本实用新型涉及汽车技术领域，具体涉及一种个性化智能加速踏板装置。
背景技术：
随着新能源汽车及发动机技术发展，电子油门踏板已逐渐取代了传统的机械拉索式油门踏板。电子油门踏板使用踏板位置或角度传感器来反映加速踏板开度，并将信号传给控制器，实现对动力的精确控制。
现有的电子油门踏板都是通过机械结构去模拟传统机械拉索式油门的踏板力，踏板力特性固定，虽然已有技术能调节踏板力，但也仅是通过机械结构简单调节，无法做到针对驾驶员的不同做到智能精确调节控制。事实上，不同性别以及不同年龄的驾驶员偏好踏板力反馈不同，例如对于壮年男性可能需要较大的踏板力，而女性可能期望较小的踏板力。驾驶员在车辆行驶过程中，需长时间操纵加速踏板，踏板力过大或过小都会增加驾驶员的疲劳程度，影响驾驶体验。
技术实现要素：
本实用新型设计开发了一种个性化智能加速踏板装置，本实用新型的目的是根据驾驶员的不同调节踏板力特性，产生更好的踏板力反馈。
本实用新型提供的技术方案为：
一种个性化智能加速踏板装置，包括：
踏板主体，其底部设置第一通孔；
踏板齿条，其一端与所述踏板主体固定安装；
踏板力传感器，其安装在所述踏板主体上；
基座，其一端设置第二通孔，另一端设置平行的第一平板和第二平板，所述第一平板和第二平板之间具有一定的容置空间，并且在所述第一平板和第二平板上加工有对称的通孔；
第一转轴，其同时穿过所述第一通孔和第二通孔，使所述踏板主体和所述基座通过所述第一转轴转动连接；
第二转轴，其同时穿过所述第一平板和第二平板上的通孔，所述第二转轴上加工有贯穿的键槽；
转轴齿轮，其能够同时与所述键槽和所述踏板齿条相匹配；
转角传感器，其固定在所述第一平板和第二平板的容置空间中，所述转角传感器的电刷臂与所述第二转轴同步旋转；
阻力电机，其固定在所述第二平板的外侧，其输出轴与所述第二转轴固定连接并且能够共同转动；
扭转弹簧，其套设在所述第一转轴上，所述扭转弹簧的伸长端分别固定在所述踏板主体和所述基座上。
优选的是，所述踏板主体包括：
圆槽，其设置在所述踏板主体正面，用于固定所述踏板力传感器；以及
矩形槽，其设置在所述踏板主体反面，用于固定所述踏板齿条。
优选的是，所述踏板主体反面的底部设置梯形槽，其用于容置所述扭转弹簧；以及
所述梯形槽的坡面上设置矩形槽，用于固定所述扭转弹簧的伸长端。
优选的是，所述基座的一端两侧加工凸台，其上对应设置所述第二通孔；以及
所述凸台之间的部分加工圆底矩形槽，用于容置所述扭转弹簧，所述矩形槽底部加工有矩形深槽，用于固定所述扭转弹簧的伸长端。
优选的是，所述第二转轴一端的端面具有向外延伸的圆台，其两侧对称向外延伸设置耳部；
所述转角传感器的电刷臂卡合槽，其能够与耳部匹配卡合。
本实用新型与现有技术相比较所具有的有益效果：
1、本实用新型可通过控制阻力电机产生良好的踏板力反馈，可完全模拟传统机械拉线式加速踏板操纵感觉，增强驾驶体验；
2、本实用新型可智能识别不同驾驶员及操纵特性，从而智能调节加速踏板的踏板力反馈，针对每个驾驶员提供最适应的踏板力反馈，减少驾驶员的疲劳，提高驾驶舒适性；
3、本实用新型能识别驾驶员加速踏板误操作，防止驾驶员紧急时将加速踏板误操作为制动踏板，保障整车及驾驶员安全。
附图说明
图1为本实用新型所述的一种个性化智能加速踏板装置三维爆炸视图。
图2为本实用新型所述的一种个性化智能加速踏板装置的踏板的正面三维视图。
图3为本实用新型所述的一种个性化智能加速踏板装置的踏板的反面三维视图。
图4为本实用新型所述的一种个性化智能加速踏板装置的基座的三维视图。
