CN104175875A - 一种基于车载自诊断系统obd的换挡提示装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于车载自诊断系统OBD的换挡提示装置及其控制方法，其装置包括电源模块和单片机；通信模块连接在汽车OBD接口与所述单片机之间；GPS模块分别与所述单片机和GPS天线连接；存储器用于存储换挡点；显示输出设备与所述单片机连接，用于显示最佳挡位等信息。该装置能够通过对车辆当前动力数据的分析得到车辆当前行驶时的最佳挡位，所需数据分别来自汽车自诊断系统OBD和GPS系统，无需外接任何传感器，制作成本低；同时还可以根据需求对当前换挡点进行修正，能够确保车辆运行在最佳挡位，并提示驾驶员在最佳换挡点进行换挡，不仅能够降低车辆运行成本，提高驾车经济性，而且由于保证了换挡合理性，因此能够延长离合器和整车的使用寿命。

Description

一种基于车载自诊断系统OBD的换挡提示装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种机动车车载自诊断技术，特别涉及一种基于车载自诊断系统OBD的换挡提示装置及其控制方法。

背景技术

车载自诊断系统，英文名称为On-Board Diagnostic，英文缩写为OBD，是一种自动诊断汽车故障的程序。一旦系统出现故障，则点亮故障灯MIL，同时需要存储故障码和冻结帧。

中国专利公开号为CN2053588的实用新型专利公开了一种最佳换挡提示器，包括车速传感器、油门开度传感器、A/D变换、单片机、声音处理芯片及数码管显示系统，其中油门开度传感器通过油门踏板与触头螺纹连接，触头与可调电阻相连来实现。当车辆在行驶中，车速传感器将采集到的车速电信号及油门开度传感器的油门开度电信号经A/D变换和单片机以后与换挡规律进行比较以确定车辆应处的挡位。最后声音处理芯片与喇叭将发出请换某档的提示信号。与此同时，数码管显示系统显示出请换某档的闪烁提示。这种最佳换挡提示器的控制策略为双参数的换挡规律，其双参数为油门和车速，换挡规律的制定基于发动机稳态台架试验数据，而车辆在实际行驶时大多情况下处于动态工况，因此很难满足车辆的动态需求，而且需要加装传感器测量车速以及油门开度，改造成本高。

此外一些国外以及合资汽车企业的手动变速器汽车也都具有换挡提示功能，但一般都集成于仪表板内；而且换挡规律也是基于双参数的换挡规律，根据一些其他量进行修正。

发明内容

本发明的目的是要解决现有技术存在的上述问题，提供一种基于车载自诊断系统OBD的换挡提示装置及其控制方法，该装置能够通过对车辆当前动力数据的分析得到车辆当前行驶时的最佳挡位，同时还可以根据需求对当前换挡点进行修正。

本发明所涉及的一种基于车载自诊断系统OBD的换挡提示装置，包括电源模块；

单片机，根据收到的信号计算最佳挡位，并修改换挡点；

通信模块，连接在汽车自诊断系统OBD接口与所述单片机之间，用于接收单片机发送的请求指令，然后通过汽车自诊断系统OBD接口获取对应的车辆参数并发送给单片机；

GPS模块，分别与所述单片机的数据输入端和GPS天线连接，用于读取车速，时间以及磁偏角信息，并传递给所述单片机；

存储器，与所述单片机的IIC总线接口相连接，用于存储换挡点；

显示输出设备，与所述单片机的输出端口连接，用于显示最佳挡位信息。

作为进一步优选，所述通信模块采用ELM327芯片，通信接口为RS232接口。

作为进一步优选，所述电源模块的输入端通过点烟器接头与车载点烟器连接。

作为进一步优选，所述单片机、电源模块、存储器和GPS模块集成在一块单片机板上，并固定在所述显示输出设备的壳体内，在所述显示输出设备的壳体上布置有分别与通信模块、GPS天线、显示输出设备和车载点烟器连接的多个接口。

