北斗定位特種車輛實(shí)時油耗檢測算法研究

馬國良，張鵬煒，黃振華，王文軍，舒?zhèn)ビ?/p>

（解放軍32139部隊，北京 101200）

目前，大多數(shù)機(jī)動車上油量表采用三刻度式儀表或八段數(shù)碼管顯示剩余油量所占油箱體積的比例[1-2]。該類儀表只能使駕駛者定性地了解燃油使用狀況和剩余燃油數(shù)量，缺乏精確性；使用時還可能出現(xiàn)油量測量系統(tǒng)零部件卡死的現(xiàn)象，給駕駛員帶來行車不便，成為安全駕駛的常見隱患之一[3-4]。同時，浮子式油量測量裝置在經(jīng)過陡峭路面時，由于車身振動，油量指針也隨之振動，會造成油量顯示不準(zhǔn)確[5]。特別是對于軍用特種車輛而言，由于所附帶油箱數(shù)量多，且均為不規(guī)則形狀，所用的油量檢測裝置還會因車輛停放地面的傾斜度、行使?fàn)顟B(tài)的顛簸程度而產(chǎn)生較大誤差，從而影響裝備的使用效率，甚至?xí)O誤戰(zhàn)機(jī)。

對此，為確保駕駛員對車輛用油情況的準(zhǔn)確感知，方便保障機(jī)關(guān)對運(yùn)行車輛進(jìn)行實(shí)時、準(zhǔn)確、全面的動態(tài)位置遠(yuǎn)程監(jiān)控，在不破損現(xiàn)有裝備的前提下，采用超聲傳感、單片機(jī)控制、北斗定位與無線通信等技術(shù)[6-9]，實(shí)現(xiàn)對車輛的油量實(shí)時檢測與定位。由于軍用車輛的定位裝置采用北斗模塊[10]，測量到的位置數(shù)據(jù)不同于民用車輛裝配的GPS，故在計算油耗時需要做一定的變換運(yùn)算。文中從北斗定位儀測得的角度數(shù)據(jù)入手，建立球面坐標(biāo)系，以地球半徑的長度數(shù)據(jù)作為中間量，將其轉(zhuǎn)換為兩點(diǎn)間距離，然后根據(jù)油耗的通常定義計算出燃油消耗量，實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行任務(wù)車輛的油耗進(jìn)行實(shí)時檢測與監(jiān)控。

1 北斗定位特種車輛實(shí)時油量檢測系統(tǒng)

特種車輛實(shí)時檢測與監(jiān)控系統(tǒng)主要由車載終端油量檢測裝置和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心兩大部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 特種車輛實(shí)時檢測與監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Structure of real-time detection and monitoring system for special vehicles

該系統(tǒng)的設(shè)計思路是在不破壞現(xiàn)有裝備結(jié)構(gòu)的情況下，將超聲傳感器粘貼在油箱底部，從而達(dá)到較精確檢測該油箱油量的目的。然后，將所檢測的油量數(shù)據(jù)和北斗的定位數(shù)據(jù)，經(jīng)單片機(jī)計算與控制后，實(shí)時顯示在駕駛室內(nèi)。同時利用無線通信技術(shù)（如GPRS）[11]，將數(shù)據(jù)傳輸且保存在互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器中，保障機(jī)關(guān)人員通過PC、平板和手機(jī)客戶端實(shí)現(xiàn)對車輛運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時、準(zhǔn)確、全面的動態(tài)監(jiān)控[12]。

2 油耗概念及數(shù)學(xué)模型

2.1 油耗定義

油耗是指機(jī)動車行駛100 km所消耗的燃油量，計量單位為L。機(jī)動車的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)是耗油量，為機(jī)動車使用性能中重要的參數(shù)之一。在我國，油耗指標(biāo)由汽車制造廠根據(jù)國家規(guī)定的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，通過樣車測試得出。該指標(biāo)包括等速油耗和道路循環(huán)油耗。

等速油耗，是指機(jī)動車在良好的路面上作等速行駛時的燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)[13]。由于等速行駛是機(jī)動車在公路上運(yùn)行的一種基本工況，等速油耗容易測定，因此得到廣泛采用。如，法國和德國將90 km/h和120 km/h的等速油耗作為燃油經(jīng)濟(jì)性的主要評價指標(biāo)，我國也采用這一指標(biāo)。國產(chǎn)汽車說明書中標(biāo)明的百公里油耗，一般都是等速油耗。

道路循環(huán)油耗，是指汽車在道路上按照規(guī)定的車速和時間規(guī)范做反復(fù)循環(huán)行駛時所測定的燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，又稱多工況道路循環(huán)油耗[13]。在車速和時間規(guī)范中，規(guī)定每個循環(huán)包含各種行駛的工況，并規(guī)定每個循環(huán)中的換擋時刻、制動與停車時間，以及行駛速度、加速度及制動減速度的數(shù)值。因此，用這種方法測定的燃油經(jīng)濟(jì)性，比較接近汽車實(shí)際的行駛情況。美國汽車工程師學(xué)會（SAE）制定了SAEJ10926道路循環(huán)試驗(yàn)規(guī)范[14]，被廣泛采用。