图5为本实用新型所述的一种个性化智能加速踏板装置的传感器模块的三维视图。
图6为本实用新型所述的一种个性化智能加速踏板装置的传感器模块的三维视图。
图7为本实用新型所述的一种个性化智能加速踏板装置的转轴的三维视图。
图8为本实用新型所述的一种个性化智能加速踏板装置的阻力电机的三维视图。
图9为本实用新型所述的一种个性化智能加速踏板装置的电气连接关系简图。
图10为本实用新型所述的一种个性化智能加速踏板装置的工作过程的流程图。
图11为本实用新型所述的一种个性化智能加速踏板装置的防误操作工作过程的流程图。
图12为本实用新型所述的一种个性化智能加速踏板装置的阻力特性曲线确定的流程图。
图13为本实用新型所述的一种个性化智能加速踏板装置的曲线型阻力特性曲线图。
图14为本实用新型所述的一种个性化智能加速踏板装置的直线型阻力特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1所示，本实用新型的一种个性化智能加速踏板系统的一种实现形式，包括踏板力传感器100，踏板200，踏板齿条250，传感器模块300，转轴400，转轴齿轮500，阻力电机600,基座700，踏板转轴800，踏板转轴螺栓810，扭转弹簧850安装驾驶员前部的摄像头950，电子控制单元(ECU)900。
如图1、图2和图3所示，踏板200正面加工有圆槽220，圆槽220用于安装踏板力传感器100，同时圆槽220底部加工有小尺寸通孔，该通孔用于引出踏板力传感器100的线束；同时，踏板200正面加工有防滑槽，用于防止驾驶员脚底打滑，踏板反面加工有深度一定的矩形槽230，该矩形槽230底面加工有四个螺纹孔，该四个螺纹孔用以安装固定踏板齿条250；踏板200反面底部同时加工有梯形槽，用以容置扭转弹簧850，梯形槽的斜坡面部分沿踏板长度方向加工有矩形槽210，用以安装扭转弹簧850的一端伸长端以实现对扭转弹簧850的限位；除此之外，踏板200底部加工有圆形通孔240，该通孔240用以容置踏板转轴800，则踏板200可绕踏板转轴800相对于基座700转动。
如图1所示，踏板力传感器100为圆柱状，安装在踏板200正面所加工的圆形槽220内，踏板力传感器100的线束由踏板200正面所加工的圆形槽220内的通孔伸出；踏板齿条250包括水平的底板和曲线状的齿条两部分组成，底板加工有四个螺纹孔，与踏板200反面矩形槽230内加工的四个螺纹孔相对应，则踏板齿条250通过四个螺栓安装在踏板200反面的矩形槽230内，踏板200反面的矩形槽230下侧面起限位和定位的作用。
如图1、图4所示，基座700的作用为用以安装和支承本文所提出的一种个性化加速智能踏板系统的其他部件，同时通过基座将本文所提出的一种个性化加速智能踏板系统安装固定在车辆上；基座700左边缘部加工有两个圆形耳状凸台720，两凸台720中心加工有圆形通孔，该圆形通孔与踏板200底部加工的通孔相对应，用以通过踏板转轴800实现踏板200绕踏板转轴800相对基座700转动，两耳状凸台中间加工有圆底矩形槽，用以容置扭转弹簧850，基座700圆底矩形槽右侧边边缘加工有矩形深槽710，用以安装扭转弹簧850的另一伸长端，通过与对应的踏板200的矩形深槽210配合可以实现对扭转弹簧850的安装限位。基座700右部加工为两平行的板状结构，两平行板之间为矩形通孔，同时两平行板上加工有直径相同相对应的圆形通孔730，用以容置转轴400，转轴400可在圆孔730中自由转动；其中一侧的平行板外侧加工有三个螺纹孔，与传感器模块300上的三个通孔相对应，用以固定传感器模块300，另一侧板上加工有带圆形槽的矩形凸台，凸台侧面加工有两个螺纹孔用以固定阻力电机600，同时圆形槽与阻力电机600的外轮廓相对应，该加工的凸台用以放置和固定阻力电机600，除此之外，基座700中部为圆弧连接，且两平行板距离踏板侧端部为斜平面，实现对踏板200最大行程的限位，防止踏板行程过大损坏踏板齿条250。
