CN109281580B - 用于汽车尾门的电动尾门脚踢传感器及其控制方法 - Google Patents
用于汽车尾门的电动尾门脚踢传感器及其控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了用于汽车尾门的电动尾门脚踢传感器及其控制方法，传感器包括：感应天线，其感应汽车尾门1米范围内的电压波动；PCB电路板，其上设置有电容式脚踢感应模块、核心处理模块、通讯模块和防冲击保护模块；所述电容式脚踢感应模块，其接收感应天线感应的电压波动信号并形成模拟信号；所述核心处理模块，其采集模拟信号，并将模拟信号转换为数字信号；所述通讯模块，其将数字信号传输给汽车尾门控制器，控制汽车尾门的开启；所述防冲击保护模块，其输入端与车身电源连接，并向PCB电路板供电，且在高脉冲冲击时，将输入的车身电源电压钳制为设定的恒定输出电压。本发明具有低成本、可靠性高、兼容性好等特点且防水等级高。
Description
技术领域
本发明涉及汽车尾门控制系统技术领域。更具体地说，本发明涉及用于汽车尾门的电动尾门脚踢传感器及其控制方法。
背景技术
用于汽车行业的控制系统具有稳定性要求高、耐受车身复杂电环境、灵敏度高以及涉及复杂的汽车总线通讯等特点，目前绝大多数核心控制器均由国外公司所垄断。目前市场上同类控制器存在成本高、对外部汽车电环境依赖性高以及灵敏度低等问题，对于现在国内供应商生产的电动尾门系统无法良好兼容。
发明内容
本发明的一个目的是提供用于汽车尾门的电动尾门脚踢传感器及其控制方法，具有低成本、可靠性高、兼容性好等特点且防水等级高。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了用于汽车尾门的电动尾门脚踢传感器，包括：感应天线，其感应汽车尾门1米范围内的电压波动，所述感应天线的布线方式为双路布线，其水平布置且间距不小于1600毫米；PCB电路板，其上设置有电容式脚踢感应模块、核心处理模块、通讯模块和防冲击保护模块；所述电容式脚踢感应模块，其接收感应天线感应的电压波动信号并形成模拟信号；所述核心处理模块，其采集模拟信号，并将模拟信号转换为数字信号；所述通讯模块，其将数字信号传输给汽车尾门控制器，控制汽车尾门的开启；所述防冲击保护模块，其输入端与车身电源连接，并向PCB电路板供电，且在高脉冲冲击时，将输入的车身电源电压钳制为设定的恒定输出电压再输出供电。
优选的是，所述防冲击保护模块的电路包括：输入电源，其连接车身电源；两个电容，其并联连接再串联至输入电源；钳位电路，其与两个电容并联，所述钳位电路也串联至输入电源，所述钳位电路与输入电源之间还串联有二极管。
优选的是，所述PCB电路板上同时设置有CAN通讯接口和LIN通讯接口，所述通讯模块将数字信号传输给汽车尾门控制器是通过LIN或CAN通讯协议传输。
优选的是，所述PCB电路板水平过盈配合焊接于传感器外壳的插接件内，所述感应天线通过接插件与传感器外壳的端子连接，所述PCB电路板上表面通过液态环氧树脂固化后形成的固态绝缘层密封固定于传感器外壳内。
优选的是，所述PCB电路板还包括降压芯片，汽车车身电源给脚踢传感器供电并电连接降压芯片，降压芯片分别电连接核心电路和附属电路，所述降压芯片将车身电源的电压转换为核心电路和附属电路分别适合的电压。
