車窗防夾算法的探究和實(shí)現(xiàn)

　　引言

　　隨著汽車的普及，汽車的安全性越來越受到人們的重視，畢竟這是關(guān)乎生命安全的大事。而現(xiàn)在汽車多采用電動車窗，但是電動車窗仍存在著較大的安全隱患。到目前為止已經(jīng)有多起乘客被上升的車窗夾傷的事故被報(bào)道，其中大部分受傷者是兒童，因此電動車窗防夾保護(hù)被提出。所謂電動車窗防夾保護(hù)，就是一旦在車窗自動上升過程中偵測到有障礙物的存在，車窗就自動停止向上運(yùn)動，防止損毀障礙物;并向下運(yùn)動，以釋放障礙物。

　　電動車窗防夾的基本思想可以概括為：在車窗自動上升過程中，傳感器檢測到障礙物的存在(包括已被夾或判斷有障礙物存在上升途中)。當(dāng)檢測到有障礙物存在時(shí)，驅(qū)動電機(jī)反轉(zhuǎn)，使車窗下降一段距離，釋放障礙物。本文介紹的防夾保護(hù)算法主要是通過檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化來實(shí)現(xiàn)的。

　　電機(jī)周期的測量

　　在防夾設(shè)計(jì)中，嚴(yán)格地說涉及到的參數(shù)應(yīng)該是電機(jī)的轉(zhuǎn)速。但是，在本課題中，更確切地說，檢測到的不是轉(zhuǎn)速，而是周期。本課題采用Timer模塊里的捕捉模式來檢測兩個脈沖下降沿之間的時(shí)間間隔從而得到周期值。周期越大，速度就越慢，反之，周期越小，速度就越快。因此，從功能上看，兩個參數(shù)的效果是一致的。為了節(jié)省微控制器的資源，就直接周期來代替速度進(jìn)行防夾檢測。

　　捕捉計(jì)算到脈沖周期與實(shí)際的脈沖周期之間的換算關(guān)系為：

　　Timer設(shè)置的是16預(yù)分頻，重裝載值為0000H，因此它的溢出周期為43ms，分辨率為2.7ms。

　　在周期檢測中,霍爾傳感器的輸出腳與XC886的P3.4口相連。P3.4復(fù)用為Timer21脈沖捕獲模式的輸入引腳。本課題中，當(dāng)霍爾傳感器輸入為脈沖下降沿時(shí)，Timer產(chǎn)生中斷，并在中斷程序中計(jì)算周期。具體計(jì)算流程如下：

　　圖1周期計(jì)算流程圖

　　其中，Pre_reload為前一次脈沖到達(dá)時(shí)寄存器中的值，用當(dāng)前值減去前一次的值即為周期。值得一提的是，period_count這個變量。當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出一次，period_count就加一。從而避免因計(jì)時(shí)器溢出而導(dǎo)致周期計(jì)算錯誤。

　　實(shí)現(xiàn)的具體做法是：由于只需在車窗自動上升時(shí)進(jìn)行防夾。所以首先先判斷是否為自動上升。若是自動上升，則判斷是否為第一次進(jìn)入中斷程序，如果是第一次進(jìn)入中斷，將當(dāng)前計(jì)數(shù)器中的值存入變量Pre_reload,如果不是第一次進(jìn)入，則將當(dāng)前計(jì)數(shù)器的值減去Pre_reload的值作為周期值，再將當(dāng)前值存入Pre_reload中。留待下一次進(jìn)入中斷時(shí)使用。每進(jìn)入一次中斷就如此工作，直到收到停止命令或車窗到達(dá)頂部為止。

