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基于MSP430单片机的限速器的实现原理及设计方法
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2017-11-01
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我国每年有数十万起交通事故发生，如果汽车限速器能够普及，将会降低交通事故发生率，从而挽回不必要的财产和生命损失。
与近期在市场上热销的电子狗产品相比，汽车限速器更具有主动规避事故的优势，电子狗只是在接近超速测试探头时才提醒驾驶者控制车速。汽车限速器通常分为两大类：一种是在车辆超速时发出语音警报，提醒驾驶者减速；另一种是在车辆超过限定速度后，通过车载电脑发出指令，强制控制车辆行驶速度。第1种限速器只起到警示作用，而第2种汽车限速器将更为有效地降低交通事故。因此，本文着重介绍了第2种限速器的实现原理及设计方法。
1 限速器实现原理
由于早期的汽车是没有限速功能的，所以在设计时要同时考虑到汽车出厂前安装与售出后安装两个不同层面的需求，限速器应具备灵活的安装方式，不破坏汽车的完整性和可靠性。为了设计出这样的限速器，首先需要了解汽车油门系统的工作原理。
一般的电子汽车油门系统包括：油门踏板、踏板传感器、电子控制单元（ECU）、电机、节气门机构，如图1所示。驾驶员根据驾驶所需的功率踩踏油门踏板，油门踏板位置传感器将采集到的油门踏板位置信号转化为电信号，并将其传给电子控制单元，由电子控制单元通过电动机实现对节气门的调节，实现节气门的完全电子控制。
分析组成汽车电子油门系统的几个环节后，在踏板传感器与ECU这两个环节之间插入限速控制是最易实现的，同时也具备了出厂前安装与售出后安装的条件，因此本文的限速控制设计方案就在踏板传感器和ECU这两个环节之间实现。插入限速器的电子油门系统模型如图2所示，图中虚线框所示的部分即是所设计的限速器。
限速器可通过键盘和显示等人机界面预置速度上限值Vm。当启动限速器工作后，图2中的1和3通路连通。限速器检测踏板传感器传递给它的电信号经IIR滤波后得Ux。由于本限速器尽可能地不破坏汽车原有的结构，因此采用油门的开度来判断汽车行驶速度，但是速度的变化滞后于油门的变化，即油门的变化量并不能直接地表征行驶速度变化量。所以本限速器采用自学习算法，通过较长时间段监测油门的前后变化情况以及前一时间段油门所处的稳定状态（如匀速或停止），判断驾驶者的操作意图，得出相应的行驶速度值Vx。将Vx与预置的速度上限值Vm比较，如果计算所得的速度值Vx《Vm，则没有在超速状态，此时踏板传感器电信号Ux直接提供给ECU，即限速器输出信号Uy=Ux。如果计算所得的速度值Vx≥Vm，处于超速状态，则限速器恒定输出预置的速度上限值Vm所对应的电信号Um，即Uy=Um，并传递给ECU，实现限速功能。
与近期在市场上热销的电子狗产品相比，汽车限速器更具有主动规避事故的优势，电子狗只是在接近超速测试探头时才提醒驾驶者控制车速。汽车限速器通常分为两大类：一种是在车辆超速时发出语音警报，提醒驾驶者减速；另一种是在车辆超过限定速度后，通过车载电脑发出指令，强制控制车辆行驶速度。第1种限速器只起到警示作用，而第2种汽车限速器将更为有效地降低交通事故。因此，本文着重介绍了第2种限速器的实现原理及设计方法。
1 限速器实现原理
由于早期的汽车是没有限速功能的，所以在设计时要同时考虑到汽车出厂前安装与售出后安装两个不同层面的需求，限速器应具备灵活的安装方式，不破坏汽车的完整性和可靠性。为了设计出这样的限速器，首先需要了解汽车油门系统的工作原理。
一般的电子汽车油门系统包括：油门踏板、踏板传感器、电子控制单元（ECU）、电机、节气门机构，如图1所示。驾驶员根据驾驶所需的功率踩踏油门踏板，油门踏板位置传感器将采集到的油门踏板位置信号转化为电信号，并将其传给电子控制单元，由电子控制单元通过电动机实现对节气门的调节，实现节气门的完全电子控制。
分析组成汽车电子油门系统的几个环节后，在踏板传感器与ECU这两个环节之间插入限速控制是最易实现的，同时也具备了出厂前安装与售出后安装的条件，因此本文的限速控制设计方案就在踏板传感器和ECU这两个环节之间实现。插入限速器的电子油门系统模型如图2所示，图中虚线框所示的部分即是所设计的限速器。
限速器可通过键盘和显示等人机界面预置速度上限值Vm。当启动限速器工作后，图2中的1和3通路连通。限速器检测踏板传感器传递给它的电信号经IIR滤波后得Ux。由于本限速器尽可能地不破坏汽车原有的结构，因此采用油门的开度来判断汽车行驶速度，但是速度的变化滞后于油门的变化，即油门的变化量并不能直接地表征行驶速度变化量。所以本限速器采用自学习算法，通过较长时间段监测油门的前后变化情况以及前一时间段油门所处的稳定状态（如匀速或停止），判断驾驶者的操作意图，得出相应的行驶速度值Vx。将Vx与预置的速度上限值Vm比较，如果计算所得的速度值Vx《Vm，则没有在超速状态，此时踏板传感器电信号Ux直接提供给ECU，即限速器输出信号Uy=Ux。如果计算所得的速度值Vx≥Vm，处于超速状态，则限速器恒定输出预置的速度上限值Vm所对应的电信号Um，即Uy=Um，并传递给ECU，实现限速功能。
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