（车辆工程专业论文）基于虚拟仪器的汽车综合信息显示系统仿真设计.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 基于虚拟仪器的汽车综合信息显示系统仿真设计 手两要 随着汽车电子技术的发展，现代汽车上各种电子设备逐步增加，集中体现在 汽车仪表板显得越来越“拥挤”。如何在有限的仪表板空间内显示尽可能多的信 息成为一个亟待解决的问题，引起了国内外相关专业机构的极大重视。但截至目 前为止，该领域的技术还很不成熟，也少有产品问世。本文以此为背景，基于汽 车电子学和汽车人机工程学基本原理，利用虚拟仪器技术，提出了基于虚拟仪器 的汽车综合显示系统的概念，并初步通过l a b v i e w 软件构建并仿真了该系统。本 课题作为华晨金杯汽车有限公司的预研项目，取得了初步研究成果，实践表明该 领域的研究拥有良好的发展前景。 本文在对汽车综合显示系统进行了初步研究的基础上，指出了传统仪表板显 示的不足之处，结合车载环境的应用特点及视频显示的需求，构建了基于虚拟仪 器技术的汽车综合显示系统的整体设计方案。将汽车各种常规信息、报警信息和 其它辅助信息显示于同一屏幕，并按重要程度不同分界面显示，以控制程序解决 其优先级问题。将多种传感器信号分类处理，构建了频率、电压等信号的测量数 学模型。深入讨论了虚拟仪器技术、数据采集处理技术及面向仪器与测控过程的 图形化开发平台一l a b v i e w 软件。完成了系统的采集、处理和显示模块的设计。 利用巴特沃斯滤波器对信号进行滤波处理。依据小波信号提取原理，并结合 m a t l a b 软件实现了信号的小波提取。创新性地提出了空调系统实时温度曲线和燃 油量实时曲线的显示，以及人体振动舒适度指标的模拟显示。结合第三方电子地 图软件实现了g p s 导航信息的仿真显示。设计了易于读识的综合信息显示用户界 面，在l a b v i e w8 0 环境下完成虚拟仿真。 “基于虚拟仪器的汽车综合信息显示系统”的研究已完成各主要模块的设计 及仿真工作，从仿真结果来看，初步达到了系统设计要求，对于今后汽车综合显 示系统的研究及应用具有重要的参考价值。 关键词：虚拟仪器；汽车；综合信息；仪表板；显示系统；l a b v i e w i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i m u l a t i o na n dd e s i g no fi n t e g r a t e di n f o r m a t i o nd i s p l a ys y s t e m o fa u t o m o b i l eb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g yo ft h ea u t o m o b i l e ，v a r i o u sk i n d so f e l e c t r o n i ce q u i p m e n ti n c r e a s ep r o g r e s s i v e l yo nm o d e ma u t o m o b i l e ，t h ei n s t r u m e n tp a n e l s e e m sm o r ea n dm o r e ”c r o w d e d h o wt os h o wa sm o r ei n f o r m a t i o na sp o s s i b l ei nl i m i t e d i n s t r u m e n tp a n e ls p a c eh a sb e c o m eap r o b l e mw h i c hs h o u l db es o l v e du r g e n t l y ，a n dh a s c a u s e dt h eg r e a ta t t e n t i o no ft h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lp r o f e s s i o n a lo r g a n i z a t i o n b u tt h e t e c h n o l o g yi sv e r yu n r i p es t i l ln o w ，a n dt h e r ea r ef e wp r o d u c t sc o m i n go u t t h i sp a p e rt a k e s t h i sa st h eb a c k g r o u d ，c o m b i n e sa u t o m o b i l ee l e c t r o n i c sa n dh u m a ne n g i n e e r i n go f a u t o m o b i l e ，s h o w st h es y s t e m a t i cc o n c e p to ft h ei n t e g r a t e di n f o r m a t i o nd i s p l a ys y s t e m o ft h