CN104590022A - 一种汽车油门主动干预安全控制系统及其控制方法 - Google Patents
一种汽车油门主动干预安全控制系统及其控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于汽车主动安全技术领域,特别涉及汽车油门主动干预安全控制系统及其控制方法。本发明的目的在于提供一种结构简单、对汽车改动量小的汽车油门主动干预安全控制系统及其控制方法,它能够动态实时地调整最高限制车速,即主动干预调整最高限制车速,增强对道路环境的适应性,可靠有效的起到限速功能。所述汽车油门主动干预安全控制系统包括车辆定位导航系统、油门限位控制系统和油门开度控制系统。本发明具有结构简单、智能控制的特点,可以单独安装在车上,对汽车的改动小;也可以集成到汽车导航系统或行车记录仪中,具有市场推广应用价值。
Description
技术领域
本发明属于汽车主动安全技术领域,特别涉及汽车油门主动干预安全控制系统及其控制方法。
背景技术
随着经济发展与人类社会进步,汽车工业得到了巨大发展,汽车成为人们交通出行必不可少的重要工具。但与此同时,交通事故发生率也在不断升高,人类的生命财产安全受到威胁,因此,提高汽车的安全性能至关重要。
汽车安全技术又可分为主动安全技术和被动安全技术。被动安全是在事故发生过程中或发生后起作用,主动安全则是预先防范,做到防患于未然,从根本上避免交通事故发生。在交通事故中有很大一部分是由于汽车超速行驶引起的,而驾驶员在陌生的道路行驶时并不能预知当前道路限速是多少,另外,如果驾驶员动作不规范,也会造成汽车超速现象发生,这就给交通事故埋下了隐患。因此,如果有一种主动安全技术,可以做到主动获取当前道路的限制车速,并对车速进行自动控制,限制行车最高速度,便消除了汽车超速行驶的隐患,对减少交通事故、保护乘客生命财产安全大有裨益。
目前的某些常规限速装置只能设定单一车速值,而道路环境是多变的,且同一条道路在不同天气、一天不同时间段的交通状况不同,决定了这种定值的限速装置适应性差;且常规限速装置机构复杂,通常要将限速装置连接到节气门或者油门拉杆上,对汽车改动量大,影响发动机的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、对汽车改动量小的汽车油门主动干预安全控制系统及其控制方法,它能够动态实时地调整最高限制车速,即主动干预调整最高限制车速,增强对道路环境的适应性,可靠有效地起到限速功能。
为了达到上述目的,本发明提供了如下技术方案:
一种汽车油门主动干预安全控制系统,其包括车辆定位导航系统、油门限位控制系统和油门开度控制系统;
所述车辆定位导航系统包括车辆安装的定位导航系统,通过所述定位导航系统与卫星实时通讯;
所述油门限位控制系统包括单片机、伺服电机1、限位凸轮5和凸轮位置传感器,其中,单片机接收来自车辆定位导航系统的信号,单片机连接并控制伺服电机1,伺服电机1连接限位凸轮5,限位凸轮5与凸轮位置传感器连接,凸轮位置传感器监测限位凸轮实际转角θr;
所述油门开度控制系统包括进行运算处理的电子控制单元ECU、油门踏板4和油门踏板位置传感器,其中,油门踏板4与油门踏板位置传感器连接,油门踏板位置传感器检测油门踏板位置转角αth;
油门踏板4安装在车内地板上,伺服电机1的输出轴与限位凸轮5的安装轴连接,固定套筒3布置在联动摆动件2上;联动摆动件2的一端与油门踏板4通过轴刚性连接,联动摆动件2的另一端为自由端。
所述限位凸轮5、联动摆动件2和固定套筒3封装集成为模块。
所述联动摆动件2与油门踏板4的连接处设有铰链6。
在油门自然静止状态下(没有踩下),所述联动摆动件2位于限位凸轮5的一侧且两者相隔一定距离。
