【摘" 要】文章利用MATLAB/Simulink工具，進行商用汽車雨刮洗滌控制系統(tǒng)的設計開發(fā)。通過分析雨刮洗滌系統(tǒng)設計要求，制定功能控制策略，進行雨刮和洗滌功能應用層邏輯模型的建模，并對其進行模型在環(huán)MIL測試驗證，驗證后的模型可通過自動生成代碼，應用于硬件實現功能。該方法設計的雨刮洗滌控制系統(tǒng)具備雨刮和洗滌功能，實現多模式轉換控制以及故障診斷，以可視化方式使邏輯錯誤能快速定位，減少手寫代碼和調試時間，適應于快節(jié)奏功能迭代開發(fā)。

【關鍵詞】商用汽車；雨刮；洗滌；模型

中圖分類號：U463.855" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）02-0059-04

Design of Wiper Washing Control System for Commercial Vehicle Based on Model

XIAO Chao

（Sany Heavy Industry Co.，Ltd.，Changsha 410100，China）

【Abstract】This paper uses MATLAB/Simulink tool to design the wiper washing control system for commercial vehicles. Based on analyzing the design requirements，the functional control strategy of wiper washing system is formulated，and then build the control model and verify it using model in the loop（MIL），and by automatically generating codes，the validated model can be applied to the hardware directly. The wiper washing control system designed by this method achieves wiper and washing functions，realizes multi-mode conversion control and fault diagnosis，and through visualization，logical errors can be quickly located，which can reduce handwritten code and debugging time，is suitable for rapid iterative development of functions.

【Key words】commercial vehicle；wiper；washing；model

1" 引言

汽車雨刮洗滌系統(tǒng)從發(fā)明至今一直是汽車的重要組成部分，它可以對擋風玻璃上的雨水、雪等進行清掃，通過噴灑洗滌液，還可實現對塵土主動式清潔，使駕駛員具有良好的視線，提高行車安全。

商用汽車傳統(tǒng)雨刮洗滌控制系統(tǒng)采用硬線控制方式。雨刮開關直接控制雨刮電機高速繼電器和低速繼電器的吸合，實現雨刮電機的低速和高速運轉。雨刮開關也與洗滌電機直接相連，通過觸發(fā)洗滌或停止洗滌，實現對洗滌電機工作與停機的控制，如果要實現間歇控制功能，則在雨刮開關和雨刮電機繼電器之間增加1個間歇器，實現間歇控制。該控制方法無法實現故障診斷、功能擴展，如自動雨刮、遠程控制等，越來越難以滿足實際需求。

隨著汽車智能化程度的提高，通過更優(yōu)設計的控制器實現雨刮洗滌控制系統(tǒng)逐步在商用汽車上的使用?；谀Ｐ驮O計方法，通過MATLAB/Simulink建立模型進行仿真測試，再進行代碼自動生成。該方法通過早期模型在環(huán)測試（MIL）進行仿真分析和迭代，可減少系統(tǒng)集成后測試階段出現的錯誤數量，提升開發(fā)效率，因此本文主要采用模型設計方法，進行雨刮洗滌控制系統(tǒng)邏輯設計和仿真分析。

2" 雨刮洗滌控制系統(tǒng)功能需求設計

2.1" 雨刮洗滌控制系統(tǒng)概述

本文研究的雨刮洗滌系統(tǒng)的物理框圖如圖1所示。圖中包含主體雨刮洗滌控制單元，輸入控制包括雨刮洗滌開關、間歇時間設置和鑰匙控制模塊。輸出控制包括雨刮電機高速繼電器、雨刮電機低速繼電器和洗滌電機繼電器。其中雨刮洗滌控制單元可以集成至車身控制器或者對應功能的域控制器中，雨刮開關包含關閉、間歇、低速、高速和Mist 5擋控制以及洗滌功能開和關。間歇時間設置可放置于中控屏或通過調節(jié)開關實現，可設為5s、8s、12s或15s等，該值可根據實際需要進行設計。鑰匙控制模塊提供車輛上電狀態(tài)。高速繼電器和低速繼電器輸出端分別連接雨刮電機高速和低速接口，實現高速或低速驅動控制。

2.2" 系統(tǒng)功能需求設計

系統(tǒng)功能需求設計的目的是確定系統(tǒng)開發(fā)需求，并約定和描述整個系統(tǒng)的邏輯功能實現方式，最終指導系統(tǒng)設計開發(fā)。需求定義包括用戶需求、法規(guī)需求和創(chuàng)造性需求等，其中創(chuàng)造性需求要求功能具有一定的原創(chuàng)性或首發(fā)性等特征^[1]。功能設計通過分析每個系統(tǒng)開發(fā)需求，將需求轉換為系統(tǒng)應執(zhí)行的功能，進行邏輯設計、診斷設計、異常退出邏輯設計等，以及識別并描述功能接口。依此開發(fā)出的功能，最為重要的特點便是滿足系統(tǒng)開發(fā)需求。

