主動式安全帶電機預緊的軟硬件解耦

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

0前言

隨著汽車電動化和智能化的深入發展，傳統安全帶也在經歷重大變革。將電控單元（ECU）與電動機相結合不僅可主動調整安全帶張力，以適應駕駛條件，還能配合自動緊急制動（AEB）系統觸發進行迅速收緊，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緊實現方式，潘欣艾等［1］針對主動應用工況進行了詳細的調查分析。曹立波等［2］探討了控制系統的參數確定，并完成了軟件系統算法的設計。王飛［3］介紹了所設計的主動式安全帶產品，該產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，沒有針對軟件架構的優化和離位判斷的準確感知進行深入研究。

關于電機控制的軟件架構，崔淑梅等［4］詳細介紹了基于標準AutoSAR 平臺的電機控制系統，但針對AutoSAR 架構開發成本高、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展的方案［5］，這實質上是執行器算法的逐步上移，在整車級別可實現集中協調控制。

目前，行業內針對電機預緊主動式安全帶的方案有以下幾種：

（1） 軟件架構采用傳統高耦合架構或AutoSAR軟件架構。如圖1 所示，高耦合架構會造成軟件移植困難，且開發量大；并且AutoSAR軟件架構的微控制器（MCU）要求相對較高，且開發成本昂貴，如圖2所示。

（2） 目前業內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（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之間沒有直接的對應關系，導致在調節座椅前后上下及角度、自身坐姿和高調位置時，電機會主動回收織帶，這不僅耗能，還會引起用戶的抱怨，縮短產品的使用壽命。

2 新方案

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

其中，DMS/OMS 使用高級攝像頭和傳感器技術，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，優化系統響應。

2. 1 系統構成

主動式安全帶的系統組成如圖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 內部的算法通過齒輪和離合器系統驅動卷軸，來控制安全帶的動態調整。MCU 監控并管理電機驅動器的狀態，如電流和故障情況，確保電機反應迅速、準確。

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

2. 2軟件架構

2. 2. 1 AutoSAR 軟件架構

通過AutoSAR 軟件對基礎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點。

AutoSAR 軟件架構分為基礎軟件部分、實時環境（RTE）層和應用層?；A軟件部分包括MCAL 模塊、硬件抽象、系統服務。具體可分為：通信棧模塊（Com、PduR、CanSM、CanTp、CanIF）；網絡管理模塊（CanNM、NM）；診斷模塊（DCM、DEM、FIM、DLT、DET）；內存管理模塊（NVM、MenIF、Fee、Fls）；其他系統服務模塊（OS、EcuM、BswM、ComM、IoHwAb）；復雜設備驅動（CDD）。針對此部分，新方案需進行一定的取舍，保證滿足上述基礎軟件的功能。

RTE 層實現了應用層對基礎軟件的功能調用，以及軟件模塊（SWC）之間的通信。對于這部分，新方案需滿足AutoSAR 軟件的標準規定。

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

2. 2. 2 新方案的自研架構

新方案不僅實現了AutoSAR 軟件的標準RTE接口，還實現了CAN 通信棧（如CanIf、CanSM、PduR、COM、ComM）、基于AutoSAR 標準的網絡管理（NM 和CanNM），以及基于ISO 14229/15765的UDS 診斷服務（DCM、DEM、FIM）。其中，操作系統（OS）模塊借鑒了開源操作系統，采用多任務調度器+ 中斷的方式。內存管理需涵蓋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 監控模塊、傳感器模塊和CDD 復雜硬件驅動模塊。

關于標定，常規情況是采用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。

針對Bootloader 程序，本文設計了自研方案，如圖6 所示。自研Bootloader 程序架構使用4 層架構，按從下往上的順序，底層是硬件驅動；第2 層用于實現CAN 通信協議棧和Memstack 內存棧；第3層可實現具體的診斷功能和內存管理，并為第4 層應用層提供診斷服務；第4 層可實現刷寫具體業務流程，并提供自檢和監控功能。

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這些策略輸出指定的動作命令，如調整扭矩和速度等，以驅動安全帶的物理調整。

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據，如車速、加速度和方向盤角度等，利用預設的閾值和邏輯規則確定回拉、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，根據信號進行計算，并將計算結果與預先定義的觸發條件、閾值進行對比，確定是否輸出觸發指令；然后將分組結果匯總進行仲裁，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、狀態監控部分，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/扭矩環和電壓/轉速環。狀態監控部分可獲取到目前主動安全帶的ECU、電機等內部狀態（如電機堵轉、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功能降級。同時，狀態監控部分根據車身加速度信號（用于判斷車身是否穩定）、碰撞信號（用于軟件上立即停止動作并脫耦）等信息，結合電機算法的輸出，得出最終的動作決策，并轉換為最終指令——轉速、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

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定，不需要大的改動，量產后一般不需要進行OTA 更新，且對算力要求低，所以保留在卷收器中。該方案的優點如下：① 傳感器信號傳遞是基于以太網或域控制器的內部通信，可降低執行器CAN 局域網內的通信載荷；② 可降低執行器的技術要求；③ 邏輯算法連接在以太網的ECU 中，方便進行OTA 的升級迭代，執行器部分比較穩定，不太需要迭代升級，無需實現OTA；④ 邏輯算法可充分利用以太網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行器的協同控制。

2. 3. 4算法相關標定參數的靈活升級

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

2. 4 采用DMS/OMS 實現人體的離位檢測

DMS/OMS 的檢測設備包括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，或是僅調整坐姿，并識別出乘員調整座椅、靠背、高調器的情況，避免誤觸發。同時，DMS/OMS自身可以探測出乘員走神、疲勞等狀態。檢測信號通過邏輯算法進行運算后，通過車內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行相應操作。

通過引入DMS/OMS 來替代傳統的WMS，可減少因誤判人體離位而導致的不必要的安全帶調整動作。這不僅減少了能耗，也降低了設備的磨損，延長了產品的使用壽命。初步應用數據顯示，在WMS 方案中，因調整坐姿、座椅、高調、拉織帶導致織帶拉出距離達到規定的“人體離位”閾值，會百分百引起誤觸發，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應用效果

新方案在多款合資和本土車企車型上實現了量產。根據項目經驗以及客戶的反饋，對業內現有方案與新方案進行了比較。在進行軟件架構優化、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結論

（1） 通過實施算法上移和軟硬件解耦，主機廠能夠直接調整和配置系統參數，無需依賴外部供應商，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，同時保持系統的高效率和響應速度。

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

（3） 作為軟件定義汽車的一種實踐，算法上移實現了中央控制器對各執行器的協調控制。本研究顯著提高了車輛系統的經濟性和系統開發的可持續性，促進了汽車工業向軟件定義汽車理念的推進。