董佳琳

摘 要：本文針對(duì)當(dāng)前電動(dòng)自行車缺乏誤加檔防范手段的問(wèn)題，提出一種用于電動(dòng)自行車自動(dòng)避免誤加檔的裝置，該裝置以壓力傳感器測(cè)試騎行者對(duì)座位產(chǎn)生的壓力，通過(guò)壓力值的邏輯比較運(yùn)算，判斷是否是正常騎行狀態(tài)，而對(duì)電動(dòng)自行車電機(jī)控制器手把調(diào)速器信號(hào)有效性進(jìn)行控制，從而避免推行或危險(xiǎn)的站立騎行及兒童誤操作等座椅低受壓狀態(tài)時(shí)誤加檔，而造成的加速發(fā)生危險(xiǎn)。并對(duì)裝置方案、裝置方法、系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)及成本進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性，為提高電動(dòng)自行車的安全性和智能性提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)自行車；壓力測(cè)量反饋；誤加檔；安全防范裝置

中圖分類號(hào)：TH16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)電動(dòng)自行車的市場(chǎng)保有量已達(dá)到2.5億輛，電動(dòng)自行車已成為我國(guó)公民短距離出行的主要交通工具。據(jù)統(tǒng)計(jì)2013年～2015年，僅上海市抽樣交通重特大事故224起，傷亡人員258人，其中電動(dòng)自行車導(dǎo)致的交通事故占比高達(dá)33%。當(dāng)前，電動(dòng)自行車事故頻發(fā)，已成為影響人民財(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)穩(wěn)定不可忽視的因素。

電動(dòng)自行車導(dǎo)致的交通事故分為兩大類：第一類是碰撞類事故，由交通違規(guī)、違法導(dǎo)致車輛碰撞而生的交通事故；第二類是由于電動(dòng)自行車質(zhì)量問(wèn)題、使用或操作不當(dāng)?shù)仍驅(qū)е碌慕煌ㄊ鹿?。第一類交通事故主要靠提高使用者法律意識(shí)和道路交通安全意識(shí)、強(qiáng)化執(zhí)法力度和相關(guān)法律法規(guī)對(duì)該類型事故的針對(duì)性等手段來(lái)盡量避免。第二類交通事故，一方面主要依賴于強(qiáng)化使用者對(duì)規(guī)范、安全操作意識(shí)，但是主要依賴于電動(dòng)自行車安全性技術(shù)的發(fā)展和提升。2017年《中國(guó)電動(dòng)自行車質(zhì)量安全白皮書》明確指出，進(jìn)一步保障消費(fèi)者人身安全是電動(dòng)自行車技術(shù)發(fā)展的核心。

在電動(dòng)自行車誤操作安全事故中，最常見(jiàn)、傷害最重的要屬兒童誤觸發(fā)電動(dòng)自行車、成人推行或危險(xiǎn)站立騎行誤旋動(dòng)手把調(diào)速按鈕而導(dǎo)致的生命和財(cái)產(chǎn)受損的交通事故。例如：2016年，9月17日，遼寧省朝陽(yáng)市建平縣4歲女童君君，站在電動(dòng)自行車踏板上，因好奇而誤觸動(dòng)電動(dòng)車手把按鈕，導(dǎo)致自行車加速后翻車，君君受重傷送醫(yī)搶救無(wú)效后死亡。另一方面，兩輪車電動(dòng)自行車可騎行、可推行，停車后也需要推車使后支撐架支立才能穩(wěn)當(dāng)停放。由于電動(dòng)自行車騎行者通常在鎖車離開時(shí)才會(huì)通過(guò)鑰匙關(guān)閉自行車電源，當(dāng)騎行者下車推行、危險(xiǎn)的站立騎行或者下車推車支立時(shí)，經(jīng)常會(huì)誤旋動(dòng)手把調(diào)速旋鈕，從而導(dǎo)致車子前沖拖動(dòng)騎行者摔傷，類似事件更是屢見(jiàn)不鮮，這給騎行者的人身安全造成了極大隱患。因此，開發(fā)一種有效的用于電動(dòng)自行車自動(dòng)避免誤加檔的裝置，對(duì)于提高電動(dòng)自行車使用安全性具有極其重要的意義。

