用工业设计方法设计全景系统控制单元结构

欧阳星

摘  要：工业设计手段一般用于产品外形设计，但在产品不太复杂时，也可同时将初步结构设计加入，这样就可节省部分时间，加快设计速度。全景系统的控制单元结构是比较简单的，可以通过这个方法，在设计出符合客户要求的外形的同时，做好初步的结构，提高开发效率。

关键词：全景系统;工业设计;控制单元;外形设计;结构设计

中图分类号：TB47         文献标志码：A           文章编号：2095-2945（2019）09-0095-03

Abstract： Industrial design means are generally used in product shape design， but when the product is not too complex， the preliminary structural design can also be added at the same time， which can save part of the time and speed up the design speed. The control unit structure of panoramic system is relatively simple. through this method， we can design a shape that meets the requirements of customers， at the same time， do a good job of the preliminary structure， improve the development efficiency.

Keywords： panoramic system; industrial design; control unit; shape design; structure design

1 概述

全景辅助泊车系统（简称全景系统），是近年来出现并发展迅速的一种车载电子设备，它是通过安装在车辆前后左右的四个大广角摄像头摄取车辆四周的图像，对图像进行处理，还原为与实地相似的平面或立体图像，并将四个图像按实际位置拼接成为车辆周边的完整的环境图像。图像随着车辆的行进，实时反映着车辆周边的实际情况，对驾驶人员判断周边的安全环境，及早发现和规避危险情况，对倒车、窄路等的驾驶操作有很大的帮助。

全景系统由控制单元（又称主机）、前后左右四个摄像头和固定结构、联接线束所组成，搭载在车载视像系统上。其中控制单元是系统的中心，负责系统的图像处理、变形矫正、全景图合成、信号输出。全景系统可以分为前装、精品和后装几种：前装产品的设计和生产由车厂统一安排，在车辆生产线上完成安装;精品也是由车厂统一安排配套的，但是在车辆下线后加装;后装是车辆出厂到了分销店后，再由全景厂家安装在车上的产品。

工业设计是按照现代美学、人体工程学对商业产品进行先期外形设计的艺术方法，务求让产品更符合大众审美观念，使用更加舒适、方便、安全，越是复杂的产品，就越需要先期进行产品的工业设计。一般的工业设计首先在于外形设计，并不涉及内部结构（当然不能违反结构原则），就可以在较短时间内完成设计并提交各方讨论，综合意见后进行反复修改、完善，最终使外形达到时尚、美观、方便操作。确定外形后，再进行内部结构设计，可免掉反复修改时涉及内部结构修改的麻烦。

工业设计手段主要用于外形设计，但也能做结构。工业设计的常用软件Rhinoceros、3ds Max等主要偏向于造型能力，数字化处理能力比不上Pro/E、UG、CATIA等专用于结构设计和机械加工的软件。但对比较简单的产品，工业设计软件同样能在完成外形的同时，兼顾到内部基本结构设计。

2 影响控制单元设计的结构和工艺要素

控制单元的结构虽然相对简单，但同样有严格的要求，车载产品处于比較严苛的环境下工作，要承受很严格的标准测试，需要合理的结构和用料。

2.1 用料

单元机壳用料有三种：铝、钢板和塑料。

从强度、耐用的角度看，三种材料都可用，可是还是有区别的：全景系统需要处理大量动态图像信息，其主控芯片（CPU）、图像处理芯片、可擦写存储芯片（FLASH）、临存芯片（DDR）等都会发热，主控发热最严重，车辆在夏天太阳下停放时，车内温度可达到70C°以上，全景系统开机后，合并了车内温度的芯片，工作温度最高可达110C°以上。在这样环境下工作无疑很危险，散热能力就显得很重要了。铝的导热性最好，钢次之，塑料是热的不良导体，所以，机壳最好用铝，塑料虽然成本较低，但性能不符合控制单元的工作要求，最好不要用。

