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技术领域

本发明涉及一种汽车工程专业仿真教具，更具体的说，本发明涉及一种基 于雷达信号、电子油门信号、制动踏板信号和实时仿真系统的汽车主动避撞应 急制动仿真教具。

背景技术

随着社会的发展，交通事故带来的问题日益凸显，人们对汽车安全性的要 求逐日提升。各种汽车主动安全控制系统先后问世并得到广泛应用，如基于传 统车辆动力学的汽车制动防抱死系统、牵引力控制系统、电子稳定控制系统； 以及基于新一代车载感知系统的自适应巡航系统、主动避撞系统、车道偏离预 警干预系统等。

由于这些系统集成度较高、涉及交叉学科内容较多，因此给汽车工程专业 相关教学带来了很大的难度，传统的书本教学已经无法满足要求。为解决这一 问题，本发明从简单实用角度出发，设计了一种基于防油门误踩功能的汽车主 动避撞应急制动系统教具，一方面，可以使课堂教学更加直观、生动，充分调 动学生的积极性；另一方面，还可以增加学生的动手实践能力，提高创新能力 的培养水平。同时，该教具还可以作为科研人员进行制动系统开发设计的调试 平台，以便进行制动系统仿真试验，进而确定相关参数。目前国内的汽车工程 专业教具多为汽车结构教具，很少涉及自动控制类的实时仿真教具，该状况不 仅对当今汽车工程专业的教学造成了极大的障碍，而且已经难以适应当今汽车 工程学科发展的智能化与集成化要求。目前有关汽车主动避撞应急制动的实时 仿真教具，国内尚未空白。

发明内容

本发明是为克服现有技术缺少实时仿真与防油门误踩功能的问题，提供了 一套简单实用的带有防油门误踩功能的汽车主动避撞应急制动仿真教具。本发 明是采用如下技术方案实现的:

所述的汽车主动避撞应急制动仿真教具,包括油门踏板、连接件、步进电机、 步进电机驱动器、底板、支架，制动踏板。其特征在于：还包括雷达、光电编 码器、工控机、接口面板、处理器板、12V直流电源，油门踏板的踩踏部分与连 接件外侧的连接件的槽间隙配合，贯穿连接件的连接件的孔与步进电机的输出 轴固定连接，步进电机驱动器与步进电机通过螺栓固定连接，步进电机驱动器 通过螺栓固定在底板上，底板外侧顶端固定有支架，油门踏板固定在支架上， 雷达通过电源线与12V直流电源连接，雷达的信号输出端通过导线连接到接口 面板上，光电编码器安装在制动踏板的转轴处，光电编码器的信号输出端通过 导线连接到接口面板上，步进电机驱动器通过电线与处理器板连接，油门踏板 通过电线与接口面板连接，接口面板通过电线与处理器板连接，处理器板通过 网线与工控机连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、目前，有关汽车主动安全技术的教具在科研教学机构中的利用率较低， 特别是直接面向教学的教具开放性较差。本发明设计了一种包含电子油门和车 载雷达在内的基于防油门误踩功能的汽车主动避撞应急制动系统实时演示教学 平台，系统具有较高的开放性和较直观的演示效果，同时结构简单，实用性强， 能够较好的满足教学与科研需求。

2、本发明可以自动调节油门踏板，并采集油门踏板、制动踏板和雷达信号， 在此基础上设计程序，判断车辆的危险状态，进而决定是否进行应急制动控制。 通过改变雷达前方障碍物位置与电子油门的信号输入，可以验证系统程序算法 的可行性，因而本发明对于开发新的主动安全系统具有良好的调试作用。

3、通过改变踩踏制动踏板的力度大小，可以分析得出制动踏板的角加速度 信息，因而对于研究汽车的安全模型与驾驶员行为模式也具有重要的参考作用。

附图说明

下面结合附图对本专利进一步说明：

图1是本发明所述的汽车主动避撞应急制动仿真教具结构组成的轴测投影 图；

图2是本发明所述的汽车主动避撞应急制动仿真教具电子油门自动控制装 置结构组成的分解轴测投影图；

图3是本发明所述的汽车主动避撞应急制动仿真教具的型号为3M2060H三 相步进电机驱动器的引脚接法示意图；

图4是本发明所述的汽车主动避撞应急制动仿真教具电子油门自动控制装 置中连接件的轴测投影图；

图5是本发明所述的汽车主动避撞应急制动仿真教具的DELPHI ESR高频电 子扫描雷达引脚示意图；

图6是本发明所述的汽车主动避撞应急制动仿真教具的油门踏板信号发生 装置的底座所使用的型号为40160的型材的主视图；

图7是本发明所述的汽车主动避撞应急制动仿真教具的油门踏板信号发生 装置的支架所使用型号为4040gf的型材的主视图；

图8是本发明所述的汽车主动避撞应急制动仿真教具的结构组成示意框图；

图9是本发明所述的汽车主动避撞应急制动仿真教具的工作原理框图。

图中：1.油门踏板，2.连接件，3.步进电机，4.步进电机驱动器,5.底板， 6.支架，7.雷达，8.光电编码器，9.制动踏板，10.工控机，11.接口面板，12. 处理器板，13.12V直流电源，14.连接件的槽，15.连接件的孔16.前连接片， 17.后连接片，18.雷达+5V电压输入引脚，19.雷达接地引脚，20.雷达CAN低线 引脚，21.雷达CAN高线引脚。

