一种油门防误踩和主动刹车系统及其主动刹车方法
阅读说明：本技术 一种油门防误踩和主动刹车系统及其主动刹车方法 (Accelerator mistaken-stepping prevention and active braking system and active braking method thereof ) 是由 康志彬 孟庆华 赵鑫 彭玉东 郑和洋 慎智勇 邓基辰 于 2020-12-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种油门防误踩和主动刹车系统及其主动刹车方法。本发明一种油门防误踩系统,包括主动刹车电磁管、油门防误踩电磁管、底板、控制器、前视摄像头、踏板底部摄像头和安全按钮。油门防误踩电磁管的两端与底板、油门踏板分别铰接。主动刹车电磁管的两端与底板、刹车踏板分别铰接。主动刹车电磁管和油门防误踩电磁管结构相同,均包括包括上吊耳、上铁芯、上励磁线圈、下吊耳、下铁芯、下励磁线圈、主伸缩管、回位弹簧和橡胶防尘套。本发明能够用于对现有的无自动刹车功能的车辆进行改造,仅通过简单安装,就能够实现车辆的油门防误踩和自动刹车功能；并且本发明在检测到油门误踩时,能够利用电磁斥力阻挡驾驶者踩下油门踏板,并利用电磁吸力进行自动刹车。(The invention discloses an accelerator mistaken-stepping prevention and active braking system and an active braking method thereof. The invention relates to an accelerator mistaken-stepping prevention system which comprises an active brake electromagnetic tube, an accelerator mistaken-stepping prevention electromagnetic tube, a bottom plate, a controller, a forward-looking camera, a pedal bottom camera and a safety button. Two ends of the accelerator anti-misstep electromagnetic tube are respectively hinged with the bottom plate and the accelerator pedal. Two ends of the active braking electromagnetic tube are respectively hinged with the bottom plate and the brake pedal. The active brake electromagnetic tube and the accelerator are identical in structure of the mistaken stepping prevention electromagnetic tube and comprise an upper lifting lug, an upper iron core, an upper excitation coil, a lower lifting lug, a lower iron core, a lower excitation coil, a main telescopic tube, a return spring and a rubber dustproof sleeve. The invention can be used for transforming the existing vehicle without the automatic