1位置记忆功能后视镜与汽车座椅控制系统设计.docx

1位置记忆功能后视镜与汽车座椅控制系统设计.docx

《1位置记忆功能后视镜与汽车座椅控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《1位置记忆功能后视镜与汽车座椅控制系统设计.docx（29页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

1位置记忆功能后视镜与汽车座椅控制系统设计

摘要

汽车后视镜是与汽车行驶安全相关的主要部件，良好的后视镜视野能保证驾驶员的行车安全。

驾驶员座椅是与驾驶员身体健康相关的部件，良好的座椅位置和角度能防止驾驶员长时间驾车后出现过度疲劳而引发其他病症。

汽车后视镜和座椅仅仅使用手动调整甚至是电动控制是不够的，还需要在电动的基础上增加位置存储和恢复功能，以使驾驶员操作更为方便，提高后视镜和座椅的可用性。

本文设计了一种位置记忆功能后视镜与汽车座椅控制系统。

该系统能电动调节后视镜上下转动、左右转动两个角度和座椅前后滑动、前椅面高度、后椅面高度和椅背角度四个位置或角度，并能在调整后记忆存储位置信息，并且可以在需要时调用位置信息。

本文在探讨了汽车电子控制系统的基本组成的基础上分析了本设计的位置记忆存储式控制器的工作原理，详细阐述了该控制器的ECU选择和使用、硬件电路设计和软件程序流程，并设计了相应的系统。

关键字：

记忆存储；可用性；后视镜控制；座椅控制；汽车电子控制系统

ABSTRACT

Automobilerearviewmirroristhemainpartwhichisrelatedtothesafelydriving.Goodrearviewmirrorviewcanmakedrivingsafely.Driver’schairisthemainpartwhichisrelatedtothehealthofdriver.Goodchairpositionandanglecanpreventdriverfromsomediseaseswhichcomeafterlongtimedriving.Itisnotenoughtousehandadjustorelectricalcontrolfortherearviewmirrorandchair.Weshouldaddmemorialfunctionintotherearviewmirrorandchairinordertomakeiteasierfordriverstouseandimprovetheusabilityofrearviewmirrorandchair.

Thispaperdevelopsamemorialcontrolunitforrearviewmirrorandchair.Thiscontrolunitcanelectricaladjusttheup-downandleft-rightanglesofrearviewmirror,italsocanadjusttheforward-back,forwardheight,backheightandchairbackangleofdriver’schair.Thecontrolunitcanmemorizethepositionsofrearviewmirrorandchairafteradjustmentandwecanrenewthepositionswhenweneed.

Thispaperdiscussestheworkingprincipleofthememorialrearviewmirrorandchaircontrolunitbasedonthebasicbuildupofautomobileelectricalcontrolsystem.ThenitdetailedintroducedthechooseprocessanduseofECU,hardwarecircuitdesignandsoftwareprogramflow,designsrelevantprototypesystem.

KeyWords:

Memorial;Usability;RearviewMirrorControl;ChairControl;CarElectricControlSystem

第1章绪论

1.1课题背景及研究意义

1.1.1汽车后视镜

汽车后视镜俗称倒车镜，是汽车的必配件，通常分为车外后视镜和车内后视镜两种。

后视镜是用来反映汽车后方、侧方和下方的情况的主要部件，使驾驶员能间接观察到其他位置的情况。

为了驾驶员操作方便，防止行车安全事故的发生，保障人身安全，各国均规定了汽车上必须安装后视镜，且所有后视镜都必须能调整方向。

轿车和其他轻型乘用车一般装配有外后视镜和内后视镜；大型商用汽车（大客车和大货车）一般装配有外后视镜、下后视镜和内后视镜。

汽车后视镜是与汽车行驶安全相关的主要部件，后视镜的良好位置是保证汽车行驶安全的必要条件。

美国有统计表明，30％的普通公路汽车事故，70％的高速公路汽车事故都是与汽车后视镜的视野不理想有关。

1.1.2汽车座椅

驾驶员座椅的主要功能是为驾驶员提供便于操作、舒适又安全、不易疲劳的驾驶座位，是与驾驶员的身体健康息息相关的。

2003年6月，一家叫做“背部健康行动”的德国组织对德国的车主做了一个调查，40％的德国人每天在车内的驾车时间超过一个半小时，而大多数人有不同程度的背部疾病，汽车座椅是主要因素。