2.2 加工工艺

不同的材料做壳体，用的工艺不一样。塑料壳体用塑料注射成形工艺，要有相应的模具，产生模具费用，但同等体积下，塑料重量较轻，成本也较低。

钢板制作壳体的工艺有两种：冲压和钣金。车内空间有限，机壳做得越小越好，用的钢板厚度在0.8～1.5mm之间，如果有确定的、量较大的订单，冲压效率较高，但需要做冲压模具，批量大时才会分摊出较低成本;不确定批量时，应用配套了专用工具的数控机床进行钣金加工，虽然二者加工原理相同，效率却不一样，大批量时钣金加工成本比冲压高。

用铝做壳体的工艺常用的也有两个：铝型材加工和压铸加工。铝型材加工是主流方法，用于精品和后装的全景产品中较多，图5就是按铝型材设计的机壳。铝型材的模具成本较低，主体用铝型材，两端封盖就只能用铝板冲压而成了。在某些发热不高的系统中，为了节省成本，常常将上下两片壳体做成形状一样的，这样就只需一个铝材挤出模就满足加工要求了，但这种结构一般无法带上散热片。压铸机壳多用于前装产品，前装才有比较固定的大批量，因为铝的压铸模具是比较贵的，价格是同体积塑料模具的2～3倍，没有较大批量订单的支持，成本就很高了。铝壳由于用料是铝，材料比较贵，所以成本是三种中最高的。

2.3 散热

主机散热方法是传导、对流，传导只用于热的良好导体。塑料就无法用传导的方法，只能用对流散热，在壳体上开孔，通过空气对流带走热量，但芯片体积不大，这样的散热效率太低。

铝和钢板机壳散热比塑料好，将壳体当散热片，芯片用导热胶贴到壳体上，可快速将芯片的发热散发掉，降低工作温度和工作风险。但两者散热效率还是区别的，钣金壳子薄，热容积不大，也无法做出散热片结构增加与空气的接触面积，加上钢的导热性比不上铝，就决定了钣金壳的散热能力还是不太能满足需要，只能用于芯片发热较低的系统。

铝壳是合适的散热材料，虽然价格相对高些，可散热能力强于前两种，无论是型材还是压铸，都能做出需要的形状和散热结构，可在对应芯片的位置加厚壳体，增加热容积，也可在同样位置上设计散热片，增加散热能力。重要的全景项目，用的都是铝壳，以保证产品的稳定性。

无论铝壳还是钣金壳都开孔，作为辅助散热措施。但车载产品有防尘防水要求，开孔后必须在孔上贴上薄纱网防尘，以免降低了系统的可靠性。

2.4 控制单元固定

前装全景产品在车辆设计时已经预留安装位置和相关结构，一般放在车辆中控台内，也有在别的位置，但由于需要拉出较长的联接线，易产生干扰，不如在中控位置合理。设计时可以在机壳上直接做出安装孔。精品、后装产品，不是原车设计时就考虑要安装的，就没必要做出安装孔了，一般是用强力胶垫或尼龙捆扎带将主机固定在中控台内合适位置上。

3 实例

下面是用工业设计软件进行设计的过程，造型软件为Rhinoceros 5.0（俗称犀牛软件），结构软件为proe_wild fire5.0。

3.1 PCBA造型

结构设计一般都在PCBA（电路板）出来以后，板上各元件的位置、大小都已固定，造型一定要按实际元件大小来建模。如果为了缩短设计工期，在PCBA还未完成时就进行机壳设计，必须与硬件工程师将板的边际尺寸，各接插件的位置、型号，指示灯的位置、大小、高度等联接硬件与结构的要素确定下来。一般不要这样做，硬件设计有很多不确定因素，样品出来后，要经过繁复的测试和优化才能稳定，在之前，是随时有修改可能的，结构的需要不是影响修改的必要条件。

