主動式安全帶電機預(yù)緊的軟硬件解耦

關(guān)鍵詞：主動式安全帶；電控單元（ECU）；AutoSAR 軟件架構(gòu)；軟硬件解耦；駕駛員/乘員監(jiān)控系統(tǒng)（DMS/OMS）

0前言

隨著汽車電動化和智能化的深入發(fā)展，傳統(tǒng)安全帶也在經(jīng)歷重大變革。將電控單元（ECU）與電動機相結(jié)合不僅可主動調(diào)整安全帶張力，以適應(yīng)駕駛條件，還能配合自動緊急制動（AEB）系統(tǒng)觸發(fā)進行迅速收緊，減小乘員向前移動量，提前保護乘員使其免受即將到來的撞擊影響，從而提升乘員的安全性。

1概述

對于主動式安全帶的電機預(yù)緊實現(xiàn)方式，潘欣艾等［1］針對主動應(yīng)用工況進行了詳細的調(diào)查分析。曹立波等［2］探討了控制系統(tǒng)的參數(shù)確定，并完成了軟件系統(tǒng)算法的設(shè)計。王飛［3］介紹了所設(shè)計的主動式安全帶產(chǎn)品，該產(chǎn)品可提前糾正乘員的坐姿。但是，上述研究均采用軟硬件一體的方式，沒有針對軟件架構(gòu)的優(yōu)化和離位判斷的準確感知進行深入研究。

關(guān)于電機控制的軟件架構(gòu)，崔淑梅等［4］詳細介紹了基于標準AutoSAR 平臺的電機控制系統(tǒng)，但針對AutoSAR 架構(gòu)開發(fā)成本高、硬件要求高的問題，并沒有給出解決方案。對此，博世公司提出汽車將從分布式控制向集中式控制方向發(fā)展的方案［5］，這實質(zhì)上是執(zhí)行器算法的逐步上移，在整車級別可實現(xiàn)集中協(xié)調(diào)控制。

目前，行業(yè)內(nèi)針對電機預(yù)緊主動式安全帶的方案有以下幾種：

（1） 軟件架構(gòu)采用傳統(tǒng)高耦合架構(gòu)或AutoSAR軟件架構(gòu)。如圖1 所示，高耦合架構(gòu)會造成軟件移植困難，且開發(fā)量大；并且AutoSAR軟件架構(gòu)的微控制器（MCU）要求相對較高，且開發(fā)成本昂貴，如圖2所示。

（2） 目前業(yè)內(nèi)采用軟硬件一體的方案如圖3 所示。將所有算法放入ECU 會導致資源占用量大，導致高算力要求與計算資源有限的矛盾日益突出，且該方案需要占用大量控制器局域網(wǎng)（CAN）通信帶寬，不利于軟件在線更新（OTA）。

（3） 針對感知人體的離位/傾斜后進行織帶主動回拉的工況，一般采用織帶位移傳感器（WMS）方案。所感知到的織帶拉出位移與人體的離位狀態(tài)之間沒有直接的對應(yīng)關(guān)系，導致在調(diào)節(jié)座椅前后上下及角度、自身坐姿和高調(diào)位置時，電機會主動回收織帶，這不僅耗能，還會引起用戶的抱怨，縮短產(chǎn)品的使用壽命。

2 新方案

為進行相應(yīng)改進，本文設(shè)計了一種低成本、高效能的控制平臺，并配有自研的軟件架構(gòu)；將新系統(tǒng)算法上移到域控制器/中央控制器，并通過OTA技術(shù)支持遠程更新，允許制造商快速部署新的算法和進行相應(yīng)的功能改進，無需物理訪問車輛；此外，通過駕駛員/乘員監(jiān)控系統(tǒng)（DMS/OMS）代替WMS 來感知人體的離位狀態(tài)，以解決上述問題。