所述油门踏板4采用摆线运动规律,限位凸轮5的理论廓线方程为:
x=Asinθ–Lsin(θ+φ0+φ)
y=Acosθ–Lcos(θ+φ0+φ)
其中,以限位凸轮5转动中心O为坐标原点;A为O到油门踏板4转轴的距离;θ为限位凸轮5转过的角度;L为联动摆动件2的旋转中心点到联动摆动件2与限位凸轮5的接触点之间的距离;φ0为油门全开时联动摆动件2与Y轴的夹角;φ为联动摆动件2的角位移;
其中,联动摆动件2的推程为:
其中:φ为联动摆动件2的角位移;h为联动摆动件2的最大转角,也是油门踏板4的开度范围;θ为限位凸轮5转过的角度;Φ为推程运动角;
回程为:
一种汽车油门主动干预安全控制系统的控制方法,其包括以下步骤:
a.车辆定位导航系统利用车辆安装的定位导航系统与卫星进行实时通讯,从而计算出车辆行驶过程中实时所处的地理位置,并与定位导航系统所存储的电子地图进行数据匹配,搜索查询当前路段的最高限制车速Vmax信息,并将该最高限制车速Vmax信息提取,以信号形式发送给油门限位控制系统;
b.油门限位控制系统的单片机接收来自车辆定位导航系统传输过来的最高限制车速Vmax信号,根据最高限制车速Vmax与限位凸轮5的转角关系,根据当前最高限制车速Vmax信息,通过查表的方式,获得限位凸轮5所需转动的角位移,并形成控制指令,所输出信号即为限位凸轮5的目标角位移θt,然后传输给伺服电机1;伺服电机1按该信号带动限位凸轮5旋转到相应的目标位置角度,凸轮位置传感器将监测到的凸轮位置信号θr反馈给伺服电机1;
c.油门开度控制系统中,油门踏板位置传感器将油门踏板位置转角αth传递给ECU,ECU通过对该信号进行运算处理,判断驾驶员意图,油门踏板位置转角αth先与油门踏板限位转角αr比较:
如果αth小于αr,即油门踏板4将要转动的角度小于凸轮限制的踏板角度,ECU判断为正常输出;
如果αth大于αr,即油门踏板4将要转动的角度大于凸轮限制的油门踏板角度,ECU将输出限位凸轮5的油门踏板限位转角αr,同时ECU发出报警信号;
当αth小于αr,ECU解除报警。
在步骤b中,油门限位控制系统的单片机将车辆定位导航系统传输过来的最高限制车速Vmax传输到伺服电机1,伺服电机1反转带动限位凸轮5反转,联动摆动件2与限位凸轮5之间便留出空隙,该空隙为目前车速和最高限制车速Vmax之差,当驾驶员加速,使联动摆动件2触碰到限位凸轮5时,便不能再加速。
在步骤b中,由于油门踏板位置转角与限位凸轮转角的关系为α=f(θ),根据车辆基本参数,通过发动机台架试验,得到最高限制车速Vmax与油门踏板位置转角关系v=f(α),可得最高限制车速Vmax与限位凸轮转角的关系v=f(θ);该最高限制车速Vmax与限位凸轮5的转角关系导入油门限位控制系统的单片机中,当车辆导航系统将最高限制车速信号Vmax传输到油门限位控制系统时,单片机便可以通过查表的方式,得到限位凸轮5所需转角。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
1.本发明可以实时动态获取当前路段最高限速信息,该信号传递给油门限位控制系统,可以实时动态限制汽车油门的最大开度大小,从而动态限制汽车的最高速度,避免了人为因素造成汽车超速行驶,免去人为设定的麻烦与错误;
2.本发明的机械结构较为简单,采用单片机、电机、凸轮等简单机构,通过预设的程序,使电机控制凸轮,采用闭环控制,可以精确地限定油门开度;
3.本发明具有结构简单、智能控制的特点,可以单独安装在车上,对汽车的改动小;也可以集成到汽车导航系统或行车记录仪中,具有市场推广应用价值。
附图说明
图1为本发明的汽车油门主动干预安全控制系统的简化示意图;