ea u t o m o b i l eb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t ，s t r u c t u r sa n ds i m u l a t e st h i ss y s t e mt h r o u g h l a b v i e ws o f t w a r et e n t a t i v e l y t h i sp r o j e c th a sb e e np a y e dm o r ea t t e n t i o na n dw i l lb e r e s e a r c h e db yt h eb r i l l i a n c e - a u t oc o l t d t h i sp a p e rh a sc a r r i e do np r e l i m i n a r yr e s e a r c ht ot h ei n t e g r a t e di n f o r m a t i o n d i s p l a ys y s t e mo ft h ea u t o m o b i l e ，h a sp o i n t e do u t t h ed i s a d v a n t a g eo ft h et r a d i t i o n a l i n s t r u m e n tp a n e l ，h a sp u tf o r w a r dt h ew h o l ed e s i g np l a nt h a tt h ea u t o m o b i l eb a s e do n v i r t u a li n s t r u m e n t t h i sp a p e rs h o w sv a r i o u sk i n d so fi n f o r m a t i o no fa u t o m o b i l eo n t h es a m es c r e e n ，a n ds o l v e si t sp r ip r o b l e mt h r o u g ht h ec o n t r o l l i n gp r o c e d u r e a c c o r d i n gt o t h ed i f f e r e n ti m p o r t a n c eo fd e g r e ed i s p l a yo nd i f f e r e n ti n t e r f a c e p r o p o s e sc l a s s i f y i n gt h es i g n a lo fm a n yk i n d so fs e n s o r st o d e a lw i t h ，s t r u c t u r e st h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fm e a s u r e m e nt i ns i g n a l s ，s u c ha sf r e q u e n c y ，v o l t a g e ，e t c t h i s p a p e r h a si n t r o d u c e dt h ef i g u r ed e v e l o p i n gp l a t f o r mw h e r ev i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g y ，d a t aa c q u i s i t i o na n dt r e a t m e n tt e c h n o l o g ya n dt h es o f i w a r e - - l a b v i e w i n d e t a i l ，h a sf i n i s h e ds y s t e m a t i ca c q u i s i t i o n ，t r e a t m e n ta n dd i s p l a ym o d u l e ，h a su t i l i z e d b u t t e r w o r t hw a v ef i l t e rs t r a i nw a v e st od e a lw i t ht h es i g n a l ，h a sc o n s t r u e dt h e p r i n c i p l e o fi d e n t i l y i n gs i g n a lb yw a v e l e t ，h a sr e a l i z e di d e n t i f y i n gs i g n a lb y c o m b i n i n gm a t l a bs o f t w a r ea n dt h ep r i n c i p l eo fi d e n t i f y i n gs i g n a lb yw a v e l e t t h i sp a p e rh a ss i m u l a t e dt od i s p