一种手动挡机动车档位的自动检测方法及装置与流程

本发明涉及机动车状态自动检测技术领域，具体涉及一种机动车驾驶人驾驶技能培训和考核用的手动挡机动车档位的自动检测方法及装置。

背景技术：

档位是机动车速度控制的关键执行机构，能否根据道路交通的实际状况合理控制档位，进而合理控制车速，是机动车驾驶技能中的一项重要内容。所以，在机动车驾驶技能的规范化培训和自动化考核中，为了准确、科学地评价驾驶人的驾驶技能，对机动车档位的自动检测成为一项重要的前提和基础。

传统上，对机动车档位的检测方法是制作一套粗大、笨重的机械结构件套在档位操纵杆上，结构件在对应每个档位位置上安装有霍尔传感器或光电传感器，利用安装在操纵杆上的磁铁或操纵杆的遮挡效应来检测档位状态；这种结构件制作复杂，安装工作量大，安装后结构件和传感器容易脱落和损坏；并且在机动车操纵杆使用一段时间后，各个档位状态间存在较大的空隙，操纵杆便具有了一定的自由行程，在机动车行驶过程中会出现晃动，导致档位检测出现错判。随着机动车加工工艺的改进，档位操纵机构精密度越来越高，留给档位检测机构安装的空间越来越小，使得这种方法越来越难以满足档位检测的要求。

为了克服上述方法中因操纵杆晃动导致的检测误判，另外一种档位检测的方法是拆开变速机箱，在换档机构的挡拨叉轴上镶嵌安装上永久磁铁，同时在每个档位挡拨叉轴对应的箱体位置镶嵌安装霍尔传感器，以此实现档位状态的可靠检测；但这种方法安装工作量更大，且由于对变速箱进行了拆解和改动，容易出现机动车动力传递故障，在机动车行驶时可能会因机动车故障导致交通事故，为行车安全埋下了隐患。

还有一种利用机动车的传动比来检测档位状态的方法，即通过检测机动车发动机转速和机动车行驶速度，用软件计算出机动车的传动比，并根据传动比的数值大小间接检测出机动车档位状态；这种方法易受离合器处于松开或半联动状态的影响而使传动比发生改变，使档位检测在离合器踩下时出现错误，所以在使用时存在很大局限性。

技术实现要素：

为了解决上述背景技术中出现的问题，本发明的目的在于提供一种手动挡机动车档位的自动检测方法及装置。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种手动档机动车档位的自动检测方法，其包括以下步骤：

(1)对机动车档位相对空间姿态最大分布范围进行标定：

分别采集操纵杆在1档、2档、3档、4档、5档、倒档或空档内，操纵杆处于该档位的前、后、左、右四个方向的最大自由行程时的空间姿态；同时通过采集此时机动车的空间姿态；然后将操纵杆的空间姿态减去机动车的空间姿态，从而计算出操纵杆在此档位的前、后、左、右四个方向的最大自由行程时的相对空间姿态；则以其为边界而标定出操纵杆在该档位内的相对空间姿态最大分布范围；根据此方法，依次标出操纵杆在各档位的相对空间姿态最大分布范围；

(2)档位检测：

a.先采集机动车的空间姿态，再采集操纵杆的空间姿态；

b.将步骤a中采集到的机动车的空间姿态和操纵杆的空间姿态数值分别进行条件滑窗滤波处理，以消除采集过程中外部干扰和噪声的影响；

c.将经步骤b处理后的操纵杆的空间姿态数值减去处理后的机动车空间姿态数值，得到此时档位的初步空间姿态数值；

d.把档位的初步空间姿态数值与步骤(1)标定的操纵杆在各档位内的相对空间姿态最大分布范围进行比较，得到档位状态的检测值；

e.对步骤d得出的档位状态的检测值进行评估，以消除相邻档位之间重叠范围的影响，得到档位状态评估值；

f.把档位状态评估值作为实际状态显示出来，并同时送到上位机中，则完成一次档位状态的检测。

进一步方案，步骤(1)、(2)中空间姿态的采集都是通过陀螺仪采集的。

进一步方案，步骤(1)中空间姿态采用东北天坐标系的坐标(α，β，γ)来表示，该坐标系以指向正东方的坐标轴为x轴，以指向正北方的坐标轴为y轴，以垂直向上的坐标轴为z轴；在物体发生绕x轴偏转时，其偏转角称为俯仰角，用α表示；绕y轴偏转时，其偏转角称为横滚角，用β表示；绕z轴偏转时，其偏转角称为偏航角，用γ表示。