如图1、图7所示，转轴400的一端侧设有与传感器模块300的连接端，该连接端为拨片结构452，具体为该端面具有端面向外延伸的圆台，同时该圆台两侧对称向两侧延伸形成两耳部；同时转轴400的另一侧至中部加工有贯穿的键槽，用以安装键以固定转轴齿轮500，同时转轴400另一端端面同时加工有矩形槽，用以安装矩形键与阻力电机600输出轴端连接。
在另一实施例中，如图5、图6所示，传感器模块300包括电刷接触式传感器用以感应转轴400的转动，传感器模块300的电刷臂的连接端是与所述转轴的一端的拨片结构452相对应的槽结构310，转轴的拨片结构452安装在电刷臂的槽结构310中，当转轴400旋转是则带动电刷臂同步旋转，传感器模块300外壳上加工有三个圆形通孔与基座700上一侧板上的三个螺纹相对应。
如图1、图8所示，阻力电机600输出轴端面加工有槽结构610，通过矩形键可实现与转轴400的的连接，转轴400转动带动阻力电机600的输出轴同步旋转，阻力电机600外壳加工有对称的凸台耳结构，两凸台加工有圆形通孔，与基座700一侧板凸台上螺纹孔相对应。
本实用新型的一种个性化智能加速踏板系统各部件安装关系为：踏板200及基座700通过踏板转轴800及踏板转轴螺栓810相连接，踏板200可绕踏板转轴800转动，同时踏板转轴800上套有扭转弹簧850，扭转弹簧850两伸长端分别安装在踏板内矩形深槽210和基座内矩形深槽710中，实现对扭转弹簧850的限位，转轴齿轮500通过键安装至转轴400上，转轴400一端的拨片结构452与对应的传感器模块电刷臂的槽结构310相连接，传感器模块300通过三个螺栓安装在基座700一侧板端面上，转轴400穿过基座700两板上通孔，转轴400另一端通过键与阻力电机600输出轴相连接，阻力电机600通过两螺栓安装在基座700上，踏板齿条250通过螺栓安装在踏板200反面的矩形槽内，踏板齿条250与转轴齿轮500相啮合。
转轴400直接与阻力电机600相连接，但本实用新型所述一种个性化智能加速踏板系统不限与此连接方式，也可按需在转轴400与阻力电机600之间安装各类型的减速传动机构，此项不构成对本实用新型所述权利要求保护范围的限制。
在另一实施例中，如图9所示，传感器模块300和踏板力传感器100通过线缆连接着ECU900，摄像头950也通过线缆或者CAN与ECU900相连接，ECU900可以读取和处理传感器模块300以及踏板力传感器100以及摄像头950的数据，ECU900同时通过线缆连接着阻力电机600及动力单元，ECU900能输出控制指令至阻力电机600及动力单元，动力单元即控制动力总成(发动机或电机或混合动力总成)输出动力的动力控制单元，除此之外，ECU900还通过CAN总线可以与整车其他控制器通信。
如图10所示，本实用新型还提供一种个性化智能加速踏板系统的工作过程，包括以下步骤：
步骤一、ECU900通电自检；
步骤二、安装在驾驶员前方的驾驶员摄像头950实时监测驾驶员面部，并识别出驾驶员性别；
步骤三、ECU900根据识别的驾驶员性别初选阻力特性曲线库；
