關(guān)忠旭，楊慧凱，韓新立*，王鵬鵬，吳志綱

基于紅外反射式雨量傳感器的雨刮策略

關(guān)忠旭1，楊慧凱1，韓新立*1，王鵬鵬1，吳志綱2

（1.中國第一汽車股份有限公司 智能網(wǎng)聯(lián)開發(fā)院，吉林 長春 130011； 2.上海保隆汽車科技股份有限公司 汽車傳感器單元，上海 201600）

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，人們對車輛的智能化要求越來越高，雨量傳感器已經(jīng)成為汽車必不可少的一部分，同時在雨天行車過程中，雨量傳感器能自動控制雨刷系統(tǒng)，可以讓駕駛員注意力更加集中，不用分心去控制雨刷系統(tǒng)，提高行車的安全性。因此，文章主要研究汽車在行駛過程中雨量傳感器感應(yīng)雨量的策略，從產(chǎn)品的工作原理、軟件算法邏輯、應(yīng)用工況等方面進(jìn)行研究，通過該雨刮策略實現(xiàn)智能化的自動雨刷控制，為駕駛員帶來便利，提高車輛的使用舒適性?；诖塑浖呗?，最終通過測試工程師及駕駛員的駕乘感受，能較好地區(qū)分出不同的雨量工況，有效地提升了自動刮刷的效果，也提高了雨刮控制的穩(wěn)定性，解決了隧道模式停刮慢等問題。

紅外反射式雨量傳感器；雨刮策略；舒適性

隨著汽車電動化和智能化的發(fā)展趨勢，以及汽車產(chǎn)品的消費(fèi)升級，消費(fèi)者對于汽車的舒適性體驗越來越重視，因此，車用光雨量傳感器系統(tǒng)滲透率越來越高[1]。雨刮器是保證下雨等不良天氣下行車安全的重要部件，自動雨刮器能夠針對周圍環(huán)境的變化自動運(yùn)行，進(jìn)一步提高駕駛的安全性和便利性[2-3]。雨量傳感器是自動雨刮器的核心部件，被用于感測擋風(fēng)玻璃上的雨滴，識別當(dāng)前小雨、中雨、大雨等不同的工況信息，從而自動控制雨刷的刮刷方式和速度。

但是在實際使用過程中也面臨一些弊端，雨量傳感器不能精準(zhǔn)地識別雨量情況[4-5]包括：1）大雨和小雨是交替出現(xiàn)的，雨量傳感器探測識別時可能會有混淆；2）不能將車速、靈敏度、實際雨量進(jìn)行區(qū)分，無法做到與車輛運(yùn)行狀態(tài)的及時匹配；3）由有雨工況進(jìn)入無雨工況時，雨刮無法快速停止[6-7]；4）由于感雨面積的限制，出現(xiàn)未及時刮刷等現(xiàn)象[8]。因此，本文對雨量傳感器的自動雨刷策略進(jìn)行研究，從原理和應(yīng)用上說明對車輛感應(yīng)雨量功能的提升。

1 雨量傳感器工作原理

目前市場上的車用雨量傳感器感應(yīng)原理比較多，主要有電容式、熱電偶式、紅外散射式和基于圖像處理的方法[9-12]。本文只針對紅外反射式雨量傳感器進(jìn)行說明。

無雨時，發(fā)射端以特定角度[13]發(fā)射出的紅外光線會在擋風(fēng)玻璃外壁上發(fā)生全反射；雨天時，紅外光線會因為雨滴的存在而發(fā)生折射并被雨水吸收[14-15]，如圖1所示。因此，根據(jù)紅外接收管感應(yīng)反射信號的強(qiáng)弱可以判斷擋風(fēng)玻璃敏感區(qū)域雨水的大小。

將紅外接收管接收的紅外信號通過一定的方法轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎糜跍y量的電流或電壓等信號，根據(jù)檢測電流或電壓的強(qiáng)度變化來進(jìn)行控制雨刷的運(yùn)作，從而使得雨刷可根據(jù)雨量大小自動調(diào)節(jié)。

紅外反射式雨量傳感器一般安裝在汽車擋風(fēng)玻璃內(nèi)側(cè)，不易受工作環(huán)境影響，雨量引起的光強(qiáng)變化比較明顯，且不易受電磁干擾。

