汽車換檔智能輔助決策系統(tǒng)的設計

摘要：根據(jù)發(fā)動機工作特性及汽車換檔特性，利用單片機技術設計了汽車換檔智能決策輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)實時獲得的車輛運行狀態(tài)幫助駕駛員正確地換檔，從而使車輛以最佳狀態(tài)運行，更好地發(fā)揮汽車的經(jīng)濟性和動力性。 關鍵詞：換檔規(guī)律 燃料經(jīng)濟性 單片機 智能決策 在不降低汽車動力性的條件下改善燃料經(jīng)濟性是汽車研究的一個主要方面，最佳經(jīng)濟性換檔規(guī)律能夠保證發(fā)動機工作在最佳經(jīng)濟性工作區(qū)，減少汽車的燃油消耗量，提高整車的燃油經(jīng)濟性１～２。對于手動換檔的汽車，如果在其行駛過程中實時地將發(fā)動機的最佳工作線和換檔時的發(fā)動機工作點清晰地顯示出來，同時根據(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)動機的工作狀況從而進行正確操作，也有利于駕駛員改正不良的操作習慣并糾正錯誤操作，以充分發(fā)揮汽車的經(jīng)濟性和動力性。本文根據(jù)汽車的發(fā)動機特性、換檔特性及車載電子設備的設計要求，利用單片機實現(xiàn)了嵌入式汽車智能換檔輔助決策系統(tǒng)。１ 系統(tǒng)設計原理 １．１ 發(fā)動機最佳工作線計算 發(fā)動機最佳工作線包括發(fā)動機最佳動力性工作線和最佳經(jīng)濟性工作線。 １．１．１ 發(fā)動機最佳動力性工作線的計算 發(fā)動機最佳動力性工作點為發(fā)動機的等功率曲線與發(fā)動機扭矩曲線的切點，也就是扭矩曲線上功率最大的點。 發(fā)動機功率為：Ｐｅ＝Ｍｅｎｅ／９５４９ 發(fā)動機扭矩為：Ｍ＝ａ＋ｂｎ＋ｃｎ＋ｄｎ，其中系數(shù)ａ、ｂ、ｃ、ｄ可以由實驗數(shù)據(jù)擬合得到。 根據(jù)發(fā)動機最佳動力性工作點的定義，構造目標函數(shù)： Ｐｅ＝Ｍｅｎｅ／９５４９＝ａｎ＋ｂｎ＋ｃｎ＋ｄｎ／９５４９ 發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍為：ｎ≤ｎ≤ｎ圖2 油耗特性曲線 圖3 Fcon1下的經(jīng)濟性換檔點此為條件極值問題，即在給定的發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)求目標函數(shù)的極大值點，然后根據(jù)發(fā)動機功率公式計算出發(fā)動機扭矩，這樣就可以求出發(fā)動機最佳動力性工作點（ｎｅ，Ｍｅ）。 依次可以求出一系列油門開度下發(fā)動機最佳動力性工作點，將這些最佳工作點用曲線連接起來即得到發(fā)動機最佳動力性工作線。 １．１．２ 發(fā)動機最佳經(jīng)濟性工作線的計算 發(fā)動機的扭矩曲線為Ｍｅ＝ｆ（ｎｅ） 發(fā)動機的油耗曲線為Ｑｔ＝ｇ（ｎｅ） 根據(jù)發(fā)動機的扭矩曲線和油耗曲線可以得到發(fā)動機負荷特性曲線。由發(fā)動機的負荷特性曲線可以得到發(fā)動機的等油耗曲線。發(fā)動機最佳經(jīng)濟性工作點即為等油耗曲線與等功率曲線的切點。用求解發(fā)動機最佳動力性工作點的方法可以求得發(fā)動機最佳經(jīng)濟性工作點，從而得到發(fā)動機最佳經(jīng)濟性工作線。 １．２ 汽車最佳換檔規(guī)律的計算 汽車換檔規(guī)律分為最佳動力性換檔規(guī)律和最佳經(jīng)濟性換檔規(guī)律。１．２．１ 汽車最佳動力性換檔規(guī)律的計算 在汽車驅(qū)動力圖上，動力性換檔點為同一油門開度下相鄰兩檔的驅(qū)動力曲線的交點。圖１所示為相鄰兩檔的動力性換檔點。求出這些換檔點后，將其轉(zhuǎn)換到油門開度ａ和車速ｖａ坐標圖上，并把這些點連成曲線，就得到該相鄰兩檔的動力性換檔規(guī)律升檔曲線。給出一定的降檔速差，就可求出動力性換檔規(guī)律的降檔曲線，這樣就求出了動力性換檔規(guī)律。 １．２．