进一步方案，步骤b中所述条件滑窗滤波处理是对采集到的机动车的空间姿态和操纵杆的空间姿态数值分别按下面公式进行平均值验算：

前n次检测数值的平均值：

当前检测数值的绝对误差：

σi＝|xi-av(xi)|

前n次检测误差的平均值：

则空间姿态数值为：

当

式中xi为当前检测得到的数值，xi+1为前一次检测得到的数值，xi+2为前面第二次检测得到的数值，……，以此类推，xi+n为前面第n次检测得到的数据值。

进一步方案，步骤e中对档位状态的检测值进行评估，其步骤如下：

(1)将检测得到的当前档位状态的检测值与上一个档位状态的检测值进行比较，如果二者相等，则表明没有换档操作，将该档位状态的检测值输出为档位评估值；如果二者不相等，则表明进行了换档操作，然后将该档位状态的检测值与空档相对空间姿态最大分布范围进行比较，来判断其是否为空档？

(2)若该档位状态的检测值在空档相对空间姿态最大分布范围内，则认定为当前档位为空档并输出，同时更新上一个档位状态也为空档；否则，则判断上一个档位状态是否为空档？

(3)若上一个档位状态为空档，则将当前档位状态的检测值作为档位评估值并输出，同时更新上一个档位状态为当前档位状态的检测值；若上一个档位状态不是空档，则需判断当前检测档位状态是否为倒档？

(4)若当前档位状态的检测值在倒档相对空间姿态最大分布范围内，则需判断上一个档位状态是否为1档；若上一个档位状态为1档，则将当前档位状态的检测值评估为倒档并输出，同时更新上一个档位状态为倒档；若上一个档位状态不是1档，则报告换挡错误，再将该档位状态的检测值评估为倒档并输出，同时更新上一个档位状态为倒档；

(5)若当前档位状态的检测值不在倒档相对空间姿态最大分布范围内，则需判断上一个档位是否为倒档？若上一个档位是倒档，则需判断该检测档位是否为1档；若是，则将当前档位状态评估为1档输出，同时更新上一个档位为1档；若不是，则报告换挡错误，再将当前档位状态的检测值评估为倒档并输出，同时更新上一个档位也为当前档位状态的检测值；

(6)若上一个档位不是倒档，则需判断是否发生跳档？若发生跳档，报告换挡错误，并将当前档位状态的检测值直接输出，同时更新上一个档位状态也为当前档位状态的检测值；若没有发生跳档，则将当前档位状态的检测值直接输出，同时更新上一个档位状态也为当前档位状态的检测值。

本发明的另一个发明目的是提供实现上述一种手动挡机动车档位的自动检测方法的检测装置，包括操纵杆和安装在车内的检测盒；所述操纵杆上套设有紧固件，所述紧固件的内部水平固设有第二陀螺仪，所述第二陀螺仪的y轴与车身中轴线保持平行；所述检测盒里水平安装有第一陀螺仪，所述第一陀螺仪的y轴与车身中轴线保持平行；所述第二陀螺仪通过电缆与检测盒交互式连接，所述检测盒与上位机通讯。

进一步方案，所述检测盒内设有单片机，所述单片机分别与第一陀螺仪、第二陀螺仪、存储器进行交互式连接，单片机的输出端通过串/并转换电路与数码管连接用于显示。

进一步方案，所述单片机依次通过串口/usb口转换器、usb插座与上位机通讯，或依次通过电平转换电路、串口插座与上位机通讯。

优选的，所述第一陀螺仪和第二陀螺仪选用mpu6050陀螺仪，单片机的cpu选用stm32f103，存储器选用flash芯片w25q64，串/并转换电路选用74hc164移位寄存器，串口/usb口转换器选用ch340g，电平转换电路选用通用串口电路芯片sp3232e作为ttl串口与rs232串口的电平转换电路，用于实现单片机与上位机的串口通讯。

