基于CAN總線的汽車組合儀表行車電腦算法及軟件實現(xiàn)研究

丁家俊

(延鋒國際技術(shù)中心,上海 200233)

0 引言

CAN 總線汽車已經(jīng)成了各汽車廠家的主力車型，除極低成本的汽車外各汽車廠家都或多或少地推出了自己的CAN總線車型，一些國外品牌和合資品牌更是所有的產(chǎn)品線都需要CAN 總線或更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。國內(nèi)行車電腦的概念包含的范圍很廣，目前主要是指車載電腦及嵌入式的車載控制單元[1]，比如集成了行車助手、自動導(dǎo)航、可視倒車、娛樂欣賞、網(wǎng)絡(luò)通信和用戶設(shè)置等功能的車載電腦[2]以及汽車行駛記錄儀等。文中所述的行車電腦是從英文Trip Computer翻譯過來的一個專用詞匯，是指安裝在車上的一種可以記錄行駛距離、平均速度、平均油耗、實時油耗等信息的計算設(shè)備[3]。國外最早期的機械式行車儀表盤，作為一種獨立汽車配件，只能實現(xiàn)非常簡單的功能，而現(xiàn)代行車電腦的顯示屏已經(jīng)被并入汽車組合儀表盤或?qū)Ш较到y(tǒng)的屏幕上，成為其中的一項備選功能。為滿足終端客戶對汽車燃油使用情況和經(jīng)濟性的查詢要求，特別隨著點陣液晶顯示屏和TFT(薄膜晶體管型)液晶顯示屏在組合儀表上的大范圍使用，越來越多的汽車廠家都要求汽車組合儀表能提供行車電腦的功能，越是高端的車型越需要提供更為精確的信息。在汽車組合儀表中行車電腦最重要的4個參數(shù)為：瞬時油耗、平均油耗、平均車速和續(xù)航里程，這幾個參數(shù)的計算一直是汽車組合儀表設(shè)計的難點。

1 瞬時油耗

瞬時油耗是指汽車在一段相對比較短的時間內(nèi)(比如500 ms)所消耗燃油的總和。它主要與汽車自身特性、道路交通條件、自然環(huán)境等因素相關(guān)[4]。在CAN總線汽車上，一般發(fā)動機電控單元會定周期地發(fā)送噴油量到CAN總線上，噴油量以脈沖數(shù)或占空比的形式表示，通過發(fā)動機電控單元廠家提供的計算公式可以計算出；汽車行駛的里程是由車速傳感器發(fā)出的脈沖個數(shù)經(jīng)過公式計算而來，有些通過儀表直接處理，有些由車身控制系統(tǒng)處理并發(fā)送到CAN 總線上，文中按后一種情況來進(jìn)行分析。

瞬時油耗有兩種表現(xiàn)形式：一種是單位時間內(nèi)的噴油量總和，如式(1)，單位是L/h;另一種是單位里程的噴油量總和，如式(2),單位是L/100 km。

(1)

(2)

在實際項目設(shè)計中，考慮到汽車駕駛員的習(xí)慣和感受，設(shè)計中加入了如下顯示策略：當(dāng)車速比較低時，比如怠速或車速低于一定的閾值，儀表顯示的是單位時間的噴油量;當(dāng)車速較高時，儀表顯示的是單位里程的噴油量。考慮到噴油量和里程信號都是定周期發(fā)送，可以通過對接收到的每個消息幀計數(shù)的方式來得到統(tǒng)計時間，針對嵌入式軟件的特點，可以采用如圖1所示瞬時油耗軟件設(shè)計流程圖進(jìn)行軟件設(shè)計。

圖1 瞬時油耗軟件設(shè)計流程

2 平均油耗

平均油耗是指用戶通過按鍵操作清零后開始的一段相對較長的時間內(nèi)(比如一個月)汽車所消耗的燃油量，這是一個統(tǒng)計平均值，用這段時間所消耗的燃油與行駛的里程數(shù)的比值來表示。這里的平均油耗是實際油耗，除了和汽車自身特性、道路交通條件、自然環(huán)境相關(guān)外，還和駕駛員的駕駛習(xí)慣等因素相關(guān)[5]。按照概念，平均油耗的基本計算公式為：

(3)

如果用戶兩次按鍵清零之間累計的時間足夠長，式(3)計算出來的結(jié)果完全可以用來衡量該汽車的燃油經(jīng)濟性，但它有個很明顯的缺點:從公式中分母可知，如果累計里程非常小，特別是車還處于低速甚至是怠速停止的狀況下，計算出來的AFE將會非常大，那就會導(dǎo)致用戶感覺耗油量巨大的錯覺，從而懷疑整車的質(zhì)量性能，在這種情況下必須引入理論油耗作為參考參數(shù)， “理論油耗”是指汽車廠商按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫度、風(fēng)向、風(fēng)速等客觀環(huán)境要求下 ，使汽車在平坦路面(機場路面)或在底盤測功機上保持一定車速等速行駛(一般有60、90，120 km/h 3種選擇)，然后通過專業(yè)方法(一般有“流量計法”或“碳平衡法”)計算測出的平均百公里油耗[4]。引入理論油耗后的計算公式為：