　　車窗位置的確定

　　車窗在上升過程中，由于存在車窗重量和窗框阻力等因素，在每個位置上的周期大小是不一樣的。因此判斷車窗位置也是相當(dāng)重要的。從機(jī)械的角度講，電機(jī)旋轉(zhuǎn)會帶動鋼絲繩的運(yùn)動，從而帶動車窗的上下開閉。電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一定角度，鋼絲繩就相應(yīng)地運(yùn)動一定行程，因此車窗運(yùn)動的行程與電機(jī)旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)成線性關(guān)系。而電機(jī)的旋轉(zhuǎn)會使得霍爾傳感器產(chǎn)生脈沖信號，因此車窗位置也可以采用霍爾傳感器和XC886CS中的計(jì)時(shí)器模塊相結(jié)合的方式來測量。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)過一圈，計(jì)時(shí)器Timer就會捕獲到霍爾信號的下降沿，從而在中斷服務(wù)程序中對車窗位置作出記錄。由于車窗有可能上下運(yùn)動，因此車窗位置的計(jì)算不能只在車窗上升時(shí)進(jìn)行，在車窗下降的時(shí)候也要作出相應(yīng)的調(diào)整。因此程序在進(jìn)入中斷服務(wù)后首先查詢車窗的狀態(tài)是上升還是下降。如果是上升，則電機(jī)每轉(zhuǎn)動一圈車窗位置就相應(yīng)遞增;如果是下降，則電機(jī)每轉(zhuǎn)動一圈，車窗位置就遞減。

　　防夾車窗算法的提出和實(shí)現(xiàn)

　　本課題采用的防夾算法是基于電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的方法。如何得到準(zhǔn)確的運(yùn)行參數(shù)即周期，是防夾算法能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。本課題還根據(jù)實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的算法紕漏,對算法進(jìn)行優(yōu)化。

　　防夾試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

　　為了得到確切的基準(zhǔn)周期和電流值，我們使用通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)的方法。利用Keil C中的UART_vSendData8(ubyte ubData)語句發(fā)送周期和電流值，并利用串口助手這個軟件接收數(shù)據(jù)。

　　當(dāng)車窗自動上升時(shí)，反復(fù)多次發(fā)送數(shù)據(jù)到顯示器。取出運(yùn)行較好的幾組數(shù)據(jù)，取其平均值，計(jì)算出每個高度上每次運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)值與平均值的差值，然后確定一個較適合的容差。

　　從串口發(fā)送出來的值中可以看到，車窗上升的脈沖周期，也就是車窗的上升速度從底部經(jīng)過約12個脈沖后，基本呈線性上升的態(tài)勢。由于通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)可以得到在每個點(diǎn)上脈沖周期的確切值，因此對每個點(diǎn)上的周期值均可以取到多次試驗(yàn)結(jié)果的均值，通過對均值和各次試驗(yàn)的實(shí)際值相比較可以發(fā)現(xiàn)，這些值的均值在加上容差1846后，絕大多數(shù)的實(shí)際運(yùn)行值都會小于該值，基于裕量和最大夾持力的考慮，最后決定選擇容差大小為2000。

　　防夾算法的提出

　　在算法設(shè)計(jì)的時(shí)候，只考慮了在車窗自動上升的時(shí)候才進(jìn)行防夾的情況。在其他三種情況下(包括車窗手動上升、車窗手動下降以及車窗自動下降)都不進(jìn)行防夾判斷。因?yàn)檐嚧跋陆挡淮嬖诜缞A的問題，如果車窗手動上升時(shí)有障礙物被夾持的話，則可以通過手的控制來避免被夾傷。在算法中采用標(biāo)志位bWIN_Up_Down和bAutoFlag來標(biāo)示車窗是否為自動上升，如果控制器得到的是自動上升的命令，則這兩位置位。如果這兩位為1，則進(jìn)行防夾判斷。還有值得注意的是，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，車窗從底部啟動的3個脈沖內(nèi)其電壓和脈沖周期值相當(dāng)復(fù)雜而且隨機(jī)，沒有任何規(guī)律可循，而且在底部的3個脈沖車窗玻璃的總行程不會超過1cm，因此在這一段不進(jìn)行防夾。

　　該算法的思想是，將上節(jié)中提到的基準(zhǔn)周期存放在RAM里。然后在車窗自動上升過程中檢測電機(jī)運(yùn)行的實(shí)時(shí)周期值，將實(shí)時(shí)值與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，若兩者之間的差值連續(xù)三個脈沖到來時(shí)超過容差，即認(rèn)為有障礙物存在。車窗進(jìn)入自動下降程序，車窗降到底部。若沒有連續(xù)三個脈沖到來時(shí)超過或在容差之內(nèi)，則認(rèn)為無障礙物存在，則自動上升直到車窗頂部。

