饒 超,肖美臨,文 雯
(東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心,湖北 武漢 430058)
隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展,汽車銷量逐年增加,道路上交通擁堵不堪,中國(guó)又是一個(gè)多雨的國(guó)家,下雨天行車的時(shí)間會(huì)較多。傳統(tǒng)機(jī)械式的雨刮洗滌系統(tǒng)是由駕駛?cè)藛T手動(dòng)操作雨刮開關(guān)去控制雨刮清除汽車擋風(fēng)玻璃上的雨水,雨刮刮刷的快慢及頻率主要是依靠駕駛員通過肉眼判斷雨量大小,從而切換雨刮開關(guān)來完成的,這勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致駕駛員的注意力不夠集中,駕車的難度也大大增加,尤其是遇到突發(fā)情況諸如行車到水坑或突降暴雨,水滴飛濺到擋風(fēng)玻璃時(shí),駕駛?cè)藛T會(huì)措手不及,影響轉(zhuǎn)向盤的操作,最終有可能導(dǎo)致交通事故,釀成車毀人亡的大禍[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),全世界雨天行車有7%的事故是由于手動(dòng)操作雨刮洗滌系統(tǒng)引起的[2]。正是基于這樣的背景,本文對(duì)汽車的雨刮洗滌系統(tǒng)進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)開發(fā)了紅外反射式的雨量傳感器采集處理雨量大小,同時(shí)通過LIN總線與雨刮控制器進(jìn)行通信交互,實(shí)現(xiàn)雨刮洗滌系統(tǒng)的自動(dòng)刮刷功能。采用自動(dòng)雨刮控制系統(tǒng)不僅可以減少雨雪天駕駛?cè)藛T的精力分散,降低交通事故的發(fā)生,而且可以根據(jù)雨量的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)雨刮刮刷的頻率,降低功耗,節(jié)約能源。
根據(jù)國(guó)內(nèi)外車用雨量傳感器的研究,主要存在4種技術(shù)對(duì)雨量進(jìn)行檢測(cè),分別是電容式雨量傳感器、熱電偶式雨量傳感器、光強(qiáng)式雨量傳感器和基于圖像處理式雨量傳感器[3]。
電容式雨量傳感器的工作原理是通過雨量的變化引起電容的介電常數(shù)發(fā)生變化,從而引起電容變化,這樣就建立起了雨量變化與電容變化直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系,通過檢測(cè)電容的變化,就可以獲取雨量的大小。電容的大小C與極板間距離d,極板面積s,極板間的介電系數(shù)ε相關(guān):
當(dāng)電容的極板面積s和極板間的距離d是固定的,電容的大小就與極板間的介電系數(shù)成正比。如圖1所示為電容極板間無雨滴時(shí)的情形,此時(shí)極板間填充物為空氣。圖2所示為電容極板間有雨滴時(shí)的情形,此時(shí)極板間的填充物為雨滴,由于空氣和雨滴的導(dǎo)電性能是不一致的,導(dǎo)致這兩種情況下的介電系數(shù)ε是不同的,不同雨量大小的介電系數(shù)也是不一樣的,因此電容的容量將發(fā)生變化。為了增大電容式雨量傳感器的檢測(cè)電容,一般會(huì)將電容設(shè)計(jì)成鋸齒形狀。電容變化的檢測(cè)電路,一般采用RC或LC振蕩電路,通過檢測(cè)振蕩電路的頻率,間接檢測(cè)電容的大小,從而也就檢測(cè)出了雨量的大小情況。
圖1 電容間無雨滴
圖2 電容間有雨滴