机动车的操纵杆作为刚性物体，其在各个档位之间切换时，其空间姿态也随之发生变化，且在每个档位中对应的空间姿态数值在理想状态下是不变的，只要检测出操纵杆的空间姿态，就可以检测出机动车的档位状态。

由于操纵杆的载体是机动车，机动车是可以运动的物体，位于其上的操纵杆即使自身不动，其空间姿态也会随机动车的运动而改变；但操纵杆一旦在机动车上安装，其相对于机动车的位置是固定的，不会随机动车运动而改变；故每个档位状态相对于机动车的空间姿态也是固定的，不会随机动车运动而改变；如果进行换挡操作，改变档位状态，则操纵杆与机动车之间相对空间姿态从一个数值变为另一个数值，而这个数值是不会随机动车的运动而改变。

如此，对档位的检测就转变为对操纵杆与机动车之间相对空间姿态变化量的检测，实际工作时，先检测出操纵杆和机动车的空间姿态，再用操纵杆的空间姿态减去机动车的空间姿态，得到档位操纵杆相对空间姿态，把该相对空间姿态与预先测量得到的各个档位状态的相对空间姿态进行比较，数值相同或最接近的即为档位操纵杆对应的档位状态，也即检测出机动车的档位状态。

所以采用本发明的装置和方法对机动车档位状态进行检测，具有以下明显优点：

(1)通用性好，本发明的检测方法可以适用于任何手动挡机动车的档位检测，无需针对不同车型设计不同的传感器安装结构；

(2)安装方便，只需把陀螺仪通过紧固件套装在操纵杆上，再把检测盒用螺丝固定在车上就可以，无需对机动车进行拆卸，不影响机动车的原有性能和安全性；

(3)可靠性高，通过算法对可能出现的干扰和噪声进行剔除和滤波处理，实际工作时可以根据系统设计对可靠性的不同要求调整条件滤波的相关参数，以此提高档位检测结果的可靠性；

(4)检测误判率低，档位检测时把操纵杆的自由行程考虑在内，并对档位检测值进行二次评估，提高档位检测的准确性，使之不受机动车新旧磨损的影响；

(5)实时性好，本发明中采用的所有工作电路都具有较高的工作频率，数据采集的刷新率达到100hz，具有很好的实时性。

附图说明

图1是本发明检测装置的结构示意图；

图2是本发明的电路原理图；

图3是手动挡机动车的档位示意图；

图4是有缝隙的机动车档位示意图；

图5是档位检测结果评估流程图；

图6是本发明中单片机、存储器和串/并转换电路图；

图7是本发明中串口/usb口转换器的电路图；

图8是本发明中电平转换电路的电路图；

图9是操纵杆姿态检测时采集数据的分布图。

图中：11-操纵杆，12-紧固件，13.1-第一陀螺仪，13.2-第二陀螺仪，14-上位机，15-检测盒，15.1-单片机，15.2-存储器，15.3-串/并转换电路，15.4-数码管，15.5-串口/usb口转换器，15.6-usb插座，15.7-电平转换电路，15.8-串口插座。

具体实施方式

实施例1：

如图1、2所示，一种手动挡机动车档位的自动检测装置，包括操纵杆11和安装在车内的检测盒15；所述操纵杆11上上套设有紧固件12，所述紧固件12的内部水平固设有第二陀螺仪13.2，所述第二陀螺仪13.2的y轴与车身中轴线保持平行；所述检测盒15里水平安装有第一陀螺仪13.1，所述第一陀螺仪13.1的y轴与车身中轴线保持平行；所述第二陀螺仪13.2通过电缆与检测盒15交互式连接，所述检测盒15与上位机14通讯。

所述检测盒15内设有单片机15.1，所述单片机15.1分别与第一陀螺仪13.1、第二陀螺仪13.2、存储器15.2进行交互式连接，单片机15.1的输出端通过串/并转换电路15.3与数码管15.4连接用于显示。

所述单片机15.1依次通过串口/usb口转换器15.5、usb插座15.6与上位机14通讯，或依次通过电平转换电路15.7、串口插座15.8与上位机14通讯。

所述第一陀螺仪13.1和第二陀螺仪13.2选用mpu6050陀螺仪，单片机15.1的cpu选用stm32f103，存储器15.2选用flash芯片w25q64，串/并转换电路15.3选用74hc164移位寄存器，串口/usb口转换器15.5选用ch340g，电平转换电路15.7选用通用串口电路芯片sp3232e作为ttl串口与rs232串口的电平转换电路，用于实现单片机15.1与上位机14的串口通讯。