图2为本发明的汽车油门主动干预安全控制系统的系统原理图;
图3a为油门处的机械连接示意图;
图3b为图3a中沿A-A线的剖面示意图;
图3c为图3a中沿B-B线的剖面示意图;
图4为凸轮机构示意图;
图5为摆动件运动规律以及对应的油门开度与凸轮转角关系图;
图6为油门踏板位置转角与限位凸轮转角关系图;
图7为最高限制车速与油门踏板位置转角关系图;
图8为最高限制车速与限位凸轮转角的关系曲线图。
【主要组件符号说明】
1 伺服电机
2 联动摆动件
2’ 联动摆动件初始位置
2” 联动摆动件终止位置
3 固定套筒
4 油门踏板
4’ 油门踏板初始位置
4” 油门踏板终止位置
5 限位凸轮
6 铰链
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明。
图1为本发明的汽车油门主动干预安全控制系统的简化示意图;图2为本发明的汽车油门主动干预安全控制系统的系统原理图;图3a为油门处的机械连接示意图;图3b为图3a中沿A-A线的剖面示意图;图3c为图3a中沿B-B线的剖面示意图;图4为凸轮机构示意图;图5为摆动件运动规律以及对应的油门开度与凸轮转角关系图;图6为油门踩下转角与凸轮转角关系图;图7为最高限制车速与油门踩下转角关系图;图8为最高限制车速与凸轮转角的关系曲线图。
如图1所示,所述汽车油门主动干预安全控制系统包括车辆定位导航系统、油门限位控制系统和油门开度控制系统。
如图2所示,本发明的汽车油门主动干预安全控制系统的工作原理为:利用车辆定位导航系统获取地面位置信息,然后获知当前路段的最高限制车速Vmax,并将该最高限制车速Vmax信号传递给油门限位控制系统,由单片机控制伺服电机1的转动,伺服电机1带动限位凸轮5,而限位凸轮5可以约束油门开度控制系统的节气门的开度大小,因此限制了汽车的最高速度,确保了行车安全。
所述车辆定位导航系统包括车辆安装的定位导航系统,利用定位导航系统与卫星进行实时通讯,从而计算出车辆行驶过程中实时所处的地理位置,并与定位导航系统所存储的电子地图进行数据匹配,搜索查询当前路段的最高限制车速Vmax信息,并将该最高限制车速Vmax信息提取,以信号形式发送给油门限位控制系统。
所述油门限位控制系统包括单片机、伺服电机1、限位凸轮5和凸轮位置传感器;其中,单片机接收来自车辆定位导航系统传输过来的最高限制车速Vmax信号,通过单片机进行处理和计算,由于最高限制车速Vmax与限位凸轮5的转角关系已经预先存入到单片机中,所以可以根据当前最高限制车速Vmax信息,通过查表的方式,获得限位凸轮5所需转动的角位移,并形成控制指令,所输出信号即为限位凸轮5的目标角位移θt,然后传输给伺服电机1;伺服电机1依照该信号带动限位凸轮5旋转到相应的目标位置角度,限位凸轮5与凸轮位置传感器连接,凸轮位置传感器将监测到的限位凸轮实际转角θr反馈给伺服电机1,从而形成闭环控制,可以准确可靠地控制限位凸轮5的转动角度,其中:限位凸轮实际转角θr是指从油门自然静止状态下(没有踩下)对应的限位凸轮转角初始位置起,到伺服电机1接收到目标转角位移信号θt转动后,限位凸轮5实际转过的角度。
