示驾驶员松开油门，同时提醒周边人员紧急避让。

2 系统设计方案

汽车智慧预警制动辅助驾驶系统主要由主控模块、信号采集模块、执行模块、电源模块、预警模块及存储模块组成，整体设计框图如图1 所示。

2.1 主控模块

系统主控模块是对于整体系统而言是非常重要的一个模块，数据分析、比对、计算，都在控制器里进行，随之做出正确且合理的判断，及时驱动执行模块动作。项目组通过比对各类控制器，最终选择 MSP430 系列单片机（MSP430F552）[6]。

MSP430 系列单片机是一种16 位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）[6]。这一系列单片机处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富，内部中断源较多，可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的低功耗状态时，中断唤醒只需 5μs^[6]∘ 。开发语言主要有汇编语言和C 语言，其电路图如图2 所示。

图1 系统原理图

图 2 MSP430 单片机电路图

2.2 信息采集模块

信息采集模块主要是通过各类传感器来实时采集汽车运行时的实时状态数据，主要由五个传感器和一个测距雷达组成，传感器主要有节气门位置传感器、油门加速度传感器、油门踏板压力传感器、刹车踏板压力传感器及车速传感器，其中车速信号通过 CAN 模块获取，节其余传感器和雷达各自与主控模块连接 [7]。信息采集模块中各传感器实时采集汽车状态信息，主控模块实时比对各类阈值信息，当判断出现该制动时未制动、驾驶员误踩油门行为时，及时驱动执行模块采取一定措施 [5]。现将各个传感器模块结构原理分述如下：

2.2.1 节气门位置传感器

节气门位置传感器是用来测量节气门开启的开度和时间这两个参数 [8]。通过多次实验测试数据证明，汽车正常加速和突发状况加速下节气门的开度和变化时间两个参数有很明显的差距 [7]。在紧急情况下，若是驾驶员精神紧张，慌乱中想踩刹车时误踩油门，通常都是将油门当刹车一踩到底，节气门阀门会以最快的速度迅速开到最大 [8] ；当正常行驶加速时，节气门开度肯定是有一定节奏的缓慢增大；最后根据反复实验数据测试，得出节气门正常加速开度的相关参数，凡是数据与正常开度参数差距太大时，就表示汽车提速异常，有误踩的可能性 [7]。

2.2.2 油门踏板加速度传感器

油门加速度传感器主要用于监测油门踩踏的加速度，安装于踏板的底部，实时检测驾驶员踩油门的加速度，配合油门踏板压力传感器一起采集信号，当误踩油门踏板时，通常会用最大力、最快速度一踩到底，与正常行驶时加速踩踏板相比，驾驶员踩踏速度要比正常情况下快几十倍，差距很大 ^[7]∘ 。同上，特选取了 100 位不同年龄段、不同性别的男女老少驾驶员样本进行测试统计，分别得到正常踩踏、紧急踩踏和误踩油门踏板三种情况下踩踏板的加速度数据，如表1 所示。

表1 踩踏板加速度力测试数据

由上表数据可知，三种情况踩踏时，加速度有很大的差别，正常情况下踩踏板的加速度应该是小于 10m/s² 左右；紧急情况刹车时，加速度大概在 30-40m/s² 左右，而误踩油门时，加速度过大，超过 120m/s^2[7]o 综合以上三种情况数据分析，为了安全起见，最终把油门踏板加速度的阈值取在 40m/s² （ a₀=40m/s² ）比较合适 [7]。当油门踏板加速度超过阈值 a₀ 时，主控模块驱动执行模块及时动作，采取一定制动措施。

笔者通过查阅各种加速度传感器资料，最终选用 MPU-6050 传感器，它是一种空间运动型传感器芯片，其功耗低，精度高，可以及时获取器件当前的三个加速度分量和三个旋转角速度 [7]，其电路如图3 所示。

图 3 MPU-6050 电路图

系统判断驾驶员是否误踩，主要是以上所阐述的节气门位置传感器、油门踏板压力传感器、油门踏板加速度传感器三个传感器实时检测驾驶员油门踩踏情况做出判断，当三个传感器都达到（或超过）阈值才能判定汽车油门误踩 [7]。也就是说节气门开度迅速变到最大、油门踏板压力 f⩾295N ， 油门踏板加速度 agtrsim40m/s² 时，主控模块接收三个传感器信号，综合比对阈值分析，系统判定油门误踩。