同时他们对德国市场上的座椅以一套健康标准考察的结果是97％的项目不合乎标准。

如果驾车时间过长，而背部得不到有效的支撑，长此以往，脊椎容易产生疾病。

按照人体工学的要求，驾驶员必须具有良好的静态与动态的舒适性，从而提高了驾驶员驾驶之余乘坐的舒适性，减少驾驶员长时间驾驶的疲劳。

后视镜和座椅是汽车上并不显眼的部件，但是与驾驶员身体健康和行车安全紧密相关。

同一款车型不一定适合每个驾驶者，所以对座椅和后视镜的位置、角度的调整是必要的。

现在一般轿车上都装配有电动后视镜和手动调整的座椅，驾驶员可以通过电动或者手动的方式调节后视镜和座椅的位置和角度。

但是在实际的使用中，驾驶员操作不够方便，调整时间长。

而且同一部车新的驾驶员使用时也需要重新调整。

由于使用的不便，我们可以通过汽车电子控制技术进行后视镜和座椅的改进，以开发一种新型的汽车后视镜和驾驶员座椅。

1.1.3课题研究的背景

德国工程师CarlBenz在1886年1月29日发明汽车以来，汽车在人类的发展中起到了极为重要的作用。

早期的汽车基本上是纯机械产品，当时除汽油机和煤气机使用了磁电机或蓄电池点火器外，没有其他的车用电器。

随着汽车的逐步发展，特别是1901年使用铅蓄电池后，汽车电器便不断发展。

近40年来的汽车发展的事实证明，提高汽车性能、节约能源和保护环境主要取决于电子控制技术[1]。

由于传统的机械控制相比于电子控制无论是在控制精度还是反应速度上，都存在明显的弱势，汽车电子化已成为汽车行业发展的趋势。

据统计，从1989－2000年，平均每辆车上的电子装置在整个汽车制造成本中所占的比例由16％增至23％以上。

发达国家生产的汽车上，每辆车上的电子元器件的成本占整车的成本超过了30％，而一些豪华轿车上这个比例更是高达50％。

据欧洲汽车业联盟的调查，每辆汽车电子产品的消耗价值1991年为825美元，1995年增至1125美元，2000年已超过2000美元[2]。

国外平均每一部高档轿车上使用的微处理器数量达到了50个，而宝马（BMW）公司在2004年推出的BMW7系列轿车上更是装备了70多个微处理器，使用了8种车载局域网来连接各个微处理器和微处理器控制的外围电路[1,3]。

汽车电子化程度的高低甚至已经称为了衡量当今世界汽车水平先进与否的标志。

汽车制造厂商普遍认为：

增加汽车电子装置的数量，促进汽车电子化是夺取未来汽车市场的有效手段。

汽车设计人员普遍认为：

电子技术在汽车上的使用已经成为了汽车设计研究部门考虑汽车结构革新的重要手段。

我国作为一个汽车发展后起的国家，但是我国的汽车制造水平与世界先进水平之间的差距极为明显。

1985年，我国国产汽车上的电子产品总价值为169元/辆，而1990年也不过200元/辆，同一时期美国所产汽车的电子产品总价值为我国的25倍以上，约占整车成本的15％。

国内中高端的轿车装备的微处理器一般为7个左右，而国外的高档车上的数量则达到了50个甚至更多。

我国电子技术的发展中最为突出的问题是整体技术实力不足，科研与产业的结合不紧密。

本土的汽车企业的研发投入相比国外汽车制造企业差距过大，资金瓶颈严重，在主要汽车电子技术集中的如发动机集中控制、自动变速控制、防抱死系统控制等领域无法进行相关产品的开发[4]。

我国电子技术的发展中最为突出的问题是整体技术实力不足，科研与产业的结合不紧密。

本土的汽车企业的研发投入相比国外汽车制造企业差距过大，资金瓶颈严重，在主要汽车电子技术集中的如发动机集中控制、自动变速控制、防抱死系统控制等领域无法进行相关产品的开发[4]。