圖2為雨量傳感器工作的硬件原理圖，主要由幾大模塊電路組成：局部互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（Local Inter- connect Network, LIN）+低壓差線性穩(wěn)定器（Low Dropout Regulator, LDO）電源模塊、微控制單元計算處理模塊、雨量專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit, ASIC）處理模塊、發(fā)光二極管雨量發(fā)射模塊和PD雨量接收模塊。雨量傳感器通過LIN協(xié)議車輛進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，電源模塊會將外界12 V電源進(jìn)行處理，并轉(zhuǎn)換為3.3 V電源供給MCU和雨量專用ASIC芯片，其通過串行通信協(xié)議（Serial Peripheral Interface, SPI）進(jìn)行通信。雨量專用ASIC芯片通過脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）方波信號給兩路LED雨量發(fā)射模塊進(jìn)行供電和控制，并給PD雨量接收模塊進(jìn)行3.3 V供電。

圖2 雨量傳感器硬件框圖

當(dāng)外界光線發(fā)生變化時，PD將感受到的外界光線變化轉(zhuǎn)化為光電流信號傳遞給雨量ASIC，隨后對微小的光電流信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換、放大、濾波等處理，將量化后的ADC信號傳遞給MCU，并通過數(shù)據(jù)接收和發(fā)送引腳引腳將計算處理后的信號傳遞給LIN芯片，最后與整車進(jìn)行LIN通信。

2 雨量傳感器刮刷策略

根據(jù)上述工作原理，外界雨量的變化會引起采樣值值的變化，即不同雨量大小會對應(yīng)不同的值，采樣周期為（50 ms），兩次采樣周期內(nèi)的變化值用△進(jìn)行定義。

車輛雨刷未刮時定義為停止?fàn)顟B(tài)，雨刷刮起一次后停止定義為點刮，其對應(yīng)毛毛雨工況；雨刮多次按照間歇時間刮刷定義為周期刮刷，周期間歇對應(yīng)小雨工況；雨刮多次的無間歇刮刷定義為連續(xù)刮刷，分為低速刮刷對應(yīng)中雨工況、高速高刷對應(yīng)大雨工況、超高速刮刷對應(yīng)暴雨工況，刮速切換流程如圖3所示。

圖3 刮速切換流程圖

將雨刮的靈敏度分為4擋（L1、L2、L3、L4），定義L4為最高靈敏度擋，L1為最低靈敏度擋，可根據(jù)個人感官進(jìn)行主動調(diào)整，以此來滿足不同駕駛員的使用需求。

雨刮電機(jī)可以分為機(jī)械雨刮和電子雨刮，本文主要針對電子雨刮策略進(jìn)行描述。通常電子雨刮的刮速從0到7，其中0為停止，7為最高。

2.1 停止－點刮

△連續(xù)3次采樣不小于點刮閾值,則開始點刮，點刮1次后停止，刮刷速度通常為1。

點刮模式無軟件保持策略，刮刷請求一次后立即停止。

2.2 點刮－周期刮刷

秒內(nèi)累計2次點刮后開啟一個秒的有雨時間，因為秒內(nèi)能夠連續(xù)檢測到降雨，則認(rèn)為外界的降雨比較連續(xù)，有一個相對穩(wěn)定的持續(xù)降雨時間。進(jìn)入有雨時間后，雨刮按照秒的刮刷間隔保持次的刮刷，此為1個刮刷循環(huán)。在秒的有雨時間內(nèi)，檢測到保持周期間歇△，則開啟1個刮刷循環(huán)，否則退出到停止模式。周期刮刷的刮刷速度通常設(shè)置為1，此策略能夠有效解決雨量傳感器由于檢測面積限制導(dǎo)致的漏刮，進(jìn)而引起駕駛員駕駛視野模糊的情況。

為了滿足不同人員的需求，可以根據(jù)不同靈敏度和車速，設(shè)置不同的閾值。車速越高，駕駛員對視野的需求也越高，因此，需要更頻繁的刮刷頻次或更高的刮速。通常設(shè)置原則為靈敏度或者車速越低，設(shè)置得越短、設(shè)置越長、設(shè)置越少、△值設(shè)置越大。

2.3 停止－周期刮刷

當(dāng)處于秒的有雨時間內(nèi)時，當(dāng)檢測到有雨時，直接由停止模式切換到周期刮刷模式。因為此時仍在有雨時間內(nèi)，外界的降雨比較連續(xù)，所以為了防止出現(xiàn)漏刮現(xiàn)象，需要跳過點刮直接到周期間歇模式。

2.4 周期刮刷－低速刮刷

在10 s內(nèi)累計檢測到次進(jìn)入低速刮刷△閾值，進(jìn)入到低速刮刷模式。10 s內(nèi)檢測到次保持低速刮刷△，繼續(xù)保持低速刮刷模式，否則退出低速刮刷模式。同樣可以按照靈敏度設(shè)置不同的閾值，以此來滿足不同人員的需求，靈敏度或者車速越低，設(shè)置越短，且△設(shè)置越大。

