車(chē)窗防夾算法的探究和實(shí)現

　　引言

　　隨著(zhù)汽車(chē)的普及，汽車(chē)的安全性越來(lái)越受到人們的重視，畢竟這是關(guān)乎生命安全的大事。而現在汽車(chē)多采用電動(dòng)車(chē)窗，但是電動(dòng)車(chē)窗仍存在著(zhù)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(chē)窗夾傷的事故被報道，其中大部分受傷者是兒童，因此電動(dòng)車(chē)窗防夾保護被提出。所謂電動(dòng)車(chē)窗防夾保護，就是一旦在車(chē)窗自動(dòng)上升過(guò)程中偵測到有障礙物的存在，車(chē)窗就自動(dòng)停止向上運動(dòng)，防止損毀障礙物;并向下運動(dòng)，以釋放障礙物。

　　電動(dòng)車(chē)窗防夾的基本思想可以概括為：在車(chē)窗自動(dòng)上升過(guò)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)。當檢測到有障礙物存在時(shí)，驅動(dòng)電機反轉，使車(chē)窗下降一段距離，釋放障礙物。本文介紹的防夾保護算法主要是通過(guò)檢測電機轉速的變化來(lái)實(shí)現的。

　　電機周期的測量

　　在防夾設計中，嚴格地說(shuō)涉及到的參數應該是電機的轉速。但是，在本課題中，更確切地說(shuō)，檢測到的不是轉速，而是周期。本課題采用Timer模塊里的捕捉模式來(lái)檢測兩個(gè)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(gè)參數的效果是一致的。為了節省微控制器的資源，就直接周期來(lái)代替速度進(jìn)行防夾檢測。

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

　　Timer設置的是16預分頻，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復用為T(mén)imer21脈沖捕獲模式的輸入引腳。本課題中，當霍爾傳感器輸入為脈沖下降沿時(shí)，Timer產(chǎn)生中斷，并在中斷程序中計算周期。具體計算流程如下：

　　圖1周期計算流程圖

　　其中，Pre_reload為前一次脈沖到達時(shí)寄存器中的值，用當前值減去前一次的值即為周期。值得一提的是，period_count這個(gè)變量。當計時(shí)器溢出一次，period_count就加一。從而避免因計時(shí)器溢出而導致周期計算錯誤。

　　實(shí)現的具體做法是：由于只需在車(chē)窗自動(dòng)上升時(shí)進(jìn)行防夾。所以首先先判斷是否為自動(dòng)上升。若是自動(dòng)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，將當前計數器中的值存入變量Pre_reload,如果不是第一次進(jìn)入，則將當前計數器的值減去Pre_reload的值作為周期值，再將當前值存入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(chē)窗到達頂部為止。

　　車(chē)窗位置的確定

　　車(chē)窗在上升過(guò)程中，由于存在車(chē)窗重量和窗框阻力等因素，在每個(gè)位置上的周期大小是不一樣的。因此判斷車(chē)窗位置也是相當重要的。從機械的角度講，電機旋轉會(huì )帶動(dòng)鋼絲繩的運動(dòng)，從而帶動(dòng)車(chē)窗的上下開(kāi)閉。電機每旋轉一定角度，鋼絲繩就相應地運動(dòng)一定行程，因此車(chē)窗運動(dòng)的行程與電機旋轉的圈數成線(xiàn)性關(guān)系。而電機的旋轉會(huì )使得霍爾傳感器產(chǎn)生脈沖信號，因此車(chē)窗位置也可以采用霍爾傳感器和XC886CS中的計時(shí)器模塊相結合的方式來(lái)測量。當電機轉過(guò)一圈，計時(shí)器Timer就會(huì )捕獲到霍爾信號的下降沿，從而在中斷服務(wù)程序中對車(chē)窗位置作出記錄。由于車(chē)窗有可能上下運動(dòng)，因此車(chē)窗位置的計算不能只在車(chē)窗上升時(shí)進(jìn)行，在車(chē)窗下降的時(shí)候也要作出相應的調整。因此程序在進(jìn)入中斷服務(wù)后首先查詢(xún)車(chē)窗的狀態(tài)是上升還是下降。如果是上升，則電機每轉動(dòng)一圈車(chē)窗位置就相應遞增;如果是下降，則電機每轉動(dòng)一圈，車(chē)窗位置就遞減。

　　防夾車(chē)窗算法的提出和實(shí)現

　　本課題采用的防夾算法是基于電機運行參數的方法。如何得到準確的運行參數即周期，是防夾算法能否實(shí)現的關(guān)鍵。本課題還根據實(shí)際運行中發(fā)現的算法紕漏,對算法進(jìn)行優(yōu)化。

　　防夾試驗數據分析

　　為了得到確切的基準周期和電流值，我們使用通過(guò)串口發(fā)送數據的方法。利用Keil C中的UART_vSendData8(ubyte ubData)語(yǔ)句發(fā)送周期和電流值，并利用串口助手這個(gè)軟件接收數據。

　　當車(chē)窗自動(dòng)上升時(shí)，反復多次發(fā)送數據到顯示器。取出運行較好的幾組數據，取其平均值，計算出每個(gè)高度上每次運行時(shí)的實(shí)時(shí)值與平均值的差值，然后確定一個(gè)較適合的容差。