braking function, and can realize the functions of preventing the accelerator from being stepped by mistake and automatically braking the vehicle only by simple installation; when the invention detects that the accelerator is mistakenly stepped, the invention can utilize the electromagnetic repulsion to prevent the driver from stepping on the accelerator pedal and utilize the electromagnetic attraction to automatically brake.)
技术领域
本发明属于汽车主动安全技术领域技术领域，具体涉及一种油门防误踩和主动刹车方法及系统。
背景技术
近年来，国内的汽车保有量逐年上升，2020年汽车保有量将达到6.3亿辆或成全球第一。由此带来的交通拥挤问题日益突出，交通事故率也逐年上升。在引发交通事故的各类原因中，其中由于把油门当刹车而造成的交通事故占40％以上。据交通部门的不完全统计，每年由于把油门当刹车而产生的事故约9万起；伤约10万人；死亡约2.5万人。据统计，易将油门误踩的驾驶员多是新手驾驶员占70％。从汽车的结构来说刹车踏板和油门踏板相邻，易将油门误踩。从驾驶员的操作来说，当驾驶员遇到突发情况、汽车行驶在交通拥挤的路面，驾驶员过于紧张错把油门当成刹车造成交通事故。
国内对于油门防误踩系统做了大量的研究，相关专利有很多，可以分为两类：机械式、电控式。机械式根据油门踏板的踩踏速度或踩踏力来判断是否误踩，并限制油门踏板的运动，该方法易出现误判且控制精度低，纯机械式大多只限制油门踏板的动作没有进行制动无法保证汽车的行驶安全性。电控式MCU根据油门踏板速度、加速度、位置信息并结合雷达或摄像头探测数据综合判断是否误踩，识别到误踩后向汽车ECU发送控制指令进而控制汽车内部执行器节气门和电子真空助力器或外部执行器阻碍汽车加速并进行制动。该方法虽能准确判断误踩，但是需改动汽车内部线束安装复杂且汽车ECU很难接收外部控制的指令。因此亟需开发一种新型的油门防误踩系统，能够准确识别驾驶员的油门误踩动作，并能阻碍油门踏板继续动作，同时能根据汽车的周边环境采取合适刹车动作。该系统将极大提高汽车的主动安全性能。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提供一种结构简单，安装方便，使用成本低，可靠性高，灵活性高，可以实现油门误踩时根据汽车所处的环境实时调节制动踏板和油门踏板的开度的油门防误踩和主动刹车方法及系统。
本发明一种油门防误踩系统，包括主动刹车电磁管、油门防误踩电磁管、底板、控制器、前视摄像头、踏板底部摄像头和安全按钮。前视摄像头安装在车辆上。底板固定在驾驶舱的底部。油门防误踩电磁管的两端与底板、油门踏板分别铰接。主动刹车电磁管的两端与底板、刹车踏板分别铰接。主动刹车电磁管和油门防误踩电磁管结构相同，均包括包括上吊耳、上铁芯、上励磁线圈、下吊耳、下铁芯、下励磁线圈、主伸缩管、回位弹簧和橡胶防尘套。上铁芯、下铁芯分别滑动连接在橡胶防尘套内腔的两端。所述上吊耳、下吊耳的内端与上铁芯下铁芯分别固定。上励磁线圈绕置在上铁芯上；下励磁线圈绕置在下铁芯上。在油门防误踩电磁管中，上励磁线圈和下励磁线圈通电时，上铁芯与下铁芯之间产生斥力；在主动刹车电磁管中，上励磁线圈和下励磁线圈通电时，上铁芯与下铁芯之间产生吸力。主伸缩管设置在橡胶防尘套内的中心位置，且两端与上铁芯下铁芯分别固定。主伸缩管由回位弹簧提供恢复到伸长状态的弹力。