l a yt h ei n f o r m a t i o no fg p sn a v i g a t i o n ，t h i sp a p e r h a sd e s i g n e du s e r si n t e r f a c eo ft h ei n t e g r a t e di n f o r m a t i o nd i s p l a ys y s t e ma n d f i n i s h e dv i r t u a ls i m u l a t i o ni nl a b v i e w8 0 a tp r e s e n t ，t h es i m u l a t i o na n dd e s i g no ft h em a i nm o d u l eo ft h i ss y s t e mh a sb e e n i i i 东北大学硕士学位论文a b s 仃a c t f i n i s h e d a c c o r d i n gt os i m u l a t i o nr e s u l t ，t h es y s t e mr e a c h e dt h ed e s i g n i n gp u r p o s e t h e r ea r e i m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u et ot h es t u d yo fi n t e g r a t e di n f o r m a t i o nd i s p l a ys y s t e mo ft h e a u t o m o b i l ei nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ；a u t o m o b i l e ；i n t e g r a t e di n f o r m a t i o n ；i n s t r u m e n tp a n e l d i s p l a ys y s t e m ；l a b v i e w i v 独创性声明 本人声明所量变的学位论文是在导帅的指导f 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。 、1栩 学位论文作者签名：勿习旷参 日期：沙护孑 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。 ) 一 、 学位论文作者签名：p 匆2 3 出专 日期：， 加彤- ，、切 另外，如作者和导师不同意网上交流， 学位论文作者签名 签字日期： 新躲舡屯忆 签字日期：、 ，一汐c,l-o卅b d - ， 口 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 汽车电子及仪表板的发展 汽车仪表板是驾驶员与车辆进行信息交流的重要接口和界面，它为驾驶员提 供其所需的信息f 1 ，2 1 。随着现代科技不断进步及在汽车领域的应用，现代汽车的 各种机构日趋复杂，附属装置也日益增多，需要驾驶员了解的信息量也不断增加。 为了使驾驶员更多更迅速地掌握汽车运行时各种机构和装置的工作状态，以便更 有效地控制汽车，使其正常、安全地工作，汽车仪表板作为现代汽车的信息中枢 显得越来越重要。可以预见，伴随着汽车电子技术的发展，汽车综合信息显示技 术将得到更加快速的发展。 1 1 1 汽车电子系统 集成电路技术所取得的巨大成就使现代汽车电子技术前进了一大步，汽车开 始按照电子系统来定义和制造。更加先进的微处理器的应用使现代汽车具有智能 化的功能。这样，在改善乘车安全性，提高乘客的舒适度方面，就可以增添许多 新的功能。 1 1 2 汽车电子系统基本构成 现代汽车中电子设备种类繁多， 统、底盘电子系统、车身电子系统。 系统分别进行了分析。 从功能上基本上可以分为三类：动力电子系 t o md e n t o n 在文献 3 】中对三种类型的电子 动力电子系统主要包括发动机和传动系统的控制与管理装置，这是汽车电子 控制的核心，比如汽车电喷系统。汽车数量的激增引发了空气污染问题，对此各 国政府对汽车尾气排放颁布了严格的规定，以解决主要大城市的空气污染问题。 减少汽车尾气污染和使其排放量达标是汽车动力电子系统要解决的问题。 汽车底盘电子控制系统的出现，得益于电子半导体技术的发展，使司乘人员 的安全性得到提高，如a b s ( a n t i 1 0 c kb r a k i n gs y s t e m ) 和安全气囊在各种档次的 汽车中应用相当普遍，而不仅限于高档汽车。目前，这些应用系统要进行更复杂 的运算，并使用了1 6 位甚至3 2 位微控制器。随着传感器输出信号的可靠性的增 强，有可能进一步改进a b s 和安全气囊的性能，例如，与c m o s 技术兼容的加 速度传感器，使得取样、存储和滤波器集成在一块芯片上。 车身电子系统可大量采用电子控制技术，其目的是提高驾驶舒适程度并为驾 末北走学硕士学位洽支第一章绪论 驶员提供车况信息。该系统包括：仪表板管理、空调系统、座椅位置调节、可开 式车顶、车门控制装置等等。 