基于模型的商用汽車雨刮洗滌控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【摘" 要】文章利用MATLAB/Simulink工具，進(jìn)行商用汽車雨刮洗滌控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)。通過(guò)分析雨刮洗滌系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，制定功能控制策略，進(jìn)行雨刮和洗滌功能應(yīng)用層邏輯模型的建模，并對(duì)其進(jìn)行模型在環(huán)MIL測(cè)試驗(yàn)證，驗(yàn)證后的模型可通過(guò)自動(dòng)生成代碼，應(yīng)用于硬件實(shí)現(xiàn)功能。該方法設(shè)計(jì)的雨刮洗滌控制系統(tǒng)具備雨刮和洗滌功能，實(shí)現(xiàn)多模式轉(zhuǎn)換控制以及故障診斷，以可視化方式使邏輯錯(cuò)誤能快速定位，減少手寫代碼和調(diào)試時(shí)間，適應(yīng)于快節(jié)奏功能迭代開發(fā)。

【關(guān)鍵詞】商用汽車；雨刮；洗滌；模型

中圖分類號(hào)：U463.855" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）02-0059-04

Design of Wiper Washing Control System for Commercial Vehicle Based on Model

XIAO Chao

（Sany Heavy Industry Co.，Ltd.，Changsha 410100，China）

【Abstract】This paper uses MATLAB/Simulink tool to design the wiper washing control system for commercial vehicles. Based on analyzing the design requirements，the functional control strategy of wiper washing system is formulated，and then build the control model and verify it using model in the loop（MIL），and by automatically generating codes，the validated model can be applied to the hardware directly. The wiper washing control system designed by this method achieves wiper and washing functions，realizes multi-mode conversion control and fault diagnosis，and through visualization，logical errors can be quickly located，which can reduce handwritten code and debugging time，is suitable for rapid iterative development of functions.

【Key words】commercial vehicle；wiper；washing；model

1" 引言

汽車雨刮洗滌系統(tǒng)從發(fā)明至今一直是汽車的重要組成部分，它可以對(duì)擋風(fēng)玻璃上的雨水、雪等進(jìn)行清掃，通過(guò)噴灑洗滌液，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)塵土主動(dòng)式清潔，使駕駛員具有良好的視線，提高行車安全。

商用汽車傳統(tǒng)雨刮洗滌控制系統(tǒng)采用硬線控制方式。雨刮開關(guān)直接控制雨刮電機(jī)高速繼電器和低速繼電器的吸合，實(shí)現(xiàn)雨刮電機(jī)的低速和高速運(yùn)轉(zhuǎn)。雨刮開關(guān)也與洗滌電機(jī)直接相連，通過(guò)觸發(fā)洗滌或停止洗滌，實(shí)現(xiàn)對(duì)洗滌電機(jī)工作與停機(jī)的控制，如果要實(shí)現(xiàn)間歇控制功能，則在雨刮開關(guān)和雨刮電機(jī)繼電器之間增加1個(gè)間歇器，實(shí)現(xiàn)間歇控制。該控制方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)故障診斷、功能擴(kuò)展，如自動(dòng)雨刮、遠(yuǎn)程控制等，越來(lái)越難以滿足實(shí)際需求。

隨著汽車智能化程度的提高，通過(guò)更優(yōu)設(shè)計(jì)的控制器實(shí)現(xiàn)雨刮洗滌控制系統(tǒng)逐步在商用汽車上的使用?；谀Ｐ驮O(shè)計(jì)方法，通過(guò)MATLAB/Simulink建立模型進(jìn)行仿真測(cè)試，再進(jìn)行代碼自動(dòng)生成。該方法通過(guò)早期模型在環(huán)測(cè)試（MIL）進(jìn)行仿真分析和迭代，可減少系統(tǒng)集成后測(cè)試階段出現(xiàn)的錯(cuò)誤數(shù)量，提升開發(fā)效率，因此本文主要采用模型設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行雨刮洗滌控制系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)和仿真分析。

2" 雨刮洗滌控制系統(tǒng)功能需求設(shè)計(jì)

2.1" 雨刮洗滌控制系統(tǒng)概述

本文研究的雨刮洗滌系統(tǒng)的物理框圖如圖1所示。圖中包含主體雨刮洗滌控制單元，輸入控制包括雨刮洗滌開關(guān)、間歇時(shí)間設(shè)置和鑰匙控制模塊。輸出控制包括雨刮電機(jī)高速繼電器、雨刮電機(jī)低速繼電器和洗滌電機(jī)繼電器。其中雨刮洗滌控制單元可以集成至車身控制器或者對(duì)應(yīng)功能的域控制器中，雨刮開關(guān)包含關(guān)閉、間歇、低速、高速和Mist 5擋控制以及洗滌功能開和關(guān)。間歇時(shí)間設(shè)置可放置于中控屏或通過(guò)調(diào)節(jié)開關(guān)實(shí)現(xiàn)，可設(shè)為5s、8s、12s或15s等，該值可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。鑰匙控制模塊提供車輛上電狀態(tài)。高速繼電器和低速繼電器輸出端分別連接雨刮電機(jī)高速和低速接口，實(shí)現(xiàn)高速或低速驅(qū)動(dòng)控制。

