论文标题汽车电动座椅和后视镜自动控制系统的研究.pdf

分类号 密级 UDC 学 位 论 文 汽车电动座椅和后视镜自动控制系统的研究 作 者 姓 名 ： 陈立强 指 导 教 师 ： 郭立新 教授 东北大学机械工程与自动化学院 申请学位级别： 硕士 学 科 类 别 ： 工学 学科专业名称： 机械电子工程 论文提交日期： 2010 年 6 月 论文答辩日期： 2010 年 6 月 学位授予日期： 答辩委员会席： 评阅人： 东 北 大 学 2010 年 6 月 A Thesis in Mechanical Electronic Engineering Research of Automatic Control System on Car Seat and Rearview Mirror By Liqiang CHEN Supervisor: Professor Lixin GUO Northeastern University June 2010 - I - 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 日 期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年 一年 一年半 两年 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 签字日期 东北大学硕士学位论文 摘要 - II - 汽车电动座椅和后视镜自动控制系统的研究 摘 要 随着汽车技术的不断发展，越来越多的车身电子设备应用在汽车上，以提高汽车的 安全性、舒适性和方便性。现代汽车电子与控制系统的功能越来越强，获取的信息越来 越多，智能化程度越来越高，可靠性和安全性也越来越好，已经由传统的代步工具发展 为舒适、环保、节能、自动化、移动化的多功能“移动空间”。 汽车驾驶员座椅是和人体直接接触最密切的部位， 良好的座椅角度和位置可以有效 的减少由于长时间驾车而产生的过度疲劳引发的病症。汽车后视镜反映下方、后方和侧 方的情况，使驾驶员可以间接看清楚这些位置的情况，良好的后视镜位置可以很好的保 证行车的安全。传统的座椅和后视镜都是通过手动来调整的，后来发展为电动调整，然 而带有位置存储和恢复功能的座椅和后视镜才能使驾驶员更为方便的控制。 本文研究开发了一种记忆存储式座椅和后视镜控制系统。 该控制器能电动调节座椅 前后滑动、前椅面高度、后椅面高度、头枕高度和椅背角度五个位置或角度和后视镜上 下转动、左右转动两个角度，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。此系统还能显示记忆存储的状态和电机转速。 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，开发了相应的原型系统，并且进行了功能试验和精度试验，试验结果表明该系统 基本能完成所要求功能，而且控制精度也符合驾驶员日常应用要求。 本控制器的研究开发对国内座椅和后视镜控制系统的改进研究具有积极意义， 有一 定的工业应用价值。 关键词：汽车电子系统；座椅控制；后视镜控制；记忆；恢复 东北大学硕士学位论文 Abstract - III - Research of Automatic Control System on Car Seat and Rearview Mirror Abstract With the continuous development of automotive technology, more and more body electronics are used in the car in order to improve vehicle safety, comfort and convenience. The functions of modern automobile electrical and control systems are more and more powerful, get more information, become more intelligent. Reliability and security is getting better. It have been from the tradition transport into multi-function “mobile space” include comfort, environmental protection, energy saving, automation, mobile-oriented. Drivers chair is the most closely direct contact part with human body. Good chair position and angle can prevent driver from some diseases which come after long time driving. Automobile rearview mirror reflects the bottom, rear and side of the automobile, so the driver can indirectly look at the situation of these locations. Good location of the automobile rearview mirror can ensure good traffic safety. The traditional chair and mirror were adjusted by manual, later develop to electric adjustment, but the chair and mirror with function of location storage and recovery can really make the driver control it more easily. The paper develops a memorial control unit for rearview mirror and chair and rearview mirror. This control unit can electrical adjust forward-back, forward height, back height, head height and chair back angle of drivers chair, it also can adjust the up-down and left-right angles of rearview mirror. The control unit can memorize the positions of rearview chair and mirror after adjustment and