本文所研究的汽车综合显示系统即属于车身电子系统。 此外，在现代汽车领域将信息通讯系统作为汽车的第四种类型的电子系统。 i - 1 3 汽车电子技术的发展 汽车电子技术是汽车技术与电子技术相结合的产物。它的发展归结为两方 面：方面，汽车电子技术不断适应各个时期的社会背景，如能源危机、环境污 染和高速公路网的发展等，满足人们对汽车使用性能的更高要求，如舒适性、安 全性、操纵方便等。目前，机械装置与技术已相当成熟，有的已达到了其物理极 限，另一方面，由于电子技术的发展给汽车电子技术的发展提供了必要的物质条 件：电子技术产品质量轻，占用空间小，处理速度快传感精确。信息容量大， 发展与应用前景十分广阔j 4 j 。 电子技术的发展，以及社会需求的牵引、法规的推动和技术的进步，导致现 代汽车上采用电子技术，并蓬勃发展起来。因此汽车上许多机械控制系统逐步被 电子控制系统所取代，汽车电子化的程麓也就越来越高。 汽车电子技术的形成与发展主要分为如下三个阶段”】： 第一阶段：从2 0 世纪6 0 年代中期到7 0 年代末期，主要是从技术革新者眼， 应用电子装置改善部分机械部件的性能，如燃油喷射控制、车载收音机、发电机 硅整流器等。这些革新往往是局部的、不很关键的，针对汽车各部件完成相对独 立的自动控制功能。 箱二阶段：从2 0 世纪7 0 年代末到9 0 年代末期汽车电子技术开始形成。 主要特点是在汽车大部件乃至总成的设计和生产中，应用电子装置解决机械部件 所无法解决的复杂问题，如自动变速系统、制动防抱死系统、电予仪表群等。在 这一阶段，大规模集成电路和4 位、8 位微处理器广泛应用，从而减少了电子系 统的体积，增加了可靠性。 第三阶段：从2 0 世纪9 0 年代末期开始，预测到2 0 1 5 年，汽车电子作为工 程技术将曰臻成熟。汽车电子学也就在这一时期诞生，它是一门机电一体化的多 学科的特色鲜明的新兴边缘学科。它由第一和第二阶段的“机械功能替代”或“增 添式”的设计思路和方法转变为“机电一体化”的汽车整体设计思想，重视总体 和系统的概念。在这一时期，出现更先进的灵巧电源、灵巧传感器和具有大容量 内存的1 6 位或3 2 位微处理器。汽车电子技术开始广泛应用计算规网络与信息技 术，使汽车更加自动化、智能化。 术，使汽车更加自动化、智能化。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 4 汽车仪表板的发展 初期的汽车，其结构和功能与现在的汽车相比，不可同目而语。那时的汽车， 结构很简单，功能也不多，因此那时的汽车上未装备也不需装备汽车仪表板。随 着汽车技术的发展，结构复杂程度的增加以及新功能的增多，为了准确了解汽车 在行驶过程中的工作情况并及时发现和排除可能出现的故障，汽车仪表板于2 0 世纪初问世。早期，汽车上装备的仪表有车速表、里程表、发动机水温表、电流 表等。此后的几十年里，这些仪表板得到了改善，而且陆续又增添了一些新的仪 表。但这些都属于传统机械式和电气机械式仪表。目前在我国，还常见到这种仪 表。这些传统机械式和电气机械式仪表，都是通过指针和刻度来实现模拟显示的， 它们存在着准确率低、显示信息量少、体积较大、可靠性较差，以及视觉特性不 好，容易使驾驶员疲劳等缺点。这些传统机械式和电气机械式仪表都具有单独的 密封装置，称为分装式仪表。分装式汽车仪表各密封装置本身起到了热隔离和磁 屏蔽作用；加上各自的电路彼此独立，相互影响甚小，便于保持各仪表的精度， 且维修方便。但是这种仪表不便于采用较先进的结构工艺，仪表总成体积大，紧 凑性差，安装不方便。 伴随着现代汽车工业和电子技术的发展，2 0 世纪6 0 年代开始了电子显示式 仪表的开发，1 9 7 8 年出现了电子显示式仪表。此后出于汽车环保、安全性、经济 性、智能化要求的提高，同时随着新型传感器、显示元器件的发展，电子计算机 在汽车控制系统的广泛应用，汽车仪表板的电子化就已成为一种必然趋势。传统 汽车仪表及其指示装置逐渐被以微处理器为核心的电子控制数字仪表和显示装 置所取代。现代汽车普遍采用电子组合式仪表。电子组合式仪表共用一块表面玻 璃密封，因而结构紧凑，占用的体积小，便于安装和接线，而且便于采用先进的 结构工艺。缺点是各仪表的热效应和磁效应相互影响，易引起附加误差。 随着现代电子技术的进步和多功用高性能汽车的迅速发展，要求有相应的多 功能、高精度、高灵敏度、读数直观的汽车仪表与之相适应。汽车仪表的功能己 不仅仅是单纯的显示，而是通过对汽车各部分参数的检测和微处理器配套，从而 达到控制汽车的各种运行工况的目的 6 j 。 由于仪表电子化可为驾驶员提供高精度的数据信息，同时免去了传统机械式 和电气机械式仪表的缺点，所以汽车仪表板的电子化技术越来越为汽车界所重 视。随着人们对汽车安全性、舒适性和环保方面要求的提高，以及汽车电子技术 的不断发展和计算机在信息与控制领域的广泛应用，特别是近年发展起来的在线 故障自诊断系统、智能交通系统、全球定位导航系统和电子自动巡航系统等，新 一3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 技术产品的陆续装车应用对汽车仪表提出了更高的要求，使得仪表显示的信息量 迅速增加，数据的精确度要求更高，普通的汽车仪表再也无法满足汽车电子技术 发展的需要1 7 - i o 。 