一种基于三头霍尔档位传感器的换挡拨叉位置判断方法

1.本发明涉及换挡操作的控制领域，具体是一种基于三头霍尔档位传感器的换挡拨叉位置判断方法。


背景技术：

2.目前大型农用车辆，叉车，挖掘机等工程机械的应用范围越来越广，对其进行控制的精度要求和准确性要求也随之提高，特别是工程机械，因其独有的工作优势降低了生产成本，提高了生产效率，随着工况的复杂程度增加，在其原有的基础上做出更加精准的操作是大势所趋。
3.传统的工程机械换挡与挂挡操作较为简单，而实际工作过程中换挡挂挡是极为频繁的操作步骤，在很多工况下，并未能挂挡完全或者是难以判断当前档位的具体位置，对于整个工程机械的操作会产生一定的负面影响，造成操作精准度与使用安全性难以保证。采用三头霍尔档位传感器，能够通过安装在拨叉上的磁片产生的磁场强度，判断某一时刻的拨叉具体位置，从而确保换挡与挂挡操作进行彻底或是及时向驾驶员反馈实时的档位情况；同时辅助驾驶员使工程机械遵从驾驶员意愿运行，提高使用安全性与操作准确性，减缓驾驶员疲劳程度。
4.三头霍尔档位传感器中，由于其他部件的运行产生的振动等影响因素，会对霍尔芯片的线性关系造成一定的影响，增大数据读取的偏差。因此，将外界因素的影响控制在一个合理区间，降低读取偏差，是三头霍尔档位传感器工作过程中的关键。


