基于狀態機的汽車電動滑移門控制邏輯分析

呂華溢， 王 波， 黃 晗， 謝 政， 張金換

(1.清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084；2.南京航空航天大學航天學院，南京 211100; 3.長安汽車智能化研究院，重慶 401120)

汽車電動滑移門(power sliding door，PSD)在繼承傳統手動滑移門所具有的泊車容易、開啟寬度大、方便人員進出等優點[1]的同時，還具有開閉便利、使用靈活等特點，是提升多用途汽車(multi-purpose vehicle，MPV)產品檔次與用戶舒適性的一種車載機電控制系統。PSD系統最初由國外汽車廠商開發并應用于MPV車型，在2008年左右中國整車和零部件企業也開始涉足PSD系統的裝置研發[2-3]。張勇強等[4]介紹了所開發PSD系統的設計思想、工作流程和開發經驗；曾良才等[3,5]對PSD驅動系統的布局方案、組成結構、總體設計等進行了分析研究；衛原平等[1]建立了PSD系統的運動學方程、動力學模型，并對運動系統開展了有限元和疲勞壽命分析，研究了PSD系統的安全控制策略；俞岳平等[6-7]對PSD系統的開關動作、機構組成、結構受力和防夾技術等方面進行了研究；崔炳林等[8-9]對PSD系統的技術構成和運動導向、控制等主要子系統進行了設計分析；高曉萍[10]設計了基于LIN總線的PSD控制系統；何少斌[11]從PSD系統組成結構出發，對輸入輸出信號的控制邏輯進行了梳理和設計；徐濟慈等[12]、陳勇強等[13]研究了PSD系統耐久性試驗方式并設計了試驗裝置。

近年來隨生育政策的放開，MPV車型市場需求再度增長，整車和零部件企業對PSD系統的研發也持續增強[14]。但是已有研究工作均是從PSD系統組成結構、受力分析、電氣控制等不同技術方面出發而展開的PSD系統設計，未考慮到PSD系統是人車交互操作的重要界面之一，其操作響應對于乘員舒適性、使用安全性具有直接影響。因此，本文將以某特定MPV車型作為研究對象，從人員對PSD系統的操控和系統響應入手，對PSD系統的操作控制邏輯進行分析研究。

1 電動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系統控制邏輯的研究分析對象。測試車型為單側PSD配備設計，車輛右側滑移門為PSD系統，左側仍為手動滑移門。

1.1 電動滑移門控制開關分布

在MPV車輛內部考慮到乘員、司機的坐席位置不同，為滿足各自操作需求而設置有多處PSD操作開關。圖1所示為測試車型分別在中控臺設置的車門中控鎖、前部上方設置的車頂開關、右側B柱內側設置的B柱開關、右側PSD外部設置的外把手開關、PSD內部設置的內把手開關[圖1(d)1所示]以及可操作PSD的遙控鑰匙，針對車內兒童乘客的安全還在右側PSD上設置有兒童鎖[圖1(d)2所示]；為防止PSD在關門時夾傷乘客，在PSD和B柱接觸的側面還具有可停止PSD關門運動的防夾壓條[圖1(d)3所示]。這些開關中除了車門中控鎖只能在PSD關閉狀態下對車門進行鎖止操作外，其余開關均可對PSD的開啟、關閉狀態或開關運行產生影響。

圖1 電動滑移門開關位置分布Fig.1 Position of power sliding door switches

1.2 電動滑移門控制測試

對于PSD系統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開關控制滑移門從完全開啟或完全關閉狀態開始運行直至運行停止，此類測試中PSD系統處于對開關信號作出正常響應的狀態；惡意操作測試是指通過開關控制PSD從完全開啟或完全關閉狀態開始運行，在運行中再次觸發PSD開關或防夾壓條以擾動PSD運行，使得PSD系統處于非正常響應的工作狀態。其中，惡意操作測試是PSD系統控制測試的主要試驗內容，通過對PSD進行一系列惡意操作測試得到的響應結果進行總結歸納，即可獲得測試車型的PSD系統操作控制邏輯。如表1中所示為對PSD系統進行的惡意操作測試和系統響應情況。