目前，汽车电子技术主要集中在“动力传动总成的电子控制( p o w e rt r a i n c o n t r 0 1 ) ”，“底盘的电子控匍j ( v e h i c l e c o n t r 0 1 ) ”，“车身的电子控$ 1 j ( b o d yc o n t r 0 1 ) ” 和“信息通讯系统( i n f o r m a t i o n & c o m m u n i c a t i o n ) ”四个方向。而且各控制系统正 在进一步向着智能化、集成化、网络化的方向发展。只有以嵌入式信息处理系统 为核心的智能化汽车仪表才可以方便地利用现代汽车总线技术( c a n ) 与其它电子 集中控制系统进行数据交换，才能更有利于汽车集中控制系统的发展和实现。汽 车仪表作为车一人信息交换接口和信息通讯显示系统的重要组成部分也正向大 型化、多功能化、智能化方向发展，以嵌入式信息处理系统为核心的、豪华、多 功能智能化组合仪表是汽车仪表发展的必然趋势。 1 2 国内外研究现状 关于综合显示汽车仪表早在2 0 世纪8 0 年代就已经被提出，最初为“数字显 示”形式的汽车仪表。虽然该仪表的工作方式是全数字式，技术水平和仪表的性 能远远超过了模拟电路电子式汽车仪表，但其致命的缺点是只能显示一组孤立的 数字，没有动感在被测物理量( 如车速、发动机转速) 发生变化时，只有数字翻 动，而没有指示上升、下降直观感，再加上读数时间比较长，容易分散驾驶员的 注意力等，这种形式的汽车仪表很难被驾驶员接受，因而国内外都没有普及与推 广。为了克服上述不足，后来出现了采用光点、光条或光带模拟动态显示被测物 理量形式的全数字汽车仪表，显示器件主要有l e d 、l c d 和电致发光材料等。 由于受到成本的限制，目前光显示汽车仪表只能选用字段显示方式的显示屏，无 法选用显示分辨率更高的点阵式显示屏。因此，其视觉效果和显示精度还不能令 人满意。 随着电子技术的发展，特别是e c u 性能的提高，主要表现在抗强电磁干扰、 工作温度范围和对工作电源稳定性要求等方面的改善，再加上价格的大幅度降 低，目前有条件在汽车仪表上使用e c u 控制的全数字仪表。 奔驰e 级轿车和宝马7 系列轿车上的组合式仪表板就是将各种先进电子技术 融入仪表的成功范例，它帮助解决了汽车仪表板空间狭窄的棘手问题。只要按下 按钮，驾驶员就可以通过菜单选择他想显示的信息，比如显示车速、发动机工况、 空调和里程数据等信息。 在国外，汽车综合信息显示研究已经具有比较大的进展，如前例所述。尽管 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 只是在高级轿车上配备，而且功能仍不完善，但其工作具有开创性的意义，为今 后的发展打下了良好的基础。在国内，该方面的研究才刚刚起步，但已经得到各 大汽车企业及专业研究院所的重视，并投入了大量的人力、财力进行研究。相信 在不久的将来，汽车综合信息显示系统必将在现代汽车上得到利用和普及。 1 3 课题研究的必要性和主要工作 汽车电子设备的增加，使得汽车使用及驾驶过程中“人车”界面( 即人操 纵车辆过程中各种感官所接触的车辆上的部分，如仪表板、各种手柄、各种声响、 灯光等等) 越来越复杂，最典型和最集中的表现就是汽车仪表板变得越来越“拥 挤”了。由于人们对汽车使用性能的更高要求，对汽车行驶和各部分工作状况的 信息需求量显著增加，从而迸一步要求增加较多的仪表板空间】。 然而，汽车仪表板的扩大在技术上的无限性受到人机工程因素的制约，具体 表现在两方面：一是驾驶舒适性和安全性。从人机工程学的角度看，汽车所有的 控制器都应在驾驶员可及的范围之内：汽车所有的显示仪器都要置于驾驶者目光 ( 或余光) 容易触及处；根据使用频率确定其距离驾驶员的远近，根据使用需要确 定其间距：汽车仪表板的布局与设计要保证在任何情况下都能使汽车仪表板不能 设计得过大。二是汽车的仪表板设计应力求筒捷，不能设计得像飞机仪表板那样 复杂。为此要求汽车的仪表板显示应综合利用手、眼、耳等，开发多功能复合监 控、警戒、显示、提醒等显示系统。 汽车仪表板的功能正在迅速扩展，并将成为一个集感觉、识别、情况分析、 信息库、适应和控制等功能于一体的提供行驶信息、保障安全驾驶的智能化系 统。作为汽车信息中枢的仪表板显示，不仅要显示如车速、里程、水温等项目， 而且逐渐向全面反映车辆行驶动态等功能发展，如瞬时耗油量、平均耗油量、 平均车速、续驶里程等。这种信息显示系统需要同时显示几十种信息。 因此伴随我国汽车工业和汽车电子技术的发展，同时适应我国汽车仪表板 的发展和需求，本论文设计了一种汽车电子仪表板显示技术，也就是基于虚拟 仪器的汽车综合信息显示系统。汽车综合信息显示系统赋予各种信息终端的功 能。本文对此作了初步研究，主要工作如下： ( 1 ) 实现信号分类处理，建立车速、水温等传感器信号的采集数学模型； ( 2 ) 完成信号采集、处理和显示模块的程序设计。结合m a t l a b 软件对信 号进行滤波、提取处理。