作为优选，所述的主动刹车电磁管和油门防误踩电磁管均还包括超声波位移传感器。所述超声波位移传感器包括超声波发送端和超声波接收端。超声波发送端和超声波接收端均安装在下铁芯的内侧面中心位置，且朝向上铁芯。
作为优选，本发明一种油门防误踩系统还包括安全按钮；安全按钮安装在方向盘上。安全按钮被按下时，主动刹车电磁管和油门防误踩电磁管均断电。
作为优选，踏板底部摄像头安装在车辆驾驶舱的底部，朝向油门踏板和刹车踏板，且带有补光灯。
作为优选，所述前置摄像头采用双目摄像头，安装在车内后视镜的前侧。
作为优选，所述油门踏板、刹车踏板的中下位置均开设有第一调节滑槽。油门踏板、刹车踏板上的第一调节滑槽上均安装有上连接件。上连接件能够与第一调节滑槽的不同位置固定。油门踏板、刹车踏板上的上连接件与主动刹车电磁管、油门防误踩电磁管内上吊耳构成转动副。
作为优选，所述的底板的顶面的两侧均开设有第二调节滑槽。两个连接滑块分别设置在底板的两条第二调节滑槽内；连接滑块能够在第二调节滑槽的不同位置固定。两个连接滑块与主动刹车电磁管、油门防误踩电磁管内下吊耳构成转动副。
作为优选，所述主伸缩管包括回位弹簧和依次排列相连的上一级滑筒、上二级滑筒、中间滑筒、下二级滑筒、下一级滑筒。上一级滑筒、上二级滑筒、中间滑筒的一端的直径由大变小，且依次套置；下一级滑筒、下二级滑筒、中间滑筒的另一端的直径由大变小，且依次套置；回位弹簧套置在上二级滑筒、中间滑筒、下二级滑筒上，且两端分别抵住上一级滑筒、下一级滑筒的内端面。
作为优选，橡胶防尘套内还设置有多根侧伸缩管；各侧伸缩管沿着主伸缩管的周向均布。侧伸缩管的两端与上铁芯下铁芯分别固定。
该油门防误踩和主动刹车系统的主动刹车方法，具体如下：
步骤一、前视摄像头检测车辆前方的安全距离内是否出现障碍物；若检测到车辆前方出现障碍物；同时，检测到油门踏板被踩下，且被踩下的速度大于预设误踩速度；则认为发生油门误踩。
步骤二、检测到油门误踩时，油门防误踩电磁管内的上励磁线圈、下励磁线圈通电，使得上铁芯与下铁芯之间产生排斥力，以抵抗驾驶员对油门踏板的踩踏力。同时，主动刹车电磁管内的上励磁线圈、下励磁线圈通电，使得上铁芯与下铁芯之间产生吸引力，实现主动刹车。
步骤三、当车辆前方的障碍物消失后，或安全按钮被按下时，认为油门误踩状态消失，主动刹车电磁管和油门防误踩电磁管均断电。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明能够用于对现有的无自动刹车功能的车辆进行改造，仅通过简单安装，就能够实现车辆的油门防误踩和自动刹车功能；并且本发明在检测到油门误踩时，能够利用电磁斥力阻挡驾驶者踩下油门踏板，并利用电磁吸力进行自动刹车。
2、本发明的油门防误踩系统采用前视摄像头、踏板底部摄像头以及电磁管内的超声波位移传感器来识别驾驶员的误踩动作，前视摄像头识别车辆前方的是否有障碍物，踏板底部摄像头识别驾驶员腿部动作，电磁管内的超声波位移传感器获取踏板的位置信息。当前视摄像头识别到车辆前方有障碍，底部摄像头识别到驾驶员踩向油门踏板，且超声波位移传感器检测到油门踏板位置发生较大变化，则系统判定此为误踩动作。这样可以充分保证误踩动作识别精度。
3、本发明的电磁管通过连接滑块、上连接件的设计，便于调整电磁管的角度及位置能够适应各种汽车的悬挂式油门踏板和刹车踏板，能够将其固定在油门踏板和底板之间，刹车踏板和底板之间，便于拆装。
4、本发明在油门踏板和刹车踏板上均安装电磁管，当系统检测到误踩时可以分别控制两电磁管的励磁线圈的通电大小和方向，使之在油门踏板上的电磁管的上、下永磁体之间产生斥力，阻碍油门踏板的继续运动，并给以驾驶员力反馈，同时在刹车踏板上的电磁管的上、下永磁体之间产生吸力，代替驾驶员踩制动踏板，并更具实际情况精确控制制动踏板的行程，高度保障汽车的行驶安全。
5、本发明的电磁管，通过主伸缩管和侧伸缩管，在踏板的运动过程中，各级滑筒和滑筒相对滑动可以改变该机构的尺寸，相对与普通的活塞式结构，更有利于布置在汽车踏板所处的狭窄空间。