所述油门开度控制系统包括进行运算处理的电子控制单元ECU(Electronic Control Unit)、油门踏板4和油门踏板位置传感器,油门踏板4与油门踏板位置传感器连接,当驾驶员踩下油门踏板4,油门踏板位置传感器将油门踏板位置转角αth传递给ECU,其中,油门踏板位置转角αth是指从油门自然静止状态下(没有踩下)起,到驾驶员踩下后,油门踏板所转过的角度。ECU通过对该信号进行运算处理,判断驾驶员意图,不过该转角信号不会直接传到驱动节气门转动的伺服电机1,而是先要和油门踏板限位转角αr比较,油门踏板限位转角αr通过油门限位系统的限位凸轮转角θr经过查表得到,其中,油门踏板限位转角αr是指由当前道路最高限制车速Vmax决定的油门踏板所能转过的最大角度。αr和αth进行逻辑判断比较,如果αth小于αr,即油门踏板4将要转动的角度小于凸轮限制的踏板角度,意味着驾驶员不会超过当前路段的最高限制车速Vmax,ECU判断为正常输出;如果αth大于αr,即油门踏板4将要转动的角度大于凸轮限制的油门踏板角度,意味着在此情况下驾驶员会超过当前路段的最高限制车速Vmax,ECU将不会按照油门踏板信号进行输出,而是输出限位凸轮的油门踏板限位转角αr,从而避免了驾驶员的不规范动作导致的车辆超速,同时ECU发出报警信号“提醒驾驶员会超速,请收油门”。当检测到油门踏板4转角小于油门踏板限位转角αr时,即αth小于αr,这时ECU解除报警,形成了一个人机交互闭环控制系统,有效地避免了车辆超速。
如图3a至3c所示,为油门处的机械连接示意图。其中,油门踏板4安装在车内地板上,伺服电机1的输出轴与限位凸轮5的安装轴连接,固定套筒3布置在联动摆动件2上;限位凸轮5、联动摆动件2和固定套筒3可以封装集成为一个模块;联动摆动件2的一端与油门踏板4通过轴刚性连接,连接处设有铰链6,联动摆动件2的另一端为自由端。限位凸轮5与联动摆动件2的相对位置如图3b所示,在油门自然静止状态下(没有踩下),联动摆动件2位于限位凸轮5的一侧且两者相隔一定距离。
其中,由于油门踏板4和联动摆动件2的一端通过轴刚性连接,油门踏板4和联动摆动件2两者可以联动。油门踏板4的行程为油门踏板初始位置4’到油门踏板终止位置4”位置之间,油门踏板初始位置4’到油门踏板终止位置4”的逆时针箭头代表驾驶员踩下油门踏板4,加油,车速升高。相应地,联动摆动件2的行程为联动摆动件初始位置2’到联动摆动件终止位置2”位置之间。单片机输出目标角位移指令给伺服电机1,伺服电机1直接驱动限位凸轮5转动,使限位凸轮5旋转到目标角度位置,此时联动摆动件2相当于凸轮机构的摆动从动件。
假设4’代表油门踏板开度为0°,4”代表油门踏板开度最大为45°,若此时的车速大于当前道路的限制车速,伺服电机1从控制器接收处理后的信号,需要将油门关小,此时,限位凸轮5便如图3b所示顺时针转动。同时,ECU检测到油门踏板输出转角αth大于油门踏板限位转角αr,一方面会报警,提醒驾驶员收油门,另一方面,输出油门踏板转角信号为αr,而不再是αth,强制性地确保了驾驶员即使不能及时地收油门,或者不规范,也能达到降低车速的目的。与此同时,限位凸轮5按照设计的运动规律顺时针转动,联动摆动件2,也会顺时针方向转动,带动油门踏板4,使其开度减小,从而控制了车速。
当行驶到高速道路,车辆定位导航系统传输过来的最高限制车速Vmax传输到伺服电机1,伺服电机1反转带动限位凸轮5逆时针转动,联动摆动件2与限位凸轮5之间便留出空隙,该空隙便代表了目前车速和最高限制车速Vmax之差。当驾驶员加速,使联动摆动件2触碰到限位凸轮5时,油门踏板4便不能再加速了。这样,通过控制限位凸轮的角度位置便可以实时、动态限制车辆速度。
油门踏板限位转角αr与限位凸轮转角θr的关系为α=f(θ),当限位凸轮5顺时针转动,凸轮转角θr增大,油门开度减小,车速降低,即凸轮转角θr与油门踏板限位转角αr的关系相反;当油门全开时,即油门踏板限位转角αr为αmax时,对应的限位凸轮5的位置为凸轮的初始位置θmin,此时联动摆动件2距离竖直位置最近,角度为φmin;当油门全关时,即油门踏板限位转角αr为αmin时,联动摆动件2有最大摆动角度φmax,限位凸轮5转动角度为θmax。所述油门踏板2的运动规律即联动摆动件2的运动规律采用摆线运动规律,摆线运动的速度曲线和加速度曲线均连续而无突变,不会对油门踏板4产生机械冲击。