作为进一步优选，还设有语言提示模块，分别与单片机的信号输出端和电源模块的输出端连接，以将显示的内容以语音的方式提示给驾驶员。

一种基于车载自诊断系统OBD的换挡提示装置的控制方法，包括综合模式、动力模式和经济模式；包含步骤如下：

1、综合模式首先通过汽车OBD接口获取汽车发动机负荷率，通过GPS模块获取车速和时间信息；

2、通过单片机量化道路系数α和驾驶员意图系数β；其中道路系数α使用相对阻力进行衡量，其相对阻力定义为车辆行驶时所受到的实际阻力与车辆在平直良好路面上所受理论阻力的差值；驾驶员意图系数β采用加速度进行衡量，α、β取值范围均为0～1；

3、根据α、β取值计算综合性因数θ，并判断0<θ<1是否成立，如果成立则继续执行第5步；否则继续判断是否θ＝0，如果θ＝0，则进入经济模式；如果θ＝1，则进入动力模式；

4、确定当前挡位U；

5、根据综合性因数θ计算最佳换挡点V，并确定最佳升档点和最佳降档点；

v＝(v_d-v_j)θ+v_j；

其中：v_d表示最佳动力性换挡点车速；

v_j表示最佳经济性换挡点车速；

6、确定最佳挡位B：即判断当前车速是否大于最佳升档点车速，如果是，则最佳挡位B＝U+1；如果否，则继续判断当前车速是否小于最佳降档点车速；如果是，则最佳挡位B＝U-1；如果否，则最佳挡位B等于当前挡位U；并通过显示输出设备提示驾驶员最佳挡位；

作为进一步优选，所述经济模式或动力模式包含步骤如下：

a、将计数参数N设置为0；

b、通过GPS模块和汽车OBD接口确定汽车当前挡位U，由单片机根据最佳经济性或最佳动力性原则确定最佳挡位B；

c、判断是否U≠B，如果是则继续执行d步；如果否则返回a步；

d、继续判断是否U＜B，如果是，则通过显示输出设备提示驾驶员升档，记录当前评价指标值S1，即加速度或百公里油耗，并继续执行e步；如果否，则通过显示输出设备提示驾驶员降档；

e、通过GPS模块和汽车OBD接口重复确定汽车当前挡位Uˊ；

f、将计数参数N加1，继续判断是否Uˊ＝B，如果是则执行g步；如果否，则进一步判断是否N＜3，如果是则返回e步，如果否则返回a步；

g、再次记录当前评价指标值S2，即加速度或百公里油耗，判断S1与S2的差值是否超出允许范围；如果是，则修正换挡点，并将修正的后的换挡点存入存储器。

作为进一步优选，所述确定当前挡位时首先通过GPS模块获取当前车速，通过汽车OBD接口获取发动机转速；然后计算传动比；最后判断传动比是否处于挡位允许范围内，如果是则输出当前挡位；如果否则返回重新确定当前挡位。

作为进一步优选，所述综合模式、动力模式和经济模式可由用户直接选择运行模式。

作为进一步优选，所述综合性因数θ通过下列公式计算得到；

θ＝a×α+b×β；

式中，a、b分别为动力性因数和道路系数的加权值，取值范围为0～1；a、b之和等于1。

本发明的有益效果是：该装置能够通过对车辆当前动力数据的分析得到车辆当前行驶时的最佳挡位，所需数据分别来自汽车自诊断系统OBD和GPS系统，无需外接任何传感器，制作成本低；同时还可以根据需求对当前换挡点进行修正，能够确保车辆运行在最佳挡位，并提示驾驶员在最佳换挡点进行换挡，不仅能够降低车辆运行成本，提高驾车经济性，而且由于保证了换挡合理性，因此能够延长离合器和整车的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的控制流程图。

