基于狀態(tài)機(jī)的汽車電動(dòng)滑移門控制邏輯分析

呂華溢， 王 波， 黃 晗， 謝 政， 張金換

(1.清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院，南京 211100; 3.長安汽車智能化研究院，重慶 401120)

汽車電動(dòng)滑移門(power sliding door，PSD)在繼承傳統(tǒng)手動(dòng)滑移門所具有的泊車容易、開啟寬度大、方便人員進(jìn)出等優(yōu)點(diǎn)[1]的同時(shí)，還具有開閉便利、使用靈活等特點(diǎn)，是提升多用途汽車(multi-purpose vehicle，MPV)產(chǎn)品檔次與用戶舒適性的一種車載機(jī)電控制系統(tǒng)。PSD系統(tǒng)最初由國外汽車廠商開發(fā)并應(yīng)用于MPV車型，在2008年左右中國整車和零部件企業(yè)也開始涉足PSD系統(tǒng)的裝置研發(fā)[2-3]。張勇強(qiáng)等[4]介紹了所開發(fā)PSD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、工作流程和開發(fā)經(jīng)驗(yàn)；曾良才等[3,5]對(duì)PSD驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的布局方案、組成結(jié)構(gòu)、總體設(shè)計(jì)等進(jìn)行了分析研究；衛(wèi)原平等[1]建立了PSD系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程、動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)開展了有限元和疲勞壽命分析，研究了PSD系統(tǒng)的安全控制策略；俞岳平等[6-7]對(duì)PSD系統(tǒng)的開關(guān)動(dòng)作、機(jī)構(gòu)組成、結(jié)構(gòu)受力和防夾技術(shù)等方面進(jìn)行了研究；崔炳林等[8-9]對(duì)PSD系統(tǒng)的技術(shù)構(gòu)成和運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向、控制等主要子系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析；高曉萍[10]設(shè)計(jì)了基于LIN總線的PSD控制系統(tǒng)；何少斌[11]從PSD系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)輸入輸出信號(hào)的控制邏輯進(jìn)行了梳理和設(shè)計(jì)；徐濟(jì)慈等[12]、陳勇強(qiáng)等[13]研究了PSD系統(tǒng)耐久性試驗(yàn)方式并設(shè)計(jì)了試驗(yàn)裝置。

近年來隨生育政策的放開，MPV車型市場需求再度增長，整車和零部件企業(yè)對(duì)PSD系統(tǒng)的研發(fā)也持續(xù)增強(qiáng)[14]。但是已有研究工作均是從PSD系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)、受力分析、電氣控制等不同技術(shù)方面出發(fā)而展開的PSD系統(tǒng)設(shè)計(jì)，未考慮到PSD系統(tǒng)是人車交互操作的重要界面之一，其操作響應(yīng)對(duì)于乘員舒適性、使用安全性具有直接影響。因此，本文將以某特定MPV車型作為研究對(duì)象，從人員對(duì)PSD系統(tǒng)的操控和系統(tǒng)響應(yīng)入手，對(duì)PSD系統(tǒng)的操作控制邏輯進(jìn)行分析研究。

1 電動(dòng)滑移門控制功能測試

鑒于某型MPV是目前中國保有量較大的具備PSD功能的MPV車型，故以該車型作為PSD系統(tǒng)控制邏輯的研究分析對(duì)象。測試車型為單側(cè)PSD配備設(shè)計(jì)，車輛右側(cè)滑移門為PSD系統(tǒng)，左側(cè)仍為手動(dòng)滑移門。