表1 PSD系統惡意操作測試與響應

在測試車型的PSD開門和關門過程中，通過車頂開關、B柱開關、內把手、外把手和遙控鑰匙五處進行操作觸發時，PSD系統都會停止開門或關門運動，進入停止狀態；在此種運行中停止的狀態下，再通過這五處開關進行操作觸發時，PSD系統將會按照與停止狀態前相反的運行方向運動；在PSD開門和關門過程中通過防夾壓條進行操作觸發時，開門過程中PSD系統無響應繼續開門運動，關門過程中PSD系統將會停止運行進入停止狀態；PSD在兒童鎖打開的完全開啟狀態下，通過車頂開關、B柱開關、內把手、外把手和遙控鑰匙五處進行操作觸發時，可進行關門運動，打開的兒童鎖對于PSD系統的關門運動無影響；PSD在兒童鎖打開的完全關閉狀態下，通過車頂開關、外把手和遙控鑰匙三處進行操作觸發時，可進行開門運動；通過B柱開關和內把手兩處進行操作觸發時，PSD系統無響應仍處于完全關閉狀態，打開的兒童鎖會對部分PSD操作開關的開門運動產生影響。

2 基于狀態機的電動滑移門控制邏輯建立

在對某特定MPV車型PSD系統進行控制邏輯測試的基礎上，總結了PSD系統在惡意操作觸發下的響應。使用MATLAB軟件中的有限狀態機工具(finite state machine，FSM)Stateflow對測試車型的PSD系統操作控制邏輯進行建模與分析研究。

2.1 狀態機建模與遷移條件分析

通過對PSD系統進行的控制測試試驗和響應結果分析，將PSD所處的運行狀態劃分為：完全關閉狀態、完全開啟狀態、開門運動狀態、關門運動狀態和運動停止狀態五種，每種狀態在Stateflow建立的FSM模型中分別對應一個狀態，如表2所示。PSD系統在使用中總是處于這五種狀態之一，各狀態之間的轉換將通過測試車型所設置的五處PSD操作開關、防夾壓條、兒童鎖、車門中控鎖和PSD全開、全關位置傳感器產生觸發信號實現狀態遷移引發事件和條件。

表2 FSM模型中的PSD狀態

根據對測試車型PSD系統的操控試驗，各狀態間的遷移引發事件、條件以及所能遷移的下一狀態各不相同。按照PSD所處的五種運行狀態，可分為以下情況。

(1)當PSD處于完全關閉狀態時，兩大類引發事件都將使PSD從當前狀態遷移到開門運動狀態，一類是在中控鎖打開條件下，通過遙控鑰匙、車頂開關、外把手觸發產生引發事件；另一類是在中控鎖和兒童鎖均打開條件下，通過B柱開關、內把手觸發產生引發事件。

(2)當PSD處于開門運動狀態時，兩大類引發事件將使PSD從當前狀態分別遷移到完全開啟狀態或運動停止狀態，前者是由PSD全開位置傳感器觸發產生引發事件；后者是通過遙控鑰匙、車頂開關、B柱開關、內把手、外把手觸發產生引發事件。

(3)當PSD處于完全開啟狀態時，在防夾壓條未觸發條件下，通過遙控鑰匙、車頂開關、B柱開關、內把手、外把手觸發產生引發事件，將使PSD從當前狀態遷移到關門運動狀態。

(4)當PSD處于關門運動狀態時，兩大類引發事件將使PSD從當前狀態分別遷移到完全關閉狀態或運動停止狀態，前者是由PSD全關位置傳感器觸發產生引發事件；后者是通過遙控鑰匙、車頂開關、B柱開關、內把手、外把手、防夾壓條觸發產生引發事件。

(5)當PSD處于運動停止狀態時，兩大類引發事件將使PSD從當前狀態分別遷移到開門運動或關門運動狀態，前者是在PSD運動停止前處于關門運動狀態條件下，后者是在PSD運動停止前處于開門運動狀態和防夾壓條未觸發條件下，通過遙控鑰匙、車頂開關、B柱開關、內把手、外把手觸發產生引發事件。

PSD系統各狀態之間的遷移引發事件和條件，在Stateflow建立的FSM模型中分別對應一個輸入事件或輸入數據，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輸入數據

2.2 控制邏輯實現

將通過對PSD系統控制測試試驗和響應結果分析歸納得出的PSD五種運行狀態，實現狀態遷移的八個引發事件和三項輸入數據條件作為Stateflow工具中構成FSM模型的基本元素，則所建立的測試車型PSD系統控制邏輯FSM模型如圖2所示，其中默認遷移的引發事件為PSD系統加電Power，默認遷移首先激活的狀態為PSD完全關閉狀態Door_Close。圖2中FSM模型的引發事件和條件的定義在表3和表4中列出。