6、本发明的电磁管，通过控制上下励磁线圈的通电大小和通电方向，使其产生极性、电磁力大小可调，从而控制折叠管的长度及控制踏板的位移，结合超声波位移传感器，可以精确控制刹车踏板的位移以达到柔性刹车的目的，以及油门踏板的位移，有助于提高舒适性和行车安全性。
7、本发明的电磁管，通过控制上下励磁线圈的通电大小和方向，使其产生极性相反，电磁力大小随回位弹簧的压缩变形量的增加而增大，产生的电磁吸力抵消掉弹簧的弹性恢复力，回位弹簧的压缩变形量可以通过超声波传感器来检测。因此安装了此防误踩装置并不会影响驾驶员正常踩油门和刹车踏板时的脚感。
8、本发明的电磁管，通过内置超声波位移传感器将踏板的角度位移转化成检测上、下永磁体的直线位移，油门踏板的较小的角度行程转化为较大的直线位移行程，这样既可以提高测量精度又可以降低传感器的成本。
9、本发明的电磁管是一个高度对称的结构，其上、下永磁体、上、下励磁线圈完全相同，主伸缩管和侧伸缩管均由多个完全相同的滑筒串联组成，便于加工制造和装配。
10、本发明的安全按钮可以终止控制器对电磁管的控制，当驾驶员发现误踩动作出现误识别或者驾驶员发现系统处理误踩动作过于激进，按下安全按钮后驾驶员可再次接管油门踏板和刹车踏板。
附图说明
图1为本发明油门防误踩系统示意图；
图2为本发明油门防误踩系统工作流程示意图；
图3为本发明电磁管剖视图；
图4为本发明中主伸缩管伸长状态的剖视图；
图5为本发明中主伸缩管缩短状态的剖视图；
图6为本发明中侧伸缩管伸长状态的剖视图；
图7为本发明中侧伸缩管缩短状态的剖视图。
图中：101、踏板圆柱销；102、上连接件；103、油门防误踩电磁管；104、油门踏板；105、刹车踏板；106、主动刹车电磁管；107、连接滑块；108、底板；108-1、第二调节滑槽；108-2控制器安装槽；108-3、摄像头安装槽；1、上吊耳；2、上铁芯；3、上励磁线圈；4、第一引线孔；5、下吊耳；6、下铁芯；7、下励磁线圈；8、第二引线孔；9主伸缩管；9-1、上一级滑筒；、9-2、上二级滑筒；9-3、中间滑筒；9-4、下二级滑筒；9-5、下一级滑筒；9-6、主伸缩管滑槽；9-7、主伸缩管定位孔；10、侧伸缩管；10-1、第一外套管；10-2、中间杆；10-3、第二外套管；10-4、侧伸缩管滑槽、10-5、侧伸缩管定位孔；11、橡胶防尘套；12、回位弹簧；13、超声波位移传感器；13-1、超声波发射端；13-2、超声波接收端。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
下面将结合本发明的附图，对本发明实施例做进一步详细的描述。
如图1和2所示，一种油门防误踩系统，包括主动刹车电磁管106、油门防误踩电磁管103、油门踏板104、刹车踏板105、底板、控制器、前视摄像头、踏板底部摄像头、安全按钮和报警单元。所述前置摄像头采用双目摄像头，安装在车内后视镜的前侧，并嵌入车内后视镜。双目摄像头不仅可以识别障碍物，还可以通过两幅图像的视差计算来确定障碍物距离。所以利用前视双目摄像头可以获取车辆前方的障碍物大小、类型以及障碍物与车辆的距离信息。所述安全按钮安装在方向盘上，并与控制器连接。所述报警单元安装在车辆内，并通过导线与控制器连接。踏板底部摄像头安装在驾驶舱底部，且带有补光灯，车辆踏板位置光线较差时可打开补光灯。踏板底部摄像头用于检测驾驶员腿部动作，识别驾驶员踩在哪个踏板上。
油门踏板104、刹车踏板105的顶端均与驾驶舱的底部通过踏板圆柱销101构成转动副。油门踏板104、刹车踏板105的中下位置均开设有第一调节滑槽。油门踏板104、刹车踏板105上的第一调节滑槽上均安装有上连接件102。上连接件102包括连接上盖和连接下盖。连接上盖与连接下盖10通过螺栓螺母固定。上连接件102能够与第一调节滑槽的不同位置固定。油门踏板104、刹车踏板105上的上连接件102与主动刹车电磁管106、油门防误踩电磁管103内上吊耳1构成转动副。
