手動擋換擋提醒系統(tǒng)的開發(fā)和應用研究

莫舒玥，林土淦

（廣西交通職業(yè)技術(shù)學院，廣西 南寧 530023）

0 引言

很多新手駕駛員，由于技術(shù)不嫻熟，在駕駛手動擋車型時，常常換擋時機把握不準，出現(xiàn)高速低擋或低速高擋的狀態(tài)，這會造成車輛發(fā)動機負荷過載或燃燒不良導致積碳，影響發(fā)動機壽命；同時也會造成燃油燃燒不完全導致的能源浪費和環(huán)境污染。在國家節(jié)能環(huán)保政策的帶動下，很多車輛安裝了節(jié)能駕駛助手，能夠?qū)囕v進行最優(yōu)燃油經(jīng)濟性駕駛模式的提醒。但是很多低端乘用車和商用車，并沒有安裝此類設備，因此有必要為此類車型開發(fā)一套手動擋換擋提醒裝置，提醒駕駛員節(jié)能駕駛，不但保護發(fā)動機，也能達到節(jié)能環(huán)保的目的。

1 研究目的

對于新手駕駛員，駕駛手動擋車型時，如果能夠通過語音和屏幕進行擋位的顯示，甚至實現(xiàn)結(jié)合車輛經(jīng)濟性對最佳擋位進行升擋或降擋提示，將為新手駕駛員短時間內(nèi)掌握駕駛技術(shù)養(yǎng)成良好的駕駛習慣提供很大幫助，因此設計一個手動擋換擋提醒裝置，結(jié)合車況進行最佳燃油經(jīng)濟性的換擋提醒有很大的應用價值和市場前景。

2 研究原理

2.1 開發(fā)原理

手動擋擋位識別提醒系統(tǒng)主要包括單片機、顯示器、位置傳感器等原件。利用位置傳感器信號檢測擋把的位移量，將各擋位的擋把位置信息模擬信號轉(zhuǎn)變成電壓信號進行識別和記錄，存儲在存儲器中；然后駕駛員進行掛擋操作，單片機處理信號后直接判斷相應的擋位并通過顯示器和語音把擋位信息提示給駕駛員，輔助駕駛員正確判斷擋位，為下一步結(jié)合車輛發(fā)動機轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門位置等信息給出最經(jīng)濟的換擋提醒。系統(tǒng)邏輯圖如圖1所示。車輛安裝位置如圖2所示。

圖1 擋位識別提醒邏輯判斷示意圖

建立換擋桿空間移動位置模型，如圖3所示，將換擋桿的實際位移與位置傳感器測量的位移建立聯(lián)系，并通過電壓信號傳給單片機進行存儲和換擋提醒。

圖2 擋位提醒系統(tǒng)實車安裝示意圖

圖3 換擋桿空間位置模型圖

在手動擋擋把上安裝兩個位置傳感器，分別為X軸位置傳感器和Y軸位置傳感器，如圖2所示。X軸位置傳感器測量擋把左右方向位移；Y軸位置傳感器測量擋位前后方向的位移。安裝好后，先讓單片機識別各個擋位，以馬自達CX－5手動擋車型6擋變速器為例，通過菜單設置，先讓擋把處于N擋位置，讓單片機識別N擋位置的X軸、Y軸電壓；然后讓單片機依次識別1擋、2擋、3擋、4擋、5擋、6擋、R擋的X軸、Y軸電壓；當換擋桿分別從每個擋位擺動一遍，則相應擋位的X軸、Y軸位置傳感器將位置信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，該信號經(jīng)過濾波處理以后傳輸給單片機，經(jīng)單片機內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換和進行數(shù)字濾波后變?yōu)榉€(wěn)定的數(shù)字信號存儲在存儲器中；之后每次當X軸、Y軸位置傳感器檢測到的電壓與存儲器相應擋位記錄的電壓值一致時，則判斷為擋把處于該擋位位置上。如與1擋電壓一致時，則單片機判斷此時為1擋位置。

2.2 控制原理

擋位識別提醒系統(tǒng)的電控單元由主板電路、顯示器電路、X軸、Y軸濾波電路、電源電路組成。圖4為X軸、Y軸擋位濾波電路。以圖4（a）X軸擋位濾波電路為例，其由R59上拉電阻、R16下拉電阻、C94、C95濾波電容、R60限流電阻組成，其作用是X軸位置傳感器0～5V的模擬信號從J3－7接口傳送到濾波電路進行低通濾波，濾除汽車上來自于繼電器、發(fā)電機等的干擾信號，得到純凈的擋位角度信號，并將信號傳輸?shù)絊TM32單片機的17引腳（圖6中STM32的17號引腳），經(jīng)單片機內(nèi)部的AD模塊采集模擬信號并轉(zhuǎn)換成對應的角度數(shù)據(jù)。Y軸擋位濾波電路的原理與其一致，經(jīng)濾波處理后的信號傳輸?shù)絊TM32單片機的23引腳（下頁圖6中STM32的23號引腳）。

圖4 X、Y軸位置傳感器電路圖

圖5 是主板和擋位顯示器的連接電路圖，其作用是把擋位數(shù)據(jù)和加減擋數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)碼管顯示器上。通過3、4引腳給顯示器傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為串口數(shù)據(jù)。7引腳是給顯示器提供12V的電源，1引腳接地線，2引腳接5V電源，電路還包含R69、R72兩個限流電阻以及D29、D30穩(wěn)壓二極管進行限壓保護，防止外部數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)絾纹瑱C而導致的高電壓燒毀單片機。