本发明还提供了用于汽车尾门的电动尾门脚踢传感器的控制方法，在设定的时间间隔内，当所述电容式脚踢感应模块接收到的电压波动不超过2V时，将核心处理模块的高频时钟切换为低频时钟，同时关闭附属时钟，并断开附属电路供电；当所述电容式脚踢感应模块接收到的电压波动超过2V时，通过CAN总线或LIN总线发出通讯指令，通过IO口将核心处理模块从上述的休眠状态切换为唤醒状态，即将核心处理模块的低频时钟切换为高频时钟，同时打开附属时钟，并接通附属电路供电，进入正常工作状态。
优选的是，在设定的时间间隔内，当所述电容式脚踢感应模块接收到的电压波动不超过2V时，控制降压芯片与附属电路的电连接断开；当所述电容式脚踢感应模块接收到的电压波动超过2V时，控制降压芯片与附属电路的电连接连通。
优选的是，所述核心电路包括降压电路，滤波电路以及稳压电路、驱动电路，所述附属电路包括霍尔芯片供电回路、外部信号输出回路。
优选的是，模拟信号转换为数字信号后，核心处理模块还通过识别算法对数字信号进行识别，识别结果再传输给汽车尾门控制器，具体过程如下：
核心处理模块采样，将模拟信号转换为数字信号，并以数组形式存储；
数字信号首先通过限制滤波算法消除尖刺干扰；
数字信号再顺序依次通过递推平均滤波法、一阶滞后滤波法、消抖滤波法进行高频干扰信号消除；
经过上述的滤波算法得到的数字信号与脚踢动作经验数据库比对，产生偏差比例值，若偏差比例值大于设定的标准偏差比例值，则判定为正常脚踢动作，通过通讯模块将控制指令传输给汽车尾门控制器，控制汽车尾门的开启；若偏差比例值不大于设定的标准偏差比例值，则判定为非正常脚踢动作，不进行后续的数据传输。
优选的是，双路布线为双路信号输入，采用差分算法对两路信号值进行减法计算，消除电磁干扰波，同时采用组合式的滤波算法消除干扰信号，具体过程如下：
传感器输入原始数据，即1号感应天线路数据和2号感应天线路数据；
对两路数据进行差分算法处理；
再将差分算法处理后的数据通过限制滤波算法处理；
处理后的数据再顺序依次通过递推平均滤波法、一阶滞后滤波法、消抖滤波法处理；
上述处理后的数据作为传感器的模拟信号数据输入。
本发明至少包括以下有益效果：
1、电动尾门脚踢控制器具有低成本、可靠性高、兼容性好等特点，其中软件架构和算法均为自主研发，具有可扩展性好、模块化的特点。
2、本发明所设计的电动尾门脚踢控制器配套自主研发的软件算法，良好的实现了电动尾门系统的各项功能；功能有：1)高灵敏度的脚踢控制功能；2)符合国际标准的CAN线通讯/LIN通讯功能；3)良好的低功耗水平(1mA以下)；4)防水防尘等级达到IP65。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明防冲击保护模块的工作原理图；
图2为本发明防误踢的控制流程图；
图3为本发明消除干扰的控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1至3所示，本发明提供一种用于汽车尾门的电动尾门脚踢传感器，包括：感应天线，其感应汽车尾门1米范围内的电压波动，所述感应天线的布线方式为双路布线，其水平布置且间距不小于1600毫米；PCB电路板，其上设置有电容式脚踢感应模块、核心处理模块、通讯模块和防冲击保护模块；所述电容式脚踢感应模块，其接收感应天线感应的电压波动信号并形成模拟信号；所述核心处理模块，其采集模拟信号，并将模拟信号转换为数字信号；所述通讯模块，其将数字信号传输给汽车尾门控制器，控制汽车尾门的开启；所述防冲击保护模块，其输入端与车身电源连接，并向PCB电路板供电，且在高脉冲冲击时，将输入的车身电源电压钳制为设定的恒定输出电压再输出供电。
所述防冲击保护模块的电路包括：输入电源，其连接车身电源；两个电容，其并联连接再串联至输入电源；钳位电路，其与两个电容并联，所述钳位电路也串联至输入电源，所述钳位电路与输入电源之间还串联有二极管。