步骤四、驾驶员开始操纵加速踏板，踏板力传感器100和踏板位置传感器300开始工作，实时监测驾驶员的踏板力和踏板开度，踏板力传感器100和踏板位置传感器300将采集到的踏板力数据和踏板开度经过滤波处理、信号方法以及A/D转换得到数字信号传输给ECU900，ECU900中的驾驶员踏板操纵特性识别模块基于得到踏板力数据进行辨识，采用训练好的BP神经网络模型或者模糊逻辑实现驾驶员踏板操纵特性的辨识，辨识结果在初选的阻力特性曲线库中确定对应的的阻力特性曲线。在辨识的同时，ECU900将踏板开度处理为动力单元控制指令并输出至整车动力单元；
步骤五、ECU900将确定的阻力特性曲线输出至阻力电机600控制模块，踏板位置传感器300实时检测踏板开度，ECU900的阻力电机控制模块根据踏板开度基于确定的阻力特性曲线实时输出阻力电机600控制指令，阻力电机600接受指令输出相应的阻力矩，形成合适踏板力反馈，驾驶员以最舒适的感觉操纵加速踏板。
在另一种实施例中，驾驶员可自行进行性别设定。
如图11所示，在另一种实施例中，本实用新型还提供一种加速踏板防误踩的工作过程，包括如下步骤：
步骤一、开始；
步骤二、踏板力传感器100以及踏板位置传感器300实时检测驾驶员踏板力以及踏板开度并发送给ECU900，同时驾驶员摄像头950实时监测并识别驾驶员面部表情并发送给ECU900；
步骤三、判断踏板力变化率大于as且踏板开度变化率大于ts且识别驾驶员表情为惊恐或者惊慌，若是，ECU900判断此时为误操作，不输出控制指令至动力单元，且通过CAN总线与制动系统通信，产生制动，同时阻力电机600输出最大阻力。若否，ECU按正常流程工作。
在另一种实施例中，驾驶员表情的判定可通过神经网络训练或者模糊逻辑实现驾驶员表情的辨识。
对本实用新型的一种个性化智能加速踏板装置的工作过程具体工作原理作如下说明：
当驾驶员启动车辆，系统通电开始工作，安装驾驶员面部前部的摄像头950识别驾驶员的性别，并将数据传输给ECU900，ECU900根据驾驶员的性别选定阻力特性曲线库。
摄像头950不仅可用于本实用新型所述的一种个性化智能加速踏板装置，同时可用于驾驶员防疲劳系统以及车内防孩童遗忘系统等其他系统。
阻力特性曲线数据存储在ECU900中，阻力特性曲线数据分为两个数据库，分别为男性库和女性库；每个曲线库中又有三种阻力特性曲线，分别为强、中、弱，强的阻力特性曲线代表阻力电机600提供更大的阻力矩，即加速踏板更沉重，需要驾驶员以更大的力踩下加速踏板；弱的阻力特性曲线代表阻力电机提供较小的阻力矩，即加速踏板较轻，驾驶员只需较小的力即可操纵加速踏板；中的阻力特性曲线介于强和弱之间。阻力特性曲线是根据驾驶员操纵加速踏板最喜好的踏板力反馈获得的，阻力特性曲线横轴为加踏板开度或者位置，纵轴为阻力电机电流，阻力特性曲线大致形状如图13所示，阻力特性曲线具体参数数值可通过多位不同年龄的不同性别的驾驶员通过加装本实用新型的实车或者驾驶模拟器多次试验可得；作为一种优选，如图14所示，需要补充说明的是亦可采用直线型(线性)的阻力特性曲线。
值得说明的是，当踏板200开度保持不变时，此时阻力电机600不工作，阻力电机600仅在踏板开度发生变化时工作，这样不仅能降低驾驶员的操纵疲劳程度，还能保护阻力电机因堵转发热失效。
驾驶员踩下踏板，踏板力传感器100实时记录驾驶员操纵踏板施加的力，并将数据经过滤波、放大及A/D转换处理传输至ECU900，ECU900需根据踏板力数据对驾驶员的踏板操纵习性进行辨识。