本文提出一種用于電動(dòng)自行車自動(dòng)避免誤加檔的裝置：在座位下均布?jí)毫鞲衅?，壓力傳感器測(cè)試騎行者對(duì)座位產(chǎn)生的壓力，通過(guò)壓力值的邏輯比較運(yùn)算，對(duì)電動(dòng)自行車電機(jī)控制器的進(jìn)行控制切換。當(dāng)壓力值高于正常受壓的最低值時(shí)，則手把調(diào)速器信號(hào)有效，調(diào)速器正常對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。當(dāng)為低壓力狀態(tài)時(shí)調(diào)速器信號(hào)無(wú)效，電源輸出功率保持0，調(diào)速旋鈕被推力旋動(dòng)時(shí)電機(jī)不會(huì)被誤加檔。以此避免推行誤加檔和兒童誤操作加檔。

1.技術(shù)方案

1.1 裝置構(gòu)成及原理

裝置主要構(gòu)成如圖1所示，包括：壓力傳感器1、壓力傳感器2、A/D采樣芯片3、手把調(diào)速器4、電機(jī)控制器5。

其主要工作原理為：由車坐墊下壓力傳感器1、2反饋壓力；利用A/D采樣芯片3對(duì)壓力傳感器模擬量信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后輸出數(shù)字量信號(hào)；電動(dòng)車電機(jī)控制器5接收數(shù)字量信號(hào)后，將兩路壓力相加獲得總壓力，并判斷總壓力是否超過(guò)閾值，以區(qū)分因騎行者重力受壓的騎行狀態(tài)或低受壓的推行或兒童騎行狀態(tài)；控制器進(jìn)行邏輯運(yùn)算，當(dāng)為騎行大壓力狀態(tài)時(shí)則手把調(diào)速器4信號(hào)有效，調(diào)速器正常對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，當(dāng)為低壓力狀態(tài)時(shí)調(diào)速器4信號(hào)無(wú)效，電源輸出功率保持0，調(diào)速旋鈕被旋動(dòng)時(shí)電機(jī)不會(huì)被誤加檔。

壓力傳感器的安裝位置如圖2所示，壓力傳感器1和壓力傳感器2布置在兩個(gè)減震彈簧機(jī)械安裝接口處。此處為車座承力支撐點(diǎn)，保證兩傳感器在騎行狀態(tài)下有效受壓。

由于腳踏和座位安裝機(jī)械接口對(duì)重力的分壓作用，電機(jī)控制器5內(nèi)受壓的騎行狀態(tài)或低受壓的狀態(tài)閾值可設(shè)置為150N～180N的壓力傳感器電壓值。由于該裝置主要為了防止兒童誤觸發(fā)加速旋鈕和推行電動(dòng)自行車時(shí)誤觸發(fā)加速旋鈕，150N～180N離低壓力狀態(tài)（小于80N）和騎行大壓力（大于250N）狀態(tài)余量均足夠?？紤]騎行者體重異常，出廠時(shí)在150N～180N對(duì)電機(jī)控制器內(nèi)的閾值進(jìn)行調(diào)整。

1.2硬件方案

本文給出該系統(tǒng)的一種詳細(xì)硬件設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表1。由于電動(dòng)自行車電機(jī)控制器通常自帶DSP等數(shù)字信號(hào)處理電路，因此本裝置可以與電機(jī)控制器共用數(shù)字信號(hào)處理電路。因此本裝置的主要硬件選型是壓力傳感器和A/D采樣電路。本文只需給出該裝置兩部件的硬件選型。壓力傳感器選擇S型拉壓傳感器，量程為0～200kg，精度為5‰。主要考慮人體體重通常不超過(guò)150kg，并且考慮顛簸路況下過(guò)載情況而選定量程。如前所述該裝置中閾值余量較大，因此傳感器精度在5%以內(nèi)均可以接受，考慮當(dāng)前市場(chǎng)壓力傳感器不同等級(jí)精度情況，本文給出的精度為5‰，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足該裝置的精度要求。壓力傳感器帶有信號(hào)變送器，輸出為0～5V或4～20mA模擬量輸出；A/D采用HX711SOP16A/D芯片2路，量化位數(shù)為12位，因?yàn)榱炕a(chǎn)生的誤差小于0.04kg，滿足本裝置的測(cè)量需求。傳輸速率為1Kbps，碼速率帶來(lái)的延遲小于1ms，響應(yīng)時(shí)間短，滿足系統(tǒng)的及時(shí)響應(yīng)需求。

表1硬件類型及參數(shù)

編號(hào) 類型 參數(shù)

