汽車換檔智能輔助決策系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性及汽車換檔特性，利用單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)了汽車換檔智能決策輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)時(shí)獲得的車輛運(yùn)行狀態(tài)幫助駕駛員正確地?fù)Q檔，從而使車輛以最佳狀態(tài)運(yùn)行，更好地發(fā)揮汽車的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。

    關(guān)鍵詞：換檔規(guī)律 燃料經(jīng)濟(jì)性 單片機(jī) 智能決策

在不降低汽車動(dòng)力性的條件下改善燃料經(jīng)濟(jì)性是汽車研究的一個(gè)主要方面，最佳經(jīng)濟(jì)性換檔規(guī)律能夠保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳經(jīng)濟(jì)性工作區(qū)，減少汽車的燃油消耗量，提高整車的燃油經(jīng)濟(jì)性?１～２?。對(duì)于手動(dòng)換檔的汽車，如果在其行駛過程中實(shí)時(shí)地將發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳工作線和換檔時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)清晰地顯示出來，同時(shí)根據(jù)該車的最佳換檔規(guī)律給出換檔提示，就可以使駕駛員了解車輛行駛中發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況從而進(jìn)行正確操作，也有利于駕駛員改正不良的操作習(xí)慣并糾正錯(cuò)誤操作，以充分發(fā)揮汽車的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。本文根據(jù)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)特性、換檔特性及車載電子設(shè)備的設(shè)計(jì)要求，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了嵌入式汽車智能換檔輔助決策系統(tǒng)。
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１ 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

１．１ 發(fā)動(dòng)機(jī)最佳工作線計(jì)算

發(fā)動(dòng)機(jī)最佳工作線包括發(fā)動(dòng)機(jī)最佳動(dòng)力性工作線和最佳經(jīng)濟(jì)性工作線。

１．１．１ 發(fā)動(dòng)機(jī)最佳動(dòng)力性工作線的計(jì)算

發(fā)動(dòng)機(jī)最佳動(dòng)力性工作點(diǎn)為發(fā)動(dòng)機(jī)的等功率曲線與發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩曲線的切點(diǎn)，也就是扭矩曲線上功率最大的點(diǎn)。

發(fā)動(dòng)機(jī)功率為：Ｐｅ＝Ｍｅｎｅ／９５４９

發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩為：Ｍ＝ａ＋ｂｎ＋ｃｎ＋ｄｎ，其中系數(shù)ａ、ｂ、ｃ、ｄ可以由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)最佳動(dòng)力性工作點(diǎn)的定義，構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)：

Ｐｅ＝Ｍｅｎｅ／９５４９＝?ａｎ＋ｂｎ＋ｃｎ＋ｄｎ?／９５４９

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為：ｎ≤ｎ≤ｎ

圖2 油耗特性曲線 圖3 Fcon1下的經(jīng)濟(jì)性換檔點(diǎn)

    此為條件極值問題，即在給定的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)求目標(biāo)函數(shù)的極大值點(diǎn)，然后根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)功率公式計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，這樣就可以求出發(fā)動(dòng)機(jī)最佳動(dòng)力性工作點(diǎn)（ｎｅ，Ｍｅ）。

依次可以求出一系列油門開度下發(fā)動(dòng)機(jī)最佳動(dòng)力性工作點(diǎn)，將這些最佳工作點(diǎn)用曲線連接起來即得到發(fā)動(dòng)機(jī)最佳動(dòng)力性工作線。

１．１．２ 發(fā)動(dòng)機(jī)最佳經(jīng)濟(jì)性工作線的計(jì)算

發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩曲線為Ｍｅ＝ｆ（ｎｅ）

發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗曲線為Ｑｔ＝ｇ（ｎｅ）

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩曲線和油耗曲線可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性曲線。由發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷特性曲線可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)的等油耗曲線。發(fā)動(dòng)機(jī)最佳經(jīng)濟(jì)性工作點(diǎn)即為等油耗曲線與等功率曲線的切點(diǎn)。用求解發(fā)動(dòng)機(jī)最佳動(dòng)力性工作點(diǎn)的方法可以求得發(fā)動(dòng)機(jī)最佳經(jīng)濟(jì)性工作點(diǎn)，從而得到發(fā)動(dòng)機(jī)最佳經(jīng)濟(jì)性工作線。

１．２ 汽車最佳換檔規(guī)律的計(jì)算

汽車換檔規(guī)律分為最佳動(dòng)力性換檔規(guī)律和最佳經(jīng)濟(jì)性換檔規(guī)律。

    １．２．１ 汽車最佳動(dòng)力性換檔規(guī)律的計(jì)算

在汽車驅(qū)動(dòng)力圖上，動(dòng)力性換檔點(diǎn)為同一油門開度下相鄰兩檔的驅(qū)動(dòng)力曲線的交點(diǎn)。圖１所示為相鄰兩檔的動(dòng)力性換檔點(diǎn)。求出這些換檔點(diǎn)后，將其轉(zhuǎn)換到油門開度ａ和車速ｖａ坐標(biāo)圖上，并把這些點(diǎn)連成曲線，就得到該相鄰兩檔的動(dòng)力性換檔規(guī)律升檔曲線。給出一定的降檔速差，就可求出動(dòng)力性換檔規(guī)律的降檔曲線，這樣就求出了動(dòng)力性換檔規(guī)律。