1.1 電動(dòng)滑移門控制開關(guān)分布

在MPV車輛內(nèi)部考慮到乘員、司機(jī)的坐席位置不同，為滿足各自操作需求而設(shè)置有多處PSD操作開關(guān)。圖1所示為測試車型分別在中控臺(tái)設(shè)置的車門中控鎖、前部上方設(shè)置的車頂開關(guān)、右側(cè)B柱內(nèi)側(cè)設(shè)置的B柱開關(guān)、右側(cè)PSD外部設(shè)置的外把手開關(guān)、PSD內(nèi)部設(shè)置的內(nèi)把手開關(guān)[圖1(d)1所示]以及可操作PSD的遙控鑰匙，針對(duì)車內(nèi)兒童乘客的安全還在右側(cè)PSD上設(shè)置有兒童鎖[圖1(d)2所示]；為防止PSD在關(guān)門時(shí)夾傷乘客，在PSD和B柱接觸的側(cè)面還具有可停止PSD關(guān)門運(yùn)動(dòng)的防夾壓條[圖1(d)3所示]。這些開關(guān)中除了車門中控鎖只能在PSD關(guān)閉狀態(tài)下對(duì)車門進(jìn)行鎖止操作外，其余開關(guān)均可對(duì)PSD的開啟、關(guān)閉狀態(tài)或開關(guān)運(yùn)行產(chǎn)生影響。

圖1 電動(dòng)滑移門開關(guān)位置分布Fig.1 Position of power sliding door switches

1.2 電動(dòng)滑移門控制測試

對(duì)于PSD系統(tǒng)的測試分為正常操作測試和惡意操作測試兩大類，正常操作測試是指在車門中控鎖打開的情況下，通過各處PSD開關(guān)控制滑移門從完全開啟或完全關(guān)閉狀態(tài)開始運(yùn)行直至運(yùn)行停止，此類測試中PSD系統(tǒng)處于對(duì)開關(guān)信號(hào)作出正常響應(yīng)的狀態(tài)；惡意操作測試是指通過開關(guān)控制PSD從完全開啟或完全關(guān)閉狀態(tài)開始運(yùn)行，在運(yùn)行中再次觸發(fā)PSD開關(guān)或防夾壓條以擾動(dòng)PSD運(yùn)行，使得PSD系統(tǒng)處于非正常響應(yīng)的工作狀態(tài)。其中，惡意操作測試是PSD系統(tǒng)控制測試的主要試驗(yàn)內(nèi)容，通過對(duì)PSD進(jìn)行一系列惡意操作測試得到的響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)歸納，即可獲得測試車型的PSD系統(tǒng)操作控制邏輯。如表1中所示為對(duì)PSD系統(tǒng)進(jìn)行的惡意操作測試和系統(tǒng)響應(yīng)情況。

表1 PSD系統(tǒng)惡意操作測試與響應(yīng)

在測試車型的PSD開門和關(guān)門過程中，通過車頂開關(guān)、B柱開關(guān)、內(nèi)把手、外把手和遙控鑰匙五處進(jìn)行操作觸發(fā)時(shí)，PSD系統(tǒng)都會(huì)停止開門或關(guān)門運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)；在此種運(yùn)行中停止的狀態(tài)下，再通過這五處開關(guān)進(jìn)行操作觸發(fā)時(shí)，PSD系統(tǒng)將會(huì)按照與停止?fàn)顟B(tài)前相反的運(yùn)行方向運(yùn)動(dòng)；在PSD開門和關(guān)門過程中通過防夾壓條進(jìn)行操作觸發(fā)時(shí)，開門過程中PSD系統(tǒng)無響應(yīng)繼續(xù)開門運(yùn)動(dòng)，關(guān)門過程中PSD系統(tǒng)將會(huì)停止運(yùn)行進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)；PSD在兒童鎖打開的完全開啟狀態(tài)下，通過車頂開關(guān)、B柱開關(guān)、內(nèi)把手、外把手和遙控鑰匙五處進(jìn)行操作觸發(fā)時(shí)，可進(jìn)行關(guān)門運(yùn)動(dòng)，打開的兒童鎖對(duì)于PSD系統(tǒng)的關(guān)門運(yùn)動(dòng)無影響；PSD在兒童鎖打開的完全關(guān)閉狀態(tài)下，通過車頂開關(guān)、外把手和遙控鑰匙三處進(jìn)行操作觸發(fā)時(shí)，可進(jìn)行開門運(yùn)動(dòng)；通過B柱開關(guān)和內(nèi)把手兩處進(jìn)行操作觸發(fā)時(shí)，PSD系統(tǒng)無響應(yīng)仍處于完全關(guān)閉狀態(tài)，打開的兒童鎖會(huì)對(duì)部分PSD操作開關(guān)的開門運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。

