王玲昱 刁川洲 王 宇 楊文勝 楊彥炯

（泰州學(xué)院數(shù)理學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

0 引言

目前，因倒車(chē)影像模糊而引發(fā)的交通事故時(shí)有發(fā)生。因此，在汽車(chē)上增加攝像頭清洗功能具有重要意義，它可以幫助駕駛員快速、有效地清理攝像頭，保證視野清晰，有效降低發(fā)生交通事故的概率。該文設(shè)計(jì)了一種倒車(chē)攝像頭智能清洗裝置，它借鑒高壓水射流技術(shù)的工作原理[1]并采用軟沖刷技術(shù)，清洗后不留任何水珠，能夠高效地完成清潔和保護(hù)攝像頭的工作，最大程度地延長(zhǎng)了攝像頭的使用壽命，彌補(bǔ)了雨刮式產(chǎn)品容易磨損攝像頭的缺點(diǎn)。此外，已有的雨刮器式發(fā)明對(duì)安裝角度要求極高，而該裝置安裝便捷，對(duì)各種類(lèi)型、尺寸的攝像頭匹配度高，裝置拆卸方便，可以根據(jù)不同車(chē)型調(diào)整多個(gè)零部件的位置。

1 裝置研發(fā)必要性分析

倒車(chē)攝像頭是一種安裝在車(chē)輛尾部的攝像頭，與車(chē)內(nèi)安裝的顯示屏共同組成一套完整的倒車(chē)影像系統(tǒng)，倒車(chē)時(shí)可以看到車(chē)后的實(shí)時(shí)影像，以降低發(fā)生倒車(chē)事故的概率。倒車(chē)影像系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于家用轎車(chē)等小型車(chē)輛，并有向貨車(chē)、大巴車(chē)、收割機(jī)以及工程機(jī)械車(chē)輛等大、中型車(chē)輛發(fā)展的明顯趨勢(shì)。倒車(chē)影像的普遍應(yīng)用說(shuō)明攝像頭清洗裝置的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

由于倒車(chē)攝像頭長(zhǎng)期暴露在車(chē)外，難免會(huì)有灰塵、雨水等污染物附著在其表面。長(zhǎng)期使用倒車(chē)影像系統(tǒng)的司機(jī)可能會(huì)因“視野盲區(qū)”而無(wú)法繼續(xù)正常地駕駛操作，這會(huì)對(duì)駕乘人員生命安全造成潛在威脅。因此，該文設(shè)計(jì)了一款汽車(chē)攝像頭智能?chē)娤囱b置，該智能?chē)娤囱b置運(yùn)用高壓水槍的原理使高壓柱塞泵產(chǎn)生高壓水，以沖洗物體表面，主要解決以下4個(gè)問(wèn)題：1） 倒車(chē)攝像頭表面附著灰塵、雨水等污染物，會(huì)影響司機(jī)的視野，存在安全隱患。2） 駕駛?cè)藛T下車(chē)擦拭攝像頭不僅浪費(fèi)時(shí)間，而且效率不高，也存在安全隱患。3） 現(xiàn)有技術(shù)中的棉條擦拭會(huì)對(duì)攝像頭造成不可逆的磨損。4） 傳統(tǒng)的擦拭對(duì)棉棒安裝角度的要求非常高，安裝點(diǎn)距離倒車(chē)攝像頭過(guò)近會(huì)導(dǎo)致鏡頭與棉棒的雙向損耗，維修成本過(guò)高[2]。與已有的雨刮器式發(fā)明相比，該裝置不僅適用范圍較廣，而且具有很高的清洗效率。