2.2" 系統(tǒng)功能需求設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能需求設(shè)計(jì)的目的是確定系統(tǒng)開發(fā)需求，并約定和描述整個(gè)系統(tǒng)的邏輯功能實(shí)現(xiàn)方式，最終指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)。需求定義包括用戶需求、法規(guī)需求和創(chuàng)造性需求等，其中創(chuàng)造性需求要求功能具有一定的原創(chuàng)性或首發(fā)性等特征^[1]。功能設(shè)計(jì)通過(guò)分析每個(gè)系統(tǒng)開發(fā)需求，將需求轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)應(yīng)執(zhí)行的功能，進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)、診斷設(shè)計(jì)、異常退出邏輯設(shè)計(jì)等，以及識(shí)別并描述功能接口。依此開發(fā)出的功能，最為重要的特點(diǎn)便是滿足系統(tǒng)開發(fā)需求。

首先，通過(guò)法規(guī)、競(jìng)品、用戶需求調(diào)研確定系統(tǒng)需要滿足的基本要求，其次依據(jù)需求設(shè)定系統(tǒng)使用場(chǎng)景，定義功能特征，再次進(jìn)行邏輯主流程的設(shè)計(jì)、故障診斷設(shè)計(jì)及異常退出邏輯設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行接口定義，形成系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的技術(shù)規(guī)范文檔。

雨刮洗滌控制系統(tǒng)的接口分為輸入接口和輸出接口，以及通信信號(hào)和硬線信號(hào)等種類，見表1。此接口為應(yīng)用程序接口，并非實(shí)際硬線管腳接口。

3" 基于模型的控制軟件設(shè)計(jì)環(huán)境

3.1" 設(shè)計(jì)方法

基于模型的設(shè)計(jì)主要是通過(guò)對(duì)算法建模進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)的過(guò)程，其為復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)提供了一種數(shù)學(xué)性、形象化的方法，使開發(fā)者能夠在項(xiàng)目的早期階段發(fā)現(xiàn)缺陷和設(shè)計(jì)問(wèn)題，提升開發(fā)效率，并能適應(yīng)需求的變化，滿足客戶需求^[2]。傳統(tǒng)的軟件開發(fā)模式，直接在嵌入式芯片上進(jìn)行算法的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。而基于模型的設(shè)計(jì)借助MATLAB/Stateflow等工具，先進(jìn)行邏輯建模，然后在仿真環(huán)境下進(jìn)行模型在環(huán)MIL和軟件在環(huán)SIL等測(cè)試，驗(yàn)證后的模型再利用Embedded Coder直接生成C語(yǔ)言代碼，本文選擇MATLAB/Simulink工具來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.2" 軟件框架

雨刮洗滌控制單元的軟件總體框架主要包含底層軟件和應(yīng)用層軟件。底層軟件關(guān)注于設(shè)備驅(qū)動(dòng)或基礎(chǔ)功能，如操作系統(tǒng)RTOS的實(shí)現(xiàn)^[3]，一般作為通用模塊由零部件供應(yīng)商封裝并提供。應(yīng)用層軟件偏向于解決車輛的實(shí)際駕駛工況和應(yīng)用場(chǎng)景問(wèn)題，通過(guò)控制算法或策略實(shí)現(xiàn)對(duì)零部件的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)功能。應(yīng)用層軟件一般從底層軟件獲取來(lái)自傳感器或總線通信的輸入數(shù)據(jù)，通過(guò)自身的策略和算法計(jì)算或決策出控制目標(biāo)，通過(guò)應(yīng)用接口輸出給底層軟件，最終驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器。本文的設(shè)計(jì)主要聚焦在應(yīng)用層軟件上。

