車窗防夾控制器的自動匹配

何 虎，張照生，張 濤，鄭四發(fā)，連小珉

(清華大學汽車工程系，汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京 100084)

前言

車窗控制器中防夾參數(shù)的選取對車窗夾持狀態(tài)識別的準確性起著關鍵作用，不同型號的車窗選取的參數(shù)一般不同。因此，將控制器安裝至車窗上以后，還須獲得適合當前車窗的防夾參數(shù)，該過程稱為控制器與車窗的匹配。

由于車窗型號及工況的多樣性，匹配過程一般需要模擬車窗可能的工況，按照溫度、濕度、壓強、車輛行駛時的顛簸和電壓的變化等因素進行分類實驗［1］。之后再對控制器進行初始化，常見的方法是在控制器安裝完畢后，通過復雜的按鈕操作，使車窗完成特定的動作，從而生成防夾參數(shù)［2］。該初始化過程效率較低，且需要人工逐窗進行，一旦疏漏則會產生隱患，用戶也難以自行對防夾功能進行維護。

為此本文中對現(xiàn)有匹配方法進行重新設計，以提高其效率和簡便性。以結合電機電流和霍爾傳感器脈沖進行防夾的方法為基礎，著重分析了電機電流的變化特點。

首先消除電流的不規(guī)則波動，獲得較好的數(shù)據源;然后根據車窗處于不同位置時的特征，提取電流與霍爾脈沖數(shù)據的特征點，以判斷車窗受阻停止時是處于夾持位置還是到達頂部，并據此結果令車窗回退或停止，防止匹配中夾持，保證匹配結果的準確。在此基礎上利用所采集傳感器信息數(shù)據自動計算出防夾參數(shù)，依靠車窗的自然動作實現(xiàn)了自動匹配。最后使用符合國際標準要求的測試工具進行實驗，驗證了利用特征點進行模式識別的可行性和匹配結果的合理性。

1 典型防夾方法簡介

圖1為“電流-霍爾脈沖”防夾方法的整體方案示意圖。

圖中，以車窗向下運動所能達到的極限作為車窗位置p的零點，即車窗底部。相應向上運動的極限則為車窗高度，即車窗頂部，以Ha表示。當車窗上升時，以霍爾傳感器發(fā)出的脈沖高電平個數(shù)增大p，當車窗下降時，類似的減小p，則p可以衡量車窗相對于窗框所處的位置。將車窗由底部無中斷上升至頂部的脈沖個數(shù)賦給Ha并記錄下來，通過實時比較p值與Ha，即可知道車窗的相對位置。Ha即為防夾參數(shù)中的位置參數(shù)。

考慮到車窗不會在密封條內發(fā)生夾持，將密封條寬度以霍爾脈沖個數(shù)表示為W，Ha－W以下定為防夾區(qū)，以上定為車窗的頂區(qū)，可以確定夾持識別的位置條件為

由電機原理可知電機電流i反映了車窗運行過程中的受力，可將i的上限閾值Ia作為防夾參數(shù)中的電流參數(shù)，其對應的夾持力須保證發(fā)生夾持時的安全。則夾持識別的受力條件為

在車窗上升過程中，若同時滿足式(1)與式(2)，表示此時車窗在防夾區(qū)受力較大，認為車窗發(fā)生了夾持，馬上令車窗回退以釋放夾持物，實現(xiàn)安全保護。

與夾持識別類似，根據電流i與位置p，可以得到到頂識別的位置條件為

受力條件為

式(4)表示車窗位置連續(xù)T個采樣間隔都不變。以此作為到頂?shù)氖芰l件，可保證車窗可靠到頂和嚴密關窗。判斷車窗到頂后，則令車窗停止。

確定了車窗高度Ha和電流閾值Ia兩個防夾參數(shù)后，即可識別夾持和到頂，實現(xiàn)車窗上升過程的安全保護，并保證車窗準確到頂。

2 狀態(tài)信息處理

將傳感器輸出稱為車窗狀態(tài)信息，用于判斷車窗狀態(tài)和計算參數(shù)。設定歷史數(shù)組用于保存對輸出的采樣，并定義電機電流IL與車窗位置PL的歷史數(shù)組如下:

