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汽車換檔智能輔助決策系統(tǒng)的設計
摘要：根據(jù)發(fā)動機工作特性及汽車換檔特性，利用單片機技術設計了汽車換檔智能決策輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)實時獲得的車輛運行狀態(tài)幫助駕駛員正確地換檔，從而使車輛以最佳狀態(tài)運行，更好地發(fā)揮汽車的經濟性和動力性。在不降低汽車動力性的條件下改善燃料經濟性是汽車研究的一個主要方面，最佳經濟性換檔規(guī)律能夠保證發(fā)動機工作在最佳經濟性工作區(qū)，減少汽車的燃油消耗量，提高整車的燃油經濟性?１～２?。對于手動換檔的汽車，如果在其行駛過程中實時地將發(fā)動機的最佳工作線和換檔時的發(fā)動機工作點清晰地顯示出來，同時根據(jù)該車的最佳換檔規(guī)律給出換檔提示，就可以使駕駛員了解車輛行駛中發(fā)動機的工作狀況從而進行正確操作，也有利于駕駛員改正不良的操作習慣并糾正錯誤操作，以充分發(fā)揮汽車的經濟性和動力性。本文根據(jù)汽車的發(fā)動機特性、換檔特性及車載電子設備的設計要求，利用單片機實現(xiàn)了嵌入式汽車智能換檔輔助決策系統(tǒng)。
１ 系統(tǒng)設計原理
１．１ 發(fā)動機最佳工作線計算
發(fā)動機最佳工作線包括發(fā)動機最佳動力性工作線和最佳經濟性工作線。
１．１．１ 發(fā)動機最佳動力性工作線的計算
發(fā)動機最佳動力性工作點為發(fā)動機的等功率曲線與發(fā)動機扭矩曲線的切點，也就是扭矩曲線上功率最大的點。
發(fā)動機功率為：Ｐｅ＝Ｍｅｎｅ／９５４９
發(fā)動機扭矩為：Ｍ＝ａ＋ｂｎ＋ｃｎ＋ｄｎ，其中系數(shù)ａ、ｂ、ｃ、ｄ可以由實驗數(shù)據(jù)擬合得到。
根據(jù)發(fā)動機最佳動力性工作點的定義，構造目標函數(shù)：
Ｐｅ＝Ｍｅｎｅ／９５４９＝?ａｎ＋ｂｎ＋ｃｎ＋ｄｎ?／９５４９
發(fā)動機轉速范圍為：ｎ≤ｎ≤ｎ
圖2 油耗特性曲線 圖3 Fcon1下的經濟性換檔點
此為條件極值問題，即在給定的發(fā)動機轉速范圍內求目標函數(shù)的極大值點，然后根據(jù)發(fā)動機功率公式計算出發(fā)動機扭矩，這樣就可以求出發(fā)動機最佳動力性工作點（ｎｅ，Ｍｅ）。
依次可以求出一系列油門開度下發(fā)動機最佳動力性工作點，將這些最佳工作點用曲線連接起來即得到發(fā)動機最佳動力性工作線。
１．１．２ 發(fā)動機最佳經濟性工作線的計算
發(fā)動機的扭矩曲線為Ｍｅ＝ｆ（ｎｅ）
發(fā)動機的油耗曲線為Ｑｔ＝ｇ（ｎｅ）
根據(jù)發(fā)動機的扭矩曲線和油耗曲線可以得到發(fā)動機負荷特性曲線。由發(fā)動機的負荷特性曲線可以得到發(fā)動機的等油耗曲線。發(fā)動機最佳經濟性工作點即為等油耗曲線與等功率曲線的切點。用求解發(fā)動機最佳動力性工作點的方法可以求得發(fā)動機最佳經濟性工作點，從而得到發(fā)動機最佳經濟性工作線。
１．２ 汽車最佳換檔規(guī)律的計算
汽車換檔規(guī)律分為最佳動力性換檔規(guī)律和最佳經濟性換檔規(guī)律。
１．２．１ 汽車最佳動力性換檔規(guī)律的計算
在汽車驅動力圖上，動力性換檔點為同一油門開度下相鄰兩檔的驅動力曲線的交點。圖１所示為相鄰兩檔的動力性換檔點。求出這些換檔點后，將其轉換到油門開度ａ和車速ｖａ坐標圖上，并把這些點連成曲線，就得到該相鄰兩檔的動力性換檔規(guī)律升檔曲線。給出一定的降檔速差，就可求出動力性換檔規(guī)律的降檔曲線，這樣就求出了動力性換檔規(guī)律。
１．２．２ 汽車最佳經濟性換檔規(guī)律的計算
在相鄰兩檔不同節(jié)氣門開度下的牽引力特性圖上，按等牽引力條件，設定克服道路阻力?Ｆ的牽引力為某一常數(shù)Ｆｃｏｎ１，根據(jù)其和相鄰兩檔不同節(jié)氣門開度下的牽引力特性曲線的交點，可求出對應節(jié)氣門開度下的車速；根據(jù)相應檔位下的汽車燃油消耗Ｑ和車速ｖａ之間的關系（如圖２所示）可求出相應車速下該檔位與節(jié)氣門開度下的油耗Ｑ；再根據(jù)不同牽引力曲線的交點可求出相鄰兩檔的不同油耗點，其連線為相鄰兩檔的油耗線，其油耗線的交點為Ｆｃｏｎ１下的相鄰兩檔最低油耗換檔點，如圖３所示。同理可以求出不同牽引力常數(shù)Ｆｃｏｎｉ下的相鄰兩檔的最低油耗換檔點，其換檔點的連線為相鄰兩檔的經濟性換檔線。用此方法可得到其它相鄰兩檔的經濟性換檔線。
２ 系統(tǒng)設計
２．１ 系統(tǒng)的硬件設計
系統(tǒng)的硬件設計如圖４所示。ＣＰＵ采用Ａｔｍｅｌ ８９Ｃ５５ＷＤ單片機，它具有２０Ｋ的ＲＯＭ和２５６Ｂｙｔｅ的ＲＡＭ。
由于該系統(tǒng)需要存儲車輛的各相關參數(shù)、發(fā)動機特性等數(shù)據(jù)，因此需要大量的存儲空間。為了滿足這一要求，同時使該系統(tǒng)適合在其它車型上擴展，采用了靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器２８Ｆ２５６ Ｆｌａｓｈ。它具有３２Ｋ的存儲空間，可以存儲車輛的基本參數(shù)以及發(fā)動機特性等數(shù)據(jù)，完全可以滿足要求。
ＬＣＤ（液晶顯示器）采用的是ｔｏｐ－ｖｉｅｗ公司的型號為ＳＴＮ３２２４－ＩＩ的顯示儀。其分辨率是３２０×２４０，制式為ＳＴＮ，支持２５６色，自帶控制器。它的特點是接口簡單、編程控制容易。
Ａ／Ｄ轉換器采用ＭＡＸ１０９２，為十位模／數(shù)轉換器。當ＭＡＸ１０９２的ＨＢＥＮ腳為低電平時讀低８位，當其為高電平時讀高兩位。
傳感器有節(jié)氣門傳感器、車速傳感器、發(fā)動機轉速傳感器等。節(jié)氣門位置傳感器安裝在節(jié)氣門軸的尾端，采用滑線變阻器的型式，節(jié)氣門完全關閉時，傳感器輸出電壓為０Ｖ；節(jié)氣門完全打開時，輸出電壓為５Ｖ；當節(jié)氣門不斷開
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