图3是某一油门开度和加速度下相邻挡位加速度曲线。

图4是某一油门开度和加速度下相邻挡位百公里油耗曲线。

具体实施方式

如图1所示，本发明所涉及的一种基于车载自诊断系统OBD的换挡提示装置，其硬件系统包括一个单片机6、通信模块7、GPS模块4、存储器5、显示输出设备10和电源模块3。作为非限制性的优选，所述单片机6采用英飞凌单片机，用于分析整理收到的各种信号，计算最佳挡位，并根据需要修改换挡点。

所述通信模块7采用ELM327芯片，通信接口为RS232接口，连接在汽车自诊断系统OBD接口8与所述单片机6的数据端口之间，用于接收单片机6发送的请求指令，然后通过汽车自诊断系统OBD接口获取对应的车辆参数并发送给单片机6。可以获取的数据有发动机转速，车速，油门开度，负荷率，进气量，需求空燃比比值等。

所述GPS模块4，其数据输入端通过数据线与GPS天线2连接，其数据输出端与所述单片机6的数据输入端通过数据线连接，GPS模块4用于读取车速，时间以及磁偏角信息，并传递给所述单片机6。

所述存储器5的数据端与所述单片机6的IIC总线接口通过IIC总线双向连接，用于存储换挡点。作为优选，所述存储器5采用EEPROM芯片，以实现下次使用时，按照本次修改的换挡点进行工作。

所述显示输出设备10的数据输入端与所述单片机6的输出端口通过IIC总线连接，用于显示最佳挡位等信息。所述显示输出设备10为LCD显示屏。

该装置还设有语言提示模块9，语言提示模块9的信号输入端与单片机6的信号输出端通过数据线连接，以将显示的内容以语音的方式提示给驾驶员，可以避免驾驶员因观看显示输出设备10而分散注意力。

所述电源模块3的电源输出端分别与单片机6、GPS模块4、存储器5、显示输出设备10和语言提示模块9的电源输入端电连接，用于提供电源。所述电源模块3的输入端通过点烟器接头与车载点烟器1连接，以便于使用。

作为优选，所述单片机6、电源模块3、存储器5、GPS模块4和语言提示模块9集成在一块单片机板上，并固定安装在所述显示输出设备10的壳体内，在所述显示输出设备10的壳体上布置有分别与通信模块7、GPS天线2、显示输出设备10和车载点烟器1连接的多个接口，以简化结构、方便连接。

如图2所示，本发明所涉及的一种基于车载自诊断系统OBD的换挡提示装置的控制方法，包括综合模式、动力模式和经济模式；包含步骤如下：

1、首先可由用户通过显示输出设备10直接选择运行模式，即综合模式、动力模式或经济模式；然后通过单片机6读取用户模式选择按钮信息。

2、在综合模式下，首先通过汽车OBD接口获取汽车发动机负荷率，通过GPS模块4获取车速和时间信息。

3、通过单片机6量化道路系数α和驾驶员意图系数β；其中道路系数α使用相对阻力进行衡量，其相对阻力定义为车辆行驶时所受到的实际阻力与车辆在平直良好路面上所受理论阻力的差值；驾驶员意图系数β采用加速度进行衡量，α、β取值范围均为0～1。

4、根据α、β取值计算综合性因数θ，并判断0<θ<1是否成立，如果成立则继续执行第5步；否则继续判断是否θ＝0，如果θ＝0，则进入经济模式；如果θ＝1，则进入动力模式。所述综合性因数θ通过下列公式计算得到；

θ＝a×α+b×β；

式中，a、b分别为动力性因数和道路系数的加权值，取值范围为0～1；a、b之和等于1。

5、确定当前挡位U。先通过GPS模块4获取当前车速，通过汽车OBD接口获取发动机转速；然后计算传动比；最后判断传动比是否处于挡位允许范围内，如果是则输出当前挡位；如果否则返回重新确定当前挡位。