式中:ik和pk為傳感器輸出采樣，k為時間序號，N為記錄數(shù)據的個數(shù)。其中相鄰數(shù)據的采樣間隔為Δt，并定義tk為采樣時刻。

令車窗由底部無中斷上升到頂，利用歷史數(shù)組記錄完整的狀態(tài)信息如圖2所示。

將圖2中電流曲線中A區(qū)進行放大如圖3所示?？梢婋娏鞔嬖谝欢ǔ潭鹊摹殡S車窗運行全過程的鋸齒狀波動。由于電流反映了車窗的受力信息，這種不規(guī)則波動會影響到夾持識別中受力條件的準確性。以移動平均［3］的方式對電流進行平滑處理，其平滑軌跡IQ為

其中

式中qk的首尾數(shù)據直接以相應時刻的ik代替。

進行平滑處理前后的電流對比結果如圖4所示?？梢娞幚砗箅娏鞯内厔莞鼮槊黠@，曲線光順性得到提高，使后續(xù)狀態(tài)識別和計算獲得了可靠的電流數(shù)據源。

3 車窗受阻停止位置的識別

在匹配中，防夾參數(shù)生成于初始化過程車窗到頂時，若在初始化中發(fā)生夾持，須中止該過程，防止由不完整的狀態(tài)信息計算出錯誤的防夾參數(shù)，同時令車窗回退以實現(xiàn)安全保護。為此須確定車窗受阻停止時的位置。但是匹配過程中車窗高度Ha缺失，無法實現(xiàn)基于位置參數(shù)的位置識別。

3.1 狀態(tài)信息的對比分析

為尋找不依賴防夾參數(shù)確定位置的方法，分別采集車窗由底部升至頂部，以及上升中遇到障礙物的電流IQ，都在電機堵轉后才令車窗停止，根據停止的原因分別命名為到頂電流與夾持電流，對比情況如圖5所示。

由圖可見:發(fā)生夾持時，電流迅速增大;而到頂時，電流先經過了一個增速較小的特征段，此后才以較快的速率增大。

為了更好地描述上述區(qū)別，計算IQ在tk時刻的變化率sk如下:

其中s1與sN以q1與qN代替。采用移動平均的方法對{sk}進行處理獲得其平滑軌跡C為

其中ck的缺失數(shù)據直接以同時刻的sk賦值，可以得到夾持和到頂兩種情況下電流IQ的平滑變化率C，如圖6所示。

由圖6可見，變化率C存在明顯的形狀特點:在到頂停的情況下，變化率曲線存在一小一大兩個類似山峰的形狀，其中小峰對應圖5中的特征段，是由車窗框頂部安裝的密封條對車窗施加了額外的力而產生的;而夾持停時曲線僅有一個較大的峰形。據此特點即可判斷車窗阻力停的位置。因峰形的最大值點是顯著的數(shù)學特征，故可作為識別峰形的依據。

車窗上升過程中，位置與電流變化率在時間上的對應關系如圖7所示。

將大峰最大值點出現(xiàn)時刻定義為tp，小峰最大值點出現(xiàn)時刻定義為th，這兩個時刻的采樣點可以稱為特征點。由圖7可見，夾持與到頂兩種情況下，tp皆對應著位置曲線水平段的初始處，即車窗最初停止時刻。因此可由車窗位置識別大峰出現(xiàn)的時刻，小峰則利用變化率本身的特點進行識別。

考慮到tp與th在位置上的差值和車窗密封條寬度W基本一致［4］，th對應了車窗剛脫離防夾區(qū)進入頂區(qū)的時刻。

由于峰形的個數(shù)不同，根據是否連續(xù)識別了th與tp時刻兩個特征點，可判斷車窗停止于防夾區(qū)還是頂部。

3.2 特征點的提取

因電機啟動段電流波動劇烈且無規(guī)律，因此在啟動結束時刻tq之前，不進行特征點識別。由圖6可見，變化率曲線波動較多，但特征峰形的最值點顯著大于其他波動的峰值，為此設定高度條件以濾除小的波動。

將電流變化率ck改寫為c(k)，即c(k)=ck。記錄其在車窗啟動后時刻tk前的正值，所組成的數(shù)列CZ(k)為

式中:kz為正值對應的時間序號，Z為正值數(shù)列的元素個數(shù)，c(kz)＞0。

計算歷史正值的均值Ck為

由于電流的數(shù)值呈現(xiàn)非單調的波動，所以電流變化率圍繞橫坐標而波動，因此歷史正值均值Ck具有偏差的意義。定義累積長度λ，以時刻tq+λ為特征點識別的起始時刻，根據經驗確定當前變化率ck的高度條件Ch(k):

式中b＞1。

僅在滿足式(14)時，認為出現(xiàn)峰形，開始進行特征峰形識別。為避免在峰形識別過程中推高高度條件，一旦ck＞Ch(k)，暫停正值數(shù)列CZ(k)的更新，直至ck小于高度條件，重啟Ck和高度條件的更新。

