基于電流差的電動車窗防夾算法研究

收稿日期：2024-03-07

作者簡介

唐焱輝（1995—），男，助理工程師，研究方向?yàn)榍度胧杰浖_發(fā)。

【摘 要】為了解決汽車電動車窗夾傷乘員的安全問題，提出一種基于電流差的電動車窗防夾算法。算法首先通過滑動平均濾波濾除電流部分噪聲，然后利用最小二乘法計(jì)算電流斜率和電流均值輔助分析車窗是否遇到障礙物和處理電流差，再將電流差和閾值比較做出是否防夾的判斷。實(shí)車防夾力測試和惡路測試結(jié)果表明，基于電流差的電動車窗防夾算法實(shí)車測試防夾力為（80±5）N，誤防夾率小于1%，滿足法規(guī)要求，驗(yàn)證了該算法的可行性。

【關(guān)鍵詞】電流差；防夾算法；滑動平均濾波；電流噪聲；電動車窗

中圖分類號：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）07-0051-03

Research on Anti-clip Algorithm of Electric Window Based on Current Difference

TANG Yanhui，HU Jie，WANG Xiaomeng，LI Bin，LIAO Lei

（Saic-gm-wuling Automobile Co.，Ltd.，Liuzhou 545007，China）

【Abstract】In order to solve the safety problem of vehicle electric window clipping，an electric window anti-clipping algorithm based on current difference was proposed. The algorithm firstly filters out the noise of the current part by sliding average filtering，and then calculates the slope and mean of the current to analyze whether the window encounters obstacles and deal with the current difference. Then it compares the current difference with the threshold to judge whether the anti-clip function is triggered. The results of real vehicle anti-clamping force test and bad road test show that the real vehicle anti-clamping force of the electric window anti-clamping algorithm based on current difference is 80N±5N，and the false anti-clamping rate is less than 1%，which verifies the feasibility of the algorithm.

【Key words】current difference；anti-clip algorithm；moving average filtering；current noise；barrier

中國汽車的保有量越來越多，電動車窗基本成為量產(chǎn)汽車的標(biāo)配[1]。歐洲的74/60/EEC法規(guī)和美國的FMVSS 118法規(guī)，以及中國的GB 11552—2009標(biāo)準(zhǔn)，都明確規(guī)定防夾電動車窗為汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置[2]。然而電動車窗夾傷人事件屢見不鮮，近幾年國內(nèi)報(bào)道了多起電動車窗致人傷亡的案例，另據(jù)美國調(diào)查顯示，每年大概有500人左右會因電動車窗使用不當(dāng)而造成意外的夾傷事件[3]。因此，為了乘員安全，車窗防夾技術(shù)的研究發(fā)展必不可少[4-5]?；陔娏鞣底兓能嚧胺缞A算法[6]和基于電流的積分算法中，積分面積和電流幅值易受電流整體大小影響，進(jìn)而影響電動車窗的防夾功能。為此采用基于電流差的電動車窗防夾算法，電流差為動態(tài)數(shù)值，相對電流幅值，在同一系統(tǒng)環(huán)境下不受電流整體大小影響。實(shí)車測試算法的誤防夾率小于1%，防夾力為80N±5N，滿足法規(guī)設(shè)計(jì)要求。

1 防夾原理

電動車窗采用的電機(jī)為直流有刷電機(jī)，其電壓平衡方程[7]為：

U（t）=e（t）+Ri（t）+L（1）

e（t）=Kω（t）（2）

T（t）=Ki（t）（3）

J=T（t）-fω（t）（4）

式中：U（t）——電樞兩端電壓；e（t）——反電動勢；L——電樞自感；J——轉(zhuǎn)動慣量；R——電樞等效電阻；ω（t）——電動機(jī)轉(zhuǎn)速；i（t）——電動機(jī)電流；f——電動機(jī)轉(zhuǎn)動中的阻力和摩擦力因數(shù)；T（t）——電動機(jī)轉(zhuǎn)矩；K——常數(shù)系數(shù)。