在周期刮刷切換到低速刮刷過程中，可以將雨刮速度擋位2作為過渡刮速，雨刮速度擋位3作為目標(biāo)刮速，以此來提升刮刷切換的平順性?？紤]到進(jìn)入低速刮刷后的刮刷保持穩(wěn)定性，防止頻繁的切換刮速，設(shè)置的△比△要小。

2.5 低速刮刷－高速刮刷

在10 s內(nèi)累計檢測到次進(jìn)入高速刮刷△閾值，從而進(jìn)入到高速刮刷模式。10 s內(nèi)檢測到次保持高速刮刷△，繼續(xù)保持高速刮刷模式，否則退出高速刮刷模式。同樣可以按照靈敏度設(shè)置不同的閾值，以此來滿足不同人員的需求，靈敏度或者車速越低，設(shè)置越多，△設(shè)置越大。

在低速刮刷切換到高速刮刷過程中，可以將4作為過渡刮速，5作為目標(biāo)刮速，以此來提升刮刷切換的平順性。

考慮到進(jìn)入高速刮刷后的刮刷保持穩(wěn)定性，防止頻繁的切換刮速，設(shè)置的△比△要小。

2.6 高速刮刷－超高速刮刷

在10 s內(nèi)累計檢測到次進(jìn)入超高速刮刷△，進(jìn)入到超高速刮刷模式。10 s內(nèi)檢測到次保持超高速刮刷△，繼續(xù)保持超高速刮刷模式，否則退出超高速刮刷模式。同樣可以按照靈敏度設(shè)置不同的閾值，以此來滿足不同人員的需求，靈敏度或者車速越低，設(shè)置越多，△設(shè)置越大。

在高速刮刷切換到超高速刮刷過程中，可以將6作為過渡刮速，7作為目標(biāo)刮速，以此來提升刮刷切換的平順性。

考慮到進(jìn)入超高速刮刷后的刮刷保持穩(wěn)定性，防止頻繁的切換刮速，設(shè)置的△比△要小。

2.7 點刮－高速刮刷

當(dāng)有大量的水打到玻璃上時，需要雨刮能夠快速地刮掉雨水，恢復(fù)駕駛員視野。因此，當(dāng)雨量傳感器的所有檢測通道的值同時低于一定值，并持續(xù)秒時，則認(rèn)為水量很大，雨刮模式直接從點刮進(jìn)入高速刮刷。

為了保證及時性，時間不宜設(shè)置過長，一般為1 s以內(nèi)。

2.8 有雨區(qū)域－無雨區(qū)域

當(dāng)在中雨、大雨以及暴雨下突然進(jìn)入到無雨環(huán)境，例如從有雨區(qū)域進(jìn)入無雨區(qū)域時，需要雨刮刮刷模式能夠快速地降到停止模式。因此，在高速模式和超高速模式下，當(dāng)所有雨量傳感器檢測通道連續(xù)2.5 s檢測到的△均小于150時，則立即切換至周期模式。在低速模式下，所有雨量檢測通道連續(xù)5 s檢測到△小于150，則切換至周期模式。

3 主觀感知評價

3.1 評分細(xì)則

為了驗證雨刮控制策略的合理性，使用評分細(xì)則（見表1）在不同使用場景、車速和靈敏度下，主觀評價對自動雨刮功能的滿意程度。

3.2 主觀感知評價結(jié)果

依據(jù)上述的評價細(xì)則，本次邀請5位測試者進(jìn)行主觀評價，主觀感知評價如表2所示。

從駕乘人員的感受來看，點刮體驗效果平均分較低，為4.4分，有雨區(qū)域進(jìn)入無雨區(qū)域體驗效果平均分最高，為4.8分，整體體驗都在4.0分以上，說明駕乘人員對當(dāng)前的軟件邏輯和刮刷模式比較滿意，體驗效果良好。

表1 評分細(xì)則

分值雨刮刮刷感受評價影響 1有雨時不能及時刮刷，無雨時亂刮刷，用戶體驗極差所有用戶都會抱怨或投訴 2有雨時不能及時刮刷且出現(xiàn)概率較高，無雨時不能及時退出刮刷且出現(xiàn)概率較高，刮刷過程中不夠穩(wěn)定多數(shù)用戶容易引起抱怨 3有雨環(huán)境偶爾不能及時刮刷，無雨時不亂刮，刮刷過程穩(wěn)定性一般有改善需求，追求完美的用戶也許會抱怨 4雨刮進(jìn)入和退出比較及時，刮刷過程中比較穩(wěn)定追求完美的用戶極少抱怨 5刮刷進(jìn)入和退出非常及時，過程中非常穩(wěn)定、沒有缺陷非常好