其中，DMS/OMS 使用高級攝像頭和傳感器技術(shù)，能真正通過圖像和行為分析準確判斷向人體是否真實離位，完全避免誤判情況，優(yōu)化系統(tǒng)響應(yīng)。

2. 1 系統(tǒng)構(gòu)成

主動式安全帶的系統(tǒng)組成如圖4 所示。ECU通過CAN 總線接收車輛信號，并控制電機進行安全帶的收緊或放松。在此過程中，ECU 內(nèi)部的算法通過齒輪和離合器系統(tǒng)驅(qū)動卷軸，來控制安全帶的動態(tài)調(diào)整。MCU 監(jiān)控并管理電機驅(qū)動器的狀態(tài)，如電流和故障情況，確保電機反應(yīng)迅速、準確。

ECU 系統(tǒng)框圖見圖5。其中，KL30 為蓄電池正極，KL31 為蓄電池負極。

2. 2軟件架構(gòu)

2. 2. 1 AutoSAR 軟件架構(gòu)

通過AutoSAR 軟件對基礎(chǔ)軟件中間件模塊進行標準化，并針對從上到下各模塊之間的接口進行標準化，應(yīng)用層軟件可保證AutoSAR 標準接口ECU 之間的無縫移植，在新方案中需保留此優(yōu)點。

AutoSAR 軟件架構(gòu)分為基礎(chǔ)軟件部分、實時環(huán)境（RTE）層和應(yīng)用層。基礎(chǔ)軟件部分包括MCAL 模塊、硬件抽象、系統(tǒng)服務(wù)。具體可分為：通信棧模塊（Com、PduR、CanSM、CanTp、CanIF）；網(wǎng)絡(luò)管理模塊（CanNM、NM）；診斷模塊（DCM、DEM、FIM、DLT、DET）；內(nèi)存管理模塊（NVM、MenIF、Fee、Fls）；其他系統(tǒng)服務(wù)模塊（OS、EcuM、BswM、ComM、IoHwAb）；復(fù)雜設(shè)備驅(qū)動（CDD）。針對此部分，新方案需進行一定的取舍，保證滿足上述基礎(chǔ)軟件的功能。

RTE 層實現(xiàn)了應(yīng)用層對基礎(chǔ)軟件的功能調(diào)用，以及軟件模塊（SWC）之間的通信。對于這部分，新方案需滿足AutoSAR 軟件的標準規(guī)定。

應(yīng)用層各個SWC 用于實現(xiàn)算法，需要對SWC之間通信端口進行定義。由于一些傳統(tǒng)主機廠仍以AutoSAR 軟件為主，因此開發(fā)出針對AutoSAR軟件的應(yīng)用作為基礎(chǔ)，可將新方案靈活調(diào)整為端對端的更高一級MCU。

2. 2. 2 新方案的自研架構(gòu)

新方案不僅實現(xiàn)了AutoSAR 軟件的標準RTE接口，還實現(xiàn)了CAN 通信棧（如CanIf、CanSM、PduR、COM、ComM）、基于AutoSAR 標準的網(wǎng)絡(luò)管理（NM 和CanNM），以及基于ISO 14229/15765的UDS 診斷服務(wù)（DCM、DEM、FIM）。其中，操作系統(tǒng)（OS）模塊借鑒了開源操作系統(tǒng)，采用多任務(wù)調(diào)度器+ 中斷的方式。內(nèi)存管理需涵蓋NVM 模塊接口（MenIf）、Fee、Fls，以及NvRAM 管理功能等模塊。

在AutoSAR 自身模塊以外，需提供MONI 監(jiān)控模塊、傳感器模塊和CDD 復(fù)雜硬件驅(qū)動模塊。

關(guān)于標定，常規(guī)情況是采用XCP 模塊，并將其集成到軟件中，但XCP 模塊需要購買且標定上位機軟件和硬件設(shè)備均較為昂貴。本文采用軟件輪詢變量的方式獲得變量值并對變量進行修改，通過診斷功能支持上位機標定，從而無需購買XCP 模塊和專業(yè)XCP 標定工具。標定可與測試、診斷功能集成為CANoe 一體化上位機，為一體化測試流程和自動化測試奠定物理基礎(chǔ)。