２ 汽車最佳經(jīng)濟性換檔規(guī)律的計算 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，可求出對應節(jié)氣門開度下的車速；根據(jù)相應檔位下的汽車燃油消耗Ｑ和車速ｖａ之間的關系（如圖２所示）可求出相應車速下該檔位與節(jié)氣門開度下的油耗Ｑ；再根據(jù)不同牽引力曲線的交點可求出相鄰兩檔的不同油耗點，其連線為相鄰兩檔的油耗線，其油耗線的交點為Ｆｃｏｎ１下的相鄰兩檔最低油耗換檔點，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，其換檔點的連線為相鄰兩檔的經(jīng)濟性換檔線。用此方法可得到其它相鄰兩檔的經(jīng)濟性換檔線。 ２ 系統(tǒng)設計 ２．１ 系統(tǒng)的硬件設計 系統(tǒng)的硬件設計如圖４所示。ＣＰＵ采用Ａｔｍｅｌ ８９Ｃ５５ＷＤ單片機，它具有２０Ｋ的ＲＯＭ和２５６Ｂｙｔｅ的ＲＡＭ。由于該系統(tǒng)需要存儲車輛的各相關參數(shù)、發(fā)動機特性等數(shù)據(jù)，因此需要大量的存儲空間。為了滿足這一要求，同時使該系統(tǒng)適合在其它車型上擴展，采用了靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器２８Ｆ２５６ Ｆｌａｓｈ。它具有３２Ｋ的存儲空間，可以存儲車輛的基本參數(shù)以及發(fā)動機特性等數(shù)據(jù)，完全可以滿足要求。 ＬＣＤ（液晶顯示器）采用的是ｔｏｐ－ｖｉｅｗ公司的型號為ＳＴＮ３２２４－ＩＩ的顯示儀。其分辨率是３２０%26;#215;２４０，制式為ＳＴＮ，支持２５６色，自帶控制器。它的特點是接口簡單、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ＭＡＸ１０９２的ＨＢＥＮ腳為低電平時讀低８位，當其為高電平時讀高兩位。 傳感器有節(jié)氣門傳感器、車速傳感器、發(fā)動機轉(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)氣門完全關閉時，傳感器輸出電壓為０Ｖ；節(jié)氣門完全打開時，輸出電壓為５Ｖ；當節(jié)氣門不斷開大時，其輸出電壓隨之線性增加。對發(fā)動機轉(zhuǎn)速和車速的測量采用霍爾傳感器，傳感器輸出的脈沖信號經(jīng)處理后作為外部中斷信號輸入到單片機，同時配合定時器的中斷服務，就可以由軟件計算出發(fā)動機轉(zhuǎn)速和車速。 ２．２ 系統(tǒng)的軟件設計 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，這四個模塊的功能是相互獨立的，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)動和數(shù)據(jù)的輸入。硬件驅(qū)動指直接驅(qū)動各種硬件資源，主要包括單片機資源和液晶顯示器。數(shù)據(jù)的輸入主要有汽車相關參數(shù)以及發(fā)動機的實驗數(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)計算汽車的發(fā)動機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)并對數(shù)據(jù)進行處理，然后計算發(fā)動機的工作點、當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算得到的車輛數(shù)據(jù)實時地顯示在ＬＣＤ上。 以Ｓａｎｔａｎａ２０００轎車及其發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)進行了試驗。試驗結果證明該系統(tǒng)能夠在車輛行駛過程中正確、實時地顯示車輛的發(fā)動機工作狀態(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)律實時判斷升檔、降檔還是保持當前檔位行駛。該系統(tǒng)對駕駛員正確操作車輛具有指導作用。