2 裝置概述

該文設(shè)計(jì)的智能清洗裝置是一種汽車(chē)倒車(chē)攝像頭雨水/灰塵/遮擋物自動(dòng)清洗裝置，該裝置運(yùn)用高壓水槍的原理使高壓柱塞泵產(chǎn)生高壓水流，以沖洗物體表面，當(dāng)水的沖擊力大于污垢與物體表面的附著力時(shí)，高壓水流就會(huì)將污垢剝離并沖走[3]。組合使用STM32 單片機(jī)、粉塵傳感器、繼電器模塊以及水泵，當(dāng)?shù)管?chē)攝像頭上的粉塵等遮擋物達(dá)到一定濃度時(shí)，水箱自動(dòng)噴出水流清洗遮擋物。同時(shí)，組合使用STM32 單片機(jī)、超聲波水位傳感器、繼電器模塊、蜂鳴器以及LED 燈，當(dāng)超聲波水位傳感器監(jiān)測(cè)到水箱中的水位較低時(shí)，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲，LED 燈閃爍，提醒司機(jī)需要向水箱中加水。

與已有的棉條擦洗式發(fā)明的0.88 cm2的扇形工作區(qū)域相比，該文設(shè)計(jì)的噴洗裝置可以清洗3.00 cm2的區(qū)域，足夠覆蓋攝像頭的所有取景范圍，不留死角，可以輕松完成清洗工作[4]。當(dāng)氣溫較低時(shí)，為了避免因結(jié)冰而導(dǎo)致該裝置無(wú)法使用，可以將清洗液換成玻璃水[5]，保證該裝置正常發(fā)揮作用。

該裝置的結(jié)構(gòu)示意圖一如圖1 所示，結(jié)構(gòu)示意圖二如圖2 所示，圖1 的A 處結(jié)構(gòu)放大圖如圖3 所示，該裝置的各部件安裝位置示意圖如圖4 所示。為了達(dá)到高效清洗的目的，該裝置采用了以下技術(shù)方案：該裝置所在車(chē)體的后備箱底端固定連接水箱，水箱的內(nèi)部底端固定連接超聲波傳感器，水箱的一側(cè)固定連接水泵，水泵的進(jìn)水口固定連接連接管，連接管的另一端固定連接在水箱的出水口，出水口均固定連接軟管，軟管的另一端固定連接噴水管，車(chē)體的車(chē)尾固定連接攝像頭本體，車(chē)體的發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)有蓄電池，車(chē)體的內(nèi)部有儀表盤(pán)，儀表盤(pán)的前端一側(cè)有蜂鳴器，儀表盤(pán)的前端中部有開(kāi)關(guān)，儀表盤(pán)的另一側(cè)有顯示屏。

圖1 汽車(chē)倒車(chē)攝像頭噴洗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖一

圖2 汽車(chē)倒車(chē)攝像頭噴洗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖二

圖3 圖1 的A 處結(jié)構(gòu)放大圖

圖4 汽車(chē)倒車(chē)攝像頭噴洗裝置的各部件安裝位置示意圖

圖 5 自動(dòng)清洗系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

該設(shè)計(jì)采用軟沖刷技術(shù)，最大程度地延長(zhǎng)了攝像頭的使用壽命，操作簡(jiǎn)單且清洗效率高。

3 硬件電路

該文設(shè)計(jì)的智能清洗裝置主要包括自動(dòng)清洗系統(tǒng)、供水系統(tǒng)以及水位報(bào)警系統(tǒng)。

3.1 自動(dòng)清洗系統(tǒng)

3.1.1 自動(dòng)清洗系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

自動(dòng)清洗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5 所示，該系統(tǒng)的作用是通過(guò)電路啟動(dòng)供水系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)清洗功能的開(kāi)關(guān)。該系統(tǒng)將所需的程序燒錄至STM32 單片機(jī)中，并通過(guò)程序設(shè)置粉塵濃度閾值，當(dāng)粉塵傳感器檢測(cè)到灰塵時(shí)，ADC 轉(zhuǎn)換器將灰塵量轉(zhuǎn)換為具體數(shù)值，當(dāng)該數(shù)值超過(guò)程序中預(yù)先設(shè)置的閾值時(shí)，繼電器常開(kāi)閉合，水泵開(kāi)始工作，從而達(dá)到自動(dòng)清洗的效果。