2 基于狀態(tài)機(jī)的電動(dòng)滑移門控制邏輯建立

在對(duì)某特定MPV車型PSD系統(tǒng)進(jìn)行控制邏輯測試的基礎(chǔ)上，總結(jié)了PSD系統(tǒng)在惡意操作觸發(fā)下的響應(yīng)。使用MATLAB軟件中的有限狀態(tài)機(jī)工具(finite state machine，F(xiàn)SM)Stateflow對(duì)測試車型的PSD系統(tǒng)操作控制邏輯進(jìn)行建模與分析研究。

2.1 狀態(tài)機(jī)建模與遷移條件分析

通過對(duì)PSD系統(tǒng)進(jìn)行的控制測試試驗(yàn)和響應(yīng)結(jié)果分析，將PSD所處的運(yùn)行狀態(tài)劃分為：完全關(guān)閉狀態(tài)、完全開啟狀態(tài)、開門運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、關(guān)門運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)停止?fàn)顟B(tài)五種，每種狀態(tài)在Stateflow建立的FSM模型中分別對(duì)應(yīng)一個(gè)狀態(tài)，如表2所示。PSD系統(tǒng)在使用中總是處于這五種狀態(tài)之一，各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換將通過測試車型所設(shè)置的五處PSD操作開關(guān)、防夾壓條、兒童鎖、車門中控鎖和PSD全開、全關(guān)位置傳感器產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)遷移引發(fā)事件和條件。

表2 FSM模型中的PSD狀態(tài)

根據(jù)對(duì)測試車型PSD系統(tǒng)的操控試驗(yàn)，各狀態(tài)間的遷移引發(fā)事件、條件以及所能遷移的下一狀態(tài)各不相同。按照PSD所處的五種運(yùn)行狀態(tài)，可分為以下情況。

(1)當(dāng)PSD處于完全關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，兩大類引發(fā)事件都將使PSD從當(dāng)前狀態(tài)遷移到開門運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，一類是在中控鎖打開條件下，通過遙控鑰匙、車頂開關(guān)、外把手觸發(fā)產(chǎn)生引發(fā)事件；另一類是在中控鎖和兒童鎖均打開條件下，通過B柱開關(guān)、內(nèi)把手觸發(fā)產(chǎn)生引發(fā)事件。

(2)當(dāng)PSD處于開門運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，兩大類引發(fā)事件將使PSD從當(dāng)前狀態(tài)分別遷移到完全開啟狀態(tài)或運(yùn)動(dòng)停止?fàn)顟B(tài)，前者是由PSD全開位置傳感器觸發(fā)產(chǎn)生引發(fā)事件；后者是通過遙控鑰匙、車頂開關(guān)、B柱開關(guān)、內(nèi)把手、外把手觸發(fā)產(chǎn)生引發(fā)事件。

(3)當(dāng)PSD處于完全開啟狀態(tài)時(shí)，在防夾壓條未觸發(fā)條件下，通過遙控鑰匙、車頂開關(guān)、B柱開關(guān)、內(nèi)把手、外把手觸發(fā)產(chǎn)生引發(fā)事件，將使PSD從當(dāng)前狀態(tài)遷移到關(guān)門運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

(4)當(dāng)PSD處于關(guān)門運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，兩大類引發(fā)事件將使PSD從當(dāng)前狀態(tài)分別遷移到完全關(guān)閉狀態(tài)或運(yùn)動(dòng)停止?fàn)顟B(tài)，前者是由PSD全關(guān)位置傳感器觸發(fā)產(chǎn)生引發(fā)事件；后者是通過遙控鑰匙、車頂開關(guān)、B柱開關(guān)、內(nèi)把手、外把手、防夾壓條觸發(fā)產(chǎn)生引發(fā)事件。