針對Bootloader 程序，本文設(shè)計了自研方案，如圖6 所示。自研Bootloader 程序架構(gòu)使用4 層架構(gòu)，按從下往上的順序，底層是硬件驅(qū)動；第2 層用于實現(xiàn)CAN 通信協(xié)議棧和Memstack 內(nèi)存棧；第3層可實現(xiàn)具體的診斷功能和內(nèi)存管理，并為第4 層應(yīng)用層提供診斷服務(wù)；第4 層可實現(xiàn)刷寫具體業(yè)務(wù)流程，并提供自檢和監(jiān)控功能。

2. 3 軟硬件解耦及算法上移

新方案將算法分為控制邏輯部分和電機控制部分，控制邏輯部分負責處理整車狀態(tài)信號，以及決定安全帶的動作策略，如回拉、振動和間隙消除等；電機控制部分則根據(jù)這些策略輸出指定的動作命令，如調(diào)整扭矩和速度等，以驅(qū)動安全帶的物理調(diào)整。

2. 3. 1 控制邏輯算法部分

控制邏輯用于評估車輛的各種傳感器數(shù)據(jù)，如車速、加速度和方向盤角度等，利用預(yù)設(shè)的閾值和邏輯規(guī)則確定回拉、振動等策略?？刂七壿嫷慕M成如圖7 所示。

控制邏輯按不同的工況可分成多個功能組，根據(jù)信號進行計算，并將計算結(jié)果與預(yù)先定義的觸發(fā)條件、閾值進行對比，確定是否輸出觸發(fā)指令；然后將分組結(jié)果匯總進行仲裁，得出最終的動作決策。

2. 3. 2 電機部分算法

電機部分算法包括電機控制算法、狀態(tài)監(jiān)控部分，以及與RTE 直接對接與底層進行信息交互的框架。

電機控制算法采用PID 控制，分為電流/扭矩環(huán)和電壓/轉(zhuǎn)速環(huán)。狀態(tài)監(jiān)控部分可獲取到目前主動安全帶的ECU、電機等內(nèi)部狀態(tài)（如電機堵轉(zhuǎn)、過欠壓、過流、過溫、Hall 傳感器問題，以及超出使用壽命、通信故障等非正常情況），并給出判斷，通過BSW 中的DEM 模塊和FIM 模塊進行故障存儲和相關(guān)功能降級。同時，狀態(tài)監(jiān)控部分根據(jù)車身加速度信號（用于判斷車身是否穩(wěn)定）、碰撞信號（用于軟件上立即停止動作并脫耦）等信息，結(jié)合電機算法的輸出，得出最終的動作決策，并轉(zhuǎn)換為最終指令——轉(zhuǎn)速、扭矩采用正常值還是降級值，或是無效值。

2. 3. 3軟硬件解耦的實現(xiàn)

本文采用軟硬件解耦的方式，將控制邏輯部分上移到域控等ECU中，如圖8所示。

由于控制邏輯部分輸入的信號多，對通信帶寬和算力要求高，需根據(jù)不同項目、不同車型進行定制，所以將其上移至域控制器層。電機部分的算法比較穩(wěn)定，不需要大的改動，量產(chǎn)后一般不需要進行OTA 更新，且對算力要求低，所以保留在卷收器中。該方案的優(yōu)點如下：① 傳感器信號傳遞是基于以太網(wǎng)或域控制器的內(nèi)部通信，可降低執(zhí)行器CAN 局域網(wǎng)內(nèi)的通信載荷；② 可降低執(zhí)行器的技術(shù)要求；③ 邏輯算法連接在以太網(wǎng)的ECU 中，方便進行OTA 的升級迭代，執(zhí)行器部分比較穩(wěn)定，不太需要迭代升級，無需實現(xiàn)OTA；④ 邏輯算法可充分利用以太網(wǎng)的通信速度和高算力控制器的資源；⑤ 域控制器或中央控制器可以在整車級別進行執(zhí)行器的協(xié)同控制。

