数字信号处理在汽车领域的四个应用趋势

上网时间: 2004年11月01日? 作者:Kenton Williston? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:汽车电子? 引擎? 变速控制?

数字信号处理已经渗透到当今汽车的各个角落,从引擎控制到娱乐系统。全球汽车年销售量已达6000万辆,对信号处理技术来说汽车应用是一个巨大的市场。据BDTI预测,全球针对汽车电子的信号处理市场将从2003年的1亿6千万美元增长到2008年的3亿6千万美元。如图-1所示。

本文将探讨汽车信号处理的四个应用领域:引擎和变速控制、安全和便利性、电动转向和刹车,以及“信息娱乐(infotainment)”。针对每一应用领域,我们分析现有和将来的信号处理技术应用,重点集中在几个值得特别关注的应用。我们也突出强调了这些应用背后的驱动力量,比如政府法规、成本压力,以及汽车制造商想标新立异的愿望。

引擎和变速控制

有几个原因促使信号处理在汽车引擎和变速控制方面的应用尤其普遍。欧美政府强制执行的空气净化法规迫使汽车制造商设计开发更为节能的引擎和变速装置。燃料使用效率对消费者也十分重要,特别是在油价高昂的地区。此外,消费者也希望得到强劲的性能。在满足这些需求的同时,汽车制造商也想降低成本及缩短设计周期。信号处理技术有助于实现所有这些目标。HSPACE=12 ALT="图1:DSP在汽车市场出货量预测。包括面向汽车娱乐、导航、驾驶信息、引擎控制及其它汽车应用的芯片。">

1)引擎控制器


引擎采用电子控制已有多年历史。但直到最近,这些控制器主要依靠静态查找表来确定如何调整引擎参数。现今,引擎控制器采用了更为复杂的算法,比如那些用于检测引擎爆震音的算法。

“爆震”是指未受控制的燃料燃烧,它对尾气排放、燃烧效率和引擎寿命都有负面影响。以前,引擎控制器采用保守的预定义设置来防止爆震的发生。但是,引擎在处于爆震临界状态时工作效率才能达到最高,因此传统的办法限定了引擎的动力。为解决这一问题,现代的引擎控制器采用信号处理算法来检测爆震征兆,这样引擎就可工作于爆震临界状态。

控制器也开始采用差分方程对引擎行为进行建模。这些方程可让引擎控制器针对引擎状态微调其响应,而不是依靠事先设定的查寻表参数。采用行为建模的方法也可减少花费在引擎校准上的时间。采用查寻表方法时,校准需要在一系列条件下对引擎进行测试,这一过程要花费大量的时间和金钱。然而,对于一个基于行为建模的控制器,确定其参数仅需少量测试即可。

由于引擎控制器开始控制越来越多的引擎功能,其设计也变得越来越复杂。对于一个先进的引擎,其阀门由纯粹的机械系统所控制,但是阀门定时开始采用电子控制。将来的引擎可能全部采用电子阀门,每个阀门都由一个螺线管操纵。这些日趋复杂的控制需要额外的信号处理。

信号处理也可为各种电动马达提供了平滑控制。电子启动涡轮增压器就是一个值得关注的马达控制应用。涡轮增压器可提高引擎的效率,但它也会造成“延迟”。亦即,从汽车驾驶者踩下加速器到涡轮增压器产生额外的动力,期间会有一段明显的时间间隔。如果引擎设计人员为涡轮增压器添加一个电动马达,这一延迟现象就会消失。

复杂的电动马达也可用于混合型汽车,这种汽车由内燃机和电动马达混合驱动。现在的汽车仅有一个电动马达,但将来的汽车可能会采用多马达驱动,从而大大增加对马达控制器的需求。电动马达控制对还处于开发阶段的燃料电池驱动汽车也很重要。

2)变速器


变速器也越来越依赖于复杂的信号处理算法。例如,现已有几款车型配有计算机控制的“手动”变速器,不再需要离合器踏板。这些系统采用与现代引擎控制器类似的方式,即基于模型的方法来决定如何及何时换档变速。这种模型根据有关摩擦、传动装置同步速度及其它变速参数等信息来执行相应的变速操作。电动系统要比手动操作快得多,而且在不太恶劣的驾驶条件下可实现超平滑的变速。

3)降低成本


除了提供更好的性能和效率外,信号处理技术还可降低引擎和变速控制器的成本。例如,这些控制器可采用数字信号处理,而不用模拟信号调节,因为模拟电路成本高且灵活性低。一个为四缸发动机设计的模拟信号调节硬件可能对6缸发动机毫无用途。但是,如果采用数字信号处理,同样的引擎控制器稍做调整即可用于不同的引擎结构,而且改动软件即可。这样就可以大大降低开发成本,并减少汽车制造商的配件库存。此外,数字信号处理也可减少引擎所需配件数量,从而降低成本。

