基于MATLAB的轎車車窗控制方法的設計

黃昊旻，徐志佳，姚固文，宋?景，丁小可

（貴陽學院機械工程學院，貴州 貴陽 550000）

基于MATLAB的轎車車窗控制方法的設計

黃昊旻，徐志佳，姚固文，宋?景，丁小可

（貴陽學院機械工程學院，貴州 貴陽 550000）

設計一款車輛防悶的安全控制裝置以防止因父母及親人的疏忽而導致兒童在車內(nèi)被悶死事件的發(fā)生，確保兒童的安全。在提出相應設計方案后借用仿真軟件對溫度、重力等信號進行輸入判斷，在充分考慮車輛使用過程中的干擾因素后，實行對車輛車窗控制信號的有效輸出，從理論上車窗可以安全有效地開啟，確保車內(nèi)人員的安全。

控制方法；轎車車窗；仿真

據(jù)媒體公開報道，夏季由于父母、老師或駕駛員疏忽導致兒童被鎖于車內(nèi)發(fā)生窒息死亡的事件，從2006年到2015年，全國至少發(fā)生20多起，部分車輛使用者對車輛使用過程中的安全意識較為淡薄，正是由于父母監(jiān)護義務的缺位及人們的粗心大意導致兒童在車內(nèi)窒息死亡的事件頻繁發(fā)生，這也從側(cè)面反映了車輛在應對此類突發(fā)事件時無相應的結(jié)構來避免悲劇發(fā)生。

目前車輛往往考慮自身的防盜因素較重，對該類事件采取的思路往往是通過求助人員在駕駛室內(nèi)按響車輛喇叭來引起注意或者是通過拍打車窗來實現(xiàn)求助，不過這兩種方法中存在的問題在于：①部分車輛熄火停車后，喇叭是無法發(fā)出聲響的；②部分求助人員年齡十分幼小，根本無法實現(xiàn)主動求援的動作。因此，基于現(xiàn)有車輛的基本結(jié)構情況下，實現(xiàn)對車輛車窗有目的、有條件的控制，是減少夏季兒童被悶死在車輛內(nèi)此類事件的有效手段之一。不過如何實現(xiàn)車輛處于停止狀態(tài)下時，車窗有效、準確、安全地開閉正是需要思考的。

1 設計方案

夏季，車輛作為一密閉空間，經(jīng)過一段時間的太陽直射后，車輛內(nèi)的溫度會遠遠大于外部環(huán)境溫度，這一高溫環(huán)境造成車內(nèi)兒童體溫上升、水分流失進而缺氧窒息。根據(jù)這一原因，構想當車輛車窗可以根據(jù)需要進行適度的開啟，雖不能完全降低車內(nèi)溫度但可以在一定程度上緩解車輛內(nèi)部溫度過高情況，進而防止悲劇發(fā)生。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，也證實這一猜想具有一定的可行性。

試驗測量儀器為紅外式非接觸測溫槍，選取車內(nèi)后排座椅為測量點進行測量，測量間隔時間為15 min，測量數(shù)據(jù)見表1。

從表1中可以看出，當車窗進行適當開啟后，會對車內(nèi)的溫度環(huán)境帶來一定的影響。設計的主要參考對象屬于年齡段較小、行為能力較弱的嬰幼兒童，如何判斷車內(nèi)是否留有兒童是設計首要解決的任務。

車輛使用者在習慣上的不同會給是否有兒童的判斷帶來一定的干擾，例如是否是與兒童質(zhì)量相當?shù)奈锲返母蓴_、被鎖人員是否屬于行為能力較弱的嬰幼兒的干擾。所以為了有效判斷被鎖對象，沒有采取單一信號源，而是采用了重力和紅外線雙重信號源進行判斷。完成對車輛內(nèi)是否留有人員的判斷后，為確保車輛安全，不能盲目開窗造成財產(chǎn)受損，因此應對車內(nèi)溫度變化情況進行監(jiān)測。

表1 測量溫度數(shù)據(jù)

為確保車窗控制是有針對性、必要性的開啟，所以車內(nèi)是否有人和車內(nèi)溫度是否到達限定值，這兩個條件應該是邏輯與關系，缺一不可，設計方案如圖1所示。其控制思路是當汽車處于熄火、車門緊閉的情況下，裝置開始啟動。裝置首先通過重力和紅外線傳感器判斷車內(nèi)是否有兒童，如果沒有兒童，裝置會自動關閉，以便節(jié)省電源；如果有兒童在車內(nèi)，裝置繼續(xù)監(jiān)測車內(nèi)溫度的上升情況，車內(nèi)上升到一定的溫度，例如26℃后，傳感器就會將監(jiān)測到的溫度傳送給此裝置的信號控制器，信號控制器會判斷出此溫度信號是否達到設定值，并進行運算與處理，然后輸出執(zhí)行命令，輸出的命令直接控制車窗電機，電機根據(jù)指令要求控制車窗玻璃的下降。

圖1 方案設計

2 控制信號處理

從車輛整體來看，車輛內(nèi)部溫度是一個平均數(shù)，但車輛局部區(qū)域溫度會有區(qū)別。因此溫度傳感器安裝位置會造成裝置的提前或延遲開閉。提前開啟有可能會造成不必要的損失，而延遲開啟則可能會造成生命的流逝。溫度傳感器安裝在前擋風玻璃處，由于光線直射的原因，會造成該處的溫度大于其它區(qū)域，容易造成裝置的提前開啟，所以不能安裝在前擋風玻璃處。兒童在車輛的主要乘坐空間是后排，如果安裝在此處則由于此處溫度是周邊空氣緩慢熱傳遞進行的升溫，對車輛而言是溫度較低值區(qū)域，但這樣會造成裝置的延遲開啟?？偨Y(jié)以上兩點考慮，溫度傳感器主要安裝位置為后排靠近擋風玻璃處。

