CN113276673A - 一种驾驶员防误踩油门控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种驾驶员防误踩油门控制系统，属于车辆制造领域。它包括计算机视觉单元、加速踏板传感器、电子控制单元、伺服电机、制动主缸推杆、节气门翻版。计算机视觉预警模块通过车用前视摄像头采集车辆前方视觉信息，根据此信息车载PC基于机器视觉算法判断车辆是否处于危险工况；加速踏板传感器采集驾驶员踩下油门踏板时的加速度信号；当车辆处于危险工况且踏板加速度信号超过设定阈值时，即判定驾驶员误操作，电子控制单元控制伺服电机驱动制动总泵使车辆紧急制动，并对节气门机构进行复位和锁止，从而实现防误踩油门。本发明可以在人‑车‑路闭环下智能化地识别驾驶员意图，避免了由于误踩油门引发的交通事故。

Description

一种驾驶员防误踩油门控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及车辆制造技术领域，尤其涉及到的是一种基于计算机视觉的驾驶员防误踩油门控制系统。

背景技术

驾驶员在紧急状况时，由于紧张、走神等原因，导致误将油门当作制动而引发的交通事故约占到交通事故总量的12.6％，国内外很多汽车研究人员对目前存在的误将油门当制动的现象提出了许多相关的研究方案，对汽车原有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装置却很少。

目前存在的防误踩油门装置以机械式为主，普遍对传统的油门与制动改动较大，改变了驾驶员的原有驾驶习惯，虽然成本较低，但判别精度和响应速度都有待提高，并存在设备维护困难等问题，而电子式的防误踩油门系统往往存在判据单一、误报率高的问题。为了减少由驾驶员误踩油门带来的事故问题，一种高准确度且不破坏驾驶员原有驾驶习惯的防误踩油门控制系统亟待提出。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种基于计算机视觉的防误踩油门控制系统及其控制方法，以解决现有防误踩油门技术中无法兼顾判断准确率与驾驶员原有驾驶习惯的问题，有效地在人-车-路闭环中对驾驶员误踩油门行为进行纠正，从而减少由于驾驶误操作油门踏板而发生交通事故。

技术方案：一种驾驶员防误踩油门控制系统，包括：计算机视觉单元、车载PC、加速踏板传感器、电子控制单元、伺服电机、节气门控制机构、制动主缸推杆控制机构，

1)计算机视觉单元，该单元与车载PC连接，向车载PC发送当前行车过程的实时图像，以供车载PC处理；2)车载PC，车载PC接收并处理计算机视觉单元的实时图像，并通过串口与电子控制单元通信，向电子控制单元发送当前行车工况信息，包括行驶车距、前方障碍信息等；3)加速踏板传感器，加速踏板传感器为角度传感器和加速度传感器，向电子控制单元发送驾驶员行为信息，包括驾驶员当前操作加速度踏板的角度和加速度信息；4)电子控制单元，电子控制单元接受车载PC发送的行车工况信息和加速踏板传感器发送的驾驶员行为信息，根据接收到的信号判断驾驶员在当前行车工况下是否存在对加速度踏板的误操作，从而调节伺服电机进行相应运转；5)伺服电机，伺服电机受电子控制单元控制，伺服电机输出端通过带传动驱动节气门翻板运动；6)节气门控制机构，受伺服电机驱动，调节车辆发动机进气量，控制车辆的加速状态，同时，使车辆对驾驶员误踩油门的行为做出正确的反应；7)制动主缸推杆控制机构，在判断为紧急情况的状态下，电子控制单元发出制动信号，伺服电机通过与其连接的齿轮齿条啮合驱动制动主缸推杆，制动主缸推杆与液压制动系统中主缸活塞铰接，使车辆在紧急状态下能迅速采取制动措施。