熱電偶式雨量傳感器的工作原理是利用熱電偶溫度傳感器檢測(cè)溫度的機(jī)理來間接測(cè)量雨量的大小。當(dāng)無雨滴時(shí),熱電偶的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)維持在一定固定值;當(dāng)有雨滴時(shí),雨量會(huì)帶走熱電偶的熱量,使熱電偶的溫度迅速下降,從而進(jìn)一步導(dǎo)致熱電偶的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)下降,通過檢測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化即可以檢測(cè)出雨量的變化。如圖3所示,將金屬1和金屬2兩種不同的金屬在A、B處焊接在一起,這樣整個(gè)回路中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。A、B點(diǎn)的溫差越大,產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越高。實(shí)際應(yīng)用中一般將其一端維持在已知溫度下,作為參考端,另外一端則放置在空氣中,用來感應(yīng)雨量大小。
圖3 熱電偶雨量傳感器檢測(cè)原理圖
光強(qiáng)式雨量傳感器有兩種類別,一種是基于可見光,另外一種是基于紅外光。這兩類傳感器的基本原理都是一樣的,將半導(dǎo)體發(fā)光元件和敏感元件做成一對(duì),發(fā)光元件發(fā)射出的光線按照一定的角度經(jīng)過透鏡、硅膠,發(fā)射到擋風(fēng)玻璃上,經(jīng)過汽車擋風(fēng)玻璃的散射后,部分光線反射回來被敏感元件接收,并轉(zhuǎn)化成電信號(hào),如圖4所示。當(dāng)汽車擋風(fēng)玻璃上有雨滴時(shí),散射增強(qiáng),被反射回接收管的光線減少,轉(zhuǎn)化成的電信號(hào)也減弱,這樣通過測(cè)量光敏元件輸出的電信號(hào)強(qiáng)弱變化,可以得知擋風(fēng)玻璃上雨量大小的情況,如圖5所示。
基于圖像處理式的雨量傳感器的工作原理跟光強(qiáng)式雨量傳感器類似,只不過光線接收管更換成了攝像頭處理。如圖6所示,采用光發(fā)射管將光線照射到擋風(fēng)玻璃的一塊區(qū)域,如果擋風(fēng)玻璃上沒有雨滴,照射在該區(qū)域的光線會(huì)均勻地反射;如果擋風(fēng)玻璃上有雨滴,會(huì)導(dǎo)致光線的散射增強(qiáng),攝像頭采集到的光線就弱。這樣利用攝像頭采集的光線在擋風(fēng)玻璃上反射回來的圖像進(jìn)行處理就可以檢測(cè)到雨量大小變化。
圖4 光強(qiáng)式雨量傳感器-無雨滴時(shí)
圖6 圖像處理式雨量傳感器工作原理圖
表1 雨量傳感器技術(shù)方案對(duì)比表
表1為雨量傳感器技術(shù)方案對(duì)比表。通過對(duì)比,光強(qiáng)式的雨量傳感器在實(shí)際應(yīng)用中是一個(gè)理想的選擇?;诠鈴?qiáng)變化的傳感器安裝在汽車擋風(fēng)玻璃內(nèi)后視鏡處,不與雨滴直接接觸,在擋風(fēng)玻璃的保護(hù)下,能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作。而基于光強(qiáng)式的雨量傳感器有兩類,一類是可見光,另外一類是紅外光。使用可見光的傳感器,在工作時(shí)有光線發(fā)射出,容易對(duì)駕駛?cè)藛T造成影響,同時(shí)根據(jù)雨滴對(duì)光線的散射作用研究,雨滴對(duì)紅外線的散射有明顯的規(guī)律性:雨滴越大,散射越強(qiáng)。因此,基于紅外光強(qiáng)變化的傳感器是實(shí)現(xiàn)雨量檢測(cè)的較理想選擇,本論文所述即是選擇了此技術(shù)方案。
自動(dòng)雨刮控制系統(tǒng)主要由六大部分組成:車身控制器(Body control module,BCM,集成雨刮控制器),雨量傳感器控制器 (rain sensor,RS),組合儀表 (instrument controller,IC),多功能影音娛樂系統(tǒng) (multiple Functional video entertainment system,MP5),前雨刮電機(jī) (wiper motor,WIPE),車窗和天窗控制器 (window and roof controller,WINDOW)。自動(dòng)雨刮控制系統(tǒng)布置示意如圖7,基本系統(tǒng)組成如圖8所示。