2.2.3 油门踏板压力传感器

油门踏板压力传感器是用来检测驾驶员踩踏油门踏板的力度，安装于油门踏板处，正常行驶时，踩油门的力度大概在几十牛左右，发生突发状况或者误踩的时候，脚作用力大的时候几乎可达几百牛左右 [7]。踏板受力会因年龄段、男女老少差异因人而异，特选取了 100 位不同年龄段、不同性别的驾驶员样本进行采样测试统计，分别得到正常踩踏、紧急踩踏和误踩油门三种情况下踩踏板的力度数据，如表2 所示。

表2 踩踏板压力测试数据

由表 1 数据可见，误踩油门和紧急情况踩踏时还是有明显差距的，很好区分，所以当驾驶员误踩油门时，踏板压力传感器测试出的压力大于临界阈值（ f₀=295N ）时，就可以判断驾驶员有误踩油门的可能性。笔者类比市场上各种压力传感器的性能，最终选择 DF9-40 系列电阻式薄膜压力传感器，在刹车踏板压力传感器中详述 [7]。

2.2.4 刹车踏板压力传感器

与油门压力传感器作用一样，刹车压力传感器是用来实施监测驾驶员踩踏刹车踏板的力度，它安装在制动踏板和制动液压系统之间，它的作用是测量制动踏板压力，发送到车载ECU，计算制动及控制预载荷以便控制制动系统的工作[10]。制动压力传感器实时监测刹车踏板踩踏压力，并实时向控制单元提供制动管路内的实际压力信号，控制模块根据这个压力信号计算出车轮制动力及作用在车上的纵向力 [6][7]。

笔者通过比较各种压力传感器的性能，最终选用与油门踏板压力传感器一样的 DF9-40系列电阻式薄膜压力传感器，安装在刹车踏板上完全不影响驾驶员驾驶，其外观如图4 所示。

图4 DF9-40 系列电阻式薄膜压力传感器

DF9-40 系列电阻式薄膜压力传感器是一款具有优异柔韧性和稳定性的电阻式薄膜压力传感器，轻薄附着力强，灵敏度高，耐久性好，输出电阻随着传感器表面压力的变化而变化，有很好的防水和压敏功能，通过特定的压力、电阻的关系，可以测量压力大小，通过压力转化模块连接 MSP430 单片机。

系统加装刹车压力传感器主要是与油门压力传感器、测距雷达等配合，实时监测汽车前方有人或其他障碍物时，刹车踏板没有压力信号，而油门压力传感器信号仍然有信号时，主控模块综合油门加速度传感器、油门踏板压力传感器以及节气门传感器等实时数据，判断驾驶员是否误踩油门，及时驱动执行模块。

2.2.5 车速传感器

车速传感器是用来实时检测汽车车速的装置，汽车 ECU 用车速传感器输出信号来控制发动机怠速，自动变速器的变扭器锁止，自动变速器换档及发动机冷却风扇的开闭和巡航定速等其它功能 [6][10]。目前，常用的车速传感器一般有电磁式、霍尔式车速传感器、光电式等，主控模块通过CAN 模块获取车速信号，判断当前车速情况。

2.2.6 测距雷达

常用的测距方法一般有超声波测距模块、红外测距模块和雷达测距模块等等。超声波测距和红外测距测试时精度偏低，不太适用于精准测量；而雷达测距模块优点较多，穿透力强、测量距离范围比较广、体积小、分辨率高、数据相对精准、抗干扰能力强，反隐身能力强，对于系统识别障碍物完全符合要求。

笔者经过比对适合系统使用的各种雷达，最终选用美国 Delphi 毫米波雷达。Delphi 公司生产的高级 ESR 雷达固态技术可靠，性能优良、封装、耐久性可靠，易于集成 [6][7]。这款雷达抗恶劣环境和振动性能，识别距离、速度和角度数据双重目标区分能力比较精准，同时发送和接收脉冲多普勒波形设计，单独测量角度和速度，判断丛生的固定目标能力也比较强。ESR 雷达输出精确的测量数据，广阔的应用功能包括自动巡航控制（ACC），前向碰撞警告（FCW），刹车支持和间隔距离报警等 [6][7]。