首先，通過法規(guī)、競品、用戶需求調研確定系統(tǒng)需要滿足的基本要求，其次依據需求設定系統(tǒng)使用場景，定義功能特征，再次進行邏輯主流程的設計、故障診斷設計及異常退出邏輯設計，最后進行接口定義，形成系統(tǒng)設計開發(fā)的技術規(guī)范文檔。

雨刮洗滌控制系統(tǒng)的接口分為輸入接口和輸出接口，以及通信信號和硬線信號等種類，見表1。此接口為應用程序接口，并非實際硬線管腳接口。

3" 基于模型的控制軟件設計環(huán)境

3.1" 設計方法

基于模型的設計主要是通過對算法建模進行軟件設計的過程，其為復雜系統(tǒng)的開發(fā)提供了一種數學性、形象化的方法，使開發(fā)者能夠在項目的早期階段發(fā)現缺陷和設計問題，提升開發(fā)效率，并能適應需求的變化，滿足客戶需求^[2]。傳統(tǒng)的軟件開發(fā)模式，直接在嵌入式芯片上進行算法的設計與驗證。而基于模型的設計借助MATLAB/Stateflow等工具，先進行邏輯建模，然后在仿真環(huán)境下進行模型在環(huán)MIL和軟件在環(huán)SIL等測試，驗證后的模型再利用Embedded Coder直接生成C語言代碼，本文選擇MATLAB/Simulink工具來實現。

3.2" 軟件框架

雨刮洗滌控制單元的軟件總體框架主要包含底層軟件和應用層軟件。底層軟件關注于設備驅動或基礎功能，如操作系統(tǒng)RTOS的實現^[3]，一般作為通用模塊由零部件供應商封裝并提供。應用層軟件偏向于解決車輛的實際駕駛工況和應用場景問題，通過控制算法或策略實現對零部件的控制，進而實現功能。應用層軟件一般從底層軟件獲取來自傳感器或總線通信的輸入數據，通過自身的策略和算法計算或決策出控制目標，通過應用接口輸出給底層軟件，最終驅動執(zhí)行器。本文的設計主要聚焦在應用層軟件上。

4" 雨刮洗滌控制系統(tǒng)軟件設計

依系統(tǒng)功能設計規(guī)范，在MATLAB/Simulink中搭建控制模型，建立邏輯控制狀態(tài)圖。雨刮洗滌模型如圖2所示，輸入接口包括電源擋位狀態(tài)、雨刮洗滌開關、雨刮間歇時間和雨刮回位狀態(tài)，輸出接口包括雨刮工作狀態(tài)、雨刮低速驅動使能、雨刮高速驅動使能、洗滌驅動使能和雨刮故障標識。其中HW開頭的信號是硬線信號，其余為總線信號。模型的輸入輸出接口，在自動生成代碼之后，將成為應用程序的應用接口，與底層進行控制指令傳遞和信息交互。

4.1" 模型的控制邏輯

模型的控制邏輯分為下電關閉模式、自動回位模式、雨刮故障模式、雨刮運行模式和洗滌運行模式。

1）下電關閉模式：當整車下電并結束雨刮運行動作之后，系統(tǒng)進入下電關閉模式，如圖3所示。此時雨刮工作狀態(tài)、雨刮低速驅動使能、雨刮高速驅動使能和洗滌驅動使能均置為0。

2）自動回位模式：指在雨刮器運行過程中，因整車下電，系統(tǒng)自動將雨刮器回到初始位置?；蛘哒嚿想姇r，雨刮器因維修等異常操作，不在前擋風玻璃下方的初始位置，系統(tǒng)自動將雨刮器回到前擋風玻璃下方的初始位置，如圖4所示。在自動回位模式下，雨刮器按照低速擋速度運動，并將雨刮工作狀態(tài)置為低速。為了避免因雨刮實際故障，長時間無法回到初始位置，設置一個計時器（onParkingTimer）進行計時。

3）雨刮故障模式：如果在自動回位模式下，設置的計時器（onParkingTimer）超過設定的閾值，即未正常執(zhí)行完成雨刮回位操作，系統(tǒng)進入雨刮故障模式，雨刮故障標識置1，如圖5所示。每一次整車重新上電，都將重置雨刮故障標識為0。

4）雨刮運行模式：雨刮器一般設有關閉、Mist、間歇、低速、高速5個擋位，主體模型如圖6所示。

Mist擋開關一般具有回位的功能，觸發(fā)一下，雨刮以低速擋速度刮擦一輪。如果Mist擋持續(xù)觸發(fā)，系統(tǒng)將進入onMist狀態(tài)，雨刮保持低速擋速度持續(xù)刮擦，直至開關回位，系統(tǒng)進入exMist狀態(tài)，雨刮完成最后一輪刮擦后退出Mist狀態(tài)，停止工作。為了消除雨刮無法回到初始位的影響，在exMist狀態(tài)中增加持續(xù)工作計時器MistTimer，當計時器計時超出設定閾值時，退出Mist狀態(tài)。