2. 3. 4算法相關(guān)標定參數(shù)的靈活升級

為了便于修改控制策略，將具體參數(shù)配置在閃存中，包括控制邏輯部分各個功能的激活，以及各時間、條件參數(shù)等。主機廠可自定義部分參數(shù)，并根據(jù)不同車型的整車下線流程（EOL）進行靈活配置。

2. 4 采用DMS/OMS 實現(xiàn)人體的離位檢測

DMS/OMS 的檢測設(shè)備包括2D 攝像頭、3D 飛行時間（TOF）攝像頭、毫米波雷達和超寬帶（UWB）定位系統(tǒng)等。圖9 為攝像頭的布置位置示意圖。

本方案采用DMS/OMS 來識別乘員坐姿，如圖10所示。

通過DMS/OMS 可直觀地觀察到人體是否離位，或是僅調(diào)整坐姿，并識別出乘員調(diào)整座椅、靠背、高調(diào)器的情況，避免誤觸發(fā)。同時，DMS/OMS自身可以探測出乘員走神、疲勞等狀態(tài)。檢測信號通過邏輯算法進行運算后，通過車內(nèi)CAN 傳遞給DMS/OMS 進行控制，從而使得主動安全帶能夠準確無誤地執(zhí)行相應(yīng)操作。

通過引入DMS/OMS 來替代傳統(tǒng)的WMS，可減少因誤判人體離位而導致的不必要的安全帶調(diào)整動作。這不僅減少了能耗，也降低了設(shè)備的磨損，延長了產(chǎn)品的使用壽命。初步應(yīng)用數(shù)據(jù)顯示，在WMS 方案中，因調(diào)整坐姿、座椅、高調(diào)、拉織帶導致織帶拉出距離達到規(guī)定的“人體離位”閾值，會百分百引起誤觸發(fā)，而使用DMS/OMS 后，這種誤判率直接降為0。

目前，在裝備有主動式安全帶的車型上同時配置DMS/OMS 的情況越來越普遍，使用此方案意味著不需要增加額外的傳感器，即可在將來擴展出更多、更靈活的功能。

3應(yīng)用效果

新方案在多款合資和本土車企車型上實現(xiàn)了量產(chǎn)。根據(jù)項目經(jīng)驗以及客戶的反饋，對業(yè)內(nèi)現(xiàn)有方案與新方案進行了比較。在進行軟件架構(gòu)優(yōu)化、算法上移后，具體效果比較見表1。

采用DMS/OMS 代替WMS后，具體效果比較見表2。

4結(jié)論

（1） 通過實施算法上移和軟硬件解耦，主機廠能夠直接調(diào)整和配置系統(tǒng)參數(shù)，無需依賴外部供應(yīng)商，從而降低了其依賴性和成本。具體來說，新方案降低了對高性能單獨執(zhí)行器的需求，因此能夠采用更低成本的硬件配置，同時保持系統(tǒng)的高效率和響應(yīng)速度。

（2） 在應(yīng)用新方案的車型中，采用DMS/OMS替代傳統(tǒng)的WMS，使得相關(guān)場景的誤判率從100% 降為0，同時避免產(chǎn)品過早達到使用壽命。此外，采用軟硬件解耦和簡化的AutoSAR 軟件架構(gòu)后，開發(fā)周期縮短了25%，開發(fā)成本降低約50%。

（3） 作為軟件定義汽車的一種實踐，算法上移實現(xiàn)了中央控制器對各執(zhí)行器的協(xié)調(diào)控制。本研究顯著提高了車輛系統(tǒng)的經(jīng)濟性和系統(tǒng)開發(fā)的可持續(xù)性，促進了汽車工業(yè)向軟件定義汽車理念的推進。