圖6為控制單元的電路的核心，由STM32單片機及U8CAN收發(fā)器構(gòu)成。STM32單片機負責X軸、Y軸信號的采集，其內(nèi)置AD模數(shù)轉(zhuǎn)化器，將模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，然后進行數(shù)字濾波處理，得到穩(wěn)定的擋位數(shù)字信號；并通過U8CAN收發(fā)器，讀取汽車網(wǎng)絡中的發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速、油門剎車信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后把數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到擋位顯示器。

圖5 主板和擋位顯示器的連接電路圖

圖6 控制單元電路圖

圖7 是系統(tǒng)電源處理電路圖。將汽車上的12V電源經(jīng)R11電阻降壓，電容C145濾波后輸入78m三端穩(wěn)壓管轉(zhuǎn)變?yōu)?V穩(wěn)壓直流電給X軸、Y軸位置傳感器供電。5V直流電再經(jīng)U4AMS117三端穩(wěn)壓管降為3.3V穩(wěn)壓直流電，再經(jīng)C5、C6、E1重重濾波后為單片機STM32提供所需的電壓。

圖7 系統(tǒng)電源處理電路圖

2.3 檢測原理

將系統(tǒng)安裝于馬自達CX－5手動擋車型上，X軸、Y軸位置傳感器如圖1和圖2所示安裝于擋把位置。Y軸位置傳感器測量擋桿前后方向的擺動角度，當換擋桿處于N擋時，Y軸位置傳感器輸出UY電壓，當換擋桿往前擺動時（即往3擋位置擺動時），Y軸位置傳感器輸出電壓變大，此時輸出電壓記為UY＋ΔU3，則ECU把該電壓值儲存為“3”擋的Y值。當換擋桿往后擺動時（即往4擋位置擺動時），Y軸位置傳感器輸出電壓變小，此時輸出電壓記為UYΔU4，則ECU把該電壓值儲存為“4”擋的Y值。此時X軸位置傳感器無位移。當擋桿處于N擋位置時X軸位置傳感器輸出電壓為UX，當換擋桿往左邊擺動時，X軸位置傳感器輸出電壓變小，1擋位置X軸位置傳感器電壓為UX－ΔU1，1擋位置擋把為向左推再向前推，則1擋位置輸出電壓為UX－ΔU1和UY＋ΔU1，其他擋位X軸、Y軸電壓以此類推。

2.4 測試結(jié)果

取每個位置的10次電壓值的平均值為基準電壓值，表1為N擋的電壓值，表2為馬自達CX－5手動擋各擋位識別電壓。

表1 馬自達CX－5手動擋N擋位置識別電壓平均值表

表2 馬自達CX－5手動擋各擋位識別電壓平均值表

將手動擋擋位識別系統(tǒng)安裝到其他車型上進行測試（如表3、表4所示），也成功獲取到相關(guān)車型的擋位信息。

表3 朗逸手動擋各擋位識別電壓平均值表

表4 軒逸手動擋各擋位識別電壓平均值表

2.5 裝車實驗

手動擋換擋提醒裝置的位置傳感器安裝在測試車輛換擋桿擋把處，控制單元（單片機系統(tǒng)）與OBD接口相連，語音顯示器布置在駕駛員側(cè)儀表板上方。圖8為手動擋換擋提醒系統(tǒng)工作邏輯判斷圖。控制單元通過OBD實時獲取車輛擋位信息、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速、油門開度信號，與控制單元內(nèi)設定的最佳燃油經(jīng)濟性的換擋邏輯關(guān)系進行對比，判斷是否需要換擋，如需換擋，則通過語音顯示器進行提醒。

該系統(tǒng)分別安裝在馬自達CX－5（2.0L）、大眾朗逸（1.4T）進行了測試，兩車駕駛員駕齡均為1年內(nèi)，車輛行駛里程2萬km內(nèi)，兩車加滿油，分別在城市路況和郊區(qū)路況各跑100km，再次加滿油，統(tǒng)計油耗，兩種情況各跑4次，分別統(tǒng)計油耗并計算節(jié)油率，兩實驗車型對比油耗如表5所示，測試結(jié)果顯示對于新手駕駛員而言，安裝該系統(tǒng)后車輛的油耗有一定的下降，具有一定的節(jié)油效果。

圖8 手動擋換擋系統(tǒng)提醒邏輯判斷圖

表5 油耗對比表

3 結(jié)語

根據(jù)本文的手動擋換擋提醒裝置的開發(fā)與應用研究，得出以下結(jié)論：

（1）本裝置裝車后具有一定的節(jié)油效果，如果針對還未掌握經(jīng)濟性換擋規(guī)律的新手駕駛員，安裝此裝置能夠更好地幫助他們掌握駕駛技術(shù)，也能夠為節(jié)油提供幫助。

（2）此系統(tǒng)成本低廉，且無需對車輛原系統(tǒng)電路進行改裝，只需加裝位置傳感器以及與車輛OBD接頭連接，進行數(shù)據(jù)獲取及交換，即可實現(xiàn)根據(jù)車況進行換擋提醒，安裝和拆卸容易，對車輛不會造成任何影響。

（3）該系統(tǒng)具有自學功能，能夠自動識別不同車型擋位，適用于商用車和乘用車各種車型，因此此系統(tǒng)值得在市場上進行推廣，具有較好的經(jīng)濟價值。