技术实现要素：

5.鉴于以上现有技术所存在的不足之处，提出一种用于工程机械的三头霍尔档位传感器的拨叉位置判断方法，以期能实现工程机械的彻底挂挡以及对于任一时刻换挡拨叉具体位置的精准判断，从而提高操作稳定性与使用安全性。
6.本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
7.本发明一种基于三头霍尔档位传感器的换挡拨叉位置判断方法的特点在于，所述三头霍尔档位传感器包括：三个霍尔芯片，供电电路、保护电路及pcb板；
8.三个霍尔芯片等间隔并排设置，且每个霍尔芯片上均设置有三个针脚，即vcc输入端、gnd接地端和out输出端；
9.所述供电电路用于提供工作电源；所述保护电路用于防止电路短路和反接；
10.所述pcb板上设置五个上端口以及三组下接口，其中，三个上接口为输出端，并分别记为out1、out2和out3，另外两个上接口分别为vcc电源输入端和gnd接地端；三组下接口分别对应三个霍尔芯片的三个针脚，其中，输出端out
1-out3分别对应连接每个霍尔芯片的out输出端，所述换挡拨叉位置判断方法是按如下步骤进行：
11.步骤1、定义当前换挡次数为i，并初始化i＝1；
12.步骤2、记录当前第i次换挡动作结束时三个霍尔芯片输出的电压值分别为v
1i
、v
2i
和v
3i
；
13.步骤3、对三个电压值v
1i
、v
2i
和v
3i
进行快速重复m次采集，并分别取得平均值和
14.步骤4、令三个霍尔芯片在pcb板上位置记为area1、area2、area3；
15.根据换挡拨叉行程与三个霍尔芯片的输出电压关系分别进行曲线拟合，得到第i次换挡时的三条拟合曲线，并将相邻两条拟合曲线的交点记为p
1i
与p
2i
，从而得到第i次换挡时的三个位置区间d
1i
(area1，p
1i
)、d
2i
(p
1i
，p
2i
)和d
3i
(p
2i
，area3)；
16.令第i次换挡时的三个位置区间d
1i
、d
2i
、d
3i
对应的电压区间记为q
1i
、q
2i
，q
3i
；
17.步骤5、对平均值和在第i次换挡时的位置区间与电压区间所属状态进行判断，若平均值和中有任意一个达到标记电压值且保持稳定，则执行步骤6；否则，执行步骤7；
18.步骤6、根据第i次换挡时的三个霍尔芯片输出的电压值v
1i
、v
2i
和v
3i
，参照各自的拟合曲线，确定第i次换挡时的拨叉位置，从而确定当前档位；
19.步骤7、将i+1赋值给i后，判断i》n是否成立，若成立，则报错，否则返回步骤2顺序执行，其中n表示最大换挡次数。
20.本发明所述的换挡拨叉位置判断方法的特点也在于，步骤3所述位置区间与电压区间的判断方法，其特征在于，按照如下步骤进行：
21.令任意一个霍尔芯片在pcb板上的输出电压值为v
area
、最低输出电压为v
min
、在交点处的输出电压为v
p
；
22.当当在v
min
处保持稳定，则表示换挡拨叉处于位置区间d
1i
，并对应档位1；
23.当则表示换挡拨叉处于位置区间d2，并对应档位2；
24.当在v
min
处保持稳定，则表示换挡拨叉处于位置区间d3，并对应档位3。
25.与已有技术相比，本发明有益成果体现在：
26.1、本发明采用三头霍尔档位传感器，通过霍尔芯片输入输出的线性关系，准确判断拨叉在换挡过程中的具体位置，保证了操作稳定性与使用安全性，提高了工程机械在各种工况下工作的容错率，降低了驾驶员的重复操作，降低了疲劳。
27.2、本发明采用三个霍尔芯片对拨叉上磁片磁场强度进行感知，提高了数据读取精度，确保在任一时刻数据的准确性，辅助驾驶员了解实时挂挡换挡情况，以防止滑档或挂挡不彻底的情况。
28.3、本发明通过优化方法，对于实际工作过程中因发动机等部件产生的振动对霍尔芯片线性关系的影响，通过反复采集换挡过程中三个霍尔芯片的输出数据进行平均计算，保证振动所产生的的影响被控制在一个合理区间，提高了三头霍尔档位传感器的工作稳定性，进而保证了工程机械的换挡挂挡操作能够顺利、彻底完成。
附图说明
29.图1为本发明传感器基本结构图；
30.图2为本发明传感器工作示意图；
31.图3为本发明霍尔芯片输出电压拟合曲线图。
具体实施方式
32.本实施例中，一种三头霍尔档位传感器，普遍用于工程机械、叉车、拖拉机、联合收割机等低速重载车辆，采用三头霍尔档位传感器能够使驾驶员实时了解挂挡与换挡情况，保证了驾驶人员的转向意图，从而降低了作业人员的驾驶难度，避免重复操作，提高了驾驶精度。一种应用于工程机械的三头霍尔档位传感器的拨叉位置判断方法，请参阅图1和图2，包括：
33.首先将三个霍尔芯片安装在pcb板同一侧一字排开，且相邻芯片间距相等，霍尔芯片分别安装在pcb板三个接口上，其中每个霍尔芯片的out输出口分别连接pcb板的out
1-out3输出口。在换挡拨叉移动行程一侧做距离标尺，对三个霍尔芯片位置标记为area1、area2和area3，同时获取三个位置的标记输出电压值v
area1
、v
area2
和v
area3
，分别对应档位1、档位2和档位3的标记电压。
34.当按下换挡按钮时，磁片靠近芯片，产生磁场强度输入，输出与磁场强度成线性比例关系的电压，并获取拨叉由area1位置向area3位置方向移动时三个霍尔芯片输出电压v
1y
、v
2y
和v
3y
以及拨叉移动距离数据a
x
；分别以a
x
为横坐标，以v
1y
、v
2y
和v
3y
为纵坐标作拟合曲线v
1y-v
x
、v
2y-v
x
和v
3y-v
x
，记录三个霍尔芯片输出电压最低值v
min1
、v
min2
和v
min3
；将拟合曲线绘制进同一坐标系，分别获取相邻拟合曲线v
1y-v
x
和v
2y-v
x
及v
2y-v
x
和v
3y-v
x
的交点p1与p2交点坐标，得出交点处输出电压分别为v
p1
和v
p2
。
35.基于上述步骤，确定三个位置区间d1、d2、d3对应的电压区间q1、q2，q3，请参阅图3，由于三个霍尔芯片两两距离相等，根据对称关系，实际标记输出电压值v
area1
≈v
area2
≈v
area3
，同时三个位置输出电压最低值v
min1
≈v
min2
≈v
min3
，交点p1与p2输出电压v
p1
≈v
p2
，为简化判断过程，将三种电压分别记为v
area
、v
min
和v
p
；因此位置区间d1、d2、d3分为代表(area1，p1)、(p1，p2)和(p2，area3)；所述电压区间，当v1∈(v
p
，v
area
)，v2∈(v
min
，v
p
)，v3在v
min
处保持稳定时定义为q1，表示处于d1区间，对应档位1；当v1∈(v
min
，v
p
)，v2∈(v
p
，v
area
)，v3∈(v
min
，v
p
)时定义为q2，表示处于d2区间，对应档位2；当v1在v
min
处保持稳定时，v2∈(v
min
，v
p
)，v3∈(v
p
，v
area
)时定义为q3，表示处于d3区间，对应档位3。
36.在实际操作过程中考虑到发动机振动等其他因素的影响，需要对于霍尔芯片输入输出的线性关系进行进一步的优化，而通过实验发现三个霍尔芯片的线性关系变化趋势相同，即同时增大或同时减小。基于上述变化趋势，在实际操作过程中对于三个芯片的输出情况进行反复的数据采集，考虑到换挡的连贯性与响应时间，采集次数不宜过多，经过试验选定采集i次，对于这i次采集的数据，进行平均值计算，将线性关系的变化控制在一个合理区间。基于此技术，对任一挂挡时刻的v
1i
、v
2i
和v
3i
的电压数值进行快速重复采集，当采集次达到m次时取平均值得到和
37.对于任一次换挡的任一时刻，都能获取三个霍尔芯片的输出电压平均值
和对此时电压平均值和与电压区间所属关系作判断，若此时三个霍尔芯片输出电压中某一个达到标记输出电压v
area
且保持稳定，则判定此时挂挡成功，不再执行下一步操作。若此时无任何输出电压满足上述条件，则通过读取三个位置霍尔芯片输出电压值，根据拟合曲线得到此时具体位置，同时判断和三个电压值的所处区间，若处于q1区间，判定正在执行挂档位1操作，档位油缸对档位1方向供油，重复挂挡操作；若处于q2区间，判定正在执行挂档位2操作，此时再对v1进行判断，若v1∈(v
min
，v
p
)，则档位油缸对档位3方向供油，重复挂挡操作，若v1在v
min
处保持稳定，则档位油缸对档位1方向供油，重复挂挡操作；若处于q3区间，判定正在执行挂档位3操作，档位油缸对档位3方向供油，重复挂挡操作；上述重复挂挡操作超过n次后仍然未成功挂挡，则对系统报错，提醒驾驶员采取相应措施。