4" 雨刮洗滌控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

依系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)規(guī)范，在MATLAB/Simulink中搭建控制模型，建立邏輯控制狀態(tài)圖。雨刮洗滌模型如圖2所示，輸入接口包括電源擋位狀態(tài)、雨刮洗滌開關(guān)、雨刮間歇時(shí)間和雨刮回位狀態(tài)，輸出接口包括雨刮工作狀態(tài)、雨刮低速驅(qū)動(dòng)使能、雨刮高速驅(qū)動(dòng)使能、洗滌驅(qū)動(dòng)使能和雨刮故障標(biāo)識(shí)。其中HW開頭的信號(hào)是硬線信號(hào)，其余為總線信號(hào)。模型的輸入輸出接口，在自動(dòng)生成代碼之后，將成為應(yīng)用程序的應(yīng)用接口，與底層進(jìn)行控制指令傳遞和信息交互。

4.1" 模型的控制邏輯

模型的控制邏輯分為下電關(guān)閉模式、自動(dòng)回位模式、雨刮故障模式、雨刮運(yùn)行模式和洗滌運(yùn)行模式。

1）下電關(guān)閉模式：當(dāng)整車下電并結(jié)束雨刮運(yùn)行動(dòng)作之后，系統(tǒng)進(jìn)入下電關(guān)閉模式，如圖3所示。此時(shí)雨刮工作狀態(tài)、雨刮低速驅(qū)動(dòng)使能、雨刮高速驅(qū)動(dòng)使能和洗滌驅(qū)動(dòng)使能均置為0。

2）自動(dòng)回位模式：指在雨刮器運(yùn)行過(guò)程中，因整車下電，系統(tǒng)自動(dòng)將雨刮器回到初始位置?；蛘哒嚿想姇r(shí)，雨刮器因維修等異常操作，不在前擋風(fēng)玻璃下方的初始位置，系統(tǒng)自動(dòng)將雨刮器回到前擋風(fēng)玻璃下方的初始位置，如圖4所示。在自動(dòng)回位模式下，雨刮器按照低速擋速度運(yùn)動(dòng)，并將雨刮工作狀態(tài)置為低速。為了避免因雨刮實(shí)際故障，長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法回到初始位置，設(shè)置一個(gè)計(jì)時(shí)器（onParkingTimer）進(jìn)行計(jì)時(shí)。

3）雨刮故障模式：如果在自動(dòng)回位模式下，設(shè)置的計(jì)時(shí)器（onParkingTimer）超過(guò)設(shè)定的閾值，即未正常執(zhí)行完成雨刮回位操作，系統(tǒng)進(jìn)入雨刮故障模式，雨刮故障標(biāo)識(shí)置1，如圖5所示。每一次整車重新上電，都將重置雨刮故障標(biāo)識(shí)為0。

4）雨刮運(yùn)行模式：雨刮器一般設(shè)有關(guān)閉、Mist、間歇、低速、高速5個(gè)擋位，主體模型如圖6所示。

Mist擋開關(guān)一般具有回位的功能，觸發(fā)一下，雨刮以低速擋速度刮擦一輪。如果Mist擋持續(xù)觸發(fā)，系統(tǒng)將進(jìn)入onMist狀態(tài)，雨刮保持低速擋速度持續(xù)刮擦，直至開關(guān)回位，系統(tǒng)進(jìn)入exMist狀態(tài)，雨刮完成最后一輪刮擦后退出Mist狀態(tài)，停止工作。為了消除雨刮無(wú)法回到初始位的影響，在exMist狀態(tài)中增加持續(xù)工作計(jì)時(shí)器MistTimer，當(dāng)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)超出設(shè)定閾值時(shí)，退出Mist狀態(tài)。

間歇時(shí)間一般有多個(gè)時(shí)間擋設(shè)置，比如5s、8s、12s、15s等，間歇時(shí)間為當(dāng)前一輪刮擦動(dòng)作開始至下一輪刮擦動(dòng)作開始之間的時(shí)間。運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入iniInterval狀態(tài)，雨刮以低速擋速度運(yùn)行，停止時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入onInterval狀態(tài)，雨刮停止運(yùn)行，直至間歇計(jì)時(shí)器WiperITimer達(dá)到設(shè)置的間歇時(shí)長(zhǎng)后開始下一輪刮擦。關(guān)閉間隙運(yùn)行時(shí)，如果雨刮處于間歇運(yùn)行中的間歇時(shí)間內(nèi)，雨刮保持停止，如果處于刮擦?xí)r間內(nèi)，系統(tǒng)進(jìn)入Stop2狀態(tài)，雨刮進(jìn)行自回位。

低速擋下，系統(tǒng)進(jìn)入LowSpeed狀態(tài)，雨刮保持低速擋運(yùn)行，關(guān)閉低速擋時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入Stop1狀態(tài)，雨刮進(jìn)行自回位。

高速擋下，系統(tǒng)進(jìn)入HighSpeed狀態(tài)，雨刮保持高速擋運(yùn)行，關(guān)閉高速擋時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入Stop1狀態(tài)，雨刮降為低速運(yùn)行進(jìn)行自回位。

