手動(dòng)擋換擋提醒系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用研究

莫舒玥，林土淦

（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)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(dòng)擋車型時(shí)，常常換擋時(shí)機(jī)把握不準(zhǔn)，出現(xiàn)高速低擋或低速高擋的狀態(tài)，這會(huì)造成車輛發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷過載或燃燒不良導(dǎo)致積碳，影響發(fā)動(dòng)機(jī)壽命；同時(shí)也會(huì)造成燃油燃燒不完全導(dǎo)致的能源浪費(fèi)和環(huán)境污染。在國(guó)家節(jié)能環(huán)保政策的帶動(dòng)下，很多車輛安裝了節(jié)能駕駛助手，能夠?qū)囕v進(jìn)行最優(yōu)燃油經(jīng)濟(jì)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(shè)備，因此有必要為此類車型開發(fā)一套手動(dòng)擋換擋提醒裝置，提醒駕駛員節(jié)能駕駛，不但保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)，也能達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

1 研究目的

對(duì)于新手駕駛員，駕駛手動(dòng)擋車型時(shí)，如果能夠通過語音和屏幕進(jìn)行擋位的顯示，甚至實(shí)現(xiàn)結(jié)合車輛經(jīng)濟(jì)性對(duì)最佳擋位進(jìn)行升擋或降擋提示，將為新手駕駛員短時(shí)間內(nèi)掌握駕駛技術(shù)養(yǎng)成良好的駕駛習(xí)慣提供很大幫助，因此設(shè)計(jì)一個(gè)手動(dòng)擋換擋提醒裝置，結(jié)合車況進(jìn)行最佳燃油經(jīng)濟(jì)性的換擋提醒有很大的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前景。

2 研究原理

2.1 開發(fā)原理

手動(dòng)擋擋位識(shí)別提醒系統(tǒng)主要包括單片機(jī)、顯示器、位置傳感器等原件。利用位置傳感器信號(hào)檢測(cè)擋把的位移量，將各擋位的擋把位置信息模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和記錄，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中；然后駕駛員進(jìn)行掛擋操作，單片機(jī)處理信號(hào)后直接判斷相應(yīng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門位置等信息給出最經(jīng)濟(jì)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(shí)別提醒邏輯判斷示意圖

建立換擋桿空間移動(dòng)位置模型，如圖3所示，將換擋桿的實(shí)際位移與位置傳感器測(cè)量的位移建立聯(lián)系，并通過電壓信號(hào)傳給單片機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和換擋提醒。

圖2 擋位提醒系統(tǒng)實(shí)車安裝示意圖

圖3 換擋桿空間位置模型圖

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

2.2 控制原理

擋位識(shí)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(hào)從J3－7接口傳送到濾波電路進(jìn)行低通濾波，濾除汽車上來自于繼電器、發(fā)電機(jī)等的干擾信號(hào)，得到純凈的擋位角度信號(hào)，并將信號(hào)傳輸?shù)絊TM32單片機(jī)的17引腳（圖6中STM32的17號(hào)引腳），經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部的AD模塊采集模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)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(hào)傳輸?shù)絊TM32單片機(jī)的23引腳（下頁圖6中STM32的23號(hào)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(gè)限流電阻以及D29、D30穩(wěn)壓二極管進(jìn)行限壓保護(hù)，防止外部數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)而導(dǎo)致的高電壓燒毀單片機(jī)。

圖6為控制單元的電路的核心，由STM32單片機(jī)及U8CAN收發(fā)器構(gòu)成。STM32單片機(jī)負(fù)責(zé)X軸、Y軸信號(hào)的采集，其內(nèi)置AD模數(shù)轉(zhuǎn)化器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，然后進(jìn)行數(shù)字濾波處理，得到穩(wěn)定的擋位數(shù)字信號(hào)；并通過U8CAN收發(fā)器，讀取汽車網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)STM32提供所需的電壓。

圖7 系統(tǒng)電源處理電路圖

2.3 檢測(cè)原理

將系統(tǒng)安裝于馬自達(dá)CX－5手動(dòng)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(cè)量擋桿前后方向的擺動(dòng)角度，當(dāng)換擋桿處于N擋時(shí)，Y軸位置傳感器輸出UY電壓，當(dāng)換擋桿往前擺動(dòng)時(shí)（即往3擋位置擺動(dòng)時(shí)），Y軸位置傳感器輸出電壓變大，此時(shí)輸出電壓記為UY＋ΔU3，則ECU把該電壓值儲(chǔ)存為“3”擋的Y值。當(dāng)換擋桿往后擺動(dòng)時(shí)（即往4擋位置擺動(dòng)時(shí)），Y軸位置傳感器輸出電壓變小，此時(shí)輸出電壓記為UYΔU4，則ECU把該電壓值儲(chǔ)存為“4”擋的Y值。此時(shí)X軸位置傳感器無位移。當(dāng)擋桿處于N擋位置時(shí)X軸位置傳感器輸出電壓為UX，當(dāng)換擋桿往左邊擺動(dòng)時(shí)，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(cè)試結(jié)果

取每個(gè)位置的10次電壓值的平均值為基準(zhǔn)電壓值，表1為N擋的電壓值，表2為馬自達(dá)CX－5手動(dòng)擋各擋位識(shí)別電壓。

表1 馬自達(dá)CX－5手動(dòng)擋N擋位置識(shí)別電壓平均值表

表2 馬自達(dá)CX－5手動(dòng)擋各擋位識(shí)別電壓平均值表

將手動(dòng)擋擋位識(shí)別系統(tǒng)安裝到其他車型上進(jìn)行測(cè)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(dòng)擋各擋位識(shí)別電壓平均值表

表4 軒逸手動(dòng)擋各擋位識(shí)別電壓平均值表

2.5 裝車實(shí)驗(yàn)

手動(dòng)擋換擋提醒裝置的位置傳感器安裝在測(cè)試車輛換擋桿擋把處，控制單元（單片機(jī)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(dòng)擋換擋提醒系統(tǒng)工作邏輯判斷圖?？刂茊卧ㄟ^OBD實(shí)時(shí)獲取車輛擋位信息、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速、油門開度信號(hào)，與控制單元內(nèi)設(shè)定的最佳燃油經(jīng)濟(jì)性的換擋邏輯關(guān)系進(jìn)行對(duì)比，判斷是否需要換擋，如需換擋，則通過語音顯示器進(jìn)行提醒。

該系統(tǒng)分別安裝在馬自達(dá)CX－5（2.0L）、大眾朗逸（1.4T）進(jìn)行了測(cè)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(jì)油耗，兩種情況各跑4次，分別統(tǒng)計(jì)油耗并計(jì)算節(jié)油率，兩實(shí)驗(yàn)車型對(duì)比油耗如表5所示，測(cè)試結(jié)果顯示對(duì)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(dòng)擋換擋系統(tǒng)提醒邏輯判斷圖

表5 油耗對(duì)比表

3 結(jié)語

根據(jù)本文的手動(dòng)擋換擋提醒裝置的開發(fā)與應(yīng)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(duì)還未掌握經(jīng)濟(jì)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?yàn)楣?jié)油提供幫助。

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

（3）該系統(tǒng)具有自學(xué)功能，能夠自動(dòng)識(shí)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(chǎng)上進(jìn)行推廣，具有較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。