手动挡换挡提醒系统的开发和应用研究

莫舒玥，林土淦

（广西交通职业技术学院，广西 南宁 530023）

0 引言

很多新手驾驶员，由于技术不娴熟，在驾驶手动挡车型时，常常换挡时机把握不准，出现高速低挡或低速高挡的状态，这会造成车辆发动机负荷过载或燃烧不良导致积碳，影响发动机寿命；同时也会造成燃油燃烧不完全导致的能源浪费和环境污染。在国家节能环保政策的带动下，很多车辆安装了节能驾驶助手，能够对车辆进行最优燃油经济性驾驶模式的提醒。但是很多低端乘用车和商用车，并没有安装此类设备，因此有必要为此类车型开发一套手动挡换挡提醒装置，提醒驾驶员节能驾驶，不但保护发动机，也能达到节能环保的目的。

1 研究目的

对于新手驾驶员，驾驶手动挡车型时，如果能够通过语音和屏幕进行挡位的显示，甚至实现结合车辆经济性对最佳挡位进行升挡或降挡提示，将为新手驾驶员短时间内掌握驾驶技术养成良好的驾驶习惯提供很大帮助，因此设计一个手动挡换挡提醒装置，结合车况进行最佳燃油经济性的换挡提醒有很大的应用价值和市场前景。

2 研究原理

2.1 开发原理

手动挡挡位识别提醒系统主要包括单片机、显示器、位置传感器等原件。利用位置传感器信号检测挡把的位移量，将各挡位的挡把位置信息模拟信号转变成电压信号进行识别和记录，存储在存储器中；然后驾驶员进行挂挡操作，单片机处理信号后直接判断相应的挡位并通过显示器和语音把挡位信息提示给驾驶员，辅助驾驶员正确判断挡位，为下一步结合车辆发动机转速、节气门位置等信息给出最经济的换挡提醒。系统逻辑图如图1所示。车辆安装位置如图2所示。

图1 挡位识别提醒逻辑判断示意图

建立换挡杆空间移动位置模型，如图3所示，将换挡杆的实际位移与位置传感器测量的位移建立联系，并通过电压信号传给单片机进行存储和换挡提醒。

图2 挡位提醒系统实车安装示意图

图3 换挡杆空间位置模型图

在手动挡挡把上安装两个位置传感器，分别为X轴位置传感器和Y轴位置传感器，如图2所示。X轴位置传感器测量挡把左右方向位移；Y轴位置传感器测量挡位前后方向的位移。安装好后，先让单片机识别各个挡位，以马自达CX－5手动挡车型6挡变速器为例，通过菜单设置，先让挡把处于N挡位置，让单片机识别N挡位置的X轴、Y轴电压；然后让单片机依次识别1挡、2挡、3挡、4挡、5挡、6挡、R挡的X轴、Y轴电压；当换挡杆分别从每个挡位摆动一遍，则相应挡位的X轴、Y轴位置传感器将位置信号转换成电压信号，该信号经过滤波处理以后传输给单片机，经单片机内置AD转换和进行数字滤波后变为稳定的数字信号存储在存储器中；之后每次当X轴、Y轴位置传感器检测到的电压与存储器相应挡位记录的电压值一致时，则判断为挡把处于该挡位位置上。如与1挡电压一致时，则单片机判断此时为1挡位置。

2.2 控制原理

挡位识别提醒系统的电控单元由主板电路、显示器电路、X轴、Y轴滤波电路、电源电路组成。图4为X轴、Y轴挡位滤波电路。以图4（a）X轴挡位滤波电路为例，其由R59上拉电阻、R16下拉电阻、C94、C95滤波电容、R60限流电阻组成，其作用是X轴位置传感器0～5V的模拟信号从J3－7接口传送到滤波电路进行低通滤波，滤除汽车上来自于继电器、发电机等的干扰信号，得到纯净的挡位角度信号，并将信号传输到STM32单片机的17引脚（图6中STM32的17号引脚），经单片机内部的AD模块采集模拟信号并转换成对应的角度数据。Y轴挡位滤波电路的原理与其一致，经滤波处理后的信号传输到STM32单片机的23引脚（下页图6中STM32的23号引脚）。

图4 X、Y轴位置传感器电路图

图5 是主板和挡位显示器的连接电路图，其作用是把挡位数据和加减挡数据传输到数码管显示器上。通过3、4引脚给显示器传输数据，数据格式为串口数据。7引脚是给显示器提供12V的电源，1引脚接地线，2引脚接5V电源，电路还包含R69、R72两个限流电阻以及D29、D30稳压二极管进行限压保护，防止外部数据信号传输到单片机而导致的高电压烧毁单片机。