如果整車下電，系統(tǒng)將進(jìn)入自動(dòng)回位模式，雨刮以低速運(yùn)行進(jìn)行自回位。

4.2" 洗滌運(yùn)行模式

按下洗滌開關(guān)時(shí)，有洗滌水噴出，配合雨刮器洗滌擋風(fēng)玻璃，主體模型如圖7所示。由于雨刮有多擋運(yùn)行狀態(tài)，為符合實(shí)際使用，當(dāng)雨刮處于關(guān)閉、Mist或間歇擋時(shí)，觸發(fā)洗滌開關(guān)后，系統(tǒng)進(jìn)入onWashLow狀態(tài)，洗滌水持續(xù)噴出，雨刮保持低速刮擦。當(dāng)停止觸發(fā)洗滌開關(guān)后，系統(tǒng)進(jìn)入WashLowStop狀態(tài)，洗滌水停止噴出，雨刮連續(xù)低速刮擦3個(gè)周期后停止，退出洗滌狀態(tài)，依據(jù)雨刮開關(guān)狀態(tài)，進(jìn)入關(guān)閉、Mist或間歇擋工作狀態(tài)。

當(dāng)雨刮處于低速擋時(shí)，觸發(fā)洗滌開關(guān)后，系統(tǒng)進(jìn)入onWashLowOn狀態(tài)，洗滌水持續(xù)噴出，雨刮保持低速刮擦。當(dāng)停止觸發(fā)洗滌開關(guān)后，系統(tǒng)進(jìn)入WashLowOnStop狀態(tài)，洗滌水停止噴出，雨刮保持低速刮擦進(jìn)行自回位后退出洗滌狀態(tài)，依據(jù)雨刮開關(guān)狀態(tài)，進(jìn)入低速擋工作狀態(tài)。

當(dāng)雨刮處于高速擋時(shí)，觸發(fā)洗滌開關(guān)后，系統(tǒng)進(jìn)入onWashHighOn狀態(tài)，洗滌水持續(xù)噴出，雨刮保持高速刮擦。當(dāng)停止觸發(fā)洗滌開關(guān)后，系統(tǒng)進(jìn)入WashHighOnStop狀態(tài)，洗滌水停止噴出，雨刮保持高速刮擦進(jìn)行自回位后退出洗滌狀態(tài)，依據(jù)雨刮開關(guān)狀態(tài)，進(jìn)入高速擋工作狀態(tài)。

為了消除雨刮無(wú)法回到初始位的影響，在該狀態(tài)中設(shè)置計(jì)時(shí)器WashLTimer、WashHTimer進(jìn)行計(jì)時(shí)，如果超過(guò)設(shè)定閾值，將退出洗滌狀態(tài)。

5" 基于模型的控制軟件測(cè)試

基于設(shè)計(jì)的模型，進(jìn)行模型在環(huán)MIL測(cè)試。設(shè)置求解器為離散，類型為定步長(zhǎng)，固定步長(zhǎng)為0.01。4個(gè)輸入信號(hào)使用常量和開關(guān)來(lái)模擬控制。運(yùn)行模型，分別進(jìn)行雨刮運(yùn)行測(cè)試和洗滌運(yùn)行測(cè)試。

1）雨刮運(yùn)行測(cè)試：包含Mist、間歇、低速、高速4個(gè)運(yùn)行擋位測(cè)試，以及整車下電或上電時(shí)雨刮自動(dòng)回位測(cè)試。

2）洗滌運(yùn)行測(cè)試：包含關(guān)閉、Mist、間歇、低速、高速5個(gè)雨刮工作擋位下，激活洗滌功能時(shí)的邏輯切換和運(yùn)行測(cè)試。

通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證，本設(shè)計(jì)中建立的應(yīng)用層模型，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能目標(biāo)。

6" 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)商用汽車雨刮洗滌控制系統(tǒng)的研究，采用基于模型的設(shè)計(jì)方式，基于Simulink/Stateflow對(duì)雨刮洗滌控制系統(tǒng)應(yīng)用層進(jìn)行建模、仿真和測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了雨刮洗滌功能和多模式轉(zhuǎn)換控制以及故障診斷，取得了預(yù)期效果?；谀Ｐ烷_發(fā)的方式，能快速定位邏輯錯(cuò)誤，減少了手寫代碼和調(diào)試時(shí)間，適用于快速功能迭代開發(fā)。

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（編輯" 楊凱麟）

收稿日期：2023-08-07

作者簡(jiǎn)介

肖超（1989—），工程師，主要從事汽車電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)和研究開發(fā)工作。