底板固定在驾驶舱底部的前端。底板的顶面的两侧均开设有第二调节滑槽108-1。两个连接滑块107分别设置在底板的两条第二调节滑槽108-1内；连接滑块107能够在第二调节滑槽108-1的不同位置固定。主动刹车电磁管106、油门防误踩电磁管103的该种安装方式，能够显著降低底板的安装要求，增加本发明的通用性。底板还开设有摄像头安装槽108-3和控制器安装槽108-2。摄像头安装槽108-3和控制器安装槽108-2均位于两条第二调节滑槽108-1之间。踏板底部摄像头固定在摄像头安装槽108-3内，且朝向油门踏板104和刹车踏板105。控制器固定在控制器安装槽108-2内。
如图3所示，主动刹车电磁管106和油门防误踩电磁管103结构相同，均包括包括上吊耳1、上铁芯2、上励磁线圈3、下吊耳5、下铁芯6、下励磁线圈7、主伸缩管9、侧伸缩管10、超声波位移传感器13、回位弹簧12和橡胶防尘套11。上铁芯2、下铁芯6分别滑动连接在橡胶防尘套11内腔的两端。所述上吊耳1、下吊耳5的内端与上铁芯2下铁芯6分别固定。上励磁线圈3绕置在上铁芯2上，通过上铁芯2上开设的第一引线孔4引出；下励磁线圈7绕置在下铁芯6上，通过下铁芯6上开设的第二引线孔8引出。当上励磁线圈3和下励磁线圈7通电时，上铁芯2与下铁芯6之间产生吸力或斥力；具体的，在主动刹车电磁管106中，两铁芯产生吸力，用来实现主动刹车；油门防误踩电磁管103，两铁芯产生斥力，用来抵抗使用者误踩油门踏板104；主伸缩管9设置在橡胶防尘套11内的中心位置，且两端与上铁芯2下铁芯6分别固定。主伸缩管9由回位弹簧12提供恢复到伸长状态的弹力。橡胶防尘套11内还设置有多根侧伸缩管10；各侧伸缩管10沿着主伸缩管9的周向均布。侧伸缩管10的两端与上铁芯2下铁芯6分别固定。所述超声波位移传感器13包括超声波发送端13-1和超声波接收端13-2。超声波发送端13-1和超声波接收端13-2均安装在下铁芯6的内侧面中心位置，且朝向上铁芯2。通过超声波发送端13-1发射超声波，超声波在主伸缩管9的内腔中传播，遇到上铁芯2并反射向下铁芯6，最后被超声波接收端13-2接收，通过计算发射超声波和接收到超声波的时间差从而检测出上铁芯2与下铁芯6之间的距离。超声波位移传感器13的精度在1～3mm。
如图4和5所示，所述主伸缩管9包括上一级滑筒9-1、上二级滑筒9-2、中间滑筒9-3、下二级滑筒9-4、下一级滑筒9-5和回位弹簧12。上一级滑筒9-1、上二级滑筒9-2、中间滑筒9-3、下二级滑筒9-4、下一级滑筒9-5的内侧面均开设有四道主伸缩管滑槽9-6；上一级滑筒9-1、上二级滑筒9-2、中间滑筒9-3的一端的直径由大变小，且依次套置；下一级滑筒9-5、下二级滑筒9-4、中间滑筒9-3的另一端的直径由大变小，且依次套置；由此形成腰形的主伸缩管9。回位弹簧12套置在上二级滑筒9-2、中间滑筒9-3、下二级滑筒9-4上，且两端分别抵住上一级滑筒9-1、下一级滑筒9-5的内端面，实现对主伸缩管9的伸长复位。相邻两滑筒均通过主伸缩管滑槽9-6和导向凸起来限制周向的相对运动。上一级滑筒9-1和下一级滑筒9-5的外端均设置有凸台；凸台上设置有主伸缩管定位孔9-7，用以与上铁芯2、下铁芯6固定；上、下二级滑筒9-2、9-4内腔有四道滑槽，顶部凸缘周布四个小凸起与上、下一级滑筒9-1、9-5内腔的四道滑槽接触起到周向定位和导向的作用，上、下二级滑筒9-2、9-4可以沿一级滑筒内腔的滑槽方向相对滑动。中间滑筒9-3顶部和底部凸缘周布四个小凸起分别与上、下二级滑筒9-2、9-4内腔的四道滑槽接触起到周向定位和导向的作用，中间滑筒9-3可以沿上、下二级滑筒9-2、9-4内腔的滑槽方向相对滑动。主伸缩管9将上、下一级滑筒9-1、9-5凸台上的定位孔和上、下铁芯底部的螺纹孔同轴并通过螺钉连接固定在上铁芯2和下铁芯6之间。