１．２．２ 汽車最佳經(jīng)濟(jì)性換檔規(guī)律的計(jì)算

在相鄰兩檔不同節(jié)氣門開度下的牽引力特性圖上，按等牽引力條件，設(shè)定克服道路阻力?Ｆ的牽引力為某一常數(shù)Ｆｃｏｎ１，根據(jù)其和相鄰兩檔不同節(jié)氣門開度下的牽引力特性曲線的交點(diǎn)，可求出對(duì)應(yīng)節(jié)氣門開度下的車速；根據(jù)相應(yīng)檔位下的汽車燃油消耗Ｑ和車速ｖａ之間的關(guān)系（如圖２所示）可求出相應(yīng)車速下該檔位與節(jié)氣門開度下的油耗Ｑ；再根據(jù)不同牽引力曲線的交點(diǎn)可求出相鄰兩檔的不同油耗點(diǎn)，其連線為相鄰兩檔的油耗線，其油耗線的交點(diǎn)為Ｆｃｏｎ１下的相鄰兩檔最低油耗換檔點(diǎn)，如圖３所示。同理可以求出不同牽引力常數(shù)Ｆｃｏｎｉ下的相鄰兩檔的最低油耗換檔點(diǎn)，其換檔點(diǎn)的連線為相鄰兩檔的經(jīng)濟(jì)性換檔線。用此方法可得到其它相鄰兩檔

的經(jīng)濟(jì)性換檔線。

２ 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

２．１ 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖４所示。ＣＰＵ采用Ａｔｍｅｌ ８９Ｃ５５ＷＤ單片機(jī)，它具有２０Ｋ的ＲＯＭ和２５６Ｂｙｔｅ的ＲＡＭ。

    由于該系統(tǒng)需要存儲(chǔ)車輛的各相關(guān)參數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)特性等數(shù)據(jù)，因此需要大量的存儲(chǔ)空間。為了滿足這一要求，同時(shí)使該系統(tǒng)適合在其它車型上擴(kuò)展，采用了靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器２８Ｆ２５６ Ｆｌａｓｈ。它具有３２Ｋ的存儲(chǔ)空間，可以存儲(chǔ)車輛的基本參數(shù)以及發(fā)動(dòng)機(jī)特性等數(shù)據(jù)，完全可以滿足要求。

ＬＣＤ（液晶顯示器）采用的是ｔｏｐ－ｖｉｅｗ公司的型號(hào)為ＳＴＮ３２２４－ＩＩ的顯示儀。其分辨率是３２０×２４０，制式為ＳＴＮ，支持２５６色，自帶控制器。它的特點(diǎn)是接口簡(jiǎn)單、編程控制容易。

Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器采用ＭＡＸ１０９２，為十位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器。當(dāng)ＭＡＸ１０９２的ＨＢＥＮ腳為低電平時(shí)讀低８位，當(dāng)其為高電平時(shí)讀高兩位。

傳感器有節(jié)氣門傳感器、車速傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器等。節(jié)氣門位置傳感器安裝在節(jié)氣門軸的尾端，采用滑線變阻器的型式，節(jié)氣門完全關(guān)閉時(shí)，傳感器輸出電壓為０Ｖ；節(jié)氣門完全打開時(shí)，輸出電壓為５Ｖ；當(dāng)節(jié)氣門不斷開大時(shí)，其輸出電壓隨之線性增加。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車速的測(cè)量采用霍爾傳感器，傳感器輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)處理后作為外部中斷信號(hào)輸入到單片機(jī)，同時(shí)配合定時(shí)器的中斷服務(wù)，就可以由軟件計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車速。

２．２ 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件根據(jù)功能可分為：程序初始化模塊、初始數(shù)據(jù)的處理模塊、信息采集和處理模塊、顯示模塊，這四個(gè)模塊的功能是相互獨(dú)立的，但模塊之間又有數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟糠�，具體傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以由系統(tǒng)軟件主程序流程看出。圖５所示為系統(tǒng)的主程序流程圖。

圖5 換檔決策子程序流程圖

    程序初始化模塊包括硬件的驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)的輸入。硬件驅(qū)動(dòng)指直接驅(qū)動(dòng)各種硬件資源，主要包括單片機(jī)資源和液晶顯示器。數(shù)據(jù)的輸入主要有汽車相關(guān)參數(shù)以及發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

初始數(shù)據(jù)的處理模塊主要功能是根據(jù)初始數(shù)據(jù)計(jì)算汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)最佳工作線和最佳換檔規(guī)律。

信息的采集和處理模塊主要功能是從傳感器采集數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)、當(dāng)前檔位并判斷換檔情況。圖６所示為判斷車輛換檔子程序的流程圖。

顯示模塊的功能是將上面計(jì)算得到的車輛數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地顯示在ＬＣＤ上。

以Ｓａｎｔａｎａ２０００轎車及其發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果證明該系統(tǒng)能夠在車輛行駛過程中正確、實(shí)時(shí)地顯示車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)、車輛的檔位、油門開度，并能夠根據(jù)輸入的最佳換檔規(guī)律實(shí)時(shí)判斷升檔、降檔還是保持當(dāng)前檔位行駛。該系統(tǒng)對(duì)駕駛員正確操作車輛具有指導(dǎo)作用。

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