(4)

其中Fuel_default與Odo_default的比值為理論油耗。式(4)存在比較明顯的缺點，即對當(dāng)前實際油耗的變化趨勢反應(yīng)略微遲鈍。為此，對式(3)和式(4)進(jìn)行了簡單的加權(quán)調(diào)整：

AFE=(w_afe/100%)·AFEcal+(w_rafe/100%)·rAFEcal

(5)

式中：w_afe從 0遞增到100%，w_rafe從 100 %遞減到0，加權(quán)的幅度可以按實際的項目開發(fā)中權(quán)值轉(zhuǎn)換的速度要求進(jìn)行調(diào)整。這種計算方法既可以實時反映汽車的燃油消耗率，又能照顧到用戶的使用體驗，當(dāng)用戶按鍵清零后,平均油耗的顯示值會從理論油耗值慢慢過渡到實際油耗值。可以采用圖2所示的軟件設(shè)計流程圖進(jìn)行軟件設(shè)計。

3 平均車速

平均車速是指用戶通過按鍵操作清零后開始的一段相對較長的時間內(nèi)汽車速度的統(tǒng)計平均值。其計算公式為：

(6)

平均車速的計算相對比較簡單，可以采用圖3平均車速的軟件設(shè)計流程圖進(jìn)行軟件設(shè)計。

圖3 平均車速的軟件設(shè)計流程

4 續(xù)航里程

續(xù)航里程是汽車油箱剩余油量可繼續(xù)行駛里程，這是一個預(yù)測學(xué)的概念，需要根據(jù)以往燃油消耗量和已經(jīng)行駛的里程來預(yù)測將來的平均油耗，從而和油箱剩余油量計算出可持續(xù)行駛的距離。其概念公式為：

(7)

對油耗的預(yù)測有兩種方法：一種是一次移動平均法;另一種是一次指數(shù)平滑法[6]。

4.1 一次移動平均法

其基本思路是：每次取一定數(shù)量的周期數(shù)據(jù)平均，按時間順序逐次推進(jìn)，每推進(jìn)一個周期時，舍去前一個周期的數(shù)據(jù)，增加一個新周期的數(shù)據(jù)，再進(jìn)行算術(shù)平均。這種預(yù)測計算方法最大的優(yōu)點是簡單易行，在以前的續(xù)航里程設(shè)計中被采用過，但有明顯的不足：(1)每計算一次移動平均值，需要存儲最近N個觀察數(shù)據(jù)，單片機由于存儲容量的限制，不可能開出很大的空間來存儲非常大的歷史數(shù)據(jù);(2)移動平均實際上是對最近的N個觀察值等權(quán)看待，且更早前的數(shù)據(jù)不參與計算。

4.2 一次指數(shù)平滑法

(8)

式中:α為平滑系數(shù)，0<α<1。

觀察式(8)，實際值Xt、Xt-1、Xt-2的權(quán)系數(shù)分別為α、α(1-α)、α(1-α)2。依次類推，離現(xiàn)在時刻越遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)，其權(quán)系數(shù)越小。指數(shù)平滑法就是用平滑系數(shù)α來實現(xiàn)不同時間的數(shù)據(jù)的非等權(quán)處理的。把式(8)進(jìn)行變換后可得：

(9)

(10)

按式(10)對燃油消耗量和里程進(jìn)行預(yù)測，可得到

(11)

(12)

(13)

4.3 預(yù)測誤差調(diào)整

公式(13)對續(xù)航里程的計算是一個預(yù)測的值，一定會與最后行駛的里程有誤差，所以有必要做一些動態(tài)的調(diào)整。在實際項目開發(fā)中摸索了一種策略對計算出來的剩余里程進(jìn)行調(diào)整，如式(14) ，使之?dāng)M合實際的行駛里程，從而實現(xiàn)里程表的顯示每減少1 km,續(xù)航里程的顯示也減少1 km。

(14)

表1 誤差調(diào)整參數(shù)

軟件設(shè)計流程如圖4 所示的續(xù)航里程軟件設(shè)計流程圖。

圖4 續(xù)航里程軟件設(shè)計流程

5 結(jié)束語

文中所述計算方法不僅從燃油經(jīng)濟性指標(biāo)計算本身更從滿足用戶感受的顯示策略的角度對行車電腦的各個方面進(jìn)行了考慮，在實際使用中被應(yīng)用于長安和江鈴等客戶的組合儀表項目中，并受到終端客戶的認(rèn)可，實踐證明該算法是可行的。另外，文中主要針對的是純?nèi)加蛙囆偷男熊囯娔X算法，如果是混合動力車型或電動車，需要在算法的基礎(chǔ)上做一些補充和演化，但基本的統(tǒng)計與預(yù)測思路仍然是可行的。

、