6、根据综合性因数θ计算最佳换挡点V，如下列公式(1)所示，并确定最佳升档点和最佳降档点；

v＝(v_d-v_j)θ+v_j；   (1)

其中：v_d——最佳动力性换挡点车速；

v_j——最佳经济性换挡点车速。

7、确定最佳挡位B。即判断当前车速是否大于最佳升档点车速，如果是，则最佳挡位B＝U+1；如果否，则继续判断当前车速是否小于最佳降档点车速；如果是，则最佳挡位B＝U-1；如果否，则最佳挡位B等于当前挡位U；并通过显示输出设备10提示驾驶员最佳挡位。

如图2所示，所述经济模式或动力模式执行步骤如下：

1、将计数参数N设置为0。

2、通过GPS模块4和汽车OBD接口确定汽车当前挡位U，由单片机6根据最佳经济性或最佳动力性原则确定最佳挡位B。

3、由单片机6执行判断是否U≠B，如果是则继续执行第4步；如果否则返回第1步。

4、继续判断是否U＜B，如果是，则通过显示输出设备10提示驾驶员升档，记录当前评价指标值S1，即加速度或百公里油耗，如果当前为经济模式，则评价指标值S1为百公里油耗，如果当前为动力模式，则评价指标值S1为加速度；然后继续执行第5步；如果否，则提示驾驶员降档。

5、通过GPS模块和汽车OBD接口重复识别确定汽车当前挡位Uˊ。

6、将计数参数N加1，继续判断是否Uˊ＝B，如果是则执行第7步；如果否，则进一步判断是否N＜3，如果是则返回第5步，如果否则返回第1步。

7、再次记录当前评价指标值S2，即加速度或百公里油耗，判断S1与S2对应的差值是否超出允许范围；如果是，则修正换挡点，并将修正的后的换挡点存入存储器5；如果否，则无需修改存储器5存储的换挡点。

下面结合附图对三种模式的最佳换挡点做详细说明。

1)动力模式下采用的最佳动力性换挡规律是指使汽车的动力性能可以得到最大限度的发挥，即在车辆当前油门和车速下选择加速度最大的挡位。车辆实际的换挡点一般是基于发动机静态试验数据计算得到，在使用过程中根据车辆运行情况进行修正。此外，由于制造以及使用和维修，最佳换挡点也会改变。我们通过从OBD得到的发动机转速、车速、油门开度以及负荷率，分析得到车辆的当前加速度，通过对比升挡前后的加速度的大小判断当前换挡点与最佳换挡点之间的关系。如图3所示。

从图中可以看出最佳换挡点为b点，此时升档前后加速度不变；如果升档后加速度减小，说明当前换挡点小于最佳换挡点，如a点；相反升档后加速度增大，说明当前换挡点大于最佳换挡点，如c点。当当前换挡点不是最佳换挡点时，采用下面的公式(2)进行修正。

V_d＝V_c+K_d[a_n-a_(n+1)]；    (2)

式中：V_d——最佳动力性换挡点车速；

V_c——当前换挡点车速；

a_n——换挡时刻，n档的加速度；

k_d——动力性换挡规律修正系数。

2)经济模式下采用的最佳经济性换挡规律是指在保证动力性的条件下，使汽车以尽量少的燃油消耗量经济行驶的能力，评价指标为百公里油耗。最佳经济性换挡规律及其修正方法与最佳动力性原理相同，仅是评价指标不同。

百公里油耗根据通过OBD得到的进气量以及需求空燃比比值计算得到，公式如下：

Qs＝K×((MAF/((A/F)×EQ_RAT)/ρ)×Ua

其中：Qs——百公里油耗，单位为L/100km：

MAF——节气门进气量，单位为g/s；

A/F——空燃比，取17.4；

EQ_RAT——需求空燃比值；

ρ——燃油密度，单位g/mL，90号汽油取0.72g/mL，93号汽油取0,725g/mL，97号汽油取0.737g/mL；

Ua——车速，单位为km/h；

K——常系数，取360km。

如图4所示，即为某一油门开度和加速度下相邻挡位百公里油耗曲线。通过比较升档前后的百公里油耗，可以判断当前换挡点与最佳换挡点的位置关系，通过下列公式(3)进行修正。