對式（1）～式（4）進(jìn)行拉普拉斯變換[8]，再合并可得頻域公式（5）：

U（s）=+RI（s）+LsI（s）（5）

在一個(gè)確定的電機(jī)系統(tǒng)中，電樞兩端電壓、電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量是固定不變的。所以由式（5）可知，當(dāng)f增大時(shí)，I應(yīng)隨之增大，因此當(dāng)發(fā)生夾傷事件時(shí)，電流幅值的突然增大可以作為一個(gè)重要的防夾依據(jù)。

2 防夾區(qū)域

按照歐標(biāo)74/60/EWG、國標(biāo)GB 11552—2009和美標(biāo)FMVSS 118的相關(guān)要求，電動車窗防夾區(qū)域如圖1所示。車窗上止點(diǎn)（0mm）以下的4～200mm區(qū)域防夾力要求小于100N[9]。

車窗的位置通過霍爾傳感器采集到的霍爾脈沖個(gè)數(shù)來判斷?；魻柮}沖的產(chǎn)生是由電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，S極和N極作用在霍爾傳感器上，霍爾傳感器捕捉到變化后產(chǎn)生霍爾脈沖，通過初始化獲取車窗從上到下整個(gè)行程的霍爾脈沖數(shù)量，可得知車窗的具體位置。

3 防夾算法設(shè)計(jì)

3.1 電流濾波

直流有刷電機(jī)在換向過程中會產(chǎn)生紋波，汽車行駛在各種各樣的路面上，如比利時(shí)路、瀝青路等，也會產(chǎn)生大小不一的噪聲，這些噪聲對防夾判斷有影響，需對采樣的電流進(jìn)行濾波以消除部分噪聲，減小干擾。采用滑動平均濾波算法對ADC采集到的電流進(jìn)行濾波，不同倍數(shù)的電流濾波效果如圖2所示，濾波后的電流噪聲有所減小。

3.2 電流斜率

斜率可反映曲線變化的快慢，車窗遇到障礙物時(shí)，電流以一定范圍的斜率上升，因此了解車窗在有障礙物和無障礙物時(shí)電流斜率的變化，即可得知車窗是否遇到障礙物。

斜率的計(jì)算有多種方法，兩點(diǎn)求斜率公式為a=（Y-Y0）/（X-X0），取相鄰兩點(diǎn)做斜率，無法反映出電流曲線局部的整體變化，易受采樣條件等影響而存在偶然性。因此，使用最小二乘法擬合采樣點(diǎn)的方法計(jì)算斜率更加合適。

使用采樣的最新CUR_NUM（多次測試取合適值）個(gè)電流數(shù)據(jù)求電流曲線的局部擬合斜率，局部電流數(shù)據(jù)窗口如圖3所示，每采集到最新電流數(shù)據(jù)便會將CUR_NUM個(gè)數(shù)據(jù)整體左移一位以去掉數(shù)組中的最舊數(shù)據(jù)（數(shù)組索引為0的數(shù)據(jù)），空出第CUR_NUM個(gè)的位置（數(shù)組索引為CUR_NUM-1的位置）以接收最新輸入數(shù)據(jù)。

當(dāng)窗口存滿數(shù)據(jù)并正常更新數(shù)據(jù)后，每更新一個(gè)數(shù)據(jù)便計(jì)算一次斜率。有無障礙物時(shí)車窗電流斜率變化柱狀圖如圖4所示，有障礙物和無障礙物時(shí)電流斜率的變化相對明顯，可據(jù)此設(shè)定車窗遇到障礙物時(shí)的最低電流斜率閾值。當(dāng)電流斜率小于設(shè)定電流斜率閾值時(shí)，認(rèn)為車窗處于無障礙物正常運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)電流斜率大于設(shè)定電流斜率閾值時(shí)，認(rèn)為車窗碰到障礙物。