we can renew the positions when we need. This system can also show the status of storage and the motor speed. The paper discusses the working principle of the memorial rearview mirror and chair control unit based on the basic buildup of automobile electrical control system. Then it detailed introduced the choose process and use of ECU, hardware circuit design and software program flow, develops relevant prototype system, and finished the function experiment and precision experiment. The result of experiment tells that the system can accomplish all the functions we designed, and the control precision can meet the need of drivers daily use. The development of the control unit will help improve the domestic development of the 东北大学硕士学位论文 Abstract - IV - chair and the rearview mirrors control unit, and also the design has some industrial application value. KEY WORDS：car electric control system；chair control；rearview mirror control； memory；resume 东北大学硕士学位论文 目录 - V - 目 录 独创性声明 I 摘 要II ABSTRACTIII 第 1 章 绪论1 1.1 汽车座椅的结构和分类1 1.2 汽车座椅的性能和基本要求 2 1.3 汽车后视镜2 1.4 汽车座椅和后视镜发展的历史与现状3 1.4.1 国内外汽车座椅发展的历史和现状3 1.4.2 国内外汽车后视镜发展的历史与现状4 1.5 本课题的研究意义和主要内容 5 第 2 章 记忆存储式座椅和后视镜的工作原理7 2.1 汽车电子控制系统7 2.1.1 汽车电子系统概述 7 2.1.2 ECU7 2.1.3 传感器11 2.1.4 执行器12 2.2 记忆存储式控制器的功能 13 2.3 控制方式的选择13 2.3.1 控制方式的发展13 2.3.2 基于 CAN 总线的分布式控制系统14 2.3.3 控制方式的对比选择 14 2.4 基本工作原理15 2.5 本章小结 16 第 3 章 硬件电路设计17 3.1 硬件电路设计概述17 3.2 ECU 的选择与介绍18 东北大学硕士学位论文 目录 - VI - 3.2.1 ECU 的选择指标与原则 18 3.2.2 ECU 的选择19 3.2.3 ECU 的主要特性20 3.2.4 ECU 的结构模块20 3.2.5 ECU 引脚功能与使用 24 3.3 记忆存储电路25 3.3.1 记忆存储电路概述 25 3.3.2 EEPROM 的特性26 3.3.3 模块内存映射27 3.3.4 擦除和编程步骤27 3.4 座椅调节电路28 3.4.1 座椅调节电路概述 28 3.4.2 电动机驱动电路28 3.4.3 键盘输入电路30 3.4.4 状态显示电路32 3.4.5 后视镜调节电路32 3.5 信号采集电路34 3.5.1 座椅采样电路34 3.5.2 后视镜采样电路35 3.6 其它电路36 3.6.1 时钟电路设计36 3.6.2 电源稳压电路36 3.6.3 滤波电路37 3.7 本章小结 38 第 4 章 系统软件设计39 4.1 软件程序流程39 4.1.1 编程语言介绍39 4.1.2 软件程序流程简述 39 4.1.3 主程序设计40 4.1.4 数据采集子程序设计 41 4.1.5 键盘子程序设计43 东北大学硕士学位论文 目录 - VII - 4.1.6 液晶显示器程序设计 43 4.1.7 电机控制程序设计 46 4.2 系统的软件开发环境50 4.3 本章小结50 第 5 章 系统调试与实验51 5.1 试验概述51 5.2 功能试验52 5.3 精度试验53 5.4 本章小结54 第 6 章 结论与展望57 6.1 总结57 6.2 展望57 参 考 文 献59 致 谢62 东北大学硕士学位论文 目录 - IX - 东北大学硕士学位论文 第1章 绪论 - 1 - 第 1 章 绪论 汽车座椅是轿车内部的一个非常重要零部件。打开车门，首先看到的是美观大方的 座椅，它的造型、色彩要和整车内饰协调一致，给乘坐者一种舒适、愉悦的感观，然而 最重要的是要为乘坐者在旅途中提供舒适性和安全性， 同时也为驾驶员提供操纵的方便 性。现代轿车已经不是单纯的运载工具，它已经是人、汽车与环境的组合体。汽车座椅 作为轿车使用者的直接支撑装置，在车厢部件中具有非同小可的重要性2。 1.1 汽车座椅的结构和分类 汽车座椅一般由头枕、靠背、调节装置、坐垫和座椅连接件等组成，如图 1.1 所示： 图 1.1 汽车座椅结构示意图 Fig. 1.1 Schematic diagram of car seat 现代轿车座椅的调节正向多功能化发展，座椅的安全性、舒适性、可操作性也日益 提高。电动座椅出现的时期、汽车豪华的程度及生产技术的先进程度不同，车辆配置的 电动座椅也不同。 目前常见有带电子控制调节系统的电动座椅和不带电子控制的调节系 统的座椅两种。 带电子控制的电动座椅自动化程度高，有的还有记忆功能，它能把驾驶员调定的座 椅位置储存下来，作为以后调节的依据。当驾驶员需要调节座椅时，只要按下按钮即可 头枕 角度调节装置 高度调节装置 前后移动调节 装置 坐垫 腰托调节装置 靠背 东北大学硕士学位论文 第1章 绪论 - 2 - 按记忆将座椅自动调节到之前记忆的最佳位置。 1.2 汽车座椅的性能和基本要求 在现代汽车中，座椅的主要作用是： (1)为驾驶员定位，保证驾驶员对汽车系统的控制和保障良好的视野等。 (2)在重要的人体结构点上支撑人体，是驾驶员在汽车驾驶中保持平稳。 (3)为乘客提供安全员舒适的环境，减少路面激励对乘员的影响。 (4)在汽车受到碰撞是保护乘员。 可见汽车座椅对汽车的行驶平顺性、乘坐舒适性和安全性有很大影响，汽车座椅设 计越来越受到设计师的重视。所以座椅设计应同时满足一下几点基本要求。车厢内布置 要合适，尤其是驾驶员的座椅，必须处于最佳的驾驶位置。