V_j＝V_c+K_e[Q_sn-Q_s(n+1)]；    (3)

式中：V_j——最佳经济性换挡点车速；

V_c——当前换挡点车速；

Q_sn——换挡时刻，n档的百公里油耗；

k_e——经济性换挡规律修正系数。

3)综合模式下采用的综合性换挡规律兼顾动力性与经济性，换挡点位于最佳经济性与最佳动力性之间，用综合性因数θ进行调整，调整公式如上述公式(1)所示。

综合性因数θ根据道路情况和驾驶员意图确定。道路情况用道路系数α表示，使用相对阻力进行衡量，相对阻力定义为车辆行驶时所受到的实际阻力与车辆在平直良好路面上所受理论阻力的差值，计算方法如公式(4)，相对阻力越大说明道路越恶劣，动力需求越大，换当点应更靠近动力性换挡点。

$F_r=(\frac{T_{\mathrm{tq}}{i}_g{i}_0{\mathrm{\&eta;}}_T}{r}\mathrm{LOAD}\_\mathrm{PCT}-\mathrm{\&delta;ma})-(\mathrm{Gf}+\frac{C_{D}A}{21.15}{u}_a^2)---\left(4\right)$

式中：

Ttq——该发动机转速对应的外特性曲线上的扭矩值；

i_g——变速器传动比；

i₀——主减速器传动比；

η_T——传动系传动效率；

r——车轮半径；

LOAD_PCT——发动机负荷率；

δ——汽车旋转质量换算系数；

m——汽车质量；

a——车辆加速度；

G——车辆所受重力；

f——干燥良好路面的滚动阻力系数；

C_D——空气阻力系数；

A——迎风面积；

u_a——车速。

道路系数α采用下列公式(5)进行计算。

驾驶员意图用驾驶员意图系数β表示，采用加速度进行衡量。加速度越大说明动力需求越大，换挡点应更靠近动力性换挡点。采用下列公式(6)进行计算。

综合性因数θ通过下述公式计算得到。

θ＝a×α+b×β   (7)

式中，a、b分别为动力性因数和道路系数的加权值，在0到1之间取值，a、b相加等于1。通过改变a、b的取值可以改变路况和驾驶员对综合型换挡规律影响大小。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种基于车载自诊断系统OBD的换挡提示装置，其特征是：包括电源模块； 

单片机，根据收到的信号计算最佳挡位，并修改换挡点； 

通信模块，连接在汽车自诊断系统OBD接口与所述单片机之间，用于接收单片机发送的请求指令，然后通过汽车自诊断系统OBD接口获取对应的车辆参数并发送给单片机； 

GPS模块，分别与所述单片机的数据输入端和GPS天线连接，用于读取车速，时间以及磁偏角信息，并传递给所述单片机； 

存储器，与所述单片机的IIC总线接口相连接，用于存储换挡点； 

显示输出设备，与所述单片机的输出端口连接，用于显示最佳挡位信息。 

2.根据权利要求1所述的一种基于车载自诊断系统OBD的换挡提示装置，其特征是：所述通信模块采用ELM327芯片，通信接口为RS232接口。 

3.根据权利要求1或2所述的一种基于车载自诊断系统OBD的换挡提示装置，其特征是：所述电源模块的输入端通过点烟器接头与车载点烟器连接。 

4.根据权利要求3所述的一种基于车载自诊断系统OBD的换挡提示装置，其特征是：所述单片机、电源模块、存储器和GPS模块集成在一块单片机板上，并固定在所述显示输出设备的壳体内，在所述显示输出设备的壳体上布置有分别与通信模块、GPS天线、显示输出设备和车载点烟器连接的多个接口。 