如图4所示,在本发明中以限位凸轮5转动中心O为坐标原点,O到油门踏板4转轴的距离为A,联动摆动件2的旋转中心点到联动摆动件2与限位凸轮5的接触点之间的距离为L,设油门全开时联动摆动件2与Y轴的夹角为φ0,当限位凸轮5转过θ角后,联动摆动件2转过φ角,根据所选择的摆动件转角φ的运动规律,可得凸轮理论廓线方程:
x=Asinθ–Lsin(θ+φ0+φ)
y=Acosθ–Lcos(θ+φ0+φ)
其中,以限位凸轮5转动中心O为坐标原点;A为O到油门踏板4转轴的距离;θ为限位凸轮5转过的角度;L为联动摆动件2的旋转中心点到联动摆动件2与限位凸轮5的接触点之间的距离;φ0为油门全开时联动摆动件2与Y轴的夹角;φ为联动摆动件2的角位移,即转角。
其中,联动摆动件2的转角采用摆线运动规律,其中,
联动摆动件2的推程为:
其中:φ为联动摆动件2的角位移,即转角;h为联动摆动件2的最大转角;θ为限位凸轮5转过的角度;Φ为推程运动角。
回程为:
从图5可以看出,限位凸轮5只需从0°转到180°便可控制油门全开到全闭。因此实际应用中只需利用限位凸轮5半周(0到180°)的关系曲线即可,本文中只利用推程部分。
如图6所示,得到油门踏板位置转角与限位凸轮转角关系α=f(θ)曲线之后,将此关系曲线数据存入油门开度控制系统的ECU中,将限位凸轮传感器的凸轮位置信号转为油门开度限制信号。
已知α=f(θ)以后,只需知道最高限制车速Vmax与油门踏板位置转角关系v=f(α)曲线,便可以建立最高限制车速Vmax与限位凸轮转角的关系v=f(θ)。
如图7所示,为最高限制车速Vmax与油门踏板位置转角关系v=f(α),其关系曲线需通过发动机台架试验,根据车辆基本参数得到。如假定油门踏板位置转角α和车速v为正比关系,即油门踏板位置转角越大,车速越高。
至此,如图8所示,便可以得出最高限制车速Vmax与限位凸轮转角的关系曲线v=f(θ)。
该最高限制车速Vmax与限位凸轮5的转角关系导入油门限位控制系统的单片机中。当车辆导航系统将最高限制车速信号Vmax传输到油门限位控制系统时,单片机便可以通过查表的方式,得到限位凸轮5所需转角。
Claims (8)
1.一种汽车油门主动干预安全控制系统,其特征在于:
其包括车辆定位导航系统、油门限位控制系统和油门开度控制系统;
所述车辆定位导航系统包括车辆安装的定位导航系统,通过所述定位导航系统与卫星实时通讯;
所述油门限位控制系统包括单片机、伺服电机(1)、限位凸轮(5)和凸轮位置传感器,其中,单片机接收来自车辆定位导航系统的信号,单片机连接并控制伺服电机(1),伺服电机(1)连接限位凸轮(5),限位凸轮(5)与凸轮位置传感器连接,凸轮位置传感器监测限位凸轮实际转角θr;
所述油门开度控制系统包括进行运算处理的电子控制单元ECU、油门踏板(4)和油门踏板位置传感器,其中,油门踏板(4)与油门踏板位置传感器连接,油门踏板位置传感器检测油门踏板位置转角αth;
油门踏板(4)安装在车内地板上,伺服电机(1)的输出轴与限位凸轮(5)的安装轴连接,固定套筒(3)布置在联动摆动件(2)上;联动摆动件(2)的一端与油门踏板(4)通过轴刚性连接,联动摆动件(2)的另一端为自由端。
2.根据权利要求1所述汽车油门主动干预安全控制系统,其特征在于:
所述限位凸轮(5)、联动摆动件(2)和固定套筒(3)封装集成为模块。
3.根据权利要求1所述汽车油门主动干预安全控制系统,其特征在于:
所述联动摆动件(2)与油门踏板(4)的连接处设有铰链(6)。