1、2 S型拉壓傳感器 量程：0～200kg；

精度：5‰；

輸出：0～5V或4～20mA；

3 HX711SOP16

A/D芯片 量化位數(shù)：12位；

傳輸速率：1Kbps；endprint

1.3控制及其邏輯

該裝置的控制是在電機(jī)控制器的DSP等數(shù)字信號(hào)處理電路中實(shí)現(xiàn)的。與電機(jī)控制信號(hào)共用運(yùn)算處理單元。其主要的控制邏輯如圖3所示。壓力傳感器1、2，經(jīng)過(guò)A/D采樣傳輸至DSP，通過(guò)算術(shù)加求二者壓力之和為總受壓壓力值。然后進(jìn)行邏輯比較運(yùn)算，當(dāng)總壓力值超過(guò)設(shè)置閾值時(shí)，生成使能信號(hào)，手把調(diào)速旋鈕輸出有效，手把調(diào)速旋鈕正常調(diào)節(jié)電源輸出的占空比對(duì)電動(dòng)自行車進(jìn)行調(diào)速，電源按實(shí)際平均功率輸出。如果總壓力值沒(méi)有超過(guò)設(shè)置閾值時(shí)，關(guān)閉使能信號(hào)，手把調(diào)速旋鈕調(diào)速信號(hào)無(wú)效，并將電源輸出占空比調(diào)節(jié)至0，電源平均輸出功率為0。通過(guò)上述邏輯對(duì)誤觸發(fā)狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，實(shí)現(xiàn)避免電動(dòng)自行車的推行誤加檔、兒童誤觸發(fā)，避免站立騎行等危險(xiǎn)騎行姿態(tài)。

2.技術(shù)優(yōu)勢(shì)及成本分析

該裝置的優(yōu)點(diǎn)在于：結(jié)合電動(dòng)自行車的使用特點(diǎn)和使用環(huán)境，采用2路壓力傳感器作為反饋，兼容騎行者坐姿變化以及電動(dòng)自行車減震性能弱顛簸環(huán)境下的壓力分布不均；將壓力傳感器布置彈簧安裝機(jī)械接口處，并將其閾值設(shè)置在150N～180N。這主要因?yàn)槌扇梭w重絕大多數(shù)在25kg以上，重力為250N以上，在腳踏等分擔(dān)壓力的情況下兩傳感器受力總和遠(yuǎn)大于80N，在非成人騎行的低受壓條件下車座預(yù)壓力遠(yuǎn)小于20N。考慮體重異常騎行者的需求，可在150N～180N出廠時(shí)可調(diào)。壓力傳感器連續(xù)的電壓輸出，比汽車安全帶報(bào)警裝置等類似裝置穩(wěn)定性更高，適應(yīng)電動(dòng)自行車的使用環(huán)境；并且大余量的可調(diào)閾值設(shè)計(jì)，提高了裝置的容差性能。該功能除了可以自動(dòng)避免推行誤加檔之外，還可以自動(dòng)避免騎行者站立騎行的危險(xiǎn)騎姿，以及未成年幼兒觸動(dòng)手把旋鈕造成意外傷害。

該裝置如果應(yīng)用于電動(dòng)自行車，必須考慮其成本狀況，經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，壓力傳感器是主要成本增加，批量低于40元/支，兩支不超過(guò)80元，A/D芯片批量不超過(guò)5元/支，合計(jì)不超過(guò)85元/支，再加上工藝、工時(shí)的增加，以及控制軟件開發(fā)成本攤銷，增加該裝置的每輛電動(dòng)車成本增加不超過(guò)100元/輛。成本較為低廉，安裝了該裝置的電動(dòng)自行車附加值上升可以遠(yuǎn)大于該成本的增加，因此該裝置從制造成本角度具備可行性。

結(jié)論

本文提出一種用于電動(dòng)自行車自動(dòng)避免誤加檔的裝置，并對(duì)其方案、控制方法及技術(shù)優(yōu)勢(shì)和成本進(jìn)行了詳細(xì)分析，主要結(jié)論如下：

（1）主要方案：在座位下均布?jí)毫鞲衅鳎瑝毫鞲衅鳒y(cè)試騎行者對(duì)座位產(chǎn)生的壓力，通過(guò)壓力值的邏輯比較運(yùn)算，判斷是否是正常騎行狀態(tài)，而對(duì)電動(dòng)自行車電機(jī)控制器手把調(diào)速器信號(hào)有效性進(jìn)行控制，從而避免推行誤加檔、兒童誤操作加檔、危險(xiǎn)站立騎姿加檔等座椅低受壓狀態(tài)時(shí)加速發(fā)生危險(xiǎn)。

（2）本文給出了該裝置壓力傳感器布置方案、硬件選型方案及控制方法方案，為該裝置的工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

（3）本文對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和兼容性進(jìn)行了分析，對(duì)系統(tǒng)當(dāng)前方案下的制造成本進(jìn)行了調(diào)研，結(jié)果表明該系統(tǒng)具備較好的工程可用性。

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指導(dǎo)老師：張鏡洋，沈萍。endprint