3.1.2 粉塵濃度測(cè)量模塊

夏普光學(xué)灰塵傳感器（GP2Y1014AU0F）可以非常有效地檢測(cè)細(xì)微顆粒，同時(shí)該傳感器具有極低的電流消耗（最大20 mA，最小11 mA），可以搭載高達(dá)7 V DC 的傳感器。輸出的是模擬電壓（與測(cè)得的粉塵濃度成正比），敏感性為0.5 V/0.1 mg/m3。

3.1.3 ADC 轉(zhuǎn)換模塊

ADC 轉(zhuǎn)換模塊又稱(chēng)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可以將引腳上連續(xù)變化的模擬電壓轉(zhuǎn)換為內(nèi)存中存儲(chǔ)的數(shù)字變量，建立模擬電路到數(shù)字電路的橋梁。

3.1.4 主控制模塊

采用具有72 MHz 的工作頻率，3 個(gè)16 位定時(shí)器和1 個(gè)PWM 定時(shí)器的STM32F103RCT6 主控芯片，用USB 線接入后可以一鍵燒錄程序。

3.1.5 繼電器模塊

選用2 路繼電器低電平觸發(fā)，供電電壓為5 V，該繼電器光耦隔離，抗干擾性好。低電平吸合，高電平釋放，吸合時(shí)狀態(tài)指示燈亮，釋放時(shí)狀態(tài)指示燈滅。負(fù)載可接250 V/10 A交流。

3.2 供水系統(tǒng)

在該設(shè)計(jì)中，供水系統(tǒng)的作用是利用水泵將水箱中的清洗液傳輸至噴水管。

3.2.1 水泵

水泵的主要作用是將水箱中的清洗液輸送至噴水管，水泵的一般組成形式為驅(qū)動(dòng)部分+泵體，泵體上有2 個(gè)接口（1 個(gè)進(jìn)口和1 個(gè)出口）。

3.2.2 變徑管

變徑管是該裝置的關(guān)鍵部分，基于變壓原理和高壓水射流技術(shù)的工作原理，先向軟管內(nèi)注入液體，由于噴水管的內(nèi)徑小于軟管的內(nèi)徑，因此液體會(huì)在軟管內(nèi)加壓后從噴水管?chē)姵?，?dāng)軟管內(nèi)徑為5 mm、噴水管內(nèi)徑為2 mm 時(shí)，水壓達(dá)到0.2 MPa，既可以沖洗掉灰塵，又不會(huì)傷害攝像頭本體。

3.2.3 噴水管

噴水管的作用是實(shí)現(xiàn)多角度靈活噴洗攝像頭的功能。儀表盤(pán)的前端中部有開(kāi)關(guān)，按壓開(kāi)關(guān)后2 s 內(nèi)清洗液從噴水管口部噴出，儀表盤(pán)的另一側(cè)有顯示屏，可以顯示攝像頭本體所捕捉的畫(huà)面。

3.3 水位報(bào)警系統(tǒng)

3.3.1 水位報(bào)警器

水位報(bào)警系統(tǒng)如圖6 所示[3]，該系統(tǒng)固定在車(chē)體的后備箱底端并連接水箱，通過(guò)水位監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水箱內(nèi)的水位，在單片機(jī)最小系統(tǒng)中設(shè)置最小閾值，當(dāng)水位低于閾值時(shí)，繼電器模塊促使蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲[6]，同時(shí)閃光燈開(kāi)始閃爍報(bào)警。