由上述油耗定義及分類可知，通常的油耗概念均為汽車制造商按照規(guī)定的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)測試而來，目前國內(nèi)外機(jī)動車尚未發(fā)現(xiàn)有專門測試油耗裝置[15]。

2.2 基于北斗定位測距的數(shù)學(xué)模型

目前北斗定位設(shè)備所提供的位置信息均為弧度值[16-17]，因此車輛在任意 2 點(diǎn)（α1，β1）與（α2，β2）之間的距離ΔL在球面坐標(biāo)系下可表示為

其中，

式中：R為地球平均半徑。

當(dāng)α和β采用角度時，式（1）變?yōu)?/p>

將R=6371004 m，π＝3.1415926 代入式（2），得

假設(shè)，車輛在 2 點(diǎn)（α1，β1）與（αn，βn）之間的耗油量為 ΔQ=Qn-Q1，行駛的總里程 ΔL=∑ΔLi，則百公里耗油量（10-2L/km）即油耗為

3 油耗檢測算法

由油耗的數(shù)學(xué)模型可歸納出以下計算步驟：

步驟1由連續(xù)2次讀取的北斗定位儀的位置坐標(biāo)（α1， β1）和（α2， β2），由此計算 Δα=α2-α1，Δ β=β2-β1。

步驟2將Δα，Δβ代入ΔL計算公式（2），得出地面上2點(diǎn)的（弧線）距離ΔL。

步驟3累加多次ΔL計算結(jié)果，得到一定時間段內(nèi) （如30 s或2 min等）車輛行駛的里程ΔL=∑ΔLi及消耗的油量ΔQ。

步驟4將ΔQ和ΔL代入式（4），計算得到百公里耗油量，即設(shè)定時間段內(nèi)的油耗。

檢測算法軟件程序流程如圖2所示。

4 試驗(yàn)及結(jié)果分析

基于以上系統(tǒng)設(shè)計原理及算法，開發(fā)了北斗定位油耗實(shí)時檢測儀（如圖3所示），并安裝在常用車輛上，進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。

駕駛員駕駛廠家標(biāo)稱油耗為18 L（百公里油耗）的特種車輛，在城市周邊不同路況連續(xù)行駛2 h，每隔10 min采集1次油耗測量值，采集結(jié)果見表1。

為驗(yàn)證樣機(jī)檢測的可靠性，在4種不同路況下，將測得的油耗平均值乘以實(shí)際行駛里程，將計算的耗油量與實(shí)際消耗的油量相比較，得到誤差率，即

圖2 油耗檢測算法程序流程Fig.2 Flow chart of fuel consumption detection algorithm

圖3 北斗定位油耗實(shí)時檢測儀樣機(jī)Fig.3 Real-time fuel measurement prototype with BDS positioning

表1 不同路況油耗測量值 （10-2L/km）Tab.1 Fuel consumption measured value in different road conditions （10-2L/km）

誤差率見表2。

表2 測量耗油量相對于實(shí)際值的誤差率Tab.2 Error rate of measuring fuel consumption relative to actual value

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果如下：

1）在路況較好的高速公路上行駛時，測得的油耗數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定，與廠家標(biāo)稱油耗值相近，且均值略大于廠家標(biāo)稱值。從油耗誤差率來看，由測量值計算的油量略小于實(shí)際耗油量，但誤差率最小。究其原因，廠家標(biāo)稱的油耗通常是在良好路面上測量的等速油耗，在高速上行駛從整個行程來看最接近于等速，因?yàn)槭苁召M(fèi)站及少數(shù)路段車輛擁擠等路況的影響會降低車速，頻繁地降速、增速就會增大油量消耗。因此，測量值接近且大于廠家標(biāo)稱值，測得油耗計算值小于實(shí)際消耗油量符合理論基礎(chǔ)。

2）在普通公路和城市道路行駛時，路面質(zhì)地較好，但路面狹窄，人車密集，會導(dǎo)致車輛行駛緩慢，特別是在城市道路行駛，還受到交通信號燈的約束，更增加了剎車-起步的頻率，所以測得的平均油耗大于廠家標(biāo)稱值。另外，由測量平均油耗計算得到的耗油量也小于實(shí)際消耗油量，且誤差相對較大。

3）在鄉(xiāng)村道路行駛時，路面質(zhì)地較差，會產(chǎn)生較大的摩擦力，因此測得平均油耗數(shù)據(jù)與廠家標(biāo)稱值相差最大。但是因人、車密度小，避免了因頻繁剎車-起步所損耗的油量，所以雖然由平均油耗計算得到的油量也小于實(shí)際耗油量，但是誤差率相對于城市道路減小了。

5 結(jié)語

為提高特種車輛油量檢測的實(shí)時性和準(zhǔn)確性，采用超聲傳感、北斗定位和無線通信等技術(shù)，通過單片機(jī)控制研發(fā)了油量檢測樣機(jī)，研究了基于北斗定位測距的油耗檢測算法。通過在4種不同路況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，證實(shí)了檢測樣機(jī)的合理性和研究算法的正確性，并通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，說明了路況對油耗數(shù)據(jù)影響重要性，結(jié)果表明：道路摩擦力越小，行駛速度越大，加減速頻率越少，車輛越省油。