間歇時間一般有多個時間擋設置，比如5s、8s、12s、15s等，間歇時間為當前一輪刮擦動作開始至下一輪刮擦動作開始之間的時間。運行時系統(tǒng)進入iniInterval狀態(tài)，雨刮以低速擋速度運行，停止時系統(tǒng)進入onInterval狀態(tài)，雨刮停止運行，直至間歇計時器WiperITimer達到設置的間歇時長后開始下一輪刮擦。關閉間隙運行時，如果雨刮處于間歇運行中的間歇時間內，雨刮保持停止，如果處于刮擦時間內，系統(tǒng)進入Stop2狀態(tài)，雨刮進行自回位。

低速擋下，系統(tǒng)進入LowSpeed狀態(tài)，雨刮保持低速擋運行，關閉低速擋時，系統(tǒng)進入Stop1狀態(tài)，雨刮進行自回位。

高速擋下，系統(tǒng)進入HighSpeed狀態(tài)，雨刮保持高速擋運行，關閉高速擋時，系統(tǒng)進入Stop1狀態(tài)，雨刮降為低速運行進行自回位。

如果整車下電，系統(tǒng)將進入自動回位模式，雨刮以低速運行進行自回位。

4.2" 洗滌運行模式

按下洗滌開關時，有洗滌水噴出，配合雨刮器洗滌擋風玻璃，主體模型如圖7所示。由于雨刮有多擋運行狀態(tài)，為符合實際使用，當雨刮處于關閉、Mist或間歇擋時，觸發(fā)洗滌開關后，系統(tǒng)進入onWashLow狀態(tài)，洗滌水持續(xù)噴出，雨刮保持低速刮擦。當停止觸發(fā)洗滌開關后，系統(tǒng)進入WashLowStop狀態(tài)，洗滌水停止噴出，雨刮連續(xù)低速刮擦3個周期后停止，退出洗滌狀態(tài)，依據雨刮開關狀態(tài)，進入關閉、Mist或間歇擋工作狀態(tài)。

當雨刮處于低速擋時，觸發(fā)洗滌開關后，系統(tǒng)進入onWashLowOn狀態(tài)，洗滌水持續(xù)噴出，雨刮保持低速刮擦。當停止觸發(fā)洗滌開關后，系統(tǒng)進入WashLowOnStop狀態(tài)，洗滌水停止噴出，雨刮保持低速刮擦進行自回位后退出洗滌狀態(tài)，依據雨刮開關狀態(tài)，進入低速擋工作狀態(tài)。

當雨刮處于高速擋時，觸發(fā)洗滌開關后，系統(tǒng)進入onWashHighOn狀態(tài)，洗滌水持續(xù)噴出，雨刮保持高速刮擦。當停止觸發(fā)洗滌開關后，系統(tǒng)進入WashHighOnStop狀態(tài)，洗滌水停止噴出，雨刮保持高速刮擦進行自回位后退出洗滌狀態(tài)，依據雨刮開關狀態(tài)，進入高速擋工作狀態(tài)。

為了消除雨刮無法回到初始位的影響，在該狀態(tài)中設置計時器WashLTimer、WashHTimer進行計時，如果超過設定閾值，將退出洗滌狀態(tài)。

5" 基于模型的控制軟件測試

基于設計的模型，進行模型在環(huán)MIL測試。設置求解器為離散，類型為定步長，固定步長為0.01。4個輸入信號使用常量和開關來模擬控制。運行模型，分別進行雨刮運行測試和洗滌運行測試。

1）雨刮運行測試：包含Mist、間歇、低速、高速4個運行擋位測試，以及整車下電或上電時雨刮自動回位測試。

2）洗滌運行測試：包含關閉、Mist、間歇、低速、高速5個雨刮工作擋位下，激活洗滌功能時的邏輯切換和運行測試。

通過測試驗證，本設計中建立的應用層模型，實現了預期的功能目標。

6" 結束語

本文通過對商用汽車雨刮洗滌控制系統(tǒng)的研究，采用基于模型的設計方式，基于Simulink/Stateflow對雨刮洗滌控制系統(tǒng)應用層進行建模、仿真和測試，實現了雨刮洗滌功能和多模式轉換控制以及故障診斷，取得了預期效果?；谀Ｐ烷_發(fā)的方式，能快速定位邏輯錯誤，減少了手寫代碼和調試時間，適用于快速功能迭代開發(fā)。

參考文獻：

[1] 侯旭光. 智能汽車電子電氣架構詳解[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2023：145-161.

[2] 孫貴斌，卓文得，李英，等. 基于MIL的整車控制器模型開發(fā)及功能驗證[J]. 電子機械工程，2019，35（6）：57-60.

[3] 張輝，蘇朋軍，孫連明，等. 基于模型的商用車車身控制器開發(fā)方法研究[J]. 汽車電器，2018（5）：28-31，36.

（編輯" 楊凱麟）

收稿日期：2023-08-07

作者簡介

肖超（1989—），工程師，主要從事汽車電子產品設計和研究開發(fā)工作。