作为一种优选的技术方案，上一级滑筒9-1和下一级滑筒9-5尺寸相同，底部设有中空挡板；上二级滑筒9-2和下二级滑筒9-4尺寸相同，直径小于一级滑筒，底部同样设有中空挡板；中间滑筒9-3直径小于二级滑筒；上一级滑筒9-1、上二级滑筒9-2、中间滑筒9-3、下一级滑筒9-5、下二级滑筒9-4的高度均相同。当主伸缩管9折叠至极限状态时，上一级滑筒9-1和下一级滑筒9-5底部相接触，上二级滑筒9-2、中间滑筒9-3、下二级滑筒9-4均包裹在一级滑筒的空腔内。主伸缩管9的行程与弹簧的极限压缩长度的差值不小于油门踏板104和刹车踏板105沿主折叠管轴线方向上的行程。
如图6和7所示，所述侧伸缩管10包括第一外套管10-1、中间杆10-2和第二外套管10-3。中间杆10-2的两端分别伸入第一外套管10-1、第二外套管10-3内，并通过端部的凸台进行避免分离限位。第一外套管10-1和第二外套管10-3的内腔均开设有两道滑槽，外端设置有凸台，凸台上有侧伸缩管定位孔10-5。中间杆10-2顶部和底部凸缘周布两个小凸起分别与第一外套管10-1、第二外套管10-3内腔的两道滑槽接触起到周向定位和导向的作用，中间杆10-2可以沿第一外套管10-1、第二外套管10-3内腔的滑槽方向相对滑动。侧伸缩管10将第一外套管10-1、第二外套管10-3凸台上的定位孔和上、下铁芯底部的螺纹孔同轴并通过螺钉连接固定在上铁芯2和下铁芯6之间，两个侧伸缩管10分布在主伸缩管9的两侧，起到增强整体结构刚度的作用。
作为一种优选的技术方案，所述侧伸缩管10中第一外套管10-1和第二外套管10-3尺寸相同，且直径小于二级滑筒，底部设有中空挡板；中间杆10-2直径小于外套管，中间杆10-2的高度大于两倍外套管的高度。侧伸缩管10的行程等于主伸缩管9的行程。
主动刹车电磁管106、油门防误踩电磁管103内的超声波位移传感器、上励磁线圈3、下励磁线圈7、前视摄像头、踏板底部摄像头、安全按钮均与控制器连接。所述橡胶防尘套11包裹着电磁管起到防尘、防水的作用。回位弹簧12的刚度较小，其极限压缩长度较小。油门踏板104为悬挂式油门踏板。
该油门防误踩和主动刹车系统的主动刹车方法，具体如下：
步骤一、前视摄像头检测车辆前方的安全距离内是否出现障碍物；若检测到车辆前方出现障碍物；同时，踏板底部摄像头检测到油门踏板104被踩下，且控制器当检测到超声波位移传感器的位移数据变化率即踏板被踩下的速度大于预设误踩速度；则认为发生油门误踩。
步骤二、检测到油门误踩时，油门防误踩电磁管103内的上励磁线圈3、下励磁线圈7通电，使得上铁芯2与下铁芯6之间产生排斥力，以抵抗驾驶员对油门踏板104的踩踏力，阻碍油门踏板104进一步位移，甚至使油门踏板104恢复原位，此时发动机就无法加速。
同时，主动刹车电磁管106内的上励磁线圈3、下励磁线圈7通电，使得上铁芯2与下铁芯6之间产生吸引力，进行主动柔性刹车，并不是直接把车辆刹停，而是根据车辆前方障碍物的运动速度和位置信息实时控制电磁管通电电流的大小，调节刹车踏板105的位移，实现不同的刹车力度有助于提高舒适性和行车安全性。
步骤三、当车辆前方的障碍物消失后，或驾驶员换挡，或安全按钮被按下时，认为油门误踩状态消失，主动刹车电磁管106和油门防误踩电磁管103均断电，油门防误踩电磁管103和主动刹车电磁管106各自在对应的回位弹簧12的作用下恢复原状。
本实例中控制器软件部分采用负反馈闭环控制，以超声波位移传感器检测到的踏板的位移为反馈量，通过PID控制算法控制电磁电磁管的通电电流大小，使踏板在不同踩踏力下，仍能保证踏板的位移在目标值附近。这样可以实现油门踏板104和刹车踏板105位置的精确控制。
本实例中的安全按钮安装在方向盘上，它可以终止控制器在识别到误踩动作时对踏板圆柱销106的控制，当驾驶员发现误踩动作出现误识别或者驾驶员发现系统处理误踩动作过于激进，驾驶员按下安全按钮后驾驶员可再次接管油门踏板104和刹车踏板105。
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