　　從串口發(fā)送出來(lái)的值中可以看到，車(chē)窗上升的脈沖周期，也就是車(chē)窗的上升速度從底部經(jīng)過(guò)約12個(gè)脈沖后，基本呈線(xiàn)性上升的態(tài)勢。由于通過(guò)串口發(fā)送數據可以得到在每個(gè)點(diǎn)上脈沖周期的確切值，因此對每個(gè)點(diǎn)上的周期值均可以取到多次試驗結果的均值，通過(guò)對均值和各次試驗的實(shí)際值相比較可以發(fā)現，這些值的均值在加上容差1846后，絕大多數的實(shí)際運行值都會(huì )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

　　在算法設計的時(shí)候，只考慮了在車(chē)窗自動(dòng)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(chē)窗手動(dòng)上升、車(chē)窗手動(dòng)下降以及車(chē)窗自動(dòng)下降)都不進(jìn)行防夾判斷。因為車(chē)窗下降不存在防夾的問(wèn)題，如果車(chē)窗手動(dòng)上升時(shí)有障礙物被夾持的話(huà)，則可以通過(guò)手的控制來(lái)避免被夾傷。在算法中采用標志位bWIN_Up_Down和bAutoFlag來(lái)標示車(chē)窗是否為自動(dòng)上升，如果控制器得到的是自動(dòng)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，根據實(shí)驗所得數據，車(chē)窗從底部啟動(dòng)的3個(gè)脈沖內其電壓和脈沖周期值相當復雜而且隨機，沒(méi)有任何規律可循，而且在底部的3個(gè)脈沖車(chē)窗玻璃的總行程不會(huì )超過(guò)1cm，因此在這一段不進(jìn)行防夾。

　　該算法的思想是，將上節中提到的基準周期存放在RAM里。然后在車(chē)窗自動(dòng)上升過(guò)程中檢測電機運行的實(shí)時(shí)周期值，將實(shí)時(shí)值與基準值進(jìn)行比較，若兩者之間的差值連續三個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)超過(guò)容差，即認為有障礙物存在。車(chē)窗進(jìn)入自動(dòng)下降程序，車(chē)窗降到底部。若沒(méi)有連續三個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)超過(guò)或在容差之內，則認為無(wú)障礙物存在，則自動(dòng)上升直到車(chē)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

　　根據算法在實(shí)際運行中存在的問(wèn)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(chē)窗在底部啟動(dòng)時(shí)的算法優(yōu)化

　　根據對脈沖周期值的綜合分析可知，在第12個(gè)脈沖周期之前，該值的變化十分不穩定，經(jīng)常會(huì )出現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。因此對底部的啟動(dòng)問(wèn)提，提出的方案是，濾去前12個(gè)脈沖點(diǎn)，也就是在前12個(gè)脈沖點(diǎn)上不進(jìn)行防夾。理由是，前10個(gè)脈沖點(diǎn)為車(chē)窗最底部的部分，車(chē)窗行程不超過(guò)3cm，對防夾保護不會(huì )產(chǎn)生大的影響。

　　4.3.2 車(chē)窗到頂時(shí)的算法優(yōu)化

　　通過(guò)實(shí)驗可知，如果車(chē)窗正常上升的話(huà)，車(chē)窗玻璃在第209個(gè)脈沖時(shí)為車(chē)窗玻璃與上窗框密封條之間的接觸點(diǎn)。車(chē)窗在進(jìn)入上密封條后由于環(huán)境溫度、空氣濕度的不同導致密封條的摩擦力會(huì )不同，因此會(huì )出現有的時(shí)候車(chē)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(gè)脈沖，降至第208個(gè)脈沖，也就是在第208個(gè)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(chē)窗中途停止再啟動(dòng)時(shí)的算法優(yōu)化

　　車(chē)窗中途停止再啟動(dòng)與底部啟動(dòng)其本質(zhì)是一樣的，兩者的區別是，底部啟動(dòng)在第一個(gè)脈沖的時(shí)候雖然會(huì )大的離譜，但是在接下來(lái)的幾個(gè)脈沖會(huì )有下降的趨勢，能給出一個(gè)容差，使得兩值能在容差范圍內，但是中途停止再啟動(dòng)是連續幾個(gè)脈沖大的離譜，而且隨著(zhù)車(chē)窗位置的不同以及中途停止時(shí)間的長(cháng)短其大小也會(huì )發(fā)生變化，所以采取不同的策略進(jìn)行算法優(yōu)化。

　　在車(chē)窗啟動(dòng)的時(shí)候，忽略最先的8個(gè)脈沖以屏蔽由于車(chē)窗啟動(dòng)帶來(lái)的脈沖周期的波動(dòng)。在屏蔽之后，還是按照算法來(lái)進(jìn)行防夾運算。8個(gè)脈沖是通過(guò)反復實(shí)驗得到的較為合理的值，在8個(gè)周期后，周期值基本恢復正常，在容差之內。

　　圖4 優(yōu)化后的算法流程圖

　　圖5 發(fā)生防夾動(dòng)作的周期和電路圖

　　電動(dòng)車(chē)窗防夾的總結

　　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。因為霍爾傳感器的采樣也不是實(shí)時(shí)的。這種方法適用于計算能力不是很強，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(gè)高度上檢測周期和電流，與基準值比較，三次超出容差就認為有障礙物，進(jìn)入防夾處理。

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