基于CAN總線的汽車組合儀表行車電腦算法及軟件實(shí)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(dòng)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(gè)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(shí)時(shí)油耗等信息的計(jì)算設(shè)備[3]。國外最早期的機(jī)械式行車儀表盤，作為一種獨(dú)立汽車配件，只能實(shí)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(xiàng)備選功能。為滿足終端客戶對汽車燃油使用情況和經(jīng)濟(jì)性的查詢要求，特別隨著點(diǎn)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(gè)參數(shù)為：瞬時(shí)油耗、平均油耗、平均車速和續(xù)航里程，這幾個(gè)參數(shù)的計(jì)算一直是汽車組合儀表設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

1 瞬時(shí)油耗

瞬時(shí)油耗是指汽車在一段相對比較短的時(shí)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(dòng)機(jī)電控單元會(huì)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(dòng)機(jī)電控單元廠家提供的計(jì)算公式可以計(jì)算出；汽車行駛的里程是由車速傳感器發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)經(jīng)過公式計(jì)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(shí)油耗有兩種表現(xiàn)形式：一種是單位時(shí)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(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，考慮到汽車駕駛員的習(xí)慣和感受，設(shè)計(jì)中加入了如下顯示策略：當(dāng)車速比較低時(shí)，比如怠速或車速低于一定的閾值，儀表顯示的是單位時(shí)間的噴油量;當(dāng)車速較高時(shí)，儀表顯示的是單位里程的噴油量?？紤]到噴油量和里程信號(hào)都是定周期發(fā)送，可以通過對接收到的每個(gè)消息幀計(jì)數(shù)的方式來得到統(tǒng)計(jì)時(shí)間，針對嵌入式軟件的特點(diǎn)，可以采用如圖1所示瞬時(shí)油耗軟件設(shè)計(jì)流程圖進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。

圖1 瞬時(shí)油耗軟件設(shè)計(jì)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(shí)間內(nèi)(比如一個(gè)月)汽車所消耗的燃油量，這是一個(gè)統(tǒng)計(jì)平均值，用這段時(shí)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(shí)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(jì)算公式為：

(3)

如果用戶兩次按鍵清零之間累計(jì)的時(shí)間足夠長，式(3)計(jì)算出來的結(jié)果完全可以用來衡量該汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，但它有個(gè)很明顯的缺點(diǎn):從公式中分母可知，如果累計(jì)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(jì)算出來的AFE將會(huì)非常大，那就會(huì)導(dǎo)致用戶感覺耗油量巨大的錯(cuò)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(jī)場路面)或在底盤測功機(jī)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(jì)法”或“碳平衡法”)計(jì)算測出的平均百公里油耗[4]。引入理論油耗后的計(jì)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(diǎn)，即對當(dāng)前實(shí)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(shí)際的項(xiàng)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(jì)算方法既可以實(shí)時(shí)反映汽車的燃油消耗率，又能照顧到用戶的使用體驗(yàn)，當(dāng)用戶按鍵清零后,平均油耗的顯示值會(huì)從理論油耗值慢慢過渡到實(shí)際油耗值?？梢圆捎脠D2所示的軟件設(shè)計(jì)流程圖進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。

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(shí)間內(nèi)汽車速度的統(tǒng)計(jì)平均值。其計(jì)算公式為：

(6)

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

圖3 平均車速的軟件設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)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(dòng)平均法;另一種是一次指數(shù)平滑法[6]。

4.1 一次移動(dòng)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(shí)間順序逐次推進(jìn)，每推進(jìn)一個(gè)周期時(shí)，舍去前一個(gè)周期的數(shù)據(jù)，增加一個(gè)新周期的數(shù)據(jù)，再進(jìn)行算術(shù)平均。這種預(yù)測計(jì)算方法最大的優(yōu)點(diǎn)是簡單易行，在以前的續(xù)航里程設(shè)計(jì)中被采用過，但有明顯的不足：(1)每計(jì)算一次移動(dòng)平均值，需要存儲(chǔ)最近N個(gè)觀察數(shù)據(jù)，單片機(jī)由于存儲(chǔ)容量的限制，不可能開出很大的空間來存儲(chǔ)非常大的歷史數(shù)據(jù);(2)移動(dòng)平均實(shí)際上是對最近的N個(gè)觀察值等權(quán)看待，且更早前的數(shù)據(jù)不參與計(jì)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)不同時(shí)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(jì)算是一個(gè)預(yù)測的值，一定會(huì)與最后行駛的里程有誤差，所以有必要做一些動(dòng)態(tài)的調(diào)整。在實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)中摸索了一種策略對計(jì)算出來的剩余里程進(jìn)行調(diào)整，如式(14) ，使之?dāng)M合實(shí)際的行駛里程，從而實(shí)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(jì)流程如圖4 所示的續(xù)航里程軟件設(shè)計(jì)流程圖。

圖4 續(xù)航里程軟件設(shè)計(jì)流程

5 結(jié)束語

文中所述計(jì)算方法不僅從燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)計(jì)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(gè)方面進(jìn)行了考慮，在實(shí)際使用中被應(yīng)用于長安和江鈴等客戶的組合儀表項(xiàng)目中，并受到終端客戶的認(rèn)可，實(shí)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(dòng)力車型或電動(dòng)車，需要在算法的基礎(chǔ)上做一些補(bǔ)充和演化，但基本的統(tǒng)計(jì)與預(yù)測思路仍然是可行的。

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