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第7章汽车电子新技术本章内容：汽车“黑匣子”全球定位（GPS）系统智能汽车与自动化高速公路蜂窝电话一、汽车“黑匣子”又称汽车行驶记录仪,是安装在车辆上,对车辆行驶速度、时间、里程以及有关车辆行驶的其他状态信息进行记录、存储并可通过接口实现数据输出的数字式电子记录装置。它记录汽车运行期间的各种综合信息数据,可以帮助有关部门快速查找事故原因,检查考核汽车运行车况及汽车驾驶员操作情况,对提高交通的管理执法水平和运输管理水平、保障车辆运行安全有着重要的实际作用及意义。作用：记录汽车在行驶过程中的各种参数，如车速、行驶方向、超速行驶、高速转弯、车内人员对话、车内异常音响以及驾驶员行车状态等，根据汽车“黑匣子”的记录，对事故进行分析，准确地判断汽车肇事的真正原因。功能：对汽车进行性能比较、状态监视、视情维护、行驶试验等。组成：记录器、显示器、数据采集处理卡、PC机处理软件系统、传感器。“黑匣子”的功能1．性能比较记录汽车行驶参数，对同车型或同类同等级汽车的性能指标逐项比较，评价性能优劣，为性能改进、提高提供原始资料。2．状态监视常与安全警告装置一起使用，可以报警方式提醒驾驶员，防止超速行驶、高速转弯、发动机温升超限、电器短路等事故发生。3．事故分析根据汽车碰撞、翻车、坠毁前记录下的车速、行驶方向、过载、发动机功率/转速等信息，及车内人员对话、驾驶员与调度室通信联络，可供公安部门分析事故原因。还可把“黑匣子”所记录下的信息，经处理后送入电子模拟器，重演／现事故的经过情况，形象地分析肇事原因。“黑匣子”的功能4．视情维护被“黑匣子”记录下的异常数据为开展视情维护提供重要的信息，即汽车上哪个系统、哪个零部件不正常就修理哪里，作到有的放矢。节省了人力，省去了不必要的维修费，提高了车辆使用率，增加了经济效益。5．行驶试验“黑匣子”能记录下全部试验数据，例如用应变计、加速度计和速度传感器把测得的数据记录在磁带上，然后进行频谱和功率谱分析，以便日后对该型汽车的某一部分的结构作惯性、刚度、气动外形、减震等方面的修改。又如，对汽车环境振动数据的记录和分析，不仅对疲劳寿命研究十分有用，而且还能为车载仪表装置和其他系统的设计、改进提供依据。“黑匣子”组成及原理记录器(“黑匣子”的主体部分)：在汽车行驶过程中客观、精确地记录下多种工作状况-前进、加减速、匀速、转弯、倒车、爬坡、上下桥、怠速、飞车时的参数。有防潮、水密、抗震、防火、抗燃烧功能，工作状态稳定、性能可靠、具有极高的抗电子干扰能力，工作温度适用的范围较宽。遇到不测或被切断电源后，记录下的数据被保留，并可保存10年以上，时钟运行可保持1个月，便于分析汽车故障、汽车事故。数据采集处理卡：便携式数据采集、存贮、显示、存挡、报警受话的磁卡，插入记录器由中/英文显示并记录该汽车的牌号、驾驶证号、采集的时间及各种状态和工作数据，也可把若干数据送PC机存档，进行图像处理、事故再现分析等，还可作为汽车遭劫、被盗报警时受话及解警用（248编码的电子钥匙和锁配套使用，能在1-10分钟内自动断电、断油、阻止非法使用）。“黑匣子”组成及原理传感器：能够向记录器提供汽车行驶时的速度信号、方向角信号等。国内泛用的传感器为SGQ-B1、-B3、-B4、-B5、-B6、-B7。桑塔纳和标致轿车可选用SGQ--B3；丰田、日野、夏利、三菱、皇冠2.8、大宇、金杯、五十铃面包车等可选用SGQ-B1;PC机处理软件系统：可直接采集、设置记录器中的汽车参数时间、限速范围和一切能改写的参数，也可采集从采集处理器中得到的数据，供事故分析和存挡；还可以图线形式再现发生事故的汽车行驶轨迹;显示器：位于仪表板上，能及时反映出汽车行驶时的动态数据，供驾驶员了解车况并纠控。超速时立即报警。显示内容包括时间、瞬时车速、本次里程等。JZH-B型汽车“黑匣子”：汽车行驶过程中的各种状态信号及速度信号相关的状态开关，专用速度传感器经光耦隔离输入到主单片机进行数据处理;处理后的数据在断电后即送至E2PROM存贮器中，并以4次/秒速度发送到显示器;显示器通讯接口为双向接口，通过该接口专用的数据采集处理器，能采集打印“黑匣子”内部存贮的全部汽车行驶状态信息;主单片机部分采用隔离电源、串行通讯，机壳屏蔽及各种软件抗干扰措施，使JZH-B“黑匣子”具有很强的抗干扰能力。图8-1JZH-B型汽车“黑匣子”结构示意图图8-2JZH-B型汽车“黑匣子”与汽车电器连接示意图二、全球定位（GPS-GlobalPositioningSystem）系统概念：接收定位卫星信号，经微处理器计算出车辆所在准确经纬度及速度方向，并在显示器上显示出来。GPS定位系统包括三大部分：空间部分—GPS卫星星座；地面控制部分—地面监控系统；用户设备部分—GPS信号接收机。GPS定位系统组成：GPS接收天线、接收机、微处理器、车速传感器、陀螺传感器等。GPS系统组成图8-4汽车利用GPS导航GPS卫星星座由24颗绕极卫星所组成，分成六个轨道，运行于约20200公里的高空，绕行地球一周约12小时。每个卫星均持续发射载有卫星轨道数据及时间的无线电波，提供地球上的各种接收机来应用。GPS工作卫星及其星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间相距60度，即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度，一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。在两万公里高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周，即绕地球一周的时间为12恒星时。这样，对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时，为了结算测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间隙段”。