单片机15.1的cpu选用stm32f103完成档位数据采集、处理和通讯功能，stm32f103的cpu主频高达72mhz，内部具有20kram、2个spi口、2个i²c口、3个异步串口和1个usb口，单片机的详细工作电路如图6所示。

存储器15.2选用一片flash芯片w25q64作为程序和档位标定数据存储器，w25q64具有8m字节的存储容量，数据读写速度达到40mb/s，w25q64通过spi口与stm32f103相连，其详细工作电路如图6所示。

串/并转换电路15.3选用一片74hc164移位寄存器用于接收单片机stm32f103输出的8位串行数据，再转换为8位并行数据输出，同时把这8位并行数据锁存作为8段数码管15.4的显示控制电路，用于档位检测状态的显示，74hc164输入与stm32f103的通用io端相连，输出与8段数码管相连，其详细工作电路如图6所示。

串口/usb口转换器15.5选用一片ch340g作为串口/usb口转换电路，实现本发明中单片机与上位机之间的通讯，其中本发明中的单片机采用串口，与之相连的上位机采用usb口；ch340g的输入与stm32f103的异步串口uart端相连，输出与一个通用miniusb插座相连，工作时用一根usb电缆线把上位机与档位检测器连接起来，其详细工作电路如图7所示；

本发明还提供另外一种与上位机通讯的方法，即选用一片通用串口电路芯片sp3232e作为ttl串口与rs232串口的电平转换电路15.7，用于实现与上位机的串口通讯，sp3232e的输入与stm32f103的异步串口uart端相连，输出数据通过一个3针接插件连接到一个通用rs232的db9插头，db9插头工作时连接到上位机，其详细工作电路如图8所示。

陀螺仪选用mpu6050芯片，用于空间姿态的检测，并采用“东北天坐标系”对目标的空间姿态进行检测。

实施例2：

一种手动档机动车档位的自动检测方法，其包括以下步骤：

(1)对机动车档位相对空间姿态最大分布范围进行标定：

通过第二陀螺仪13.2分别采集操纵杆在1档、2档、3档、4档、5档、倒档或空档内，操纵杆处于该档位的前、后、左、右四个方向的最大自由行程时的空间姿态；同时通过第一陀螺仪13.1采集此时机动车的空间姿态；然后将操纵杆的空间姿态减去机动车的空间姿态，从而计算出操纵杆在此档位的前、后、左、右四个方向的最大自由行程时的相对空间姿态；则以其为边界而标定出操纵杆在该档位内的相对空间姿态最大分布范围；根据此方法，依次标出操纵杆在各档位的相对空间姿态最大分布范围；

(2)档位检测：

a.通过第一陀螺仪13.1采集机动车的空间姿态，通过第二陀螺仪13.2采集操纵杆的空间姿态；

b.将步骤a中采集到的机动车的空间姿态和操纵杆的空间姿态数值分别进行条件滑窗滤波处理，以消除采集过程中外部干扰和噪声的影响；

c.将经步骤b处理后的操纵杆的空间姿态数值减去处理后的机动车空间姿态数值，得到此时档位的初步空间姿态数值；

d.把档位的初步空间姿态数值与步骤(1)标定的操纵杆在各档位内的相对空间姿态最大分布范围进行比较，得到档位状态的检测值；

e.对步骤d得出的档位状态的检测值进行评估，以消除相邻档位之间重叠范围的影响，得到档位状态评估值；

f.把档位状态评估值作为实际状态显示出来，并同时送到上位机14中，则完成一次档位状态的检测。

进一步方案，步骤(1)中空间姿态采用东北天坐标系的坐标(α，β，γ)来表示，该坐标系以指向正东方的坐标轴为x轴，以指向正北方的坐标轴为y轴，以垂直向上的坐标轴为z轴；在物体发生绕x轴偏转时，其偏转角称为俯仰角，用α表示；绕y轴偏转时，其偏转角称为横滚角，用β表示；绕z轴偏转时，其偏转角称为偏航角，用γ表示。