3.3 電流差

由防夾原理可知，電流幅值可反映當(dāng)前車窗所受阻力大小，而電流差是動態(tài)的相對電流幅值。因此，電流差增大，表示車窗當(dāng)前所受阻力增大；電流差減小，表示當(dāng)前車窗所受阻力減小。

車窗系統(tǒng)工作時(shí)，定時(shí)采集電機(jī)電流數(shù)據(jù)記為X1、X2、X3…Xn。電流差值Δd表示相鄰2個(gè)電流的差，公式如下：

Δd1=X2-X1，Δd2=X3-X2，Δd3=X4-X3，…Δdn=X（n+1）-Xn

（6）

設(shè)電流差為ΔD，則電流差可表示為：

ΔD=Δdi（7）

有無障礙物時(shí)電流差變化曲線如圖5所示，無障礙物（電流斜率小于電流斜率閾值）時(shí)，電流差ΔD保持為0，只有當(dāng)遇到障礙物（電流斜率大于電流斜率閾值）時(shí)，電流差才持續(xù)上升。當(dāng)電流差上升到防夾閾值后便觸發(fā)防夾功能。

3.4 電流均值

為避免電流突然上升后保持水平（清零斜率范圍內(nèi)），導(dǎo)致電流差ΔD被清零出現(xiàn)防夾失效的情況，使用電流均值來輔助判斷電流差ΔD是否清零。電流均值計(jì)算使用上述求斜率時(shí)的CUR_NUM數(shù)據(jù)，每次同時(shí)計(jì)算一個(gè)斜率和一個(gè)電流均值。電流均值閾值變化曲線如圖6所示，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，電流均值閾值會保持不變，直到程序認(rèn)定障礙物消失，電流均值閾值才恢復(fù)跟隨電流均值（電流均值曲線和濾波電流曲線基本重合）。當(dāng)電流均值超過設(shè)定的電流均值閾值時(shí)，即使電流斜率滿足時(shí)，電流差ΔD仍不允許清零。電流均值閾值設(shè)定為電流均值與某部分電流差值的和，這部分電流差并非真實(shí)肉眼可見的障礙物引起，而是車窗自身?xiàng)l件或是運(yùn)行過程中的微小抖動引起，在不同路面路況下同樣會引起類似電流差，因此，電流均值閾值的設(shè)定需盡可能處理這部分干擾。

4 防夾算法測試

使用以上算法進(jìn)行實(shí)車測試，如圖7所示，車窗從下軟停點(diǎn)啟動，在距上膠條大約5cm處遇到障礙物觸發(fā)防夾功能。車窗在不同位置，其電流整體大小不同，算法能夠識別出當(dāng)前有無障礙物并清零電流差，在遇到障礙物時(shí)，電流斜率和均值滿足閾值條件被算法識別出來，并保持電流差上升，隨后觸發(fā)防夾功能。

選擇車窗的5個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行測試，每個(gè)點(diǎn)測試5次，防夾力數(shù)據(jù)見表1。

由表1可知，不同點(diǎn)的防夾力變化均在（80±5）N，滿足防夾力小于100N的設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了算法的安全性。

在各種惡路條件下測試電動車窗的防夾功能，測試結(jié)果見表2。

由表2測試結(jié)果可知，在以上惡路條件下電動車窗防夾功能均能正常工作，誤防夾率小于1%，驗(yàn)證了算法的可靠性。

5 結(jié)束語

本文提出了基于電流差的電動車窗防夾算法，滑動平均濾波可有效濾除部分電流噪聲和有限的路面干擾，電流斜率和電流均值可有效使電流差在無障礙物時(shí)保持在0附近。當(dāng)遇到障礙物時(shí)，電流差持續(xù)上升并觸發(fā)防夾功能。實(shí)車測試防夾力穩(wěn)定在（80±5）N，誤防夾率低于1%，符合GB 7258—2017標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了該算法的可行性，算法實(shí)時(shí)性高，碰到障礙物能及時(shí)觸發(fā)防夾功能，提高了車窗使用的安全性和可靠性。

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（編輯 楊凱麟）