但这种时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时控制。GPS工作卫星的编号和试验卫星基本相同。地面监控系统对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。为了追踪及控制上述卫星运转所设置的地面管制站，主要工作为负责修正与维护每个卫星能保持正常运转的各项参数数据，以确保每个卫星都能提供正确的讯息给使用者接收机来接收。另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准—GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。GPS卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。GPS信号接收机追踪所有的GPS卫星，并实时地计算出接收机所在位置的坐标、移动速度及时间。GPS信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。GPS信号接收机所在的运动物体叫做载体（如航行中的船舰，空中的飞机，行走的车辆等）。载体上的GPS接收天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动，接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数（瞬间三维位置和三维速度）。接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包，构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于测地型接收机来说，两个单元一般分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元置于测站附近的适当地方，用电缆线将两者连接成一个整机。也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时将其安置在测站点上。GPS接收机一般用蓄电池做电源。同时采用机内机外两种直流电源。设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。在用机外电池的过程中，机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止丢失数据。近几年，国内引进了许多种类型的GPS测地型接收机。各种类型的GPS测地型接收机用于精密相对定位时，其双频接收机精度可达5mm+1PPM.D，单频接收机在一定距离内精度可达10mm+2PPM.D。用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级。目前，各种类型的GPS接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测。二、全球定位系统GPS系统的组成图8-3GPS系统结构方框图功能基本功能：测量、测绘、精确时间和定位导航。系统功能：对目的地进行最佳路线检索；瞬时再检索；丰富的菜单和记录功能；实时语音提示；扩大十字路口周围建筑物和交通标志；扩展功能。原理原理：GPS导航、自律导航、地图匹配GPS导航计算原理：每个太空卫星在运行时，任一时刻都有一个坐标值来代表其位置所在(已知值)，接收机所在的位置坐标为未知值，而太空卫星的讯息在传送过程中，所需耗费的时间，可经由比对卫星时钟与接收机内的时钟计算之，将此时间差值乘以电波传送速度(一般定为光速)，就可计算出太空卫星与使用者接收机间的距离，如此就可依三角向量关系来列出一个相关的方程式。一般我们使用的接收机就是依上述原理来计算出所在位置的坐标数据，每接收到一颗卫星就可列出一个相关的方程式，因此在至少收到三卫星后，即可计算出平面坐标(经纬度)值，收到四颗则加上高程值，五颗以上更可提高准确度，这就是GPS的基本定位原理。接收机会自动不断地接收卫星讯息，并实时地计算其所在位置的坐标数据。图8-5地图匹配器修正路线图8-6交通信息通信系统框图图8-7奔驰轿车电子导航系统三、智能汽车与自动化高速公路智能汽车：与一般所说的自动驾驶有所不同，是一部装置多台计算机来完成汽车的自动导航、自动驾驶、自动控制和自动检测的现代汽车；主要由安装在汽车前、后端与左、右两侧的红外线摄像机和安装在车内的计算机、电子地图、光学感应器及有关执行装置构成；车内计算机控制系统可根据采集的多种信息，自动选择最佳路线，操纵汽车完成起步、行进、停车、转向、加速、减速等功能。构成系统一套导航信息资料库：存有全国高速公路、普通公路、城市道路以及各种服务设施(餐饮、旅馆、加油站、景点、停车场)的信息资料；GPS定位系统：利用这个系统精确定位车辆所在的位置，与道路资料库中的数据相比较，确定以后的行驶方向；道路状况信息系统：由交通管理中心提供实时的前方道路状况信息，如堵车、事故等，必要时及时改变行驶路线；车辆防碰系统：包括探测雷达、信息处理系统、驾驶控制系统，控制与其他车辆的距离，在探测到障碍物时及时减速或刹车，并把信息传给指挥中心和其他车辆；紧急报警系统：如果出了事故，自动报告指挥中心进行救援；无线通信系统：用于汽车与指挥中心的联络；自动驾驶系统：用于控制汽车的点火、改变速度和转向等。图8-8智能汽车自动化高速公路自动化公路系统（AHS）：是智能型汽车的载体；是为了使“路和路上的车”与交通信息之间通过多种媒体进行沟通交流而达到理想合作的目的。构成：LCX同轴渗透电缆（分段式）与上下端信息处理装置；磁性园钉；基础图象传感器。工作汽车在试验路上行驶时，路侧LCX不断根据公路线形、路面平整度、车辆密度等向汽车发出指示车速等。车载信息装置按指示自动地加速、制动、转向、停车。车体前后端的磁性传感器，通过路面磁性园钉控制汽车在限定车道行驶，同时由小型CCD摄像机检验汽车是否在路面标线内，还可按车内电子地图行驶；具有预选警告功能，路侧的图像传感器可将高速公路前方发生