随着我国汽车市场的快速发展，汽车电子产业将形成巨大经济规模效应，汽车电子产品占汽车的成本将进一步提高。

目前，中国消费者对车辆需求的增加、网络在车辆中的高速发展、安全与防盗需求的增加、机械系统与电子系统之间的转换以及动力总成方面性能的提高，都进一步推动了中国汽车电子产品市场的发展。

为了加快我国汽车电子技术的发展，国家主管部门提出了发展汽车电子产品的设想，指出为了国产汽车现代化和打进国际市场，需要向轻型汽车和轿车工业提供先进的汽车电子产品，进行汽车工业的电子化改造。

国家“八五”规划中对汽车电子产品指出的发展重点中工列举了38中汽车电子产品，包括高能无触点点火装置、计算机点火装置、制动防抱装置、汽车空调、电子门锁、报警器、电子化油器等。

“汽车工业‘九五’科技发展规划要点”中指出，汽车电子控制技术仍然是汽车工业“九五”计划中的重点科技攻关方向，主要内容为制动防抱死系统（ABS）、柴油机电子控制、安全气囊、电动助力转向、电控悬驾系统等[4,5]。

从国外发展经验和现在国内外的汽车电子发展水平来看，未来的汽车电子产品中，围绕安全、节能、环保、舒适和娱乐等方面的元器件及其周边产品将发展最快[6]。

在汽车满足了安全、节能和环保方向的要求之后，舒适化成为了重点。

由于汽车发展到现在已经不是纯粹的交通工具，而是一个娱乐、休闲和生活的空间，纯粹满足驾驶需求的汽车可能不是发展的重点。

能满足人们在驾驶之余的舒适性和操作便利性要求的汽车电子技术是我国研究开发的重点，也就是一般所说的车身电子控制系统。

1.1.4课题研究的意义

一般中高档的轿车都配备有电动调整的后视镜和座椅。

海湾合作委成员国把电动调整的后视镜作为了汽车的标准装备件，也把带调整系统的座椅作为汽车的标准装备件，一般国家作为选装件[9,10,11]。

驾驶员可以通过电动控制系统调节后视镜的位置，以获得最佳的后视镜视野和座椅的最佳的舒适性。

然而一部车往往有若干个驾驶者，这种情况在我国尤为明显。

一般的家庭用车都有至少两个驾驶者，每次新的驾驶员在开车之前都需要重新调整后视镜和座椅的位置。

而且倒车时需要单独调整右侧后视镜的位置，倒车完毕后又需要调整回位。

这都为驾驶员的操作带来极大的不便。

所以，仅仅使用电动控制的后视镜和座椅是不能达到要求的，还需要在电动的基础上增加位置存储和恢复功能。

位置存储和恢复功能使得驾驶员能够方便的设定、存储和调用位置信息，以使驾驶员操作更为简便。

良好的后视镜视野在客观上能保证驾驶员获得良好的视野以提高汽车的行车中的安全性能，舒适的座椅位置和角度在配合驾驶员获得良好的后视镜视野的同时也能对驾驶员的身体健康进行适当的保护。

带记忆存储功能的后视镜和座椅能够改善现在后视镜和座椅使用不便的现状，从操作的简便性上极大的提高了汽车后视镜和座椅的可用性。

就国内的后视镜和座椅的发展现状和国内市场将来的需求而言，将来轿车普遍需要配备记忆存储式后视镜和座椅。

由于进口的记忆存储式控制器的成本相当高，进行自主研发显得尤为重要。

本文开展的研究是在先进汽车电子技术在世界上迅速发展的背景下，结合我国鼓励大力进行汽车电子技术研究的环境，为提高后视镜和座椅的可用性，研究开发了一种可以实现记忆存储和调用后视镜和座椅位置的控制器。