进一步方案，步骤b中所述条件滑窗滤波处理是对采集到的机动车的空间姿态和操纵杆的空间姿态数值分别按下面公式进行平均值验算：

前n次检测数值的平均值：

当前检测数值的绝对误差：

σi＝|xi-av(xi)|

前n次检测误差的平均值：

则空间姿态数值为：

当

式中xi为当前检测得到的数值，xi+1为前一次检测得到的数值，xi+2为前面第二次检测得到的数值，……，以此类推，xi+n为前面第n次检测得到的数据值。

进一步方案，步骤e中对档位状态的检测值进行评估，如图5所示，其步骤如下：

(1)将检测得到的当前档位状态的检测值与上一个档位状态的检测值进行比较，如果二者相等，则表明没有换档操作，将该档位状态的检测值输出为档位评估值；如果二者不相等，则表明进行了换档操作，然后将该档位状态的检测值与空档相对空间姿态最大分布范围进行比较，来判断其是否为空档？

(2)若该档位状态的检测值在空档相对空间姿态最大分布范围内，则认定为当前档位为空档并输出，同时更新上一个档位状态也为空档；否则，则判断上一个档位状态是否为空档？

(3)若上一个档位状态为空档，则将当前档位状态的检测值作为档位评估值并输出，同时更新上一个档位状态为当前档位状态的检测值；若上一个档位状态不是空档，则需判断当前检测档位状态是否为倒档？

(4)若当前档位状态的检测值在倒档相对空间姿态最大分布范围内，则需判断上一个档位状态是否为1档；若上一个档位状态为1档，则将当前档位状态的检测值评估为倒档并输出，同时更新上一个档位状态为倒档；若上一个档位状态不是1档，则报告换挡错误，再将该档位状态的检测值评估为倒档并输出，同时更新上一个档位状态为倒档；

(5)若当前档位状态的检测值不在倒档相对空间姿态最大分布范围内，则需判断上一个档位是否为倒档？若上一个档位是倒档，则需判断该检测档位是否为1档；若是，则将当前档位状态评估为1档输出，同时更新上一个档位为1档；若不是，则报告换挡错误，再将当前档位状态的检测值评估为倒档并输出，同时更新上一个档位也为当前档位状态的检测值；

(6)若上一个档位不是倒档，则需判断是否发生跳档？若发生跳档，报告换挡错误，并将当前档位状态的检测值直接输出，同时更新上一个档位状态也为当前档位状态的检测值；若没有发生跳档，则将当前档位状态的检测值直接输出，同时更新上一个档位状态也为当前档位状态的检测值。

手动挡机动车的档位分为前进档、倒档和空档，前进档又分为1档、2档、3档、4档、5档，如图3所示；这里，用字符1、2、3、4、5、r、n分别表示1档、2档、3档、4档、5档、倒档、空档；用编码1、2、3、4、5、7、0分别表示1档、2档、3档、4档、5档、倒档、空档。另外，由于在换挡过程中操纵杆的位置是随机，故将操纵杆不处于一个固定档位上时状态标为过渡档，用8表示。

本发明用“东北天坐标系”来表示物体的空间姿态，该坐标系以指向正东方的坐标轴为x轴，以指向正北方的坐标轴为y轴，以垂直向上的坐标轴为z轴；在物体发生绕x轴偏转时，其偏转角称为俯仰角，用α表示；绕y轴偏转时，其偏转角称为横滚角，用β表示；绕z轴偏转时，其偏转角称为偏航角，用γ表示；所以，一个物体的空间姿态可以用一组坐标(α，β，γ)来表示。

所以机动车的空间姿态用坐标(αcar，βcar，γcar)来表示，操纵杆的空间姿态用坐标(αi，βi，γi)来表示，其中i＝0、1、2、3、4、5、7、8，分别对应档位操纵杆位于空档、1档、2档、3档、4档、5档、倒档、过渡档的空间姿态。理想情况下，操纵杆处于1档、2档、3档、4档、5档、倒档、空档位置时，相对对机动车的相对空间姿态坐标(△αi，△βi，△γi)是固定值，可以事先测量得到，i＝0、1、2、3、4、5、7时操纵杆的相对空间姿态坐标(△αi，△βi，△γi)，以及操纵杆在各档位内前、后、左、右四个方向的最大自由行程时的相对空间姿态；则以其为边界而标定出操纵杆在该档位内的相对空间姿态最大分布范围。