圖7 自動(dòng)雨刮控制系統(tǒng)布置示意圖
圖8 自動(dòng)雨刮控制系統(tǒng)組成圖
1)車身控制器 (BCM,集成雨刮控制器) 主要負(fù)責(zé)采集相關(guān)輸入,配置信息,通過LIN1總線與雨量傳感器控制器(RS)進(jìn)行信號(hào)交互,自動(dòng)直接驅(qū)動(dòng)前雨刮電機(jī)工作在間歇、連續(xù)低速、連續(xù)高速工作狀態(tài)。
2)雨量傳感器控制器 (RS) 主要負(fù)責(zé)雨量大小的檢測(cè),雨量檢測(cè)的核心算法都在此控制器中,通過LIN1總線信號(hào)間接控制雨刮進(jìn)行間歇、連續(xù)低速、連續(xù)高速動(dòng)作。
3)組合儀表 (IC) 主要負(fù)責(zé)自動(dòng)雨刮功能激活狀態(tài)的圖標(biāo)顯示以及文字提示,通過CAN總線與BCM進(jìn)行信號(hào)交互。
4)多功能影音娛樂系統(tǒng) (MP5) 主要負(fù)責(zé)自動(dòng)雨刮相關(guān)功能的配置及顯示,例如:下雨關(guān)窗功能。通過CAN總線與BCM進(jìn)行信號(hào)交互。
5)前雨刮電機(jī) 主要負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)汽車前擋風(fēng)玻璃上的雨刮臂,刮刷雨水,保持前擋風(fēng)玻璃的視野清晰、干凈。BCM通過硬線直接驅(qū)動(dòng)前雨刮的動(dòng)作。
6)車窗和天窗控制器 (WINDOW) 汽車上每個(gè)車窗都有一個(gè)控制器 (總共4個(gè)),天窗還有一個(gè)控制器通過同一路LIN2總線與車身控制器進(jìn)行信號(hào)交互處理。主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)雨量關(guān)窗的功能。
自動(dòng)雨刮控制系統(tǒng)的核心是雨量傳感器控制器 (RS),其對(duì)雨量大小檢測(cè)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性決定了自動(dòng)雨刮控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、舒適性。經(jīng)過調(diào)研,國(guó)內(nèi)外汽車紅外線光強(qiáng)式雨量傳感器的硬件設(shè)計(jì)方案主要有兩種,一種是德國(guó)大眾汽車公司基于模擬和數(shù)字混合電路[4],一種是基于MCU的電路[5]。
2.2.1 模擬和數(shù)字混合電路
此方案的基本原理是由振蕩電路產(chǎn)生調(diào)制方波去調(diào)制紅外發(fā)射管,紅外發(fā)射管發(fā)出的光線經(jīng)過一定的入射角度入射到前擋風(fēng)玻璃上經(jīng)過反射后被紅外接收管接收,紅外接收管經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換及微弱信號(hào)放大處理后,最終由模擬和數(shù)字混合信號(hào)處理及輸出電路完成信號(hào)的解調(diào)及處理,輸出跟雨量大小對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。其結(jié)構(gòu)示意圖見圖9。
圖9 基于模擬和數(shù)字混合電路的紅外雨量傳感器方案
根據(jù)以上圖9的系統(tǒng)方案,可以設(shè)計(jì)出以下內(nèi)部原理圖,具體見圖10。整個(gè)系統(tǒng)由振蕩電路、時(shí)序控制電路、紅外發(fā)射電路、信號(hào)處理及輸出電路、紅外接收電路、光電轉(zhuǎn)換及微弱信號(hào)放大電路這六大部分構(gòu)成。其中時(shí)序控制電路由2個(gè)D觸發(fā)器組成;信號(hào)處理及輸出電路由取樣積分電路、RC復(fù)位電路、比例積分電路、閾值比較電路輸出等基本的電路單元組成;光電轉(zhuǎn)換及微弱信號(hào)放大電路由差分放大電路、電流放大器、信號(hào)放大器組成。