为驾驶员提供常规信息、监视报警信息和其它辅助信 息，所有这些信息集中在一个屏幕显示，按重要程度的不同，采取合理的分布 方式，并采用不同的界面显示： 5 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 创新性地提出并初步实现空调、燃油信息的实时曲线显示方式以及以人 体振动舒适度为指标的车辆振动舒适度模拟指示器显示； ( 4 ) 在l a b v i e w8 0 环境下进行综合显示系统各用户界面的虚拟仿真。 6 东北大学硕士学位论文第二章系统总体方案设计 2 1 设计原则 第二章系统总体方案设计 随着汽车用途的不断扩大，形态的日益多样化，各种设备的不断增加，道路 和交通环境的复杂化，驾驶员的工作越来越繁重、复杂。驾驶员的主要职能是： 用手和脚操纵机构以驾驶车辆；观察车辆的工作情况，监控它们的技术状态，并 做出正确反应。本文设计的汽车综合信息显示系统是驾驶员一车辆进行信息交流 的界面。其中人( 驾驶员) 与机( 汽车仪表板) 之间的关系是需要重点考虑的方面， 因此在汽车综合信息显示系统设计中涉及了人机工程学原理问题。 2 1 1 车辆人机工程学原理 人机工程学是从2 0 世纪5 0 年代开始迅速发展起来的一门新兴的边缘学科， 是从人的生理和心理特点出发，研究人、机、环境相互关系和相互作用的规律， 以优化人一机一环境系统的一门学科【l 引。它在美国称为：”h u m a ne n g i n e e r i n g ”， 在西欧称为：”e r g o n o m i c s ”。美国学者a c h a p a n i s 认为：“人机工程学是在机器 设计中考虑如何使人操作简便而又准确的一门学科”。ejm c c o r m i c k 和ms s a n d e r s 在h u m a nf a c t o r si ne n g i n e e r i n ga n dd e s i g n ) ) 【l 列一书中给出了人机工程 学的简要定义为：“为人的使用而设计”和“工作和生活条件的最优化”。k h e k r o e m e r ，hbk r o e m e r ，kek r o e m e r e l b e r t 等人在e r g o n o m i c s - h o wt od e s i g nf o r e a s ea n de f f i c i e n c y ) ) ( h 】一书中给出的人机工程学的简要定义为：“为适当地设计 人的生活和工作环境而研究人的特性”和“工作的宜人化”。我国的赖维铁在人 机工程学 1 s 】一书中给出的定义为：“人机工程学是运用生理学、心理学和其他 有关学科知识，使机器和人相互适应，创造舒适和安全的环境条件，从而提高工 效的一门学科”。著名科学家钱学森在系统科学、思维科学与人体科学一文 中指出：“人机工程是一门非常重要的应用人体科学技术，它专门研究人和机器 的配合，考虑到人的功能能力，如何设计机器，求得人在使用机器时整个人和机 器的效果达到最佳状态 1 6 1 ”。 人与机器共同工作，具有不同特性，要设计出能最大限度与人协调工作的机 器，就要充分研究两者的特性，才能设计出良好的人机界面。人机工程学在对人 的特性进行详细研究的基础上设定了一系列的设计准则，用来指导机器产品的设 7 一 东北大学硕士学位论文 第二章系统总体方案设计 计，主要是人和机器之阃的界面设计。其中与汽车设计相关的主要有： ( 1 1 基于人体感官的界面设计 例如，人的视觉有视角、视野、可视光波长范围、颜色分辨力、视觉定位错 觉、运动错觉、视觉疲劳等特性，汽车的挡风玻璃、仪表板和仪表的设计就要充 分考虑这些特性，使驾驶者能够得到足够的视区，能够迅速辨认各种信号，减少 失误和视觉疲劳。交通标志的设计也应该采用大多数人能明辨的颜色和不易产生 错觉的形状。 ( 2 ) 基于人体形态的界面设计 不同地区和人种、不同年龄和性别都具有不同的身体尺寸，为不同地区和群 体设计的汽车就要参考特定对象的人体参数，在现代社会条件下，以一种产品规 格想占有不同地区的市场几乎是不可能的。人在生活和劳动中又具有各种不同的 形态，人体在不同的姿态下工作，全身的骨头和关节处于不同的相对位置，全身 的肌肉处于不同的紧张状态，心脏负担不同，疲劳程度也不同。设计一台机器首 先要考虑采用什么身体形态来操纵，选定姿态后，还要考虑以最舒适的方式对人 体进行支撑，并适当地布置被操作对象的位置，从而减少疲劳和误操作。例如司 机在驾驶汽车的时候采用坐姿，座椅的设计要符合人体骨骼的最佳轮廓，仪表的 布黄应在易于看到的地方，操纵杆板的位置要在人体四肢灵活运动的范围内。 ( 3 ) 基于力特性的界面设计 人体在不同的姿态下，用力的疲劳程度不同，操纵机器所需的力量应该选择 在对应姿态下不易引起疲劳的范围内。例如转向助力器就是为了减轻操纵力而设 计的。人体在不同的姿态下最大拉力、最大推力也不相同，例如坐姿下人腿的蹬 力在过臀部水平线下方2 0 度左右较大，操纵性也较好，所以刹车踏板就安装在 这个位置上。人体在不同的姿态使用不同的肌肉群进行工作，动作的灵活性、速 度和最高频率都不相同，例如腿的反复伸缩具有较低的频率，而手指则可以用较 高的频率进行敲击。因此，对应不同的操纵频率应采用不同的动作方式来完成。 ( 4 ) 基于人脑特性的界面设计 人脑对事物的认识和反应有自己的特点，体现在他的行为和对外界的反应中。 人喜欢用直觉处理事情，不善于烦琐过程和精确的计算。对于协助人脑进行工作 的计算机，如何进行人机界面的设计一直是热门的论题。无论是从低级语言到高 级语言，到面向对象、面向任务的编程方式的发展，还是图形终端、鼠标定位、 窗口系统、多媒体、可视化、虚拟现实等方面的进展，都体现了这个主题。近年 来，人工智能已经在汽车上应用，车载电脑可以协助驾驶者进行认路、换档、避 碰等操作。 8 东北大学硕士学位论文 第二章系统总体方案设计 人机关系的基本原则归纳为以下两方面f l ”： ( 1 ) 机宜人，使机器系统尽量满足使用者的体质、生理、心理、智力、审美 以及社会价值观念等素质条件的要求，如信息显示既要易于接受又要易于做出判 断：控制系统的尺寸、力度、位置、结构、形式均适合操作者的需要等等。 f 2 ) 人适机，机器的结构有其自身的规律，操作环境或生活规律也会因各种 因素在空间和时间上受到某种限制。为了适应这种情况，就要求对人的因素予以 限制和训练，尽量发挥人的因素有一定可塑性这一特点，让人去适应机器的要求， 以保证人机系统具有最优效能。 人机系统中的机宜人与人适机是相对的。首先是机宜人的程度问题，其次是 人适机的条件问题。实际上，任何一个人机系统都必然是既要尽量做到机宜人， 也要设法做到人适机。在汽车综合信息显示系统中首先要尽量做到仪表板显示要 最大限度地满足驾驶员地需要，同时驾驶员也要设法适应和熟悉仪表板的显示。 2 1 2 设计原则 现代汽车对工况信息的显示要求越来越高，不但要求提供信息量大，显示直 观、清晰、稳定，而且要求响应速度快，显示精度高。本论文提出的基于虚拟仪 器的汽车综合信息显示系统是为满足我国国内轿车的仪表板电子化需要而设计 的。针对我国国情，以及国内汽车工业现状、汽车电子技术水平和它们的发展趋 势，根据车辆人机工程学和汽车电子学，提出了汽车综合信息显示系统的设计原 则如下： ( 1 ) 作为驾驶员一车辆进行信息交流的界面即综合信息显示系统必须是简洁 和直接方便的，使驾驶员能够在集中精力驾驶的情况下很方便地得到相关信息。 因为驾驶员不可能分出很大精力去阅读或者操作一个复杂的显示界面。 ( 2 ) 汽车综合信息显示系统必须能及时准确地为驾驶员提供丰富的信息。汽 车结构的复杂，功能的增多，人们对汽车使用性能的提高，以及出于环保、经济 性、安全性等方面的考虑，驾驶员从仪表板所需获取的信息量越来越大。驾驶员 不仅需要从仪表板这个信息中枢及时准确地了解汽车行驶工况，如车速、里程、 水温等项目；而且出于经济性考虑，驾驶员也需知道汽车平均每小时耗油量等。 通过这些信息，驾驶员可以更加有效地控制汽车正常工作。据统计，在车辆行驶 过程中，驾驶员有4 0 的空闲时间。因此驾驶员在驾车之余，还可从仪表板获取 日历、时间、空调和电话簿等信息。 ( 3 ) 汽车综合信息显示系统必须具有高的可靠性。我国的交通现状是路况十 分复杂，交通拥挤堵塞，而汽车的速度越来越高。因此为了避免交通事故，汽车 9 东北查学硕士学位论文g - - 章系统总体方案设计 综合信息显示系统给驾驶员提供的信息必须可靠性很高。否则，驾驶员若收到一 个不可靠的信息，很可能发生交通事故。这不仅会导致财产上的损失，而且可能 导致生命危险。 ( 4 ) 汽车综合信息显示系统要求显示信息响应速度快。综合信息显示系统的 响应速度如果不快，那么对于在高速行驶中的汽车，驾驶员获取到的信息就不能 保证其有效地控制汽车正常、安全地工作。 ( 5 ) 汽车综合信息显示系统要满足舒适性要求。汽车综合信息显示系统是驾 驶员获取各种信息的地方，因此汽车综合信息显示系统不仅要求操作方便，而且 要求观看舒服。 ( 6 ) 汽车综合信息显示系统的发展空间必须大。随着汽车电子技术的快速发 展，人们对汽车高性能的要求，未来汽车综合信息显示系统就不仅仅局限于常规 信息和监视报警、日历、时间等信息的显示，它还要能显示地图、维修、电视和 电话等信息。 ( 7 ) 汽车综合信息显示系统应具有良好的经济性。 2 2 总体设计方案 2 2 1 系统需要采集的参量及其特性 测量对象主要有汽车行驶速度、汽车行驶里程、发动机转速、冷却水温度、 油箱剩余燃油量和其他警示性参数，它们具有以下性质： ( 1 ) 利用车速传感器将车速转变为频率与车速成正比的脉冲信号，这样对车 速的测量就转变为对频率的测量。 ( 2 ) 由于车速传感器发出的脉冲数与汽车行驶里程成正比，计程又转变为对 脉冲的计数。 ( 3 ) 汽油发动机转速与点火频率成正比，计算点火脉冲信号的频率，可间接 计算出发动机转速。 ( 4 ) 汽车水温传感器有两种：一种是双金属片式，输出信号为占空比随水温 下降而增大的电流脉冲信号。另种是热敏电阻式传感器，其阻值随温度的升高 而减小。 ( 5 ) 般汽车都是测量油箱液面的高度间接求得剩余油量。液位传感器发出 的是电阻信号，阻值随液面的下降而增加，可通过测其分压大小计算出液面高度。 ( 6 ) 其他警示性参数，如转向指示、充电系故障指示、机油压力、冷却水量、 前照灯工作情况等属于开关量。 1 0 东北大学硕士学位论文 第二章系统总体方案设计 综上所述，需测量的对象分为频率量、模拟量和开关量三类。具体参量如表 2 1 所示。 