(5)當(dāng)PSD處于運(yùn)動(dòng)停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，兩大類引發(fā)事件將使PSD從當(dāng)前狀態(tài)分別遷移到開門運(yùn)動(dòng)或關(guān)門運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，前者是在PSD運(yùn)動(dòng)停止前處于關(guān)門運(yùn)動(dòng)狀態(tài)條件下，后者是在PSD運(yùn)動(dòng)停止前處于開門運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和防夾壓條未觸發(fā)條件下，通過遙控鑰匙、車頂開關(guān)、B柱開關(guān)、內(nèi)把手、外把手觸發(fā)產(chǎn)生引發(fā)事件。

PSD系統(tǒng)各狀態(tài)之間的遷移引發(fā)事件和條件，在Stateflow建立的FSM模型中分別對(duì)應(yīng)一個(gè)輸入事件或輸入數(shù)據(jù)，如表3、表4所示。

表3 FSM模型中的PSD輸入事件

表4 FSM模型中的PSD輸入數(shù)據(jù)

2.2 控制邏輯實(shí)現(xiàn)

將通過對(duì)PSD系統(tǒng)控制測試試驗(yàn)和響應(yīng)結(jié)果分析歸納得出的PSD五種運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)遷移的八個(gè)引發(fā)事件和三項(xiàng)輸入數(shù)據(jù)條件作為Stateflow工具中構(gòu)成FSM模型的基本元素，則所建立的測試車型PSD系統(tǒng)控制邏輯FSM模型如圖2所示，其中默認(rèn)遷移的引發(fā)事件為PSD系統(tǒng)加電Power，默認(rèn)遷移首先激活的狀態(tài)為PSD完全關(guān)閉狀態(tài)Door_Close。圖2中FSM模型的引發(fā)事件和條件的定義在表3和表4中列出。

圖2 電動(dòng)滑移門控制邏輯的FSM模型Fig.2 FSM model of PSD control logic

3 電動(dòng)滑移門控制邏輯仿真與驗(yàn)證

為了對(duì)使用Stateflow工具所建立的PSD控制邏輯FSM模型進(jìn)行正確性驗(yàn)證，基于MATLAB軟件中的Simulink仿真工具搭建PSD控制邏輯功能驗(yàn)證模型。

3.1 基于Simulink的仿真環(huán)境建立

基于Simulink仿真工具的PSD控制邏輯FSM仿真環(huán)境由FSM模型輸入觸發(fā)信號(hào)、狀態(tài)輸出數(shù)據(jù)以及FSM模型三大部分構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 基于Simulink的FSM模型仿真環(huán)境Fig.3 Simulation of FSM model based on Simulink

通過Simulink仿真工具建立的可用以模擬配合PSD工作的外部環(huán)境觸發(fā)信號(hào)，包括由車頂開關(guān)、B柱開關(guān)、內(nèi)把手、外把手、遙控鑰匙、防夾壓條以及PSD全開、全關(guān)位置傳感器構(gòu)成的FSM模型中狀態(tài)遷移引發(fā)事件，如表3中所示；由車門中控鎖、兒童鎖和防夾壓條構(gòu)成的FSM模型中狀態(tài)遷移條件，如表4中所示。分別設(shè)置常量1和0模擬事件和條件有效產(chǎn)生觸發(fā)以及無效不產(chǎn)生觸發(fā)，各觸發(fā)信號(hào)通過使用手動(dòng)切換開關(guān)連接常量1或0，模擬實(shí)現(xiàn)對(duì)PSD控制邏輯FSM的狀態(tài)遷移信號(hào)輸入。

在PSD控制邏輯FSM中設(shè)置有六個(gè)輸出數(shù)據(jù)，如表5中所示。分別是五個(gè)運(yùn)行狀態(tài)中設(shè)置有相對(duì)應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)以表示當(dāng)前FSM所處的工作狀態(tài)，以及表示PSD運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是開門或關(guān)門的方向指示，表示工作狀態(tài)和PSD運(yùn)動(dòng)方向的輸出數(shù)據(jù)均連接至Simulink仿真工具的Scope模塊中顯示。

表5 FSM模型中的PSD輸出數(shù)據(jù)