在滿足式(14)后，啟動其同值點搜索，同值點即為沿時間軸方向，首次出現(xiàn)的與其數(shù)值相等或小于其數(shù)值的點，可以定義為c'k，該點時間序號定義為k'。對同值點搜索完成的條件為

在搜索同值點的過程中，不斷進行相鄰點的大小比較。完成ck的同值點搜索時，取出時間區(qū)間［k，k'］中變化率的最大值，該時刻為可能的小峰最值點出現(xiàn)時刻th:

同值點搜索和th時刻的識別如圖 8 所示［5］。

重復對滿足式(14)的點進行同值點搜索并更新高度條件，若出現(xiàn)更大的小峰最值點，則更新時刻 th，直到識別出大峰最值點時刻tp:

式中:T為延遲判斷的采樣點數(shù)，而TΔt為匹配過程的最大被夾時間。

至此完成特征點的提取，此時車窗已遇阻停下，進行車窗停止位置的判斷。一般情況下，如果車窗發(fā)生夾持，在時刻tp前是無法滿足小峰最值點時刻th的識別條件的。因此在僅出現(xiàn)特征點時刻tp時，車窗為夾持停止;在時刻tp前識別出時刻th時車窗為到頂停。

若車窗運行時存在較大干擾，變化率曲線的波動可能導致夾持情況下系統(tǒng)也會識別到一個偽小峰，這會導致位置判斷出錯。分析車窗實際到頂時，兩個特征點時刻的位置差pp－ph，發(fā)現(xiàn)該值落在車窗密封條寬度W的鄰域內，因此補充判斷條件如下:

式中wd與wu為W所確定的鄰域的下界與上界。

在車窗上升停止后，只有識別到小峰與式(18)同時滿足時，認為車窗到頂;僅識別出大峰最值點時刻tp，或識別出小峰時刻th，但是不滿足式(18)，皆認為發(fā)生夾持。

至此確定了在無防夾參數(shù)的情況下，利用車窗狀態(tài)信息自身的變化特點，判斷車窗受阻停止位置的模式識別方法。

4 控制器的自動匹配

4.1 電流信息的特征分析

觀察圖2未進行處理的電流，發(fā)現(xiàn)在啟動后1～6s內，即車窗平穩(wěn)上升的過程中，電流呈現(xiàn)出一定分布特征，采用分位數(shù)圖(Quantile-Quantile plot，Q-Q圖)對該過程電流數(shù)據進行正態(tài)性檢驗，見圖9。

Q-Q圖利用分位數(shù)作為正態(tài)性的評價標準，散點越接近直線，則其正態(tài)性越佳。由圖9可見，所檢測數(shù)據正態(tài)性良好。因此可以根據“三西格瑪”方法，以置信區(qū)間描述所關注區(qū)段電流的變化范圍。

4.2 防夾參數(shù)的自生成方法

首先考慮車窗高度Ha的獲取。由于車窗到頂時其位置pk達到最大值Ha且保持不變?？梢源_定Ha如下:

式中:T為判定車窗位置已經處于靜止所需延遲的采樣點數(shù)。

然后，利用電流的置信區(qū)間來獲取電流閾值Ia。考慮到車窗啟動時電流波動較大，而進入頂區(qū)后電流有明顯上升，首先對原始的電流IL進行“掐頭去尾”，提取車窗處于平穩(wěn)上升階段的數(shù)據IG，即

式中:q與h分別對應車窗的啟動結束時刻tq與進入頂區(qū)時刻th，其中tq根據電機的啟動特性確定，th即對應于電流變化率曲線小峰的出現(xiàn)時刻。

為獲得IG的置信區(qū)間，首先計算其平均值μG:

IG的標準差 σG為

根據正態(tài)分布相關知識，IG的99.73%的置信區(qū)間Ψ為

Ψ從概率上描述了車窗在防夾區(qū)上升時電流的變化范圍。因此取Ψ的上限作為電流閾值Ia:

至此完成了防夾參數(shù)自生成方法的設計。

4.3 自動匹配中快速初始化動作設計

在防夾參數(shù)自生成的基礎上，可以進行防夾控制器的快速一鍵式初始化。首先定義控制器的匹配狀態(tài)θ為

在匹配過程中，車窗到頂與到底是重要的狀態(tài)點。以車窗位置在TΔt的時間內不變，并結合車窗運行方向進行區(qū)分判斷。定義到底標志BF與到頂標志TF，其初值為0，當BF或TF的值由0變?yōu)?時，分別表示車窗到底或到頂。