该类控制器在国外的一些高档车型上已经有了一些使用。

但是在国内由于成本问题和重视程度不够，除了一些进口的高端车型，记忆存储式后视镜和座椅控制器还没有得到应用。

本文所研究开发的记忆存储式后视镜和座椅控制器能有效的调整后视镜和座椅的位置，并能记忆存储位置信息以便需要的时候调用。

能够保证驾驶员能获得良好的后视镜视野以保证行车安全，也能保证驾驶员的驾驶姿势以保证驾驶员的身体健康。

汽车电子技术在我国发展迅速，提高驾驶员驾驶方便性、舒适性，提高汽车可用性的汽车电子技术有相当大的应用前景。

该控制器对改进国内后视镜和座椅控制系统的研究开发具有积极意义，有一定的工业应用价值。

1.2国内外汽车后视镜和座椅的发展与研究现状

1.2.1国内外汽车后视镜的发展与研究现状

国内外后视镜的发展过程可以分为三个阶段。

第一阶段是无调整或简单调整阶段。

早期的汽车后视镜如同早期的汽车，只是一个纯粹的机械产品，最早的后视镜是固定的，而后发展出现的机械调整也只是由驾驶员进行的手动的转动，经常出现的问题是驾驶员右侧的后视镜无法调整到最佳的视野位置。

这种调节方式费时费力，基本上不可能一次调节到位，但是现在一些汽车如大型汽车、载货车等为了节省成本，仍然采用这样的调节方式[12]。

这种简单的手动调节方式后来发展为拉索调整，即在车内驾驶员能通过一个拉索可以旋转的外后视镜。

但是由于拉索的长度问题，拉索后视镜的调整按钮一般设计在该侧后视镜的车门内侧或者近车门的位置，驾驶员调整右侧后视镜同样存在相当的不便。

拉索调整使用范围很小，并未得到推广。

第二阶段是电动调整阶段。

驾驶员手动调整或者拉索调整存在的极大的不便促使研究人员研究开发了电动调整的后视镜。

电动调整的后视镜是现在中高档轿车的标准配备。

驾驶员在车内可以通过调整按钮或者摇杆调整后视镜的角度。

国内基本上大部分轿车都装配了电动后视镜。

这些不同的电动后视镜的控制机理基本上相仿，都是通过开关、驱动器、电源等组成回路，由驱动器驱动后视镜内的调整装置（一般是电机）工作以调整后视镜的角度。

驾驶员调整后视镜相对手动调整来说比较方便。

电动调整后视镜也是现在使用最为广泛的轿车车用后视镜，现在国内使用的较多，进口高级车如丰田大霸王PREVIA、中级车如广州本田雅阁、中低级车如上海通用别克凯越等都使用了电动控制的后视镜。

国内外对于电动调整后视镜的研究已经比较成熟了，现在电动后视镜已经作为一个比较常见的标准配置安装在轿车上使用了。

第三个阶段是记忆存储式调整阶段。

驾驶员对于后视镜调整的不便性并未通过电动调整得到根本的解决，一部车如果新的驾驶员使用势必需要重新调整后视镜的位置。

家用轿车一般都有若干个驾驶者，时时调整的不便性体现的比较明显。

国外的一些汽车公司已经研究开发了记忆存储式后视镜以提高后视镜的可用性，而国外高档轿车车型已经开始配备这种后视镜，如凌志LS400[25]。

国外对于记忆存储式后视镜的研究开发始于80年代末，一些汽车公司开发了记忆存储式的后视镜控制系统，并装配在一些高端车型上，但是国外对于记忆存储式后视镜的研究开发是基于高档车的附加配置开发的，由于成本的问题一般的车型都不使用。

因为记忆存储式后视镜是一种产品，国外对其研究的结果基本上都是以专利的形式出现的。

RobertJ.Fisher于1987年提出的关于后视镜的远程控制和存储系统的专利中就有了现代记忆存储式后视镜控制系统的雏形，只是其设计的是一个原型系统，能够实现后视镜的控制和存储恢复。

其基本原理也是通过微控制器集中控制，通过电位传感器检测后视镜角度，最终实现记忆存储和调用的。

RandallF.Hansen在1990年在此基础上提出了另外的发明，是关于车用的记忆式后视镜控制系统的设计，这个系统是通过电机实现后视镜调整，通过设置障碍物来控制后视镜最终的角度以实现位置的存储。