引擎一般都有很多传感器,而且这些传感器的输出都是相互关联的。采用信号处理技术可让引擎设计人员省去一些传感器,因为有些传感器数据可从其它传感器得出。这一点尤其重要,因为传感器是引擎最昂贵的组件之一。

安全和便利性HSPACE=12 ALT="表1:部分热门应用及一些没被广泛采纳的应用。">

安全和便利性方面的应用是汽车信号处理技术一大主要驱动力。消费者在购车时往往将安全放在第一位。可想而知,汽车制造商总是使出浑身解数向消费者展示他们的产品在安全性能上如何比其他厂家的产品略胜一筹。

气囊是最常见的电控安全系统之一。汽车制造商在其汽车上安装更多的气囊和传感器的同时,气囊控制器也要求更为复杂的算法。例如,汽车制造商想通过调整乘客的位置来提高气囊的性能。一种方法是利用机器影像来检测乘客位置,这种技术就需要强大的信号处理能力。

防抱死刹车系统是另一个常见的安全应用。如果刹车时车轮打滑(抱死),防抱死刹车系统就会感应到并暂时释放制动装置。近年来,防抱死刹车系统又扩展成为汽车稳定控制系统。稳定控制系统可以检测到何时驾驶者对汽车的控制有所松弛,最新的系统甚至可以衡量偏航以确定汽车是否有翻车的危险。如果驾驶者放松了对汽车的控制,系统就会根据需要调整引擎动力和刹车装置以确保汽车稳定行使。有些系统还可以绷紧悬架弹簧以阻止翻滚。这些稳定控制系统要分析大量的输入信号,并需要相当复杂的处理。

出于责任方面的考虑,很多最新的汽车安全技术都以“便利”特性为表现方式,而非“安全”特性。例如,一些高档汽车具有自适应巡航控制功能,可利用雷达或激光感应与前方车辆的距离以及车本身的速度。该系统可调整车的速度以便与前方车辆保持同步,这样驾驶者就可在交通不太拥挤的状况下使用巡航控制。

这种系统的功能还可进一步扩展。比如,当前方车辆突然停下来时,该系统可启动刹车装置以防止碰撞。然而由于责任问题,现今的系统并不提供这一功能。相反,当出现撞车的危险时,这类系统往往做些减少伤害的准备。例如,巡航控制系统可能会向座位控制器发送信号,将座位移动到一个竖直的位置以减少伤害。

有些新款汽车还带有车道偏离警告系统,当汽车非有意识地偏离车道时告警就会触发。这种系统采用机器影像,将于今年晚些时候首先在美国乘客车辆中投入使用。如果检测到非有意偏离车道的情况发生,比如驾驶者换车道时没有打转向信号,这种系统就会通过声音告警或其它方式向驾驶者发出警告。目前,美国的这种告警系统并没有提供阻止偏离车道的功能。然而,日本已开始启用具有这一功能的告警系统,可能是因为日本不像美国那样喜欢打官司的缘故。

电动转向和刹车

电动转向和刹车也是新出现的信号处理应用。电动转向系统正变得越来越流行,因为它比液压转向系统更为有效。高效率可获得明显的节能效果,这对小型车尤其明显。此外,电动转向系统尺寸小,易于安装,而且更加可靠。

基本系统只是简单地用电动液压泵替代传统的传送带驱动液压泵,而较复杂的系统则直接采用电动马达,完全取代了液压系统。这类系统需要信号处理算法来精确控制马达。

即将面世的系统更进一步,用汽车稳定系统来协调电动转向。当汽车偏离正常车道时,这种系统可检测到,并可对转向角度做出适当的调整。再往前看,转向系统将变成全电子化的,驾驶者和转向盘之间将没有任何机械连接。

有些高档刹车系统也开始用电动马达替代液压系统。这种系统利用伺服马达将刹车板推向刹车转向轴。跟电动转向系统一样,这类刹车系统也需要信号处理算法以获得精密的马达控制。

信息娱乐

最后,信号处理也广泛应用于汽车娱乐和信息系统,我们将之统称为“信息娱乐”系统。信号处理可用于实现移动电话和蓝牙信号传输等通信功能,也可实现均衡和MP3解码等音频功能。最近,信号处理也开始应用于DVD播放等视频设备。欲了解更多有关信号处理在音视频方面的应用,请访问网站www.InsideDSP.com。

展望未来

由于政府对尾气排放的要求日益严格,消费者对高性能和高效率的要求也不断提高,复杂信号处理算法的需求将继续增长。政府和消费者也将继续要求更加复杂的安全特性。面对这些需求,汽车制造商无疑会继续用电动系统替代机械系统。此外,消费者也愿意在汽车娱乐及信息产品和服务上花更多的钱。总之,汽车信号处理技术的应用将大有潜力。

作者:Kenton Williston, BDTI

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