进一步地，执行计算机视觉单元时调用前视摄像头，基于Python3.7与Open CV实现了前车与行人的目标识别，并对被识别对象进行框选和跟踪，通过画框长宽计算对象距离，据此得到交互的车辆和路面状态信息；在车载PC中，根据得到的车辆和路面状态信息，通过机器视觉单元与车载PC对前方车辆和行人进行识别和测距，实时计算当前紧急制动所需最小安全距离，即以当前车辆行驶环境下考虑前车和系统搭载车辆的一维非对开路面跟车行为下的安全车距，以及考虑前方行人静止不动时的系统搭载车辆的一维非对开路面跟车行为下的制动距离；车载PC根据最小安全距离实时计算当前行驶车速下紧急制动时不发生碰撞的安全距离阈值，并通过图像处理算法计算与前车的距离，进行当车距小于安全距离阈值时，判断为行车危险工况。

进一步地，最小安全距离s：

其中s₁为驾驶员反应时间内车辆驶过的距离，s₂制动器作用期间车辆驶过的距离，s₃持续制动期间车辆驶过的距离，τ₁驾驶员反应时间，包括驾驶员的脑神经反应时间和右脚移动到制动踏板上的时间，τ₂是制动器作用时间，包括克服制动机构间隙的时间τ'₂和制动力增长所用时间τ”₂，

同时考虑到制动力增长所用时间τ”₂非常短，因此可以忽略

项，所以安全距离s可以简化为：

进一步地，电子控制单元使用Arduino电子原型平台，接收来自计算机视觉单元和加速踏板传感器的信号，控制伺服电机的正转转动角度和反转转动角度，当电子控制单元判断当前驾驶员制动意图和行为不一致时控制伺服电机转动正转转动角度，在该转动角度下伺服电机驱动节气门翻板转动，制动主缸推杆轴向平动，使节气门关闭、制动主缸增压，反转转动角度是在加速踏板复位后电子控制单元控制伺服电机反转转动角度，在该转动角度下节气门翻板和制动主缸推杆复位。

进一步地，伺服电机输出轴处安装第一齿轮，第一齿轮与齿条啮合，齿条与制动主缸推杆一体成型，制动主缸推杆与车辆制动主缸活塞铰接；第一齿轮与第二齿轮啮合，第二齿轮转轴与节气门翻板相连，带动发动机节气门翻板开合，继而实现伺服电机对制动主缸压力和节气门开度的控制，伺服电机可以实现固定角度的正反转，正转使制动主缸增压，节气门关闭；伺服电机反转驱动节气门开启和制动主缸减压。

一种驾驶员防误踩油门控制系统的控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1：对驾驶员真实意图进行监测，车载PC通过计算机视觉单元对前方车辆和行人进行识别和测距，获取各行车工况信息，电子控制单元通过串口获取车载PC中计算机视觉单元的识别结果，电子控制单元判断自车是否处于危险行驶状况中，获取驾驶员在此状况下的真实制动意图；

步骤2：对驾驶员操作进行监测，电子控制器采集加速踏板角度或加速度信号，根据步骤1判断车辆是否行驶于危险状况中，并通过加速踏板角度和加速度传感器下，检测驾驶员是否存在猛踩加速踏板的行为，若在危险行驶工况下踏板加速度大于设定阈值，电子控制单元则认为驾驶员存在误操作加速踏板的行为；

步骤3：对车辆进行控制，当电子控制单元判断出驾驶员不存在误操作加速踏板时，驾驶员可以正常控制车辆运行，当电子控制单元判断出驾驶员于危险工况下执行了误操作加速踏板的行为时，电子控制系统便会接管驾驶员对节气门翻板和制动主缸拉杆的控制权，电子控制单元通过控制伺服电机运作，从而驱动节气门翻板转动，控制发动机的进气量，伺服电机同时还会驱动制动主缸推杆运作，调节汽车制动力，最终由节气门和制动主缸来修正驾驶员的误操作。

有益效果：本发明在不破坏驾驶员原有驾驶习惯的前提下实现了对驾驶员紧急情况下误踩油门行为的纠正，利用机器视觉智能化地实现了驾驶员操作意图的识别，在进行工况判断时不仅将驾驶员行为作为判据，还将驾驶环境考虑在内，从而减少了紧急情况下误踩油门引发的交通事故，提升了行车安全性。