在上述技术方案中，电动尾门脚踢传感器由传感器外壳、PCB电路板、感应天线组成，PCB电路板由各个功能模块的电子元器件组成，通过贴片工艺加工完成，包括核心处理模块、通讯模块、电容式脚踢感应模块等。感应天线是作为脚踢传感器的感应输入器件，感应汽车尾门附近的电场变化，形成模拟输入信号供核心处理芯片做数据采集使用；感应天线是通过接插件与传感器外壳的端子连接，通过导电插芯与PCB电路板导通形成电路通路。识别到的数字信号结果最终通过通讯模块以LIN总线、CAN总线等方式传输到电动尾门控制器，或汽车遥控钥匙PEPS控制器及BCM控制器等进行后续处理。传统的感应天线布线为单路信号输入，本发明的产品设计为双路信号输入，同时在布线方案上，双路信号的布置间距不小于1600毫米水平布置，采用增强的布线方法提升感应的灵敏度。
汽车用电环境非常恶劣，在汽车启动、停止瞬间，大功率器件如空调等设备启停都会产生很高的电压脉冲，为防止过高电压冲击造成电子元器件的烧毁，我们设置有防冲击保护模块，在高脉冲冲击时，将电压消除，在电子元器件如芯片，电容等电路上保持恒定的电压以保证电路正常工作。
其原理图如附图1所示，车身电源输入若产生高压信号，首先通过C103、C104滤波稳压，在Q102NPN三极管作用下与Q101组成钳位电路，在电源电压高于16V时，通过三极管的导通特性，将输出电压钳制在12V，保证内部元器件的正常工作，提高脚踢传感器电路电源的稳定性。钳位电路串联的是二极管，防反接。
在另一种技术方案中，所述PCB电路板上同时设置有CAN通讯接口和LIN通讯接口，所述通讯模块将数字信号传输给汽车尾门控制器是通过LIN或CAN通讯协议传输。
在上述技术方案中，现有通讯方式有两种可选，即CAN通讯及LIN通讯，我们在硬件设计上同时布置了两种的通讯接口，根据用户需要可选择响应的通讯接口即可，有利于用户选择匹配与脚踢传感器通讯的控制器。例如，有些项目客户所采用的其他控制器没有LIN通讯接口，可以采用CAN通讯。
在另一种技术方案中，所述PCB电路板水平过盈配合焊接于传感器外壳的插接件内，所述感应天线通过接插件与传感器外壳的端子连接，所述PCB电路板上表面通过液态环氧树脂固化后形成的固态绝缘层密封固定于传感器外壳内。
在上述技术方案中，PCB电路板与传感器外壳接插件、感应天线焊接后，通过封胶工艺将PCB电路板固定在传感器外壳中，起到固定和防水、防尘的作用。脚踢传感器外壳在装入PCB电路板后，整体灌注，而本技术方案中只进行PCB电路板上部整体灌注封胶，下部不管，可节约成本，也可保证绝对的防水性能，可以浸水而不产生短路风险。灌胶是指在生产工艺中，使用环氧树脂材料(液态)灌入到包含PCB电路板的传感器外壳内的上部，待一定时间固化后形成固态的绝缘层，使得脚踢传感器内的电路不会受到外部灰尘、水分的影响，提升脚踢传感器的防水等级。
本发明还提供了一种用于汽车尾门的电动尾门脚踢传感器的控制方法，在设定的时间间隔内，当所述电容式脚踢感应模块接收到的电压波动不超过2V时，将核心处理模块的高频时钟切换为低频时钟，同时关闭附属时钟，并断开附属电路供电；当所述电容式脚踢感应模块接收到的电压波动超过2V时，通过CAN总线或LIN总线发出通讯指令，通过IO口将核心处理模块从上述的休眠状态切换为唤醒状态，即将核心处理模块的低频时钟切换为高频时钟，同时打开附属时钟，并接通附属电路供电，进入正常工作状态。