表2 主觀感知評價表

序號雨刮模式人員平均分 12345 1點刮454544.4 2周期刮刷554544.6 3低速刮刷445454.4 4高速刮刷555454.8 5超高速555454.8 6有雨－無雨555544.8

4 總結(jié)

本文通過紅外反射式雨量傳感器檢測雨量的大小，利用一段周期內(nèi)的雨量導(dǎo)致的△變化量作為軟件的核心控制邏輯，提高刮刷模式控制的穩(wěn)定性。將車速與靈敏度引入雨刮控制策略，使得刮刷效果與車輛運(yùn)行狀態(tài)的相匹配。周期刮刷模式可有效地解決漏刮現(xiàn)象和有雨工況進(jìn)入無雨工況停刮慢的問題，但從實際結(jié)果來看，還是存在一些缺點，由于同樣雨量下雨滴大小不同，因此，同樣雨量下單次△采樣量并不穩(wěn)定，導(dǎo)致刮速的輸出有一定概率與真實感受不一致，還需要進(jìn)行采樣以及雨量計算方式的優(yōu)化，進(jìn)一步提高汽車感知系統(tǒng)的智能化程度。

[1] 趙巖,王哈力,蔣貴龍,等.汽車智能雨刷系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子科技,2007(2):70-72.

[2] 孫曉冰,王德生,劉海波,等.紅外全反射式雨量傳感器設(shè)計研究[J].儀表技術(shù)與傳感器,2010(9):96-98.

[3] 張禹,龍永紅.基于車載攝像機(jī)的雨量傳感器算法研究[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2017,31(6):37-42.

[4] 王金迪.探究智能傳感器在汽車電子技術(shù)中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2021(8):213-214.

[5] 朱自勤.傳感器與檢測技術(shù)[M].北京:北京機(jī)械工業(yè)出版社,2015.

[6] 沙站友.集成化智能傳感器原理與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2014.

[7] 張靖,劉少強(qiáng).檢測技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:中國電力出版社,2009.

[8] 劉迎春,葉湘濱.傳感器原理設(shè)計與應(yīng)用[M].長沙:國防科技大學(xué)出版社,2013.

[9] 孫寶元,楊寶清.傳感器及應(yīng)用手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[10] 劉君華.現(xiàn)代測試技術(shù)與系統(tǒng)應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[11] 王文雪,張志勇.傳感器原理及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2019.

[12] 薛拓.光學(xué)雨量傳感器的校準(zhǔn)及標(biāo)定方法研究[D].昆明:昆明理工大學(xué),2018.

[13] 趙松嶺,雷永富,王紅余.基于雨量傳感器實現(xiàn)的汽車智能化應(yīng)用[J].汽車電器,2020(7):5-7.

[14] 蒙小胖,李雁兵,梁泓泉.基于單片機(jī)的雨量檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].機(jī)械與電子,2021,39(10):45-49.

[15] 王寧.基于LIN總線的車用雨量傳感器與雨刷器控制系統(tǒng)的研究[D].杭州:中國計量大學(xué),2020.

The Wiper Strategy Based on Infrared Reflection Rain Sensor

GUAN Zhongxu1, YANG Huikai1, HAN Xinli*1, WANG Pengpeng1, WU Zhigang2

( 1.Intelligent Connected Vehicle Development Institute, China FAW Company Limited, Changchun 130011, China; 2.Automotive Electronic Unit, Shanghai Baolong Automotive Technology Company Limited, Shanghai 201600, China )

With the development of the automobile industry,people are becoming more and more intelligent requirements for vehicles, rain sensor has become an essential part of the automobile,at the same time in the rainy driving process, rain sensor can automatically control the wiper system and make the driver's attention more concentrated,without distraction to control the wiper system which improve the safety of driving.Therefore, this paper is mainly to study the strategy of the rainfall sensor in the process of automobiledriving, from the working principle of the product, software algorithm logic, application conditions and other aspects of research and explanation, through the wiper strategyto achieve intelligent automatic wiper control, bring convenience to the driver, improve the use of vehicle comfort.Based on this software strategy, finallythrough the driving experience of test engineers and drivers, different rainfall conditions can be distinguished in a better area, which effectively improves the effect of automatic scraping, improves the stability of wiper control, and solves the problem of slow stop and scraping in tunnel mode.

Infrared reflection rain sensor;Wiper strategy;Comfort

U463.99

A

1671-7988(2023)20-30-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.007

關(guān)忠旭（1988－），男，工程師，研究方向為智能網(wǎng)聯(lián)汽車，E-mail:guanzhongxu@faw.com.cn。

韓新立（1986－），男，碩士，工程師，研究方向為智能網(wǎng)聯(lián)汽車，E-mail:hanxinli@faw.com.cn。