廣州應(yīng)用科技學院 王孟濤

現(xiàn)代智能汽車技術(shù)飛速發(fā)展，尤其新能源車作為炙手可熱的研究對象，車身的智能安全技術(shù)也進入研發(fā)階段。本研究針對汽車的電動尾門防夾技術(shù)進行研究。主要對汽車尾門防夾持的軟件算法進行研究。通過對汽車尾門的硬件結(jié)構(gòu)分析、對尾門運動結(jié)構(gòu)進行數(shù)學建模，對尾門的運動推桿的電流和電壓信號進行監(jiān)測、采集、濾波、計算、比較，最終找出尾門發(fā)生加持時產(chǎn)生的防夾力和尾門撐桿的電流信號的關(guān)系，從而對加持力進行有效的估計。最后通過仿真實驗，驗證了這種力學信號和電學信號的關(guān)系，最終對尾門運動進行精準的控制，使汽車尾門運動的安全性得到有效的保證。

1 汽車電動尾門電控防夾研究內(nèi)容

汽車尾門關(guān)閉時可能發(fā)生意外夾傷人體事件，針對汽車尾門的防夾策略進行研究，使得車輛使用的安全性得到保證。本研究對汽車電控尾門的運動進行研究，測試出尾門在不同加持力的作用下電流的變化。判斷加持力和電流大小的關(guān)系。當汽車在停止、運行、受到噪聲干擾時的不同狀態(tài)下，撐桿中受到的阻力的性質(zhì)和電流的關(guān)系，最終通過電流來控制汽車尾門的運動狀態(tài)，保證汽車電動尾門的安全運行。

2 汽車電動尾門電控防夾的基本原理

智能汽車的電動尾門中，通過中央控制器發(fā)出指令，控制尾門運動。對汽車尾門撐桿進行剖析后發(fā)現(xiàn)尾門中包含有一顆直流電機，我們可以通過對直流電機的驅(qū)動控制達到尾門防夾持控制。主要做法對尾門撐桿電機的硬件電路進行修改，在電路中加入一顆高精度電阻，這樣可以做到更加精確的采集、控制電機電流。對于電流信號的獲取，需要多次實驗，找出在發(fā)生加持的臨界點對應(yīng)的電流值，該電流值設(shè)置為加持閾值，當電流信號在加持閾值范圍內(nèi)時認為未發(fā)生加持傷害，當電流值超出加持力閾值時則發(fā)生加持傷害。我們通過對汽車尾門的運動軌跡進行分析，找出尾門運動時容易發(fā)生加持傷害的高風險區(qū)域，對區(qū)域進行空間標記，通過標記信號結(jié)合尾門防夾控制信號，達到安全的控制。在汽車的直流電機系統(tǒng)中，尾門位置的獲取是通過在直流電機中安裝一顆霍爾元件，霍爾元件的作用是對直流電機的電流脈沖進行計數(shù)，以脈沖數(shù)的方式記錄尾門的空間防夾標記位置。最終從尾門的機械結(jié)構(gòu)和電機的電流控制設(shè)計結(jié)合，設(shè)計為尾門的防夾控制系統(tǒng)。

汽車電控尾門防夾控制的內(nèi)環(huán)是速度閉環(huán)控制，將角速度信號作為負反饋系統(tǒng)的信號變量。電流的脈沖信號采集原理為：在直流電機的電機軸上安裝一個磁鐵，當電機每次發(fā)生旋轉(zhuǎn)時磁體都經(jīng)過霍爾傳感器，每經(jīng)過霍爾傳感器一次會產(chǎn)生一個脈沖信號。T為脈沖信號的周期，P為直流電機運行一圈時的脈沖數(shù)，根據(jù)式(1)得出轉(zhuǎn)速n。霍爾傳感器的位置。

電控尾門防夾控制的外環(huán)為電流閉環(huán)控制。根據(jù)直流電機的電流特性，在電流閉環(huán)控制中找出電流和電壓的關(guān)系，如下：

直流電機兩端的電壓為U，直流電動機系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量J，等效電感L，電阻R和K1，K2視為常數(shù)。尾門關(guān)閉時所受阻力增加，由于等式兩端等效關(guān)系保持不變，因此電流I(S)變大，這說明汽車尾門在關(guān)閉過程中遇到障礙物的阻擋，我們視為發(fā)生加持。它將導致電路中電阻變大，電機轉(zhuǎn)速變小，電流增大。對于這種特性，我們可以通過對直流電機的電流進行采樣，間接確定尾門系統(tǒng)是否發(fā)生夾持。

電機中的電流特性在尾門的不同運動過程中表現(xiàn)不同，并且汽車電控尾門的特性也受到尾門整體的連桿結(jié)構(gòu)傳動系統(tǒng)、尾門使用壽命、汽車尾門工作電壓之間的差異等因素影響，為了有效的研究汽車尾門工作電流與直流電機之間的關(guān)系，要在不同工作環(huán)境下對電機的電流特性進行進一步研究。