在设定的时间间隔内，当所述电容式脚踢感应模块接收到的电压波动不超过2V时，控制降压芯片与附属电路的电连接断开；当所述电容式脚踢感应模块接收到的电压波动超过2V时，控制降压芯片与附属电路的电连接连通。
所述核心电路包括降压电路，滤波电路以及稳压电路、驱动电路，所述附属电路包括霍尔芯片供电回路、外部信号输出回路。
在上述技术方案中，降低功耗主要是根据所采集的电压波形在一定时间内的波动不超过2V电压时，关闭无关的附属电路供电，但保留模拟信号输入、通讯基本模块的电源。脚踢传感器输入的车身电源是标准的12V，核心电路需要的电源是3.3V，附属电路的工作电源是5V，硬件设计上是先将12V通过降压芯片降压到5V和3.3V，降压芯片有控制引脚，通过控制引脚的高、低电平控制降压芯片是否工作，是否产生5V或3.3V电压，不工作的降压芯片功耗最低。
脚踢模块不间断采集感应天线所形成的模拟电压波形，并进行模拟到数字信号的转换，当核心模块所采集的电压没有发生变化，并持续5分钟(可调整)后，降低核心处理芯片的主要时钟，关闭附属时钟，降低工作频率，断开附属电路的供电，以减少待机功耗，实现低功耗功能。脚踢模块在一定时间内(如5分钟，可调整)没有发生感应天线形成的电压波动信号时，自动休眠进入最低功耗状态，当感应天线出现电压波动(2VDC)以上时，通过IO口唤醒自己，进入上面谈到的正常信号处理模式。
通过传感器外壳接插件，将车身电瓶电源以常电方式与脚踢传感器连接，通过内部稳压、降压电路驱动核心处理模块工作，通过核心处理模块控制通讯模块、电容式脚踢感应模块的电源感应回路，确保低功耗状态下的最低功耗。
核心电路是指降压电路，滤波电路以及稳压电路、驱动电路等组成的完成系统稳定性、可靠性的电路结构，附属电路是指外部的其他可关断的外围电路，包括霍尔芯片供电回路、外部信号输出回路等。
在另一种技术方案中，模拟信号转换为数字信号后，核心处理模块还通过识别算法对数字信号进行识别，识别结果再传输给汽车尾门控制器，具体过程如下：
核心处理模块采样，将模拟信号转换为数字信号，并以数组形式存储；
数字信号首先通过限制滤波算法消除尖刺干扰；
数字信号再顺序依次通过递推平均滤波法、一阶滞后滤波法、消抖滤波法进行高频干扰信号消除；
经过上述的滤波算法得到的数字信号与脚踢动作经验数据库比对，产生偏差比例值，若偏差比例值大于设定的标准偏差比例值，则判定为正常脚踢动作，通过通讯模块将控制指令传输给汽车尾门控制器，控制汽车尾门的开启；若偏差比例值不大于设定的标准偏差比例值，则判定为非正常脚踢动作，不进行后续的数据传输。
在上述技术方案中，通过感应天线对脚踢动作进行识别，采用自主的软件算法实现脚踢动作的判断，防止误触发。通过感应天线的模拟信号进行采样形成数字信号后，对数字信号进行数据统计，并识别数字信号在一定时间内的高低变化趋势进行计算，比如在500毫秒内，波形幅度最高与最低之间差异达到5V，同时波形数值是平滑的单个波谷变化趋势，则判定是产生了脚踢动作，具体的时间、差异值是根据具体车型标定来确定的。上述过程是通过统计算法、积分算法来实现。上述流程即如附图2所示的流程中，经验数据库是根据具体项目车型标定产生，偏差比例取值可根据灵敏度要求设定。
在另一种技术方案中，双路布线为双路信号输入，采用差分算法对两路信号值进行减法计算，消除电磁干扰波，同时采用组合式的滤波算法消除干扰信号，具体过程如下：
传感器输入原始数据，即1号感应天线路数据和2号感应天线路数据；
对两路数据进行差分算法处理；
再将差分算法处理后的数据通过限制滤波算法处理；
处理后的数据再顺序依次通过递推平均滤波法、一阶滞后滤波法、消抖滤波法处理；