附图说明

图1是驾驶员防误踩油门控制系统组成图；

图2是驾驶员防误踩油门控制系统硬件组成图；

图3是驾驶员防误踩油门控制系统的控制过程框图；

图4是驾驶员防误踩油门控制系统结构设计图；

图5是电子控制单元控制方式示意图；

图6(a)是伺服电机与节气门翻板及制动主缸推杆的传动方式主视示意图，图6(b)伺服电机与节气门翻板及制动主缸推杆的传动方式俯视示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。本领域的技术人员将领会的是，这些描述仅为描述性的、示例性的，并且不应被解释为限定本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的防误踩油门控制系统由三大部分组成，包括：搭载计算机视觉单元的车载PC、加速踏板传感器、电子控制单元和操纵执行机构。

由车载PC搭载的算法，对车辆摄像头获取的行车情况进行检测，对行车安全性进行判断，并通过串口向电子控制单元发送其判断的结果。

本发明所述的电子控制单元用于对车载PC发送的安全性数据进行读取，同时结合油门踏板的角度传感器读取的信号值，来判断驾驶员是否在危险情况下对油门进行了误操作。之后控制单元将控制信号发送给操纵执行机构，对驾驶员误踩油门的动作进行纠正。

本发明所述的操纵执行机构包括伺服电机、节气门调节机构和制动主缸推杆。在电子控制单元判断驾驶员的操作是符合当前情况时，驾驶员可直接操作各个操纵执行机构来驾驶汽车。在电子控制单元判断驾驶员在危险情况下存在误操作油门操作时，电子控制单元纠正驾驶员的误操作，执行机构操作汽车制动，同时操作节气门复位。本发明可以手动关闭，当整个系统关闭时，所述的驾驶员防误踩油门控制系统不再工作。此时驾驶员正常地操纵车辆的加速和制动。当系统处于开启状态时，所述的系统电子控制单元接管驾驶人员对节气门调节机构和制动主缸推杆的控制权，由所述的各种信息检测驾驶员的驾驶意图，由控制器来响应驾驶员的加速和制动操作，纠正驾驶员的而并非由驾驶员操作加速和制动踏板来直接控制汽车的加速和制动。本发明中的计算机视觉单元根据前视摄像头采集到的前方车辆和行人目标选框大小进行距离判断，并将检测所得距离与当前安全车距比较，当制动距离大于当前距离时即判断为危险工况。所述的制动距离是以当前车辆行驶环境下考虑前车和系统搭载车辆的一维非对开路面跟车行为下的安全车距，以及考虑前方行人静止不动时的系统搭载车辆的一维非对开路面跟车行为下的制动距离。

本发明可以手动关闭，当整个系统关闭时，所述的驾驶员防误踩油门控制系统不再工作，此时驾驶员正常地操纵车辆的加速和制动，当系统处于开启状态时，所述的系统电子控制单元接管驾驶人员对节气门调节机构和制动主缸推杆的控制权，由所述的各种信息检测驾驶员的驾驶意图，由控制器来响应驾驶员的加速和制动操作，纠正驾驶员的而并非由驾驶员操作加速和制动踏板来直接控制汽车的加速和制动。

如图2所示，本发明所述的防误踩油门控制系统的硬件组成包括：搭载计算机视觉算法单元的车载PC、以Arduino为例的ARM主控芯片、加速踏板传感器、伺服电机、节气门控制机构和制动主缸推杆控制机构。

如图3所示，当汽车行驶时，汽车摄像头拍摄行车情况，经过车载PC的计算机视觉单元处理后，获取车辆运行工况和路面情况。同时驾驶员也能通过各种途径获取车辆运行情况和行驶状况，并对车辆进行一定的操作。车载PC通过串口将处理后的结果发送到电子控制器中，控制器同时也监测驾驶员的操作。在危险情况下，当控制器检测到驾驶员存在误踩油门的操作时，会发送报警信号提醒驾驶员当前存在误操作，同时操作制动主缸推杆进行汽车的自动制动，并将节气门复位，防止因为驾驶员误踩油门的误操作引起的危险，避免当前误操作危害到驾驶员以及其他路上行人和车辆的安全。

本发明所述的计算机视觉单元搭载在车载PC上，主操作界面由实时检测区域、预警区域以及显示滑动窗口、显示热图按钮组成。所述计算机视觉单元调用前视摄像头，开始进行实时目标检测，检测对象为其他车辆。

