基于MATLAB的轿车车窗控制方法的设计

黄昊旻，徐志佳，姚固文，宋 景，丁小可

（贵阳学院机械工程学院，贵州 贵阳 550000）

基于MATLAB的轿车车窗控制方法的设计

黄昊旻，徐志佳，姚固文，宋 景，丁小可

（贵阳学院机械工程学院，贵州 贵阳 550000）

设计一款车辆防闷的安全控制装置以防止因父母及亲人的疏忽而导致儿童在车内被闷死事件的发生，确保儿童的安全。在提出相应设计方案后借用仿真软件对温度、重力等信号进行输入判断，在充分考虑车辆使用过程中的干扰因素后，实行对车辆车窗控制信号的有效输出，从理论上车窗可以安全有效地开启，确保车内人员的安全。

控制方法；轿车车窗；仿真

据媒体公开报道，夏季由于父母、老师或驾驶员疏忽导致儿童被锁于车内发生窒息死亡的事件，从2006年到2015年，全国至少发生20多起，部分车辆使用者对车辆使用过程中的安全意识较为淡薄，正是由于父母监护义务的缺位及人们的粗心大意导致儿童在车内窒息死亡的事件频繁发生，这也从侧面反映了车辆在应对此类突发事件时无相应的结构来避免悲剧发生。

目前车辆往往考虑自身的防盗因素较重，对该类事件采取的思路往往是通过求助人员在驾驶室内按响车辆喇叭来引起注意或者是通过拍打车窗来实现求助，不过这两种方法中存在的问题在于：①部分车辆熄火停车后，喇叭是无法发出声响的；②部分求助人员年龄十分幼小，根本无法实现主动求援的动作。因此，基于现有车辆的基本结构情况下，实现对车辆车窗有目的、有条件的控制，是减少夏季儿童被闷死在车辆内此类事件的有效手段之一。不过如何实现车辆处于停止状态下时，车窗有效、准确、安全地开闭正是需要思考的。

1 设计方案

夏季，车辆作为一密闭空间，经过一段时间的太阳直射后，车辆内的温度会远远大于外部环境温度，这一高温环境造成车内儿童体温上升、水分流失进而缺氧窒息。根据这一原因，构想当车辆车窗可以根据需要进行适度的开启，虽不能完全降低车内温度但可以在一定程度上缓解车辆内部温度过高情况，进而防止悲剧发生。根据试验数据，也证实这一猜想具有一定的可行性。

试验测量仪器为红外式非接触测温枪，选取车内后排座椅为测量点进行测量，测量间隔时间为15 min，测量数据见表1。

从表1中可以看出，当车窗进行适当开启后，会对车内的温度环境带来一定的影响。设计的主要参考对象属于年龄段较小、行为能力较弱的婴幼儿童，如何判断车内是否留有儿童是设计首要解决的任务。

车辆使用者在习惯上的不同会给是否有儿童的判断带来一定的干扰，例如是否是与儿童质量相当的物品的干扰、被锁人员是否属于行为能力较弱的婴幼儿的干扰。所以为了有效判断被锁对象，没有采取单一信号源，而是采用了重力和红外线双重信号源进行判断。完成对车辆内是否留有人员的判断后，为确保车辆安全，不能盲目开窗造成财产受损，因此应对车内温度变化情况进行监测。

表1 测量温度数据

为确保车窗控制是有针对性、必要性的开启，所以车内是否有人和车内温度是否到达限定值，这两个条件应该是逻辑与关系，缺一不可，设计方案如图1所示。其控制思路是当汽车处于熄火、车门紧闭的情况下，装置开始启动。装置首先通过重力和红外线传感器判断车内是否有儿童，如果没有儿童，装置会自动关闭，以便节省电源；如果有儿童在车内，装置继续监测车内温度的上升情况，车内上升到一定的温度，例如26℃后，传感器就会将监测到的温度传送给此装置的信号控制器，信号控制器会判断出此温度信号是否达到设定值，并进行运算与处理，然后输出执行命令，输出的命令直接控制车窗电机，电机根据指令要求控制车窗玻璃的下降。

图1 方案设计

2 控制信号处理

从车辆整体来看，车辆内部温度是一个平均数，但车辆局部区域温度会有区别。因此温度传感器安装位置会造成装置的提前或延迟开闭。提前开启有可能会造成不必要的损失，而延迟开启则可能会造成生命的流逝。温度传感器安装在前挡风玻璃处，由于光线直射的原因，会造成该处的温度大于其它区域，容易造成装置的提前开启，所以不能安装在前挡风玻璃处。儿童在车辆的主要乘坐空间是后排，如果安装在此处则由于此处温度是周边空气缓慢热传递进行的升温，对车辆而言是温度较低值区域，但这样会造成装置的延迟开启。总结以上两点考虑，温度传感器主要安装位置为后排靠近挡风玻璃处。

