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基于限制车速的安全带强制使用装置(2)
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摘要：控制原理是基于Drive-by-wire[4]理念，当单片机判断出驾驶员未佩戴安全带且车速超过安全车速，从而本装置输出加速踏板位置传感器的“替代信号”时，由
控制原理是基于Drive-by-wire[4]理念，当单片机判断出驾驶员未佩戴安全带且车速超过安全车速，从而本装置输出加速踏板位置传感器的“替代信号”时，由动力控制系统完成对发动机ECU加速踏板信号的强制干涉输入，从而使汽车回到安全车速范围内，并传递信号给语音提示装置，提示驾驶员系好安全带。控制系统的结构如图2所示。
图2 控制系统的结构Fig.2 Structure of control system
2 限速安全带强制佩戴装置的工作原理
限速并要求驾驶员及乘客强制佩戴安全带的控制原理是，在车用发动机电控系统的加速踏板和控制ECU之间安装了本装置，由此基于Drive-by-wire理念，根据汽车运行速度和驾驶员及乘客是否佩戴安全带的信息，有选择地进行限制车速控制，并强制实现驾驶员和乘客佩戴安全带。
2.1 加速踏板信号的控制原理
众所周知，汽油机用加速踏板控制进气量，由此调节负荷大小，而柴油机通过加速踏板信息控制喷油量。当汽油机采用全电控节气门以后，和电控柴油机一样，加速踏板只提供所需求负荷大小的信号。即驾驶员操作加速踏板的电压信号传给发动机的ECU，ECU根据加速踏板信号、空气流量传感器、转速传感器、水温传感器和氧传感器等信号来确定喷油脉宽[5]，而喷油脉宽的大小（即喷油量的多少）与发动机发出的转速成正比，所以当节气门开度增大（即加速踏板输出电压增大）时，发动机输出的转速增加[6]。
汽车在不超过安全车速的低速稳定行驶过程中，可认为其采用档位中的一档，并且主差速器的传动比在此工况下可视为定值，所以可以得到发动机的转速和汽车的车速关系式为：
其中ua为汽车的车速；ig为变速箱的档位传动比；k为整个传动系的比例系数；n为发动机的转速[7]。
由（1）式可得知，汽车在不超过安全车速的低速稳定行驶过程中车速与发动机的转速成正比。因此加速踏板的输出电压与车速成正比，而且是驾驶员控制车速的主要参数之一。所以选择加速踏板的输出信号作为驾驶员是否佩戴安全带控制车速的主要依据。
2.2 安全带强制使用装置的工作原理
在汽车起动时本装置首先启动“语音提示装置”督促驾驶员和乘客系好安全带，同时将“安全车速设定装置”中车速确定为安全行车车速x。当汽车运行时，本装置中断扫描安全带卡扣开关、车速传感器以及加速踏板位置传感器的信号，以确定其工作状态，并根据不同状态按以下两种模式进行工作。
1）工作方式①：不受约束行驶模式当本控制系统扫描到安全带卡扣开关传感器输出信号为高电平时（即驾驶员和乘客佩戴了安全带），则不干涉原发动机控制系统的加速踏板的输出信号，即将加速踏板的输出电压原封不动地输出给发动机的ECU，本装置不起干涉作用。
2）工作方式②：限速强制佩戴安全带的行驶模式当本控制系统扫描到安全带卡扣传感器为低电平信号时（即驾驶员和乘客未佩戴安全带），本装置将对向发动机控制单元（ECU）输出的加速踏板信号进行有选择性地强制干预，即当车速传感器检测到的车速未达到安全车速x时，本装置对加速踏板的输出信号不加以控制；若车速传感器检测到的车速达到或超过安全车速x时，本系统将对加速踏板的输出信号进行强制屏蔽，并利用本系统向发动机控制单元ECU，输出一个标定的假加速踏板信号，使车速稳定在安全车速以下。驾驶员在没有佩戴安全带的情况下欲加速而加大加速踏板的操作量，此时加速踏板的实际输出电压为U1，车速已达到或超过安全车速x，则本系统运用相关模块和程序屏蔽向发动机ECU传送的实际加速踏板信U1号的同时，向发动机ECU输出替代加速踏板信号的一个假信号U2，在该加速踏板假信号下，发动机ECU只按小负荷控制喷油，使车速限定在安全车速X以下，同时传递信号给“语音提示装置”，提醒驾驶员和乘客系好安全带。本系统的控制流程图如图3所示。
图3 控制原理流程图Fig.3 Flow chart of control principle
3 采用MATLAB/SIMULINK对本装置仿真和相应实验结果
本装置为一汽车电子控制装置，因此采用MATLAB/SIMULINK对其仿真，可以比较准确地判断出本装置是否起到了预想的作用。
3.1 仿真模块
本装置采用MATLAB/SIMULINK仿真模块，具体模块结构如图4所示。
图4 仿真模块整体结构图Fig.4 Overall structure chart of simulation module
文章来源：《内燃机工程》 网址: http://www.nrjgczz.cn/qikandaodu/2021/0709/967.html