车载PC处理计算机视觉单元采集的图像，根据前车轮廓在图像中绘制画框，当画框中心点位置在检测界面内中部位置时，即认为当前被检测车辆处于工作车的正前方。此时当画框长宽均超过设定阈值时，即认为此时距离过近，所述计算机视觉单元即通过车载PC向所述中央控制单元发送危险工况信息。

所述计算机视觉单元引入了滑动窗口的方法来提高视频图像的处理效率。在到达所在视频帧数时，先直接提取图像内的四大特征值，包括HOG特征、灰度差异度D、颜色丰富度E以及灰度退化度R，然后通过滑动窗口获取所属部分的特征，如此能提高识别目标的速率。为了确保整个图像都能被滑动窗口所覆盖，因此采用了四种不同尺寸和固定重叠率的滑动窗口对图像中的车辆进行搜索和抓取其位置信息。

如图4所示，本发明所述的驾驶员防误踩油门控制系统的结构设计包括计算机视觉行驶情况定义层，操作判断控制器和执行机构控制器。

在计算机视觉行驶情况定义层方面，定义车辆当前所处的情况是否危险，判断驾驶员应当采取何种操作，该层从安全距离的角度出发，运用动力学的控制算法，获取当前情况下被控车辆与前车的距离是否小于安全距离。

在操作判断控制器的设计方面，通过对比由加速踏板角度传感器的信号值和车载PC的危险情况定义信号，判断驾驶员操作是否正确，执行控制器的设计则是根据操作判断控器的判断信号，对图2所示的操纵执行机构进行相应的驱动。

如图5所示，计算机视觉预警模块通过车用前视摄像头采集车辆前方视觉信息，根据此信息车载PC基于机器视觉算法判断车辆是否处于危险工况；加速踏板传感器采集驾驶员踩下油门踏板时的加速度信号；当车辆处于危险工况且踏板加速度信号超过设定阈值时，即判定驾驶员误操作，电子控制单元控制伺服电机驱动制动总泵使车辆紧急制动，并对节气门机构进行复位和锁止，从而实现防误踩油门操作。

如图6(a)和图6(b)所示，伺服电机1输出轴处安装第一齿轮2，第一齿轮2与齿条啮合，齿条与制动主缸推杆3一体成型，制动主缸推杆3与车辆制动主缸活塞4铰接；第一齿轮与第二齿轮5啮合，第二齿轮5转轴与节气门翻板6相连，带动发动机节气门翻板6开合，节气门翻板6设置在节气门体8，继而实现伺服电机1对制动主缸7压力和节气门开度的控制，伺服电机1可以实现固定角度的正反转，正转使制动主缸7增压，节气门关闭；伺服电机1反转驱动节气门开启和制动主缸7减压。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种驾驶员防误踩油门控制系统，其特征在于，包括：计算机视觉单元、车载PC、加速踏板传感器、电子控制单元、伺服电机、节气门控制机构、制动主缸推杆控制机构，

1)计算机视觉单元，该单元与车载PC连接，向车载PC发送当前行车过程的实时图像，以供车载PC处理；2)车载PC，车载PC接收并处理计算机视觉单元的实时图像，并通过串口与电子控制单元通信，向电子控制单元发送当前行车工况信息，包括行驶车距、前方障碍信息等；3)加速踏板传感器，加速踏板传感器为角度传感器和加速度传感器，向电子控制单元发送驾驶员行为信息，包括驾驶员当前操作加速度踏板的角度和加速度信息；4)电子控制单元，电子控制单元接受车载PC发送的行车工况信息和加速踏板传感器发送的驾驶员行为信息，根据接收到的信号判断驾驶员在当前行车工况下是否存在对加速度踏板的误操作，从而调节伺服电机进行相应运转；5)伺服电机，伺服电机受电子控制单元控制，伺服电机输出端通过带传动驱动节气门翻板运动；6)节气门控制机构，受伺服电机驱动，调节车辆发动机进气量，控制车辆的加速状态，同时，使车辆对驾驶员误踩油门的行为做出正确的反应；7)制动主缸推杆控制机构，在判断为紧急情况的状态下，电子控制单元发出制动信号，伺服电机通过与其连接的齿轮齿条啮合驱动制动主缸推杆，制动主缸推杆与液压制动系统中主缸活塞铰接，使车辆在紧急状态下能迅速采取制动措施。