圖6 水位報(bào)警系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

3.3.2 水位報(bào)警系統(tǒng)工作原理

蜂鳴器模塊Proteus 仿真圖如圖7 所示，圖7 給出了水位報(bào)警系統(tǒng)的工作原理。首先，利用超聲波傳感器檢測(cè)水箱中的水量。其次，通過(guò)ADC 轉(zhuǎn)換器將檢測(cè)到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為具體的數(shù)值，當(dāng)其低于預(yù)先設(shè)定的水量閾值時(shí)，單片機(jī)控制繼電器模塊常開(kāi)閉合，蜂鳴器和閃光燈開(kāi)始工作。

圖7 蜂鳴器模塊Proteus 仿真圖

3.3.3 水位檢測(cè)模塊

URM37 超聲波傳感器可以測(cè)量參考物體與動(dòng)態(tài)或靜態(tài)目標(biāo)之間的距離[7]。該傳感器內(nèi)置溫度傳感器輔助校正距離值，確保在溫度變化的應(yīng)用場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)距的功能。

4 系統(tǒng)軟件

4.1 主程序

水位報(bào)警系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)流程如圖8 所示，由于GPIO外設(shè)口只能讀取高低電平，因此利用ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換器將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為具體的數(shù)值，將其與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較。當(dāng)其超過(guò)或低于閾值時(shí)，看門(mén)狗申請(qǐng)中斷，蜂鳴器報(bào)警，LED 燈閃爍。

圖8 主程序設(shè)計(jì)流程圖

4.2 ADC 轉(zhuǎn)換程序

4.2.1 配置ADC

ADC 初始化程序流程如圖9 所示。首先，開(kāi)啟ADC 和GPIO 的外部時(shí)鐘。其次，配置ADCCLK 分頻器。再次，對(duì)GPIO 的輸入/輸出模式、引腳以及速率進(jìn)行初始化。從次，指定 ADC 的規(guī)則組通道，設(shè)置它們的轉(zhuǎn)化順序和采樣時(shí)間，對(duì)ADC 的模式（掃描模式或者單次模式）、數(shù)據(jù)對(duì)齊方式等參數(shù)進(jìn)行配置。最后，使能并校準(zhǔn)ADC。

圖9 ADC 初始化程序流程圖

4.2.2 ADC 獲取轉(zhuǎn)換值

ADC 獲取轉(zhuǎn)換值程序設(shè)計(jì)流程如圖10 所示，利用ADC_SoftwareStartConvCmd 庫(kù)函數(shù)使能ADC 的軟件轉(zhuǎn)換啟動(dòng)功能，轉(zhuǎn)換完成后再返回ADC 的轉(zhuǎn)換值。

5 應(yīng)用前景

該裝置的噴洗范圍可達(dá)到3 cm2的區(qū)域，足夠覆蓋攝像頭的所有取景范圍，不留死角，可以輕松完成清洗工作。與棉簽這類(lèi)容易損壞、需要勤換且清潔力度較低的產(chǎn)品相比，該裝置易操作、效果好且壽命長(zhǎng)，可以提高清洗效率。該文設(shè)計(jì)的裝置不僅可以清洗倒車(chē)攝像頭上的灰塵，而且還可以清洗攝像頭上覆蓋的雨水。目前，該裝置已經(jīng)在家庭轎車(chē)上進(jìn)行體驗(yàn)應(yīng)用。

6 結(jié)語(yǔ)

自2002 年后，中國(guó)汽車(chē)行業(yè)開(kāi)始進(jìn)入爆發(fā)式增長(zhǎng)階段，人們對(duì)汽車(chē)安全行駛的需求也越來(lái)越高，倒車(chē)攝像頭的清洗功能適應(yīng)了這一發(fā)展趨勢(shì)，必將成為汽車(chē)安全配置的一項(xiàng)重要功能。該文設(shè)計(jì)的智能?chē)娤囱b置能幫助駕駛員快速、有效地清理攝像頭，保證視野清晰，有效降低交通事故發(fā)生的概率。與市場(chǎng)已有的產(chǎn)品相比，該文設(shè)計(jì)的裝置易操作、效果好且壽命長(zhǎng)，為汽車(chē)的安全駕駛提供了保障，具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。