3.2 面壳和底壳设计

系统发热比较严重，可能达到100C°以上，必须在面壳上做出散热片结构，并且需要散热能力比较强，所以在整个大面上都均匀布置了散热片。散热片的设计必须符合结构要求，做成端薄根厚的型式，壳的壁厚要均匀，并符合结构规则要求。

底壳上可做出了两排散热孔，孔不能过小，一般取3～4mm，太小妨碍流动，太大不好做三防。现在的结构是初步的，没有将固定两侧端盖的螺丝孔和面底盖扣合的台阶做出来，这些小结构待整个外形确定后再做更好，可以省掉修改的麻烦。

3.3 端盖设计

端盖设计应按照PCBA建模的位置开孔和留间隙，保证产品生产时不会出现误差。铝型材加工是用设备将长条的型材裁成符合要求的一段段，并且精加工到规定的尺寸范围内，所以壳体两端的边缘比较锋利，没有遮挡很易被割伤，端盖应能完全挡住壳体的端口，起到安全保护作用。螺丝孔位置必须能够放置螺丝结构，在随后的结构细化时，壳体上的螺孔要对得上端盖上设的沉孔。端盖上那排孔是为了让散热片间的空气能顺利流通，无这排孔，散热片两头被堵住，片间空气流通不畅，散热效率会受影响。

3.4 螺丝螺柱设计

端盖固定螺丝的设计只是为了效果比较逼真，没有实际意义，做个符合标准件尺寸的螺丝头就够了。PCB板用螺柱固定，散热片上铣出四个避空位置，安放铆压螺柱，用模具开孔，将铆压螺柱压入孔内铆紧即可。

对于这个环节，也许会有疑问：为何不将螺柱铆在底壳上，将其铆在面壳上要特意切出避空位置，会增加成本。原设计是放在底壳的，但问题是芯片主要靠面壳散热，想导热效果好，不但胶要用得薄，而且还需有一定的压紧力，才能更好地传导热量。螺柱在底壳上，就难以形成预压力，所以改成在面壳铆螺丝柱。

至此，殼体的设计基本完成。

3.5 渲染准备

建模完成后，还需要做以下准备工作：一是做背景板;二是需对各零件和背景赋予合适的材质;三是必须布置适当的灯光照明，增加产品的真实性和美观性。这样才能取得与实物相近的效果。

3.6 渲染效果

在做完以上工作后，可以进行产品效果渲染了。由于产品比较简单，不需用更高级的渲染器，就用犀牛自带的渲染器就可以，渲染出来的产品效果如图5，可提交给客户评审了。

3.7 结构细化设计

犀牛文件不能直接打开到PROE中继续设计，需要有过渡的文件格式。得到客户外形确认后，可将犀牛文件中多余的东西（背景、灯光、PCB、螺丝螺柱等）去掉，将剩下的模型导出成扩展名为“.stp”或“.igs”格式的文件，这两种格式可用于两种软件间的数据交换。

将过渡文件导入到PROE中，就能在PROE上产生如图的模型，并可在此基础上继续进行结构的细化设计，直到完成整个控制单元的结构设计。

4 结束语

客户都希望得到的产品能做到外观新颖，设计合理耐用，用工业设计方法进行产品的外观设计同时兼顾基本的结构设计，就可在提交客户评审外形的同时准备好内部结构，客户一旦确认外形，很快就能拿出整个单元的完整结构，有效缩短产品的设计时间。博维公司为客户定向设计的几十款全景系统控制单元大部分用这个方法设计，在产品外形得到客户确认后一天左右，整个结构设计就能全部完成，大大缩短产品的设计需要时间，为客户节省开发时间、争取市场主动创造了条件。

参考文献：

[1]许文慧，李腾训，康亚鹏.Rhino 3D工业造型设计入门[M].北京：清华大学出版社，2006.

[2]韩玉龙.Pro/Engineer Wildfire 4.0零件设计高级教程[M].北京：科学出版社，2009.

[3]石云飞.VPS系统全景图生成平台的研究[D].西安建筑科技大学，2004.