2.根据权利要求1所述的一种驾驶员防误踩油门控制系统，其特征在于，执行计算机视觉单元时调用前视摄像头，基于Python3.7与Open CV实现了前车与行人的目标识别，并对被识别对象进行框选和跟踪，通过画框长宽计算对象距离，据此得到交互的车辆和路面状态信息；在车载PC中，根据得到的车辆和路面状态信息，通过机器视觉单元与车载PC对前方车辆和行人进行识别和测距，实时计算当前紧急制动所需最小安全距离；车载PC根据最小安全距离实时计算当前行驶车速下紧急制动时不发生碰撞的安全距离阈值，并通过图像处理算法计算与前车的距离，进行当车距小于安全距离阈值时，判断为行车危险工况。

3.根据权利要求2所述的一种驾驶员防误踩油门控制系统，其特征在于，最小安全距离s：

其中s₁为驾驶员反应时间内车辆驶过的距离，s₂制动器作用期间车辆驶过的距离，s₃持续制动期间车辆驶过的距离，τ₁驾驶员反应时间，包括驾驶员的脑神经反应时间和右脚移动到制动踏板上的时间，τ₂是制动器作用时间，包括克服制动机构间隙的时间τ'₂和制动力增长所用时间τ”₂，

同时考虑到制动力增长所用时间τ”₂非常短，因此可以忽略

项，所以安全距离s可以简化为：

4.根据权利要求1所述的一种驾驶员防误踩油门控制系统，其特征在于，电子控制单元可以控制伺服电机的正转转动角度和反转转动角度，当电子控制单元判断当前驾驶员制动意图和行为不一致时控制伺服电机转动正转转动角度，在该转动角度下伺服电机驱动节气门翻板转动，制动主缸推杆轴向平动，使节气门关闭、制动主缸增压，所述的反转角度是在加速踏板复位后电子控制单元控制伺服电机反转转动角度，在该转动角度下节气门翻板和制动主缸推杆复位。

5.根据权利要求1所述的一种驾驶员防误踩油门控制系统，其特征在于，伺服电机(1)输出轴处安装第一齿轮(2)，第一齿轮(2)与齿条啮合，齿条与制动主缸推杆(3)一体成型，制动主缸推杆(3)与车辆制动主缸活塞(4)铰接；第一齿轮与第二齿轮(5)啮合，第二齿轮(5)转轴与节气门翻板(6)相连，带动发动机节气门翻板(6)开合，继而实现伺服电机(1)对制动主缸(7)压力和节气门开度的控制，伺服电机(1)可以实现固定角度的正反转，正转使制动主缸(7)增压，节气门关闭；伺服电机(1)反转驱动节气门开启和制动主缸(7)减压。

6.一种驾驶员防误踩油门控制系统的控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：对驾驶员真实意图进行监测，车载PC通过计算机视觉单元对前方车辆和行人进行识别和测距，获取各行车工况信息，电子控制单元通过串口获取车载PC中计算机视觉单元的识别结果，电子控制单元判断自车是否处于危险行驶状况中，获取驾驶员在此状况下的真实制动意图；

步骤2：对驾驶员操作进行监测，电子控制器采集加速踏板角度或加速度信号，根据步骤1判断车辆是否行驶于危险状况中，并通过加速踏板角度和加速度传感器下，检测驾驶员是否存在猛踩加速踏板的行为，若在危险行驶工况下踏板加速度大于设定阈值，电子控制单元则认为驾驶员存在误操作加速踏板的行为；

步骤3：对车辆进行控制，当电子控制单元判断出驾驶员不存在误操作加速踏板时，驾驶员可以正常控制车辆运行，当电子控制单元判断出驾驶员于危险工况下执行了误操作加速踏板的行为时，电子控制系统便会接管驾驶员对节气门翻板和制动主缸推杆的控制权，电子控制单元通过控制伺服电机运作，从而驱动节气门翻板转动，控制发动机的进气量，伺服电机同时还会驱动制动主缸推杆运作，调节汽车制动力，最终由节气门和制动主缸来修正驾驶员的误操作。

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