技术特征：
1.一种基于三头霍尔档位传感器的换挡拨叉位置判断方法，其特征在于，所述三头霍尔档位传感器包括：三个霍尔芯片，供电电路、保护电路及pcb板；三个霍尔芯片等间隔并排设置，且每个霍尔芯片上均设置有三个针脚，即vcc输入端、gnd接地端和out输出端；所述供电电路用于提供工作电源；所述保护电路用于防止电路短路和反接；所述pcb板上设置五个上端口以及三组下接口，其中，三个上接口为输出端，并分别记为out1、out2和out3，另外两个上接口分别为vcc电源输入端和gnd接地端；三组下接口分别对应三个霍尔芯片的三个针脚，其中，输出端out
1-out3分别对应连接每个霍尔芯片的out输出端，所述换挡拨叉位置判断方法是按如下步骤进行：步骤1、定义当前换挡次数为i，并初始化i＝1；步骤2、记录当前第i次换挡动作结束时三个霍尔芯片输出的电压值分别为v
1i
、v
2i
和v
3i
；步骤3、对三个电压值v
1i
、v
2i
和v
3i
进行快速重复m次采集，并分别取得平均值和步骤4、令三个霍尔芯片在pcb板上位置记为area1、area2、area3；根据换挡拨叉行程与三个霍尔芯片的输出电压关系分别进行曲线拟合，得到第i次换挡时的三条拟合曲线，并将相邻两条拟合曲线的交点记为p
1i
与p
2i
，从而得到第i次换挡时的三个位置区间d
1i
(area1，p
1i
)、d
2i
(p
1i
，p
2i
)和d
3i
(p
2i
，area3)；令第i次换挡时的三个位置区间d
1i
、d
2i
、d
3i
对应的电压区间记为q
1i
、q
2i
，q
3i
；步骤5、对平均值和在第i次换挡时的位置区间与电压区间所属状态进行判断，若平均值和中有任意一个达到标记电压值且保持稳定，则执行步骤6；否则，执行步骤7；步骤6、根据第i次换挡时的三个霍尔芯片输出的电压值v
1i
、v
2i
和v
3i
，参照各自的拟合曲线，确定第i次换挡时的拨叉位置，从而确定当前档位；步骤7、将i+1赋值给i后，判断i>n是否成立，若成立，则报错，否则返回步骤2顺序执行，其中n表示最大换挡次数。2.根据权利要求1所述的换挡拨叉位置判断方法，其特征在于，步骤3所述位置区间与电压区间的判断方法，其特征在于，按照如下步骤进行：令任意一个霍尔芯片在pcb板上的输出电压值为v
area
、最低输出电压为v
min
、在交点处的输出电压为v
p
；当当在v
min
处保持稳定，则表示换挡拨叉处于位置区间d
1i
，并对应档位1；当则表示换挡拨叉处于位置区间d2，并对应档位2；当在v
min
处保持稳定，则表示换挡拨叉处于位置区间d3，并对应档位3。

技术总结
本发明公开了一种三头霍尔档位传感器的换挡拨叉位置判断方法，其步骤是：首先将三个霍尔芯片与一个PCB板安装起来组成档位传感器安装至换挡拨叉工作位置，通过换挡操作，安装在拨叉上的磁片因拨叉的移动对三个芯片产生不同的磁场强度输入，由换挡传感器感知从而输出与磁场强度成线性关系的电压，根据此关系，判断此刻换挡拨叉的准确位置。本发明普适性很强，能够适用于大部分情况下的换挡操作，并能提高驾驶员的操作准确性以及判断精准度。提高驾驶员的操作准确性以及判断精准度。提高驾驶员的操作准确性以及判断精准度。


技术研发人员：夏光 施展 魏志祥 刘贤阳 夏岩 张华磊 陈建杉 纵华宇 盛楠 汪韶杰 孙保群
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：2021.12.14
技术公布日：2022/3/8