圖10 基于模擬和數(shù)字混合電路的紅外雨量傳感器內(nèi)部原理圖
2.2.2 基于MCU的電路
此方案的基本原理是由MCU定時(shí)器產(chǎn)生調(diào)試所需要的方波去調(diào)制紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線,紅外接收管接收到紅外線后經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及微弱信號(hào)放大電路處理,最后由MCU內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)放大信號(hào)進(jìn)行采集,采用軟件的方式對(duì)紅外信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理,然后輸出與雨量大小對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào),其結(jié)構(gòu)見圖11。
根據(jù)圖11的系統(tǒng)方案,可以設(shè)計(jì)出以下內(nèi)部原理圖,具體見圖12。整個(gè)系統(tǒng)由MCU、紅外發(fā)射電路、紅外接收電路、光電轉(zhuǎn)換及微弱信號(hào)放大電路這四大部分構(gòu)成。其中MCU由定時(shí)器調(diào)試、脈沖輸出、D/A轉(zhuǎn)換、軟件解調(diào)及處理、A/D轉(zhuǎn)換組成;光電轉(zhuǎn)換及微弱信號(hào)放大電路由差分放大電路[6]、電流放大器、信號(hào)放大器組成,這部分電路與基于模擬和數(shù)字混合的電路完全一致。
綜上所述,以上兩種方案的主要差別是:振蕩電路,時(shí)序控制電路,信號(hào)處理及輸出電路。方案1:基于模擬和數(shù)字混合電路的紅外雨量傳感器主要是由硬件電路實(shí)現(xiàn)的;而方案2:基于MCU電路的紅外雨量傳感器,則是集成到MCU中主要通過軟件控制實(shí)現(xiàn)的。對(duì)比見表2。
圖11 基于MCU電路的紅外雨量傳感器方案
圖12 基于MCU電路的紅外雨量傳感器內(nèi)部原理圖
表2 紅外雨量傳感器技術(shù)方案對(duì)比表
汽車紅外光強(qiáng)式雨量傳感器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是如何有效消除背景噪聲,精準(zhǔn)識(shí)別到雨量信號(hào),避免誤檢測(cè)。根據(jù)光電理論知識(shí)可知,紅外輻射是與可見光相鄰的一種不可見光,它具有可見光的一般特性,如:光的直線傳播定律、反射定律、折射定律、全反射定律、干涉定律、衍射定律、偏振定律等[7]。同時(shí)紅外輻射還具有其固有的特性:2個(gè)物體吸收的能量不同,則它們發(fā)射的能量也不同;易發(fā)射的物體必易吸收,反之亦然;當(dāng)紅外輻射到達(dá)物體表面時(shí),一般會(huì)發(fā)生3種現(xiàn)象:即一部分光線被物體吸收,一部分被反射,一部分被透射散發(fā)出去[8]。一般影響紅外輻射的主要因素有大氣的衰減作用、背景輻射的影響、物體的發(fā)射率等。而在實(shí)際應(yīng)用中,最主要是考慮如何消除背景輻射的影響,保證傳感器能夠正常工作。背景輻射中最主要的影響因素是太陽(yáng)的紅外輻射,其波長(zhǎng)范圍是覆蓋汽車紅外光強(qiáng)式雨量傳感器的工作范圍,并且在白天天氣正常的情況下,太陽(yáng)以每平方米1000W的能量密度照射擋風(fēng)玻璃。而汽車紅外光強(qiáng)式雨量傳感器發(fā)射出的紅外能量密度僅為毫瓦級(jí)別。除此之外,實(shí)際汽車應(yīng)用環(huán)境中還存在其他設(shè)備發(fā)出的紅外信號(hào)。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),一般有3種方法可以用于消除背景輻射噪聲:①采用固定波長(zhǎng);②采用固定光線的方向;③采用調(diào)制解調(diào)。