紅外線信號傳感器由于掃描角度原因，當安裝在前擋風玻璃處時，后排乘坐的兒童由于被前排座椅遮擋容易造成裝置無法啟用，為確保檢測到的信號確實有效，考慮安裝位置為前排座椅椅背處。

裝置的主要考慮對象是乘坐車輛的兒童，由于兒童主要乘坐空間是后排，因此壓力信號安裝在后排座椅下，為避免后排座椅上放置重物對裝置造成干擾，考慮安裝多個壓力傳感器于后排座椅下。當溫度上升造成兒童不適時，由于兒童的活動造成多個壓力傳感器信號出現(xiàn)變化從而最終形成有效的壓力信號輸出，確保了對后排壓力檢測的有效性。

信號的處理是關系裝置能否正常使用的關鍵，在裝置中，重力、紅外、溫度3個信號為邏輯與關系，這樣才能確保裝置的啟用是有效、有針對性、安全的，3種信號的邏輯判斷流程如圖2所示，邏輯與關系見表2。

從表2中可以看到，只有輸入的3種信號都為真值時，車輛的車窗才開啟，若是3種信號進行判斷后，只要一種信號值不為真值，為確保車輛的安全，裝置都不進行運動，車窗保持關閉狀態(tài)。

圖2 信號流程圖

表2 邏輯與關系表

3 仿真模擬

借用軟件對設計進行信號仿真處理。對信號進行模型的搭建，模型如圖3所示。模型的搭建中僅為判斷信號間關系是否能進行有效配合工作，在溫度極限范圍和重力造成的壓力信號的極限判斷值方面采取了簡略數(shù)據(jù)，沒有與真實情況一致，但實際情況中的真實值相對模型而言也就僅僅更改參考數(shù)據(jù)值的大小。

圖3 信號的模擬仿真

根據(jù)模型進行波形的輸出情況（圖4），可以看到0～4 s期間，輸出信號為0，也就意味著車窗不會下降；當波形處于4 s后，輸出值有1發(fā)生。輸出值為1表示所有條件為真，此時車窗下降一定高度，既確保了車輛安全性防止被盜現(xiàn)象發(fā)生，又保證了車輛的通風效果，確保車輛內(nèi)被鎖人員的安全。在4 s后的階段，之所以會反復出現(xiàn)0，1交替的輸出值波形，是因為在模型搭建時，理解為當車輛內(nèi)兒童處于溫度上升狀態(tài)后，由于感到難受造成重力值的反復變化，最終造成輸出值的交替變化。但是會導致以下問題的產(chǎn)生：由于車窗玻璃的開啟關閉是根據(jù)輸出值來進行工作的，當輸出值出現(xiàn)真、假的交替輸出時，車窗玻璃會出現(xiàn)開啟、關閉的反復動作，極有可能造成車窗最終沒有開啟或是開啟高度不夠的情況出現(xiàn)。因此，為解決此情況，需對模型進行調(diào)整處理。新調(diào)整的模型如圖5所示。

圖4 輸出波形信號

圖5 信號仿真模擬圖

最終得到的有效信號如圖6所示。從圖6中可以看出溫度、壓力、紅外線傳感器采集到的數(shù)據(jù)波形，在7 s前出現(xiàn)了4次，可視為車內(nèi)生命在車內(nèi)環(huán)境溫度升高后由于不適造成了波形的多次輸出。如果作為車窗電機的信號容易造成電機的反復運動，這明顯不可行，當處理后可以看到，波形在輸出4次后，可以理解為溫度、壓力、紅外線傳感器采集到的數(shù)據(jù)波形確實為車內(nèi)人員造成的，那么設備將對車窗輸出有效的開啟信號。也即在圖6中出現(xiàn)第5次波形的時候，輸出了有效的控制電壓傳輸給ECU，從而控制電機的轉(zhuǎn)速，再由電機控制車窗的開啟。

圖6 信號最終輸出波形圖

4 結(jié)論

設計利用重力和紅外線兩種傳感器結(jié)合來檢測車內(nèi)是否有兒童，從一定程度上提高了數(shù)據(jù)檢測的有效性。其次，設計上考慮了輸入對信號計數(shù)處理，防止出現(xiàn)車窗電機反復開啟關閉的現(xiàn)象發(fā)生，當信號為真時只要求車窗電機進行一次操作。從車輛內(nèi)兒童及車輛財產(chǎn)兩方面進行了考慮，確保設計的有效性。但從設計整體來看，存在著沒有對傳感器安裝點位置的討論，因為測量位置將直接影響到測量數(shù)據(jù)的精準性，從而影響到裝置啟動的準確性。

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Vehicle Window Control Method Base on Matlab

HUANG Hao-min，XU Zhi-jia，YAO Gu-wen，SONG Jing，DING Xiao-ke
（College of Mechanical Engineering，Guiyang University，Guiyang 55000）

A safety control device is designed here to ensure children safety. Using simulation software to judge the input of temperature，gravity and other signals，taking interference factors into consideration，this device could effectively open the window in theory，and then ensures the passenger safety.

control method；car window；simulation

U463.853

A

1003-8639（2017）11-0074-03

2017-07-24

貴州省科技廳自然科學資助項目（黔科合J字LKG［2013］56號）；貴州省科技廳自然科學資助項目（黔科合LH字［2014］7206號）；貴陽學院教改課題（20160455104）。

黃昊旻（1978-），男，貴州貴陽人，碩士，副教授，主要研究方向為車輛工程；徐志佳（1981-），女，湖北恩施人，碩士，副教授，主要研究方向為機械電子。

（編輯 楊 景）