上述处理后的数据作为传感器的模拟信号数据输入。
在上述技术方案中，通过内部算法降低外界电磁骚扰造成的干扰。单路信号输入在有外部电磁干扰情况下，会导致产生的波形失真，影响识别率，双路信号输入在有电磁干扰情况下，我们做的是差分算法，即通过两路信号的差值，将外部电磁干扰消除，实现灵敏度的提升。
另外对于波形突发产生的低于1毫秒内的波形突然上升或下降，进行抛弃处理，响应的数据以前后有效数据的平均值代替，即滤波算法，实现降低电磁干扰。
差分算法也是计算机通信领域常用的降低干扰措施之一，当有干扰产生时，并行在一起的传感器线路会产生相同增幅的干扰波，我们将两个数字信号值使用减法，对产生的干扰波消除。
本发明通过下列三种算法组合实现脚踢传感器的可靠性
a)电容特性值的滤波算法
当前汽车的电气环境工况非常复杂，具有高噪声的特点，在不同的环境下，脚踢传感器需要采集电容芯片的模拟信号，干扰信号混杂在模拟信号中会对信号处理带来很大问题，会出现不识别或误识别的情况。因此需要考虑在不同环境噪声条件下的滤波，摒除低频和高配的干扰噪声。
电容特性值的滤波算法主要采用的是数值滤波算法，具体算法如下：
数字滤波器是将一组输入数字序列进行一定的运算而转换成另一组输出数字序列的装置。设数字滤波器的输入为X(n)，输出为Y(n)，则输入序列和输出序列之间的关系可用差分方程式表示为：
其中：输入信号X(n)是模拟信号经采样和A/D变换后得到的数字序列，具有上述关系的数字滤波器的当前输出与现在的和过去的输入、过去的输出有关。如果将上述差分方程式中bK取0，则说明输出只和现在的输入和过去的输入有关。参数aK、bK的选择不同，可以实现低通、高通、带通、带阻等不同的数字滤波器。
本发明针对目前汽车电器环境噪声的特性，采用了基于上述数值滤波算法的多种滤波算法叠加的方式来进行处理，具体包括：加权平均值滤波、防脉冲干扰平均值滤波、程序判断滤波(限幅滤波)。
b)环境噪声的消除算法
针对汽车在不同地理位置的移动特性，环境噪声在不同位置也有不同的特征，为了使得脚踢传感器具备良好的环境适应新，需要对不同环境的噪声进行消除，采用消除算法实现。具体包括如下：
首先采用采用低通滤波和复合数值滤波算法将低频、高配噪声消除；
采用定时刷新的机制，将背景噪声信号进行动态补偿抵消；
针对经验统计的历史数据库数据，对不同频段环境噪声特性进行比对，识别是否有有效信号输入进行判别。
c)脚扫动作的识别算法
针对小猫、小狗等移动物体(非脚踢动作)造成的信号误触发问题，采用智能的识别算法区分是否为脚踢动作，具体算法如下。
采用限速滤波算法，将电容特性模拟信号进行采样处理，减少干扰；
通过经验数据库数据，将人的脚踢动作特征进行参数限定，将动态波形数据通过限时逻辑判断，摒除短时间或长时间的信号波形；
采用延时算法，对已确认的脚踢数据进行多次数据核对，减少误触发的几率。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (5)
1.用于汽车尾门的电动尾门脚踢传感器的控制方法，其特征在于，其中用于汽车尾门的电动尾门脚踢传感器包括：
感应天线，其感应汽车尾门1米范围内的电压波动，所述感应天线的布线方式为双路布线，其水平布置且间距不小于1600毫米；
PCB电路板，其上设置有电容式脚踢感应模块、核心处理模块、通讯模块和防冲击保护模块；所述PCB电路板还包括降压芯片，汽车车身电源给脚踢传感器供电并电连接降压芯片，降压芯片分别电连接核心电路和附属电路，所述降压芯片将车身电源的电压转换为核心电路和附属电路分别适合的电压；所述核心电路包括降压电路，滤波电路以及稳压电路、驱动电路，所述附属电路包括霍尔芯片供电回路、外部信号输出回路；