驾驶员踏板操纵特性是指在一定车速变化范围内驾驶员施加在踏板上的力的大小，以此为根据将驾驶员踏板操纵习性分为重、中、轻三类，重表示在相同条件下驾驶员作用于踏板200上的力较大，轻表示在相同条件下驾驶员作用于踏板200的力较小，中表示相同条件下驾驶员作用于踏板200的力介于重和轻中间。驾驶员的踏板操纵特性的划分需要大量的数据作为支撑，可以通过加装踏板力传感器100的实车或者驾驶模拟器实验平台广泛采集不同性别不同类型的驾驶员操纵数据，并将这些数据经过处理以及聚类分析出重、中、轻三种类型的驾驶员，并将这三种踏板操纵习性存储于ECU900中。
ECU900根据得到的踏板力数据采用训练好的BP神经网络或者模糊逻辑对驾驶员踏板操纵特性进行学习辨识，确定其属于重、中、轻三种特性中哪一种特性。其中，重、中、轻三种踏板操纵特性分别对应强、中、弱三种阻力特性曲线，因此根据辨识结果即可确定相应的阻力特性曲线，阻力特性曲线的确定流程如图12所示。
应用BP神经网络建立一个两输入单输出的神经网络驾驶员踏板操纵特性辨识模型。其中，踏板力传感器测得的驾驶员作用至踏板上的力和踏板开度作为输入变量，驾驶员类别标示作为输出变量；BP神经网络的层数设置为3层，即输入层、隐含层、输出层。输入层神经元个数为2，输出层神经元个数为1，其中隐含层的传递函数设置为log-sigmoid函数，输出层传递函数选择为tan-sigmoid函数、最大训练次数设为500，学习率设为0.05，训练精度设为0.0000004。
BP神经网络的训练样本集以及测试样本集所需的数据来源于加装本实用新型的驾驶模拟器。测试工况采取NEDC工况，选取不同年龄不同性别的驾驶员完成该工况，获得踏板开度以及踏板力数据。得到的数据需剔除无效数据，进行数据处理，得到可用的样本集。样本集的中心参数选取为整个过程中的踏板力的最大值，以及踏板力最大值时的踏板开度，处理后的数据表如下表所示：
表1样本数据表
将经过简单处理的样本集进行聚类分析，采用K－means聚类算法对驾驶员踏板操纵特性进行分类，聚类分析得到结果如下表举例所示：
表2分类结果
从聚类分析的结果中的各个类别中分别选取一定比例的样本组成BP神经网络的训练集，选取一定的样本作为测试集，对制定的BP神经网络模型进行训练，直至满足要求。
值得说明的是，上述举例的样本集以及聚类分析结果只是选取了部分数据作为示例。
值得说明的是，阻力特性曲线的选择也可集成在整车可视化多媒体人机交互系统上，驾驶员可自主手动选择更改阻力特性曲线。
踏板200转动时，踏板齿条250带动转轴齿轮500和转轴400转动，传感器模块300中踏板位置传感器检测到转轴转过的角度并转化为踏板的开度，将踏板开度数据传输至ECU900，根据确定的阻力特性曲线输出控制指令给阻力电机600，阻力电机600产生相应的阻力矩，从而行成踏板力反馈，驾驶员以最舒适的方式操纵加速踏板。
在驾驶员正常操纵车辆时，摄像头950始终工作，实时监测并识别驾驶员表情变化，当驾驶员表情变化为惊慌或者惊恐时且此时踏板力变化率大于as且踏板开度变化率大于ts时，ECU判断此时加速踏板操作为误操作，不输出动力指令，同时通过CAN总线与制动系统通信，产生制动，此时阻力电机600输出最大阻力矩，保障整车安全；其中，踏板力变化率大于as且踏板开度变化率大于ts需通过大量实验确定，但实车实验十分危险无法验证，故可使用加装本实用新型的驾驶模拟器多次实验可以获得两个参数门限值；作为一种优选，在本实施中，两个门限值为500N/s和450度/s。
尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。