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

3 電動滑移門控制邏輯仿真與驗證

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

3.1 基于Simulink的仿真環境建立

基于Simulink仿真工具的PSD控制邏輯FSM仿真環境由FSM模型輸入觸發信號、狀態輸出數據以及FSM模型三大部分構成，如圖3所示。

圖3 基于Simulink的FSM模型仿真環境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工作的外部環境觸發信號，包括由車頂開關、B柱開關、內把手、外把手、遙控鑰匙、防夾壓條以及PSD全開、全關位置傳感器構成的FSM模型中狀態遷移引發事件，如表3中所示；由車門中控鎖、兒童鎖和防夾壓條構成的FSM模型中狀態遷移條件，如表4中所示。分別設置常量1和0模擬事件和條件有效產生觸發以及無效不產生觸發，各觸發信號通過使用手動切換開關連接常量1或0，模擬實現對PSD控制邏輯FSM的狀態遷移信號輸入。

在PSD控制邏輯FSM中設置有六個輸出數據，如表5中所示。分別是五個運行狀態中設置有相對應的輸出數據以表示當前FSM所處的工作狀態，以及表示PSD運動狀態是開門或關門的方向指示，表示工作狀態和PSD運動方向的輸出數據均連接至Simulink仿真工具的Scope模塊中顯示。

表5 FSM模型中的PSD輸出數據

3.2 電動滑移門控制邏輯驗證

在所建立的PSD控制邏輯FSM仿真環境中，通過輸入一系列觸發信號來測試FSM的狀態遷移變化，如果與實車PSD系統控制測試試驗的結果相一致，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系統的操作控制邏輯。FSM各狀態在仿真環境中Scope模塊的顯示，采用時序圖方式表現，橫軸為時間，縱軸為狀態是否有效。當在FSM仿真環境中依次輸入表6中所列觸發信號時，FSM的狀態遷移變化如圖4所示。

圖4 FSM模型狀態遷移變化Fig.4 Status migration of FSM model

圖4所示各狀態1或0所表示的含義如表5中所示，橫坐標表示FSM各狀態發生遷移變化的時刻。由表6中的觸發信號輸入和圖4中的狀態遷移變化可以看到，FSM模型在初始的默認遷移引發事件PSD系統加電Power后處于Stat_Close完全關閉狀態，由Remote遙控鑰匙觸發遷移到Stat_MoveOpen 開門運動狀態；由Loc_Open全開位置傳感器觸發遷移到Stat_Open完全開啟狀態；由BPillar B柱開關觸發遷移到Stat_MoveClose關門運動狀態；由Anti_Pinch防夾壓條觸發遷移到Stat_MoveStop運動停止狀態；由Outside外把手觸發遷移到Stat_MoveOpen開門運動狀態；再由Roof車頂開關觸發遷移到Stat_MoveStop運動停止狀態；PSD運動狀態方向Dir_CO也隨狀態遷移而指示運動方向變化。在這個PSD控制邏輯FSM仿真過程中，各狀態遷移變化及觸發條件與實車PSD系統測試試驗結果相一致，表明所建立PSD控制邏輯FSM可正確模擬測試車型PSD系統的操作控制邏輯。

表6 FSM模型測試輸入觸發信號

4 結論

PSD系統是人車交互操作的重要界面之一，通過對某特定MPV車型的PSD系統進行控制邏輯測試，獲取了PSD系統在外界操作觸發下的響應，設計了基于FSM的PSD控制邏輯模型，經過仿真測試可得到如下結論。

(1)根據實車PSD系統的測試響應，PSD系統的控制邏輯FSM劃分為：完全關閉、完全開啟、開門運動、關門運動和運動停止五種工作狀態。

(2)采用PSD系統操作開關、鎖或傳感器產生的觸發信號的單項或組合可作為控制邏輯FSM各工作狀態間遷移的引發事件或條件。

(3)基于MATLAB/Simulink仿真工具建立的PSD控制邏輯FSM模型可采用時序圖方式表示仿真結果，用以驗證FSM模型的正確性以及與實車PSD系統測試響應的一致性。

基于所設計的PSD控制邏輯FSM模型，可為其他車型PSD系統電子控制單元的控制程序開發提供代碼生成模型。