国内配备记忆存储式后视镜的车型只有进口的高档车型，记忆存储式后视镜在国内还没有得到应用。

记忆存储式后视镜能够记忆存储后视镜的位置以便需要的时候调用位置信息，方便驾驶员使用。

国内的汽车企业基本上没有展开记忆存储式后视镜的研究与开发，国内使用该类后视镜的车型的都是合资企业的车型或者进口车型，如宝来、奥迪等。

1.2.2国内外汽车座椅的发展与应用现状

座椅的发展与后视镜的发展过程相似，也经历了三个阶段。

第一个阶段是无调整或简单调整阶段。

最早期的汽车座椅是固定的，其位置和角度是不可调整的。

由于各驾驶员的自身特点不一样，这样的座椅完全不能够满足市场要求。

但是由于成本低，现在的很多汽车如大客车、载重汽车等还是使用这样的座椅。

最早的手动调节座椅在1921年面世。

手动调节方式需要驾驶员先通过手柄放松座椅的锁止机构，之后通过改变身体的座姿和位置来带动座椅移动，最后将锁止机构的手柄放松，将座椅固定在所选择的位置上。

现在很多大型汽车和中低档的轿车都使用手动调整的座椅，应用仍然比较广泛。

第二个阶段是电动调整阶段。

电动座椅与电动后视镜的调节原理一样，都是通过简单的电路控制电机工作进而控制驱动器件调节各个位置和角度。

一般比较常见的座椅调节分为六个方向，为六向调节，为座椅椅面高度、座椅前后滑动和椅背角度三个位置信息六个方向的调节[13]。

电动座椅现在在中高档的轿车上使用的比较普遍，如别克凯越、大众宝来、本田雅阁等。

第三个阶段是记忆存储式调整阶段。

手动调整座椅和电动调整座椅都存在使用烦琐的问题，其可用性比较差。

所以为了方便驾驶员操作，国外一些汽车企业研究开发了带记忆存储功能的座椅控制系统，并安装在一些高端的车型上，如东风日产蓝鸟智尊、VOLVOXC90、宝马730i、奥迪TT等都有该类座椅。

国内的汽车企业由于起步比较晚，基本上没有进行记忆存储式座椅的开发，国内只有一些进口车型和一些合资企业的车型使用的记忆存储式座椅控制系统。

1.2.3记忆存储式后视镜和座椅控制系统

由于座椅位置和后视镜位置之间存在联动关系，座椅位置决定了后视镜的位置，调整了一个位置另外一个一般也需要作相应的调整。

但是国外有一些汽车企业对于记忆存储式后视镜和座椅的研发工作并不是同时进行的，而是先开发了单独的记忆存储式的后视镜控制系统，然后在此基础上开发了座椅控制系统，如凌志LS400的后视镜和座椅控制系统，实际上两个控制系统是通过不同的ECU控制的。

国外开发记忆存储式座椅控制系统早期只是为了满足驾驶员能够记忆存储和恢复驾驶位置的系统，称为驾驶位置储存与返回系统。

而后是由于驾驶位置和后视镜位置的关联所以进行了后视镜控制系统的扩展开发，增加了座椅控制功能。

在我国由于后视镜和座椅的控制系统是同时进行开发，由于现在的汽车电子技术和传感器技术的发展，可以进行联合开发，进行后视镜和座椅的联合位置存储和调用。

1.3课题研究的内容

本文讨论的记忆存储式后视镜和座椅控制器是针对轿车的外后视镜和驾驶员座椅设计的。

本设计的记忆存储式控制器通过集中的控制系统，可以完成后视镜的上下和左右方向的角度调整，座椅的前后滑动、座位椅面前升降、座位椅面后升降和椅背角度调整。

驾驶员可以根据个人自身特点和驾驶习惯来调整后视镜和座椅的位置，然后进行记忆存储，在位置改变后，驾驶员可以使用恢复功能进行方便的位置复原。

第2章控制系统及控制方式的选择

2.1汽车电子控制系统

2.1.1汽车电子控制系统概述

位置记忆功能后视镜与汽车座椅控制系统是典型的汽车电子控制系统。

汽车电子控制系统（ECS，ElectronicControlSystem）是以单片机为中心组成的计算机控制系统，也可以称作汽车微机控制系统，是由电子控制单元（ECU）、传感器和执行器组合而成[14,15]。