红外线信号传感器由于扫描角度原因，当安装在前挡风玻璃处时，后排乘坐的儿童由于被前排座椅遮挡容易造成装置无法启用，为确保检测到的信号确实有效，考虑安装位置为前排座椅椅背处。

装置的主要考虑对象是乘坐车辆的儿童，由于儿童主要乘坐空间是后排，因此压力信号安装在后排座椅下，为避免后排座椅上放置重物对装置造成干扰，考虑安装多个压力传感器于后排座椅下。当温度上升造成儿童不适时，由于儿童的活动造成多个压力传感器信号出现变化从而最终形成有效的压力信号输出，确保了对后排压力检测的有效性。

信号的处理是关系装置能否正常使用的关键，在装置中，重力、红外、温度3个信号为逻辑与关系，这样才能确保装置的启用是有效、有针对性、安全的，3种信号的逻辑判断流程如图2所示，逻辑与关系见表2。

从表2中可以看到，只有输入的3种信号都为真值时，车辆的车窗才开启，若是3种信号进行判断后，只要一种信号值不为真值，为确保车辆的安全，装置都不进行运动，车窗保持关闭状态。

图2 信号流程图

表2 逻辑与关系表

3 仿真模拟

借用软件对设计进行信号仿真处理。对信号进行模型的搭建，模型如图3所示。模型的搭建中仅为判断信号间关系是否能进行有效配合工作，在温度极限范围和重力造成的压力信号的极限判断值方面采取了简略数据，没有与真实情况一致，但实际情况中的真实值相对模型而言也就仅仅更改参考数据值的大小。

图3 信号的模拟仿真

根据模型进行波形的输出情况（图4），可以看到0～4 s期间，输出信号为0，也就意味着车窗不会下降；当波形处于4 s后，输出值有1发生。输出值为1表示所有条件为真，此时车窗下降一定高度，既确保了车辆安全性防止被盗现象发生，又保证了车辆的通风效果，确保车辆内被锁人员的安全。在4 s后的阶段，之所以会反复出现0，1交替的输出值波形，是因为在模型搭建时，理解为当车辆内儿童处于温度上升状态后，由于感到难受造成重力值的反复变化，最终造成输出值的交替变化。但是会导致以下问题的产生：由于车窗玻璃的开启关闭是根据输出值来进行工作的，当输出值出现真、假的交替输出时，车窗玻璃会出现开启、关闭的反复动作，极有可能造成车窗最终没有开启或是开启高度不够的情况出现。因此，为解决此情况，需对模型进行调整处理。新调整的模型如图5所示。

图4 输出波形信号

图5 信号仿真模拟图

最终得到的有效信号如图6所示。从图6中可以看出温度、压力、红外线传感器采集到的数据波形，在7 s前出现了4次，可视为车内生命在车内环境温度升高后由于不适造成了波形的多次输出。如果作为车窗电机的信号容易造成电机的反复运动，这明显不可行，当处理后可以看到，波形在输出4次后，可以理解为温度、压力、红外线传感器采集到的数据波形确实为车内人员造成的，那么设备将对车窗输出有效的开启信号。也即在图6中出现第5次波形的时候，输出了有效的控制电压传输给ECU，从而控制电机的转速，再由电机控制车窗的开启。

图6 信号最终输出波形图

4 结论

设计利用重力和红外线两种传感器结合来检测车内是否有儿童，从一定程度上提高了数据检测的有效性。其次，设计上考虑了输入对信号计数处理，防止出现车窗电机反复开启关闭的现象发生，当信号为真时只要求车窗电机进行一次操作。从车辆内儿童及车辆财产两方面进行了考虑，确保设计的有效性。但从设计整体来看，存在着没有对传感器安装点位置的讨论，因为测量位置将直接影响到测量数据的精准性，从而影响到装置启动的准确性。

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Vehicle Window Control Method Base on Matlab

HUANG Hao-min，XU Zhi-jia，YAO Gu-wen，SONG Jing，DING Xiao-ke
（College of Mechanical Engineering，Guiyang University，Guiyang 55000）

A safety control device is designed here to ensure children safety. Using simulation software to judge the input of temperature，gravity and other signals，taking interference factors into consideration，this device could effectively open the window in theory，and then ensures the passenger safety.

control method；car window；simulation

U463.853

A

1003-8639（2017）11-0074-03

2017-07-24

贵州省科技厅自然科学资助项目（黔科合J字LKG［2013］56号）；贵州省科技厅自然科学资助项目（黔科合LH字［2014］7206号）；贵阳学院教改课题（20160455104）。

黄昊旻（1978-），男，贵州贵阳人，硕士，副教授，主要研究方向为车辆工程；徐志佳（1981-），女，湖北恩施人，硕士，副教授，主要研究方向为机械电子。

（编辑 杨 景）