3 基于電機電流信號斜率的尾門夾持判斷

對直流電機的工作電流進行分析，我們可以得出如下結(jié)論：直流電機的工作電流與輸出轉(zhuǎn)矩成正比，確認了電流信號的變化可以直觀的反映電機夾持力的實際工作情況，故電機電流的變化可以作為尾門是否發(fā)生加持的依據(jù)。

通過對電流信號的處理，希望能夠更加精確的控制汽車尾門的運動。電流斜率法是實時采集直流電機電流的幅值數(shù)據(jù)，將它作為防夾判斷的依據(jù)。當汽車尾門在空間上運行至機械停止位時，尾門直流電機的電流變化率最大；當電機驅(qū)動尾門運動過程中，尾門遇到障礙物時的電流大小弱于機械停止位電流；電機正常工作時電流最小。假設(shè)當汽車尾門運行至機械止位時電動機電流變化率為Kmax，當汽車尾門遇到障礙物時閾值速率為Kobst。我們對電機的電流數(shù)據(jù)進行采集，計算出電流數(shù)據(jù)的斜率K，當K>Kobst且K

由式(3)可知，取寬度為T時間段，計算T時間段中兩點之間的斜率，取斜率的平均值K，和防夾力閾值比較，當K大于斜率閾值時則判定為發(fā)生夾持。

4 電動尾門防夾控制臺架實驗

為配合電動汽車尾門的防夾持測試實驗，以實車尾門尺寸為依據(jù)，用不銹鋼材料搭建了一個模擬的尾門實驗臺架，臺架后蓋尺寸為：1×1.2m，臺架的后蓋空間運行軌跡為0°～90°（物理可調(diào)）。實驗臺架的物理構(gòu)建主要包含：底座、后蓋、電動撐桿和連桿機構(gòu)以及承重塊等部分。各部分的主要作用如下：

底座：用于固定整個尾門后蓋的連桿機構(gòu)，模擬實車，用于承載汽車尾門的物理系統(tǒng)，放置防夾系統(tǒng)的控制器；

后蓋：汽車后備箱尾門蓋，發(fā)生加持時夾持力的提供物件，測試汽車尾門夾持力的主要物理器械；

電動撐桿：內(nèi)部包含一個直流電機，為整個汽車尾門提供動力，并且是連接汽車后蓋與連桿機構(gòu)的物件；

連桿機構(gòu)：尾門的重要支架，位于底座上，共兩件，左右各一件，是整個仿真尾門的力學傳動系統(tǒng)，連接尾門各部分；

承重塊：模擬出不同的尾門重量進行測試，當尾門系統(tǒng)進行防夾力測試時，放在后蓋上提供不同的加持力。由于不同的汽車尾門重量不同，為測試整個汽車尾門防夾系統(tǒng)的安全性與魯棒性，用不同的重量來對防夾系統(tǒng)進行測試。

5 防夾控制方法的臺架實驗及結(jié)果分析

對尾門進行防夾持實驗，首先通過軟件將電動汽車尾門關(guān)閉總耗時設(shè)置為30s，利用STM32控制器對電流信號采集速度進行設(shè)置，設(shè)置為0.05s/次，控制器控制電動撐桿的行程速度設(shè)置為3mm/s。在總耗時30s內(nèi)控制器共采集到電流信號數(shù)量為600次。為了能保證實驗的準確性，在實驗中設(shè)定多種防夾持力的閾值進行測試，本實驗防夾力大小分別設(shè)置為80N、120N、160N，利用實驗臺架進行三輪夾持實驗，每輪實驗將以上三種不同閾值的夾持力作用在實驗臺架上進行；系統(tǒng)通過基于提出的斜率法計算出電流數(shù)據(jù)變化的實驗。實驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 夾持力基于斜率法電流變化實驗

通過實驗采集的電流信號我們得出最終結(jié)論：當汽車尾門撐桿電機發(fā)生夾持時，在夾持力作用下，電機電流信號發(fā)生了70～90mA的變化，驗證了當尾門系統(tǒng)發(fā)生夾持時，電流發(fā)生突變，這種電流信號的突變說明了夾持力的變化。在電流變化時，實驗直接采集的電流信號均包含有毛刺，這種電流信號的毛刺噪聲影響了我們對夾持力閾值的設(shè)置。因為電流閾值的設(shè)置是判斷系統(tǒng)夾持力的關(guān)鍵因素，當閾值不同直接影響的是發(fā)生加持力的大小。最終通過不同的夾持力閾值進行實驗，發(fā)現(xiàn)斜率法的使用可以弱化了噪聲的影響，使汽車尾門發(fā)生夾持時，經(jīng)過斜率法的夾持力算法使得夾持力信號更加明顯，使得加持力的判斷更加準確。