汽车电子控制系统的作用是提高汽车的整体性能，包括动力性、安全性、经济性、舒适性、操作性等。

汽车整体电子控制系统包括若干个电子控制系统。

每个电子控制系统的控制功能、控制参数和控制精度都不尽相同，甚至不同的汽车公司研制的电子控制系统也千差万别，但是其组成和基本功能都一样[16,17]。

汽车电子控制系统结构如图2.1所示。

图2.1汽车电子控制系统结构

上图清楚的显示了汽车电子控制系统的组成及工作流程。

传感器检测得到信号后传递至ECU进行处理，然后ECU发出执行命令给执行器，执行器获得命令对被控制的对象后执行相应的操作，操作完成后被控对象将其状态反馈给传感器。

这就是一个典型的汽车电子控制系统的工作循环。

2.1.2传感器

传感器是能测量各种物理量并把它转换成电信号的装置和器件。

传感器的作用是将各种非电量信号转换成为可以输入电子控制单元中进行处理的电信号。

在汽车电子控制系统中，需要传感器实时正确的检测所有条件下所需的各种物理量，并把它输入到控制器中。

实际使用中，传感器是信息采集的主要部件，主要用来检测和采集汽车的状态信息或者各种物理、化学或者电信息。

由传感器采集的信号分为模拟信号和数字信号，模拟信号需要经过A/D转换器转换成数字信号再传递至ECU处理[18]。

在汽车电子控制系统中，传感器担负着检测和提供状态等信息的任务。

有的汽车上装配的传感器超过了50个。

常见的车用传感器按其检测项目的不同可以分为：

位置传感器、压力传感器、速度传感器、温度传感器、爆震传感器、流量传感器等。

电子技术和材料技术的发展为汽车传感器的发展创造了极为有利的条件。

从传感器的发展方向来看，有多功能化和智能化的特点。

多功能化是指传感器由以前的单一功能的传感器发展为具有多种参数检测功能的传感器。

如汽车上采用的压阻效应式压力传感器，同时有静压、温度两个传感器。

智能传感器是指带有微型计算机的传感器。

这种传感器具有检测信息和处理信息的功能。

职能传感器通常将信号检测、处理和驱动贿赂等外围电路全部集成在一块基片上，使得传感器具有自诊断、远距离通信、自动调整零点和量程等功能。

汽车电子控制系统不仅仅靠传感器来提供信号，还采用了开关控制信号来提供控制系统必须的其他控制信号。

开关控制信号是将汽车的状态信息通过一个高或者低电平直接输入ECU，以使得ECU确认后进行处理的信号。

一般常用的汽车开关控制信号有点火开关信号（IGN，IgnitionSwitch）、启动开关信号（STA，StartSwitch）、空档安全开关信号（NSW，NeutralSecuritySwitch）、蓄电池电压信号等。

开关控制信号与传感器配合使用能够使汽车电子控制系统完全检测控制汽车状态的各种信息，以进行较为完善的汽车电子控制中必不可少的信号检测。

2.1.3ECU

汽车电子控制单元ECU是以单片机为核心所组成的电子控制装置，具有强大的数学运算，逻辑判断、数据处理与数据管理等功能。

ECU是汽车电子控制系统的核心部件，能对传感器传递的信息进行加工处理，通过预先编制的控制程序来对信号做出响应，并发出各种控制指令，指挥执行机构工作。

ECU是以CPU为核心，由输入输出缓冲元件和程序及数据存储元件等构成的。

虽然各种汽车电子控制系统使用的ECU各不相同，但是一般而言，ECU主要是由硬件、软件、壳体和线束插座四部分组成。

ECU的软件主要包括监控程序和应用程序两部分；硬件作为实体，为各种电子控制系统正常工作提供基础条件。

ECU的硬件中的核心是硬件电路。

硬件电路是相当复杂的，而且各个ECU生产公司的产品各有不同，但是硬件电路的组成基本相同，都是由输入回路、输出回路和单片微型计算机三部分组成。

其组成框图如下图2.2。

图2.2ECU组成框图

ECU的各个组成部分的功能和概述如下。

1、输入回路

输入回路又称为输入接口，是将传感器输出的信号接收，并转换成计算机能处理的信号的电路。

根据传感器返