所述电容式脚踢感应模块，其接收感应天线感应的电压波动信号并形成模拟信号；
所述核心处理模块，其采集模拟信号，并将模拟信号转换为数字信号；
所述通讯模块，其将数字信号传输给汽车尾门控制器，控制汽车尾门的开启；
所述防冲击保护模块，其输入端与车身电源连接，并向PCB电路板供电，且在高脉冲冲击时，将输入的车身电源电压钳制为设定的恒定输出电压再输出供电；
用于汽车尾门的电动尾门脚踢传感器的控制方法具体包括：在设定的时间间隔内，当所述电容式脚踢感应模块接收到的电压波动不超过2V时，将核心处理模块的高频时钟切换为低频时钟，同时关闭附属时钟，并断开附属电路供电；当所述电容式脚踢感应模块接收到的电压波动超过2V时，通过CAN总线或LIN总线发出通讯指令，通过IO口将核心处理模块从休眠状态切换为唤醒状态，即将核心处理模块的低频时钟切换为高频时钟，同时打开附属时钟，并接通附属电路供电，进入正常工作状态；
模拟信号转换为数字信号后，核心处理模块还通过识别算法对数字信号进行识别，识别结果再传输给汽车尾门控制器，具体过程如下：
核心处理模块采样，将模拟信号转换为数字信号，并以数组形式存储；
数字信号首先通过限制滤波算法消除尖刺干扰；
数字信号再顺序依次通过递推平均滤波法、一阶滞后滤波法、消抖滤波法进行高频干扰信号消除；
经过上述的滤波算法得到的数字信号与脚踢动作经验数据库比对，产生偏差比例值，若偏差比例值大于设定的标准偏差比例值，则判定为正常脚踢动作，通过通讯模块将控制指令传输给汽车尾门控制器，控制汽车尾门的开启；若偏差比例值不大于设定的标准偏差比例值，则判定为非正常脚踢动作，不进行后续的数据传输；
双路布线为双路信号输入，采用差分算法对两路信号值进行减法计算，消除电磁干扰波，同时采用组合式的滤波算法消除干扰信号，具体过程如下：
传感器输入原始数据，即1号感应天线路数据和2号感应天线路数据；
对两路数据进行差分算法处理；
再将差分算法处理后的数据通过限制滤波算法处理；
处理后的数据再顺序依次通过递推平均滤波法、一阶滞后滤波法、消抖滤波法处理；
上述处理后的数据作为传感器的模拟信号数据输入。
2.如权利要求1所述的用于汽车尾门的电动尾门脚踢传感器的控制方法，其特征在于，在设定的时间间隔内，当所述电容式脚踢感应模块接收到的电压波动不超过2V时，控制降压芯片与附属电路的电连接断开；当所述电容式脚踢感应模块接收到的电压波动超过2V时，控制降压芯片与附属电路的电连接连通。
3.如权利要求1所述的用于汽车尾门的电动尾门脚踢传感器的控制方法，其特征在于，所述防冲击保护模块的电路包括：
输入电源，其连接车身电源；
两个电容，其并联连接再串联至输入电源；
钳位电路，其与两个电容并联，所述钳位电路也串联至输入电源，所述钳位电路与输入电源之间还串联有二极管。
4.如权利要求1所述的用于汽车尾门的电动尾门脚踢传感器的控制方法，其特征在于，所述PCB电路板上同时设置有CAN通讯接口和LIN通讯接口，所述通讯模块将数字信号传输给汽车尾门控制器是通过LIN或CAN通讯协议传输。
5.如权利要求1所述的用于汽车尾门的电动尾门脚踢传感器的控制方法，其特征在于，所述PCB电路板水平过盈配合焊接于传感器外壳的插接件内，所述感应天线通过接插件与传感器外壳的端子连接，所述PCB电路板上表面通过液态环氧树脂固化后形成的固态绝缘层密封固定于传感器外壳内。
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