具体实施方式

下面结合附图对本专利做详细的描述：

本发明所述的汽车主动避撞应急制动仿真教具包括有油门踏板1、连接件2、 步进电机3、步进电机驱动器4、底板5、支架6、雷达7、光电编码器8、制动 踏板9、工控机10、接口面板11、处理器板12、12V直流电源13、前连接片16、 后连接片17。

参阅图1、图2，本发明所述的油门踏板1是采用中国专利公告号 为CN2775608、公告日为2006年04月26日、专利号为200520068936.4的实 用新型所述的带有非接触式踏板角位移变送器的汽车加速器踏板，该踏板具有 两个结构相同角位移传感器，通过检测被机械式角位移放大装置进行放大的踏 板转角，可以将踏板的机械转动表征为两路模拟电压信号Signal1与Signal2， Signal1电压范围为0.7V～4.2V，Signal2电压范围0.35V～2.1V，两路信号输 出电流均为30mA～50mA。通过将这两路信号输入实时仿真系统，经过分析处理 可以得到油门角加速度信号。油门踏板1通过两个螺栓与支架6固定连接。

参阅图3，所述的步进电机驱动器4是采用型号为3M2060H的三相步进电机 驱动器，用于驱动型号为110BYG350-184的步进电机3运转。通过改变步进电 机驱动器4的脉冲信号输入可以改变步进电机3的转速输出，进而影响油门踏 板1的角位移输出。所述的步进电机3采用型号为110BYG350-184的三相混合 式步进电机，保持转矩16Nm，步进电机3的输出轴插接到连接件2上的连接件 的孔15中，连接件2上的连接件的槽14可以与油门踏板1的踩踏部分间隙配 合，这样就可以实现通过步进电机3带动油门踏板1的踩踏部分运动。步进电 机3与步进电机驱动器4通过四个长螺栓固定连接，步进电机驱动器4通过两 个螺栓与底板5固定连接。

本发明所述的雷达7为DELPHI ESR高频电子扫描雷达，该雷达7同时具有 中距离与远距离的扫描能力，其中中距离最大检测距离为50m，精确度为± 0.25m，相对速度范围为-100至25m/s，精确度为±0.12m/s；长距离最大检测 距离为100m，精确度为±0.5m，相对速度范围为-100至25m/s，精确度为± 0.12m/s，该雷达7可以较为精确的测定出安全距离。12V直流电源13用于供给 雷达7所需的12V直流电压，以保证雷达7的正常工作。

光电编码器8是采用型号为E6B2-CWZ6C的增量式光电编码器，由信号线输 出A、B、Z三个相位，A相、B相的位相差为90±45°(1/4T±1/8T)，分辨率为 2000P/R。该光电编码器8可以较为精确的测定出制度踏板转角，进而得到制动 踏板9的角加速度。

制动踏板9采用上汽荣威350刹车踏板总成,在转轴处与光电编码器8相连， 用于测量在驾驶员踩踏制动踏板9时，制动踏板9转动的角位移，进而得出制 动踏板9的角加速度，以用于分析驾驶员行为。

参阅图2、图6、图7，底板5采用型号为40160的型材，支架6采用型号 为4040gf的型材，底板5与支架6借助前连接片16与后连接片17通过螺栓固 定连接。

工控机10中安装有ControlDesk(可与Simulink无缝连接的仿真软件) 和用Python语言编写的控制程序。ControlDesk可以编制测试系统控制界面， 应用此界面，结合下载到型号为DS1103的处理器板12中的Matlab程序，可以 方便的实现对油门踏板1、雷达7与制动踏板9信号的分析处理，同时界面还可 以显示并储存试验相关数据信息。本教具采用研华公司生产的型号为610H的工 控机，其CPU为英特尔双核E65003.0GHz，内存为4G。工控机10中安装有板 卡DS817，通过网线与型号为DS1103的处理器板12连接。型号为DS1103的处 理器板12包括集成的处理器与I/O接口板，采用了IBM PowerPC750GX处理器， 运行频率1GHz，具有4组16位组合A/D通道；4路16位独立A/D通道；8路 16位独立D/A通道；4路单相PWM测量输出；2路三相PWM输出；32位数字输 入输出；1路CAN；串行接口(RS232，RS422)。DS1103处理器板12通过ISA 总线实现与工控机的通信。型号为CLP1103的接口面板11具有20路差分A/D 通道；8路D/A通道(具有独立接地读出线)；32位数字输入输出；1路CAN； 串行接口(RS232，RS422)及各个通道的指示灯。型号为DS817的上位机板卡 安装于工控机10的PCI插槽中，通过网线与型号为DS1103的处理器板12连接， 从而实现工控机10与型号为DS1103的处理器板12的通信。