　　圖2 正常狀態(tài)下的周期和電流圖

　　圖3 發(fā)生夾住狀況的周期和電流圖

　　算法優(yōu)化

　　根據(jù)算法在實(shí)際運(yùn)行中存在的問題，必須對算法進(jìn)行優(yōu)化，以得到更好的防夾效果。

　　4.3.1 車窗在底部啟動時(shí)的算法優(yōu)化

　　根據(jù)對脈沖周期值的綜合分析可知，在第12個脈沖周期之前，該值的變化十分不穩(wěn)定，經(jīng)常會出現(xiàn)超出容差范圍的情況。在此之后該值基本上均在已定容差之內(nèi)。因此對底部的啟動問提，提出的方案是，濾去前12個脈沖點(diǎn)，也就是在前12個脈沖點(diǎn)上不進(jìn)行防夾。理由是，前10個脈沖點(diǎn)為車窗最底部的部分，車窗行程不超過3cm，對防夾保護(hù)不會產(chǎn)生大的影響。

　　4.3.2 車窗到頂時(shí)的算法優(yōu)化

　　通過實(shí)驗(yàn)可知，如果車窗正常上升的話，車窗玻璃在第209個脈沖時(shí)為車窗玻璃與上窗框密封條之間的接觸點(diǎn)。車窗在進(jìn)入上密封條后由于環(huán)境溫度、空氣濕度的不同導(dǎo)致密封條的摩擦力會不同，因此會出現(xiàn)有的時(shí)候車窗不能正常關(guān)閉的情況。

　　由此可以得出解決的辦法，就是將防夾的上限從第223個脈沖，降至第208個脈沖，也就是在第208個脈沖以上不進(jìn)行防夾，而以下還是按照原有的算法進(jìn)行防夾。

　　4.3.3 車窗中途停止再啟動時(shí)的算法優(yōu)化

　　車窗中途停止再啟動與底部啟動其本質(zhì)是一樣的，兩者的區(qū)別是，底部啟動在第一個脈沖的時(shí)候雖然會大的離譜，但是在接下來的幾個脈沖會有下降的趨勢，能給出一個容差，使得兩值能在容差范圍內(nèi)，但是中途停止再啟動是連續(xù)幾個脈沖大的離譜，而且隨著車窗位置的不同以及中途停止時(shí)間的長短其大小也會發(fā)生變化，所以采取不同的策略進(jìn)行算法優(yōu)化。

　　在車窗啟動的時(shí)候，忽略最先的8個脈沖以屏蔽由于車窗啟動帶來的脈沖周期的波動。在屏蔽之后，還是按照算法來進(jìn)行防夾運(yùn)算。8個脈沖是通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)得到的較為合理的值，在8個周期后，周期值基本恢復(fù)正常，在容差之內(nèi)。

　　圖4 優(yōu)化后的算法流程圖

　　圖5 發(fā)生防夾動作的周期和電路圖

　　電動車窗防夾的總結(jié)

　　本課題采用的防夾算法是離散的，并不是實(shí)時(shí)的，只是在一定的時(shí)間對周期和電流進(jìn)行采樣。因?yàn)榛魻杺鞲衅鞯牟蓸右膊皇菍?shí)時(shí)的。這種方法適用于計(jì)算能力不是很強(qiáng)，處理速度不是很快的微處理器。

　　本課題采用的是絕對式防夾，在每個高度上檢測周期和電流，與基準(zhǔn)值比較，三次超出容差就認(rèn)為有障礙物，進(jìn)入防夾處理。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]高玉霞..基于知識的轎車車門布置系統(tǒng)的研究與開發(fā) [D].天津：燕山大學(xué)車輛工程專業(yè)，2006.

　　[2] Anti-Pinch Safety System for Vehicle Closure Device[P].US Patent：6051945，2000.

　　[3] 吳志紅,朱元,王光宇.英飛凌16位單片機(jī)XC164CS的原理與基礎(chǔ)應(yīng)用[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社2006.

　　[4]Ng Jit Keah David, 面向電動車窗/天窗應(yīng)用的機(jī)車嵌入式功率半導(dǎo)體[J].電子產(chǎn)品世界，2008(12)：73