控制器的快速初始化流程如圖10所示，圖中Ⅰ為車窗自動下降階段;Ⅱ為車窗自動上升階段;Ⅲ為防夾參數(shù)計算階段。

在車窗完成防夾模塊安裝后，首次按下自動上升按鍵后，若無其他操作及干擾，車窗將自行依次執(zhí)行圖中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3個階段，最后停止于頂部，完成初始化。

在階段Ⅰ，通過車窗自動下降到底，使得車窗有完整的上升過程;階段Ⅱ則通過歷史數(shù)組對狀態(tài)信息進行保存，作為計算防夾參數(shù)的基礎數(shù)據;在階段Ⅲ時，利用階段Ⅱ獲得的完整的車窗上升狀態(tài)數(shù)據，自動計算防夾參數(shù)，并將其存儲至EEPROM中。

經測試，單片機計算電流閾值Ia所需的時間大約在1～3s，因此在車窗到頂停止后，將有1～3s的不應期(此時期車窗將不響應按鍵操作)?？紤]到匹配的特殊性和車窗兩次操作之間的自然間隔，可認為該延時對車窗功能沒有影響。

若車窗于階段Ⅱ發(fā)生夾持，則在識別后令車窗回退一定距離，然后跳過階段Ⅲ，清除所記錄的狀態(tài)信息，保持匹配狀態(tài)θ=0，等待下一次的自動上升按鍵操作。

5 實驗驗證

車門取自一汽紅旗H平臺轎車，車窗控制器的單片機采用意法半導體的STM8，內存為4kb，外接4kb EEPROM。安裝于車窗上的儀器為Sensor Development Inc所提供的專用于車窗防夾力檢測的傳感器和記錄儀，用以進行符合國際標準的測量。

首先驗證匹配效果。在控制器初始化過程中，防夾參數(shù)缺失。按下車窗自動上升按鍵，考慮到單片機內存大小，記錄車窗由底至頂?shù)臓顟B(tài)信息變化，如圖11所示。

由圖11(a)可知車窗最終到達位置為584處。由圖11(b)可見電機電流在車窗位置不變后迅速下降至0，表示繼電器執(zhí)行了切斷電機電流的操作，此時車窗已完全關閉，實現(xiàn)了到頂停止。驗證了無防夾參數(shù)情況下對車窗到頂?shù)臏蚀_識別。

完成匹配后得到的防夾參數(shù)為:電流閾值Ia=6.79A，車窗高度Ha=584。根據歐美所制定車窗安全性法規(guī)［6－7］，以橡膠棒作為測試夾持物。按下自動上升按鍵，將一直徑200mm的橡膠棒置于車窗與上窗框之間，測得夾持力為48.45N。邀請10位測試人員進行手臂夾持試驗，均表示夾持力較小，試驗完畢無任何不適。驗證了自動匹配可以簡單快速地獲取合理的防夾參數(shù)。

然后，對匹配過程中的模式識別方法進行驗證。首先清空控制器參數(shù)，令其回歸初始化階段，之后令車窗自動上升，仍然使用橡膠棒進行夾持試驗，車窗狀態(tài)信息變化如圖12所示。

由圖12(a)可見，因遇到障礙物，車窗在位置為417處停止增大。之后位置減小，表示車窗正在進行回退保護動作。位置變化顯示控制器在無防夾參數(shù)的情況下，識別出了夾持的發(fā)生，并進行了車窗回退保護。由圖12(b)可見，電機電流在車窗開始回退后迅速下降，表示夾力迅速撤除，防止了長時間夾持造成傷害的可能。

6 結論

本文中針對車窗防夾控制器匹配過程較為復雜的問題，以典型的防夾策略為基礎，以實現(xiàn)防夾控制器中防夾參數(shù)的自動生成為目標進行了研究。

對狀態(tài)信息的修復能夠實時消除電流信號的波動，為后續(xù)過程提供了良好的數(shù)據源。

通過分析車窗上升過程的狀態(tài)信息變化，提取其特征點，建立了與此相關的到頂與夾持的模式。通過模式識別的方法識別車窗停止的位置，保證了匹配結果的準確，并可在無防夾參數(shù)的情況下提供防夾保護。在此基礎上，利用車窗運行中的歷史數(shù)據，設計了防夾參數(shù)的自生成方法，并提出了一鍵式初始化方法，極大地簡化了防夾車窗的匹配過程，減少了車窗下線前的測試工作量。

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