2.3.1 固定波長(zhǎng)方法
采用固定波長(zhǎng)的方法,就是在選型紅外發(fā)射管和紅外接收管時(shí),選擇紅外峰值波長(zhǎng)一致的,這樣就能夠有效規(guī)避其他波長(zhǎng)的光線干擾。但太陽(yáng)光發(fā)射的能量光譜范圍很寬,無論傳感器選擇哪個(gè)波長(zhǎng),太陽(yáng)光在選定的光譜波段都有很強(qiáng)的能量。因此,在傳感器的紅外接收端增加一個(gè)濾光片,針對(duì)選定的波長(zhǎng),讓有效的探測(cè)光通過,過濾掉其他頻譜范圍的光波,這樣就能保證不讓雜波進(jìn)入到接收管。
2.3.2 固定方向方法
采用固定光線方向的方法,是利用前擋風(fēng)玻璃前后2個(gè)表面的全反射原理來過濾其他雜波。發(fā)生全反射必須同時(shí)滿足2個(gè)條件:①紅外光由光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì);②入射角必須大于介質(zhì)的臨界角。如果固定傳感器的紅外發(fā)射光線的入射角大于臨界角一點(diǎn)點(diǎn),那么絕大部分其他小于臨界角方向的光線都無法發(fā)生全反射,而從擋風(fēng)玻璃的表面入射到空氣中,這樣就可以減少雜波的干擾。
2.3.3 調(diào)制解調(diào)方法
采用調(diào)制解調(diào)的方法,是讓汽車紅外光強(qiáng)式雨量傳感器通過特有的脈沖調(diào)制頻率去驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管,這樣發(fā)射出去的紅外光中就帶有脈沖調(diào)制信號(hào),接收管進(jìn)行解調(diào)處理,就可以正確識(shí)別到有效的探測(cè)光線,濾除不同頻率的其他雜波的干擾,尤其是太陽(yáng)光。眾所周知太陽(yáng)光的光譜很廣,但工作時(shí)間是連續(xù)的,其頻率遠(yuǎn)低于調(diào)制頻率,因此采用調(diào)制解調(diào)的方法可以有效濾除太陽(yáng)光的干擾。
自動(dòng)雨刮控制系統(tǒng)主要涉及到雨刮控制功能、激活/禁止功能、靈敏度調(diào)節(jié)功能、雨量關(guān)窗功能。
2.4.1 激活/禁止功能
自動(dòng)雨刮功能可以通過一定的設(shè)置控制其激活和禁止,自動(dòng)雨刮功能激活之后,接收到雨量傳感器發(fā)送過來的雨量信號(hào)就可以智能控制雨刮間歇刮刷 (小雨,間歇時(shí)間根據(jù)小雨的大小自動(dòng)控制),雨刮連續(xù)低速刮刷 (中雨),雨刮連續(xù)高速刮刷 (大雨)。自動(dòng)雨刮功能禁止之后,根據(jù)雨量信號(hào)控制雨刮智能刮刷的功能就被禁止了 (即使在下雨)。具體定義如下。
1)自動(dòng)雨刮激活定義:當(dāng)滿足以下全部條件,自動(dòng)雨刮功能激活:①點(diǎn)火鎖位于ON擋;②前雨刮開關(guān)位于自動(dòng)擋;③自動(dòng)雨刮功能配置使能。
2)自動(dòng)雨刮禁止定義:當(dāng)滿足以下任意一個(gè)條件,自動(dòng)雨刮功能禁止:①點(diǎn)火鎖位于非ON擋;②前雨刮開關(guān)位于非自動(dòng)擋;③自動(dòng)雨刮功能配置關(guān)閉;④雨量傳感器信號(hào)無效。
2.4.2 雨刮控制功能
當(dāng)自動(dòng)雨刮激活,同時(shí)雨量傳感器信號(hào)有效的情況下,車身控制器根據(jù)接收到的雨量傳感器發(fā)送過來的雨量LIN信號(hào),智能控制雨刮的刮刷動(dòng)作。
1)當(dāng)無雨時(shí),雨刮停止運(yùn)行。
2)當(dāng)雨量小時(shí),雨刮間歇刮刷。
3)當(dāng)雨量中時(shí),雨刮連續(xù)低速刮刷。
4)當(dāng)雨量大時(shí),雨刮連續(xù)高速刮刷。
2.4.3 靈敏度調(diào)節(jié)功能