2.3 电源（含唤醒电路）模块

系统方案中的电源模块包括主电源单元和唤醒单元。系统主电源单元为汽车常电，给其他电路板做低功耗供电，实时传递信号至主控模块，当检测到车速大于 0m/s 时，及时唤醒智慧制动辅助驾驶系统[6]。电源模块电路连接图如图5 所示，主电源单元包括双向稳压二极管、电容、电感、场效应管以及保险丝等组成，采用两组电容并联能够起到良好的滤波作用，还可以减小容抗；电容值大的一组是用来滤波，小的一组电容是用来消除大的电容在高频时产生的感性特性[6]。唤醒单元电路是由两组三极管、电阻、电容组合连接成差分对称电路，RC滤波电路也对称滤波，使得系统响应快，唤醒速度快。

图5 电源模块图（含主电源和唤醒单元）

2.4 执行模块

执行模块主要有两个部分，怠速控制系统和 ABS 控制系统。当系统判断驾驶员未及时制动或者是误踩油门后，直接“断油”策略会造成汽车的突然不稳定，会有一定的风险 ， 所以一般不建议采用。主控模块判断驾驶员未及时制动时，立即发送信号驱动发动机怠速控制，通过控制节气门电机，使节气门闭合，使发动机进入怠速状态，启动 ABS 系统工作，汽车进行制动；同时预警模块启动，喇叭发出急促的提示报警声，提醒驾驶员误踩油门踏板，松开油门踏板，同时放大音量提醒周边人员避让 [9]。

2.5 预警模块

预警模块主要作用是提醒驾驶员低速行驶和误踩油门时及时提醒驾驶员及周边行人，该模块为笔者 2023 年省级自然科学基金重点项目（基于 MKE06Z64 的电动汽车 VTS 低速行驶提醒系统设计KJ2020A1086）研究成果，已经研发成功应用，在此不再详述。

3 软件设计

系统工作流程设计为“三步递进式”，主控模块接收信号采集模块的信息，精准判断驾驶员遇到突发情况是否刹车不及时或误踩油门，及时采取安全制动措施车辆并同时发出警报。

低速预警功能：车速低于 20km/h 行驶时，汽车一般处于住宅区、人流密集路段等复杂环境；主控芯片会发出指令给预警模块，发出提示音（可手动关闭）；

自动制动功能：主控模块分析信息采集模块数据，当车速在 20km/h-60km/h 时，油门仍有信号，刹车踏板压力无信号，主控模块驱动执行模块，使车辆紧急制动，驱动预警模块并发出急促的“滴滴”声，提示驾驶员松开油门，同时发出警示音提醒周边人员躲避，从而避免事故的发生；

油门防误踩功能：主控模块运用模糊算法对信号采集模块的六个传感器信息进行判断，综合分析节气门开度是否大于 80% ，油门加速度是否大于 122.3m/s² ，油门踏板压力是否大于 295N 等阈值，精准判断是否误踩油门，及时控制车辆，紧急制动，同时发出提示音提醒驾驶员松开油门及周边人员。

为了提高系统的自动化、智能化和精度，应用算法进行优化。常用智能算法有很多，如模拟退火算法、遗传算法、模糊算法、天牛须搜索算法等 [8]。经过笔者多次试验及比对，最后选定模糊算法来辅助系统，提高系统对是否误踩油门判断精度。系统工作设计流程如图 6所示。

图6 系统流程图

4 结语

笔者设计开发了一款具有“三步递进式”的汽车智慧预警制动辅助驾驶系统。该系统在实车上加装应用取得了良好效果，解决了驾驶员因刹车不及时或误踩油门带来的安全隐患，同时整合了低速行驶预警功能，更进一步提高了汽车的主动安全性能，有一定的现实意义。

参考文献：

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[8] 秦浠莲. 模块化的防误踩油门系统的研究与实现[D]. 广西大学，2018

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作者简介：陈梦雅（1989.12-）女，汉族，安徽六安人，本科，讲师，研究方向：新能源汽车技术。

向楠（1983.10-）女，土家族，湖北恩施人，硕士，教授，研究方向：汽车电子。

基金项目：1、安徽省 2023 年省自然科学基金项目（项目号：2023AH052743）

2、安徽省 2023 年省中青年教师培养行动青年骨干教师境外访问研修项目（JWFX2023050）

3、安徽省 2022 年质量工程汽车检测与维修技术专业教学资源库（2022jxzyk010）