图6为控制单元的电路的核心，由STM32单片机及U8CAN收发器构成。STM32单片机负责X轴、Y轴信号的采集，其内置AD模数转化器，将模拟信号转变成数字信号，然后进行数字滤波处理，得到稳定的挡位数字信号；并通过U8CAN收发器，读取汽车网络中的发动机转速、车速、油门刹车信息，经过数据处理后把数据通过串口发送到挡位显示器。

图5 主板和挡位显示器的连接电路图

图6 控制单元电路图

图7 是系统电源处理电路图。将汽车上的12V电源经R11电阻降压，电容C145滤波后输入78m三端稳压管转变为5V稳压直流电给X轴、Y轴位置传感器供电。5V直流电再经U4AMS117三端稳压管降为3.3V稳压直流电，再经C5、C6、E1重重滤波后为单片机STM32提供所需的电压。

图7 系统电源处理电路图

2.3 检测原理

将系统安装于马自达CX－5手动挡车型上，X轴、Y轴位置传感器如图1和图2所示安装于挡把位置。Y轴位置传感器测量挡杆前后方向的摆动角度，当换挡杆处于N挡时，Y轴位置传感器输出UY电压，当换挡杆往前摆动时（即往3挡位置摆动时），Y轴位置传感器输出电压变大，此时输出电压记为UY＋ΔU3，则ECU把该电压值储存为“3”挡的Y值。当换挡杆往后摆动时（即往4挡位置摆动时），Y轴位置传感器输出电压变小，此时输出电压记为UYΔU4，则ECU把该电压值储存为“4”挡的Y值。此时X轴位置传感器无位移。当挡杆处于N挡位置时X轴位置传感器输出电压为UX，当换挡杆往左边摆动时，X轴位置传感器输出电压变小，1挡位置X轴位置传感器电压为UX－ΔU1，1挡位置挡把为向左推再向前推，则1挡位置输出电压为UX－ΔU1和UY＋ΔU1，其他挡位X轴、Y轴电压以此类推。

2.4 测试结果

取每个位置的10次电压值的平均值为基准电压值，表1为N挡的电压值，表2为马自达CX－5手动挡各挡位识别电压。

表1 马自达CX－5手动挡N挡位置识别电压平均值表

表2 马自达CX－5手动挡各挡位识别电压平均值表

将手动挡挡位识别系统安装到其他车型上进行测试（如表3、表4所示），也成功获取到相关车型的挡位信息。

表3 朗逸手动挡各挡位识别电压平均值表

表4 轩逸手动挡各挡位识别电压平均值表

2.5 装车实验

手动挡换挡提醒装置的位置传感器安装在测试车辆换挡杆挡把处，控制单元（单片机系统）与OBD接口相连，语音显示器布置在驾驶员侧仪表板上方。图8为手动挡换挡提醒系统工作逻辑判断图。控制单元通过OBD实时获取车辆挡位信息、发动机转速、车速、油门开度信号，与控制单元内设定的最佳燃油经济性的换挡逻辑关系进行对比，判断是否需要换挡，如需换挡，则通过语音显示器进行提醒。

该系统分别安装在马自达CX－5（2.0L）、大众朗逸（1.4T）进行了测试，两车驾驶员驾龄均为1年内，车辆行驶里程2万km内，两车加满油，分别在城市路况和郊区路况各跑100km，再次加满油，统计油耗，两种情况各跑4次，分别统计油耗并计算节油率，两实验车型对比油耗如表5所示，测试结果显示对于新手驾驶员而言，安装该系统后车辆的油耗有一定的下降，具有一定的节油效果。

图8 手动挡换挡系统提醒逻辑判断图

表5 油耗对比表

3 结语

根据本文的手动挡换挡提醒装置的开发与应用研究，得出以下结论：

（1）本装置装车后具有一定的节油效果，如果针对还未掌握经济性换挡规律的新手驾驶员，安装此装置能够更好地帮助他们掌握驾驶技术，也能够为节油提供帮助。

（2）此系统成本低廉，且无需对车辆原系统电路进行改装，只需加装位置传感器以及与车辆OBD接头连接，进行数据获取及交换，即可实现根据车况进行换挡提醒，安装和拆卸容易，对车辆不会造成任何影响。

（3）该系统具有自学功能，能够自动识别不同车型挡位，适用于商用车和乘用车各种车型，因此此系统值得在市场上进行推广，具有较好的经济价值。