5.根据权利要求1或2或4所述的一种基于车载自诊断系统OBD的换挡提示装置，其特征是：还设有语言提示模块，分别与单片机的信号输出端和电源模块的输出端连接，以将显示的内容以语音的方式提示给驾驶员。 

6.一种基于车载自诊断系统OBD的换挡提示装置的控制方法，其特征在 于，包括综合模式、动力模式和经济模式；包含步骤如下： 

1)综合模式首先通过汽车OBD接口获取汽车发动机负荷率，通过GPS模块获取车速和时间信息； 

2)通过单片机量化道路系数α和驾驶员意图系数β；其中道路系数α使用相对阻力进行衡量，其相对阻力定义为车辆行驶时所受到的实际阻力与车辆在平直良好路面上所受理论阻力的差值；驾驶员意图系数β采用加速度进行衡量，α、β取值范围均为0～1； 

3)根据α、β取值计算综合性因数θ，并判断0<θ<1是否成立，如果成立则继续执行第5)步；否则继续判断是否θ＝0，如果θ＝0，则进入经济模式；如果θ＝1，则进入动力模式； 

4)确定当前挡位U； 

5)根据综合性因数θ计算最佳换挡点V，并确定最佳升档点和最佳降档点； 

v＝(v_d-v_j)θ+v_j； 

其中：v_d表示最佳动力性换挡点车速； 

v_j表示最佳经济性换挡点车速； 

6)确定最佳挡位B：即判断当前车速是否大于最佳升档点车速，如果是，则最佳挡位B＝U+1；如果否，则继续判断当前车速是否小于最佳降档点车速；如果是，则最佳挡位B＝U-1；如果否，则最佳挡位B等于当前挡位U；并通过显示输出设备提示驾驶员最佳挡位。 

7.根据权利要求6所述的一种基于车载自诊断系统OBD的换挡提示装置的控制方法，其特征在于，所述经济模式或动力模式包含步骤如下： 

a、将计数参数N设置为0； 

b、通过GPS模块和汽车OBD接口确定汽车当前挡位U，由单片机根据最佳经济性或最佳动力性原则确定最佳挡位B； 

c、判断是否U≠B，如果是则继续执行d步；如果否则返回a步； 

d、继续判断是否U＜B，如果是，则通过显示输出设备提示驾驶员升档，记录当前评价指标值S1，即加速度或百公里油耗，并继续执行e步；如果否，则通过显示输出设备提示驾驶员降档； 

e、通过GPS模块和汽车OBD接口重复确定汽车当前挡位Uˊ； 

f、将计数参数N加1，继续判断是否Uˊ＝B，如果是则执行g步；如果否，则进一步判断是否N＜3，如果是则返回e步，如果否则返回a步； 

g、再次记录当前评价指标值S2，即加速度或百公里油耗，判断S1与S2的差值是否超出允许范围；如果是，则修正换挡点，并将修正的后的换挡点存入存储器。 

8.根据权利要求6或7所述的一种基于车载自诊断系统OBD的换挡提示装置的控制方法，其特征在于：所述确定当前挡位时首先通过GPS模块获取当前车速，通过汽车OBD接口获取发动机转速；然后计算传动比；最后判断传动比是否处于挡位允许范围内，如果是则输出当前挡位；如果否则返回重新确定当前挡位。 

9.根据权利要求6所述的一种基于车载自诊断系统OBD的换挡提示装置的控制方法，其特征在于：所述综合模式、动力模式和经济模式可由用户直接选择运行模式。 

10.根据权利要求6所述的一种基于车载自诊断系统OBD的换挡提示装置的控制方法，其特征在于：所述综合性因数θ通过下列公式计算得到； 

θ＝a×α+b×β； 

式中，a、b分别为动力性因数和道路系数的加权值，取值范围为0～1；a、b之和等于1。