3.2 電動(dòng)滑移門控制邏輯驗(yàn)證

在所建立的PSD控制邏輯FSM仿真環(huán)境中，通過輸入一系列觸發(fā)信號(hào)來測試FSM的狀態(tài)遷移變化，如果與實(shí)車PSD系統(tǒng)控制測試試驗(yàn)的結(jié)果相一致，則表明所建立的PSD控制邏輯FSM是正確的，可有效模擬測試車型PSD系統(tǒng)的操作控制邏輯。FSM各狀態(tài)在仿真環(huán)境中Scope模塊的顯示，采用時(shí)序圖方式表現(xiàn)，橫軸為時(shí)間，縱軸為狀態(tài)是否有效。當(dāng)在FSM仿真環(huán)境中依次輸入表6中所列觸發(fā)信號(hào)時(shí)，F(xiàn)SM的狀態(tài)遷移變化如圖4所示。

圖4 FSM模型狀態(tài)遷移變化Fig.4 Status migration of FSM model

圖4所示各狀態(tài)1或0所表示的含義如表5中所示，橫坐標(biāo)表示FSM各狀態(tài)發(fā)生遷移變化的時(shí)刻。由表6中的觸發(fā)信號(hào)輸入和圖4中的狀態(tài)遷移變化可以看到，F(xiàn)SM模型在初始的默認(rèn)遷移引發(fā)事件PSD系統(tǒng)加電Power后處于Stat_Close完全關(guān)閉狀態(tài)，由Remote遙控鑰匙觸發(fā)遷移到Stat_MoveOpen 開門運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；由Loc_Open全開位置傳感器觸發(fā)遷移到Stat_Open完全開啟狀態(tài)；由BPillar B柱開關(guān)觸發(fā)遷移到Stat_MoveClose關(guān)門運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；由Anti_Pinch防夾壓條觸發(fā)遷移到Stat_MoveStop運(yùn)動(dòng)停止?fàn)顟B(tài)；由Outside外把手觸發(fā)遷移到Stat_MoveOpen開門運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；再由Roof車頂開關(guān)觸發(fā)遷移到Stat_MoveStop運(yùn)動(dòng)停止?fàn)顟B(tài)；PSD運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方向Dir_CO也隨狀態(tài)遷移而指示運(yùn)動(dòng)方向變化。在這個(gè)PSD控制邏輯FSM仿真過程中，各狀態(tài)遷移變化及觸發(fā)條件與實(shí)車PSD系統(tǒng)測試試驗(yàn)結(jié)果相一致，表明所建立PSD控制邏輯FSM可正確模擬測試車型PSD系統(tǒng)的操作控制邏輯。

表6 FSM模型測試輸入觸發(fā)信號(hào)

4 結(jié)論

PSD系統(tǒng)是人車交互操作的重要界面之一，通過對(duì)某特定MPV車型的PSD系統(tǒng)進(jìn)行控制邏輯測試，獲取了PSD系統(tǒng)在外界操作觸發(fā)下的響應(yīng)，設(shè)計(jì)了基于FSM的PSD控制邏輯模型，經(jīng)過仿真測試可得到如下結(jié)論。

(1)根據(jù)實(shí)車PSD系統(tǒng)的測試響應(yīng)，PSD系統(tǒng)的控制邏輯FSM劃分為：完全關(guān)閉、完全開啟、開門運(yùn)動(dòng)、關(guān)門運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)停止五種工作狀態(tài)。

(2)采用PSD系統(tǒng)操作開關(guān)、鎖或傳感器產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)的單項(xiàng)或組合可作為控制邏輯FSM各工作狀態(tài)間遷移的引發(fā)事件或條件。

(3)基于MATLAB/Simulink仿真工具建立的PSD控制邏輯FSM模型可采用時(shí)序圖方式表示仿真結(jié)果，用以驗(yàn)證FSM模型的正確性以及與實(shí)車PSD系統(tǒng)測試響應(yīng)的一致性。

基于所設(shè)計(jì)的PSD控制邏輯FSM模型，可為其他車型PSD系統(tǒng)電子控制單元的控制程序開發(fā)提供代碼生成模型。