4.根据权利要求1所述汽车油门主动干预安全控制系统,其特征在于:
在油门自然静止状态下(没有踩下),所述联动摆动件(2)位于限位凸轮(5)的一侧且两者相隔一定距离。
5.根据权利要求1-4之一所述汽车油门主动干预安全控制系统,其特征在于:
所述油门踏板(4)采用摆线运动规律,限位凸轮(5)的理论廓线方程为:
x=Asinθ–Lsin(θ+φ0+φ)
y=Acosθ–Lcos(θ+φ0+φ)
其中,以限位凸轮(5)转动中心O为坐标原点;A为O到油门踏板(4)转轴的距离;θ为限位凸轮(5)转过的角度;L为联动摆动件(2)的旋转中心点到联动摆动件(2)与限位凸轮(5)的接触点之间的距离;φ0为油门全开时联动摆动件(2)与Y轴的夹角;φ为联动摆动件(2)的角位移;
其中,联动摆动件(2)的推程为:
其中:φ为联动摆动件(2)的角位移;h为联动摆动件(2)的最大转角,也是油门踏板(4)的开度范围;θ为限位凸轮(5)转过的角度;Φ为推程运动角;
回程为:
6.根据前述权利要求之一所述汽车油门主动干预安全控制系统的控制方法,其特征在于:包括以下步骤:
a.车辆定位导航系统利用车辆安装的定位导航系统与卫星进行实时通讯,从而计算出车辆行驶过程中实时所处的地理位置,并与定位导航系统所存储的电子地图进行数据匹配,搜索查询当前路段的最高限制车速Vmax信息,并将该最高限制车速Vmax信息提取,以信号形式发送给油门限位控制系统;
b.油门限位控制系统的单片机接收来自车辆定位导航系统传输过来的最高限制车速Vmax信号,根据最高限制车速Vmax与限位凸轮(5)的转角关系,根据当前最高限制车速Vmax信息,通过查表的方式,获得限位凸轮(5)所需转动的角位移,并形成控制指令,所输出信号即为限位凸轮(5)的目标角位移θt,然后传输给伺服电机(1);伺服电机(1)按该信号带动限位凸轮(5)旋转到相应的目标位置角度,凸轮位置传感器将监测到的凸轮位置信号θr反馈给伺服电机(1);
c.油门开度控制系统中,油门踏板位置传感器将油门踏板位置转角αth传递给ECU,ECU通过对该信号进行运算处理,判断驾驶员意图,油门踏板位置转角αth先与油门踏板限位转角αr比较:
如果αth小于αr,即油门踏板(4)将要转动的角度小于凸轮限制的踏板角度,ECU判断为正常输出;
如果αth大于αr,即油门踏板(4)将要转动的角度大于凸轮限制的油门踏板角度,ECU将输出限位凸轮(5)的油门踏板限位转角αr,同时ECU发出报警信号;
当αth小于αr,ECU解除报警。
7.根据权利要求6所述汽车油门主动干预安全控制系统的控制方法,其特征在于:
在步骤b中,油门限位控制系统的单片机将车辆定位导航系统传输过来的最高限制车速Vmax传输到伺服电机(1),伺服电机(1)反转带动限位凸轮(5)反转,联动摆动件(2)与限位凸轮(5)之间便留出空隙,该空隙为目前车速和最高限制车速Vmax之差,当驾驶员加速,使联动摆动件(2)触碰到限位凸轮(5)时,便不能再加速。
8.根据权利要求6所述汽车油门主动干预安全控制系统的控制方法,其特征在于:
在步骤b中,由于油门踏板位置转角与限位凸轮转角的关系为α=f(θ),根据车辆基本参数,通过发动机台架试验,得到最高限制车速Vmax与油门踏板位置转角关系v=f(α),可得最高限制车速Vmax与限位凸轮转角的关系v=f(θ);该最高限制车速Vmax与限位凸轮(5)的转角关系导入油门限位控制系统的单片机中,当车辆导航系统将最高限制车速信号Vmax传输到油门限位控制系统时,单片机便可以通过查表的方式,得到限位凸轮(5)所需转角。
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