BCM通過采集雨刮開關(guān)的間歇時(shí)間擋,來決定陽(yáng)光雨量傳感器的靈敏度,同時(shí)通過LIN總線將設(shè)置的靈敏度信號(hào)RS_Sensitivity發(fā)送給雨量傳感器,雨量傳感器根據(jù)設(shè)置的靈敏度,制定雨量檢測(cè)的相關(guān)控制策略。
1)若前雨刮開關(guān)處于1擋時(shí),BCM發(fā)送LIN信號(hào)RS_Sensitivity=4(靈敏度最高)。
2)若前雨刮開關(guān)處于3擋時(shí),BCM發(fā)送LIN信號(hào)RS_Sensitivity=3。
3)若前雨刮開關(guān)處于5擋時(shí),BCM發(fā)送LIN信號(hào)RS_Sensitivity=2。
4)若前雨刮開關(guān)處于7擋時(shí),BCM發(fā)送LIN信號(hào)RS_Sensitivity=1(靈敏度最低)。
2.4.4 雨量關(guān)窗功能
雨量關(guān)窗功能是指在整車熄火鎖車之后,當(dāng)雨量傳感器檢測(cè)到前風(fēng)窗玻璃上有雨滴,則通過LIN總線告知車身控制器有下雨 (小雨或中雨或大雨),BCM則通過LIN信號(hào)控制車窗和天窗自動(dòng)關(guān)閉[9]。
本文所述自動(dòng)雨刮控制系統(tǒng)方案,相比傳統(tǒng)的機(jī)械雨刮控制系統(tǒng)具有以下的創(chuàng)新性和實(shí)用性。
1)自動(dòng)雨刮控制系統(tǒng)通過紅外光強(qiáng)式雨量傳感器,經(jīng)過特有的算法處理,準(zhǔn)確識(shí)別雨量大小,實(shí)現(xiàn)雨刮模式的自動(dòng)切換,解放了雙手,可大大降低雨天行車事故的發(fā)生率。
2)紅外光強(qiáng)式雨量傳感器模塊化,標(biāo)準(zhǔn)化,大大降低成本。
此系統(tǒng)的驗(yàn)證主要包括功能測(cè)試、臺(tái)架性能測(cè)試、整車可靠性路試。
1)功能測(cè)試:重點(diǎn)是測(cè)試驗(yàn)證自動(dòng)雨刮控制系統(tǒng)中車身控制器、雨量傳感器等的功能邏輯處理是否符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。
2)臺(tái)架性能測(cè)試:主要分為電器性能驗(yàn)證、電磁兼容性能驗(yàn)證、環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證及機(jī)械性能驗(yàn)證。具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目見表3,總計(jì)48項(xiàng),全部通過測(cè)試驗(yàn)證。
3)整車可靠性路試:包括整車各種路段工況的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)測(cè)試。
此自動(dòng)雨刮控制系統(tǒng)已成功通過功能測(cè)試、臺(tái)架性能測(cè)試、整車可靠性路試,已在東風(fēng)乘用車各車型上批量供貨,工作穩(wěn)定可靠。
本文通過對(duì)自動(dòng)雨刮控制系統(tǒng)的調(diào)查研究,提出了一種基于紅外光強(qiáng)式雨量傳感器的設(shè)計(jì)方案,對(duì)系統(tǒng)核心部件雨量傳感器的設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)難點(diǎn)以及系統(tǒng)功能策略進(jìn)行了詳細(xì)闡述。通過此自動(dòng)雨刮控制系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用,提高了汽車智能化、網(wǎng)絡(luò)化的程度,掌握了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),在汽車電子領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。