本发明所述的汽车主动避撞应急制动仿真教具的各部件之间的连接关系 为：油门踏板1的踩踏部分与连接件2外侧的连接件的槽14间隙配合，贯穿连 接件2的连接件的孔15与步进电机3的输出轴固定连接，步进电机驱动器4通 过螺栓固定在底板5上，底板5外侧顶端固定有支架6，油门踏板1固定在支架 6上，雷达7通过电源线与12V直流电源连接，雷达7的信号输出端通过导线连 接到接口面板11上，光电编码器8安装在制动踏板9的转轴处，光电编码器8 的信号输出端通过导线连接到接口面板11上，步进电机驱动器4通过电线与处 理器板12连接，油门踏板1通过电线与接口面板11连接，接口面板11通过电 线与处理器板12连接，处理器板12通过网线与工控机10连接。

参阅图3，步进电机3的U端与步进电机驱动器4的U引脚电线连接，步进 电机3的V引脚与步进电机驱动器4的V引脚电线连接，步进电机3的W端与 步进电机驱动器4的W引脚电线连接。为提供步进电机3所需的脉冲信号，需 要将步进电机驱动器4与型号为DS1103的处理器板12相连接，+5V供电引脚连 接+5V电压输入，PLS-连接型号为DS1103的处理器板12的第1路PWM的输出， DIR-与ENA-分别连接型号为DS1103的处理器板12的第1路与第2路数字输出， AC1与AC2之间接80-220V交流电，PG端接地。为采集油门踏板1的角位移信 号，需要将其与型号为CLP1103的接口面板11连接，油门踏板1的两路+5V供 电引脚连接+5V电压输入，两路接地引脚接地，两路信号输出引脚分别与型号 为CLP1103的接口面板11的第1路与第2路A/D通道连接。

雷达7与接口面板11的连接参阅图5，雷达7的+5V电压输入引脚18接+5V 电源，雷达7的接地引脚19接地，雷达7的CAN低线引脚20与型号为CLP1103 的接口面板11的CAN低线串行输入连接，雷达7的CAN高线引脚21与型号为 CLP1103的接口面板11的CAN高线串行输入连接。

光电编码器8的+24V电压输入引脚连接+24电压，接地引脚接地，三路信 号线分别连接型号为CLP1103的接口面板11的第1路至第3路数字输入。

为实现型号为CLP1103的接口面板11与型号为DS1103的处理器板12之间 的通信，需要将该两个板卡连接，首先将型号为DS1103的处理器板12供给220V 电压，然后将型号为CLP1103的接口面板11与型号为DS1103的处理器板12的 P1、P2、P3通道通过电线连接。 汽车主动避撞应急制动仿真教具工作原理：

参阅图8、图9，汽车主动避撞应急制动仿真教具工作原理主要如下，首先 通过工控机10中的Matlab程序控制实时仿真系统输出不同的脉冲信号，然后通 过处理器板12和接口面板11传送到步进电机驱动器4，从而使步进电机3以不 同的步距角运动，进而带动油门踏板1以不同的角加速度运动，而油门踏板1 的角加速度信号可以通过型号为CLP1103的接口面板11的A/D通道传送到处理器 板12中，预先下载到其中的Matlab程序会将该加速度信号a与设定的门限值a₀比较，如果其大于门限值，可以认为驾驶员在紧急制动的工况下误踩了油门踏 板，这时处理器板12中的Matlab程序会使工控机中的CarSIM(车辆动力学仿真 软件)汽车模型实现制动。

同样考虑到另一种工况，部分新手驾驶员在误踩油门踏板时力度不大，同 样会引发事故。因而我们引入了由雷达7组成的车距检测装置。如果踩踏油门 踏板的角加速度a没有大于门限值a₀,我们再利用雷达7比较安全距离。通过型号 为CLP1103的接口面板11的两路CAN信号输入，可将雷达7的信号输入到型号为 DS1103的处理器板12中，进而通过预先下载到处理器板12中的Matlab程序计 算两车之间的距离d，由于该系统作为教具使用，所以需要将演示的距离在 Matlab中利用算法放大10倍，以更接近真实值。当其大于Matlab中设定的安全 距离d₀时，程序指令会使工控机中的CarSIM汽车模型实现制动。

在系统开始进行紧急制动后，当驾驶员意识到错误踩踏油门踏板1，再踩踏 制动踏板9时，光电编码器8会随制动踏板9同轴转动，从而检测出制动踏板9 的角位移，继而将信号通过型号为CLP1103的接口面板11的数字输入端口传送 到型号为DS1103的处理器板12中，其中的Matlab程序会对角位移进行检测， 根据制动踏板的开度使工控机中的CarSIM汽车模型按一定的减速度进行制动。

本教具通过检测汽车驾驶中误踩油门这一工况，利用实时仿真系统进行干 预，实现汽车模型制动，避免危险状况，以达较为直观的演示汽车工程教学中 主动安全系统。