其中：

△αi＝αi─αcar

△βi＝βi─βcar

△γi＝γi─γcar

其中相对空间姿态最大分布范围的标定方法以操纵杆在空档处为例进行说明如下：反复数次晃动操纵杆，使操纵杆在空档的自由行程内分别向左、向右、向前和向后移动到空档时的最大自由行程；此时陀螺仪分别对操纵杆的各个位置的空间姿态进行采集，并减少机动车的空间姿态，即得到操纵杆在空档处而相对于机动车的相对空间姿态数据值；空档姿态数据以100hz的数据刷新率进行采集，通过对采集数据的比较，然后分别得到在空档处，操纵杆的前、后、左、右自由行程最大值snfmax、snbmax、snlmax、snrmax，最后保存，并以snfmax、snbmax、snlmax、snrmax为边界标定为操纵杆在空档的相对空间姿态最大分布范围，如图9所示。

同样可标定出操纵杆在1档、2档、3档、4档、5档、倒档的相对空间姿态最大分布范围。

本发明在实际工作时，采用二个微型陀螺仪作为姿态检测传感器分别检测操纵杆的空间姿态(αi，βi，γi)和机动车的空间姿态(αcar，βcar，γcar)。再计算得到(△αi，△βi，△γi)；然后把(△αi，△βi，△γi)与事先测量得到的结果(△α0，△β0，△γ0)、(△α1，△β1，△γ1)、(△α2，△β2，△γ2)、(△α3，△β3，△γ3)、(△α4，△β4，△γ4)、(△α5，△β5，△γ5)、(△α7，△β7，△γ7)以及档位的操纵杆的相对空间姿态最大分布范围进行比较，与哪一组坐标相同或在哪个档位的操纵杆的相对空间姿态最大分布范围内，就得到该坐标对应的档位状态，也即档位操纵杆处于哪个档位；如果比较结果，与这些坐标都不同，则定义(△αi，△βi，△γi)＝(△α8，△β8，△γ8)，处于过渡档，即操纵杆处于换挡过程。

为抑制档位状态检测过程中外部干扰和噪声的影响，采用条件滑窗滤波对检测数据进行处理；条件滑窗滤波处理具有运算简单，抑制效果好的优点，具体处理过程如下：

xi为当前检测得到的数据值，xi+1为前一次检测得到的数据值，xi+2为前面第二次检测得到的数据值，以此类推，xi+n为前面第n次检测得到的数据值；通过计算得到：

前n次检测结果的平均值

当前检测结果的绝对误差

σi＝|xi-av(xi)|

前n次检测误差的平均值

检测结果输出

实际工作时，对检测得到的空间姿态的三个坐标分量△αi、△βi、△γi分别进行上面介绍的条件滑窗滤波处理，然后再与各档位事先测得的坐标值及标定的各档位的相对空间姿态最大分布范围进行比较，得到相应的档位状态，以此完成档位的检测。

由于机动车在使用一段时间后，操纵杆与各档位机构间将出现缝隙，操纵杆有了自由行程，每个档位状态对应的空间姿态不再是一个固定的数值，而是一个数值范围，并且各个档位状态的数值范围可能出现重叠，如图4所示，档位外围的方框内都是操纵杆在该档位可能所处的位置。如：1档时，操纵杆偏向右边，可能被误判为3档；若3档时，操纵杆偏向左边，可能被误判为1档，偏向右边则可能被误判为5档；等等；处理不好，将给档位状态检测带来严重误判。

为了避免出现档位检测的误判，根据换挡操作的特点对档位状态进行评估。换挡时，操纵杆先从当前档位退出，回到空档，再由空档进入新的档位，且换挡时不能跳档，即新档位与老档位变化不能超过1；如1档变换到3档，只能先进到2档再进到3档；5档变换到3档，只能先退到4档再退到3档；等等。根据这一换挡操作的特点，按图5所示的评估方法对档位检测得到的结果进行评估，评估输出作为档位检测最终值。

以上实施例并非仅限于本发明的保护范围，所有基于本发明的基本思想而进行修改或变动的都属于本发明的保护范围。