表2 1 信号分类 t a b 2 1s i g n a lc l a s s i f i c a t i o n 信号类型需采集参量 频率量 模拟量 开关量 车速发动机转速里程振动加速度 冷却水温度，燃油量制动气压机油压力 车内温度车外温度变速箱压力轮胎气压 蓄电池电量 转向指示灯机油压力过低水温过高前照灯 雾灯远光灯近光灯示廓灯刹车片磨损 刹车灯手刹车档位指示 以上各类信号都可根据实际要求增加或减少。 2 2 2 数学模型的建立 2 2 2 1 频率信号的测量原理 测量频率信号通常使用的方法有三种：频率法( m 算法) 、周期法( t 算法) 、 频压转换法( f v 算法) 1 8 - 2 1 】。 频率法又称m 算法，是通过测量单位时间内的脉冲个数计算出信号频率。 如图2 1 所示，图中m 为信号脉冲数，t 为测量时间( s ) ，：r 为时间基准，简称 时基( s ) ，k 为时基脉冲数。其实际频率为： ，= 芋= 芸 ( 2 1 ) 相对误差为： 了d f = 些m 一孚 ( 2 2 ) ，f 时钟脉冲 f 图2 1 频率法测最原理 f i g 2 1m e a s u r ep r i n c i p l ei nf r e q u e n e yf i e l d 一1 1 一 频 东北大学硕士学位论文 第二章系统总体方案设计 误差主要来自于两方面：一方面是测量的参考时基的相对误差，即时基相对 误差立，主要是受时基振荡器振荡频率精度影响，若采用高精度石英晶体，可保 , - 证时基误差在1 0 6 以下，所以此项误差一般可以忽略。另一方面主要是来自信号 脉冲计数的一1 误差d m ，在信号频率较高时，们值较大，来自计数的相对误差坐 m 较小，高频时这种测量方法比较准确。 实际测量时，一般采用微处理器内部定时器给出一定的时间间隔控制信号， 控制计数器在设定的时间内计数信号脉冲的个数m ，由此可以计算信号脉冲的频 率。这时r 为微处理器的时钟脉冲，其大小由系统采用的晶振频率确定，足为微处 理器定时器定时常数。 周期法即t 法，是通过测量信号的周期换算出对象的频率。如图2 2 所示，图 中为时钟脉冲数，t 为测量时间( s ) ，r 为时间基准，简称时基( s ) ，矿为倍率数。 信号周期的计算公式为： z = 古= 生w ( 2 3 ) 矽 一 相对误差为： 孚= 警+ 孚 ( 2 a ) r v r 一 频率信 时钟脉神 t = n r 图2 2 周期法测量原理 f i g 2 , 2m e a s u r ep r i n c i p l ei np e r i o df i e l d 图中信号脉冲的倍率= l 时称为单倍周期法，如果w i 则称为多倍周期法。 为时间，内时钟脉冲r 的个数。 实际测量时，一般将信号脉冲上升沿或下降沿作为微处理器内部定时器的启 停控制信号，控制计数器对微处理器工作时钟计数，从而换算出信号脉冲周期， 由此可以计算信号脉冲的频率。对于频带较宽的信号测量，为了避免单纯采用m 法或t 法的各自缺陷，在信号频率较低时采用t 法，在信号频率较高时则采用m 法， 1 2 东北大学硕士学位论文第二章系统总体方案设计 这种测量方法称m t 法。 频压转换法又称f v 法，利用频压转换芯片，设置好参考电压对应的信号频 率，通过对转换后的信号电压的测量，计算出脉冲信号的频率： ，叫等 ( 2 5 ) 式中v 一一脉冲信号转换后的电压值( v ) ： 一一a i d 芯片正压参考值( v ) ； 圪一一a d 芯片负压参考值( v ) ； 五一一对应的脉冲频率( h z ) ； z 一一屹对应的脉冲频率( h z ) 这种方法比较复杂，经过转换后精度难以保证，实际应用很少。 2 2 2 2 电压信号的测量原理 对于电压信号一般采用模数转换a d ，将模拟量转换成数字量，计算公式为： 7 d ：善2 6 ( 2 6 ) 矿， 一 式中d 一一a d 转换结果； 巧一一电压信号( v ) ； 一一a d 参考电压( v ) ； b 一一a d 转换位数。 2 , 2 2 - 3 测量数学模型的建立 ( 1 ) 车速信号的频率 将传感器安装于变速箱原车速表测速位置。设汽车车轮滚动半径为，主减速 器速比为i ，变速器蜗轮蜗杆速比为尼，传感器输出信号脉冲数为z ，车轮转速为n ， 车速脉冲信号的频率为工。汽车车速为： v ：2 7 f t l = 2 石r 三五 ( 2 7 ) 其中r 、i 、k 、”对某一特定的车型来说都为常数，且仅与车型有关。设 c ：坦，我们称之为车型系数，其物理意义为汽车质心在每车速脉冲信号周期 时间内移动的距离。因此式( 2 7 ) 又可以写成： v = 强( 2 8 ) 则车速信号频率为： z = 去 ( 2 9 ) 一1 3 东北大学硕士学位论文 第二章系统总体方案设计 考虑到实时性和精度的要求，认为采用自适应多倍周期法较好，设车速信号 周期为双，由式( 2 8 ) 和式( 2 3 ) 得车速计算公式为： cc f 矿 ”f 2 丽 ( 2 l o ) 在忽略时基误差时，车速信号的频率误差： 虻署d = 品d n ( 2 1 1 ) n2 tc w 可见，当倍率彤一定时，测量误差随着车速的升高呈平方关系增大，当车速