按人体工程学的要求，座椅 必须具有良好的静态与动态舒适性，其外形必须符合人体生理功能，在不影响舒适性的 前提下，力求美观大方。座椅应成凹形，以防止汽车转弯时驾驶员及乘员横向滑动而滑 出座椅，同时座椅的前部应当适当高于后部，这样汽车制动时可阻碍驾驶员及乘员横向 滑动而滑出座椅，同时座椅应适当粗糙，以增大驾驶员及乘员与座椅之间的摩擦阻力， 增强乘坐俄稳定性。座椅应采用最经济的结构，尽可能地减少质量，且安全可靠。座椅 还应具有充分的强度。刚度与耐久性。对可调的座椅，更有可靠的锁止机构，以保证安 全。座椅还应有良好的振动特性，能吸收从车厢传来的振动，此外座椅还应有各种调节 结构，可使不同的驾驶员、乘员在不同的条件下获得最佳位置，以提高乘坐的舒适性。 的重要结构，能够使乘员在汽车行驶中保持平稳，使由于驾驶员主动失误而发生事故的 可能性减为最小；此外，舒适性较好的座椅能给驾驶员提供一个良好的驾驶环境、宽阔 的视野，使他们心情愉快、精力集中，也可以有效地防止因为驾驶疲劳或者视野狭窄造 成的交通事故，从而使汽车的主动安全性得到提高1。 1.3 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， 如图 1.2 所示。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 东北大学硕士学位论文 第1章 绪论 - 3 - 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10。 电动后视镜是目前高档车上普遍使用的调节装置，驾驶员在车内通过按下按钮，用 电气装置控制转动部件来调节后视镜以达到所需视角，这样的操作轻松、快捷、方便、 正确， 还解决了拉索后视镜在调节右外后视镜时因驾驶员远离按钮所产生的操作不便的 问题。目前进口轿车几乎全部配备了电动后视镜，国内生产的几乎所有中高档轿车如 AUDI、BMW、PASSAT、BUICK，还有高档越野车如CHERO-KEE等也都将电动后视 镜作为标准配备。经过不断完善，电动后视镜进一步发展为带记忆存储功能的后视镜， 每个驾驶员可根据个人身高与驾驶习惯的不同来调节后视镜的最佳视角#然后进行记忆 存储，在后视镜视角被其他驾驶员改变后驾驶员可以非常轻松地开启自己的记忆储存， 后视镜视角又恢复到原来的设定状态3。 图1.2 汽车外、内后视镜 Fig. 1.2 Exterior、interior mirror of car 1.4 汽车座椅和后视镜发展的历史与现状 1.4.1 国内外汽车座椅发展的历史和现状 国内外汽车座椅的发展经历了三个阶段，分别是： (1)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 后通过改变身体的坐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 东北大学硕士学位论文 第1章 绪论 - 4 - 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25。 (2)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15。电动座椅现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。 (3)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，如东风日产蓝鸟至尊、 VOLVOXC90、宝马730i、奥迪TT等都有该类座椅2。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。 未来汽车座椅远远不是仅供人们坐坐而已。未来座椅可以供暖、制冷，使乘员感 到暖和与凉爽，还可为乘员按摩下背，可随意调整以适应乘员的身段和体形，甚至通过 其本身的座椅安全带和其它安全装置挽救乘员的生命。 由于汽车内部的高雅完美对吸引 用户所具有的决定性意义，座椅正引起汽车制造商的高度重视 21。 1.4.2 国内外汽车后视镜发展的历史与现状 国内外汽车后视镜发展一样分为三个阶段，分别是下面三个阶段： (1)无调整和简单调整阶段。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10。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。 (2)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、 东北大学硕士学位论文 第1章 绪论 - 5 - 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 25。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。 (3)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LS40010。 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。 Robert J 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11。Randall F 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9。 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。国内对于记忆存储式后视镜的控制系统的研究除了一些汽车零部件企业外，江苏大 学的郑荣良等在2004年对于记忆存储式后视镜进行了设计， 不过该设计只是进行了电路 的纯理论设计和软件流程的设计，并没有进行可行性的试验25。 1.5 本课题的研究意义和主要内容 一般中高档的轿车都配备有电动调整的座椅和后视镜。 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座椅的最佳的舒适性和最佳的后视镜视 东北大学硕士学位论文 第1章 绪论 - 6 - 野。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。带记忆存储功能的座椅和后视镜能够改善现在座椅和后视镜使用不便的现状，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。 就国内的座椅和后视镜的发 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，为提高座椅和后视镜的可用性，研究开发了一种可 以实现记忆存储和调用座椅和后视镜位置的控制器。 这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，记忆存储式座椅和后