基于红外光强式雨量传感器的自动雨刮控制系统方案设计

2020-06-04肖美临

汽车电器 2020年5期

饶超，肖美临，文雯

（东风汽车集团有限公司技术中心，湖北武汉 430058）

随着汽车行业的飞速发展，汽车销量逐年增加，道路上交通拥堵不堪，中国又是一个多雨的国家，下雨天行车的时间会较多。传统机械式的雨刮洗涤系统是由驾驶人员手动操作雨刮开关去控制雨刮清除汽车挡风玻璃上的雨水，雨刮刮刷的快慢及频率主要是依靠驾驶员通过肉眼判断雨量大小，从而切换雨刮开关来完成的，这势必会导致驾驶员的注意力不够集中，驾车的难度也大大增加，尤其是遇到突发情况诸如行车到水坑或突降暴雨，水滴飞溅到挡风玻璃时，驾驶人员会措手不及，影响转向盘的操作，最终有可能导致交通事故，酿成车毁人亡的大祸［1］。据统计，全世界雨天行车有7%的事故是由于手动操作雨刮洗涤系统引起的［2］。正是基于这样的背景，本文对汽车的雨刮洗涤系统进行研究，设计开发了红外反射式的雨量传感器采集处理雨量大小，同时通过LIN总线与雨刮控制器进行通信交互，实现雨刮洗涤系统的自动刮刷功能。采用自动雨刮控制系统不仅可以减少雨雪天驾驶人员的精力分散，降低交通事故的发生，而且可以根据雨量的大小自动调节雨刮刮刷的频率，降低功耗，节约能源。

1 车用雨量传感器简介

根据国内外车用雨量传感器的研究，主要存在4种技术对雨量进行检测，分别是电容式雨量传感器、热电偶式雨量传感器、光强式雨量传感器和基于图像处理式雨量传感器［3］。

1.1 电容式

电容式雨量传感器的工作原理是通过雨量的变化引起电容的介电常数发生变化，从而引起电容变化，这样就建立起了雨量变化与电容变化直接的对应关系，通过检测电容的变化，就可以获取雨量的大小。电容的大小C与极板间距离d，极板面积s，极板间的介电系数ε相关：

当电容的极板面积s和极板间的距离d是固定的，电容的大小就与极板间的介电系数成正比。如图1所示为电容极板间无雨滴时的情形，此时极板间填充物为空气。图2所示为电容极板间有雨滴时的情形，此时极板间的填充物为雨滴，由于空气和雨滴的导电性能是不一致的，导致这两种情况下的介电系数ε是不同的，不同雨量大小的介电系数也是不一样的，因此电容的容量将发生变化。为了增大电容式雨量传感器的检测电容，一般会将电容设计成锯齿形状。电容变化的检测电路，一般采用RC或LC振荡电路，通过检测振荡电路的频率，间接检测电容的大小，从而也就检测出了雨量的大小情况。

图1 电容间无雨滴

图2 电容间有雨滴

1.2 热电偶式

热电偶式雨量传感器的工作原理是利用热电偶温度传感器检测温度的机理来间接测量雨量的大小。当无雨滴时，热电偶的感应电动势维持在一定固定值；当有雨滴时，雨量会带走热电偶的热量，使热电偶的温度迅速下降，从而进一步导致热电偶的感应电动势下降，通过检测感应电动势的变化即可以检测出雨量的变化。如图3所示，将金属1和金属2两种不同的金属在A、B处焊接在一起，这样整个回路中将产生感应电动势。A、B点的温差越大，产生的感应电动势越高。实际应用中一般将其一端维持在已知温度下，作为参考端，另外一端则放置在空气中，用来感应雨量大小。

图3 热电偶雨量传感器检测原理图

1.3 光强式

光强式雨量传感器有两种类别，一种是基于可见光，另外一种是基于红外光。这两类传感器的基本原理都是一样的，将半导体发光元件和敏感元件做成一对，发光元件发射出的光线按照一定的角度经过透镜、硅胶，发射到挡风玻璃上，经过汽车挡风玻璃的散射后，部分光线反射回来被敏感元件接收，并转化成电信号，如图4所示。当汽车挡风玻璃上有雨滴时，散射增强，被反射回接收管的光线减少，转化成的电信号也减弱，这样通过测量光敏元件输出的电信号强弱变化，可以得知挡风玻璃上雨量大小的情况，如图5所示。

1.4 基于图像处理式

基于图像处理式的雨量传感器的工作原理跟光强式雨量传感器类似，只不过光线接收管更换成了摄像头处理。如图6所示，采用光发射管将光线照射到挡风玻璃的一块区域，如果挡风玻璃上没有雨滴，照射在该区域的光线会均匀地反射；如果挡风玻璃上有雨滴，会导致光线的散射增强，摄像头采集到的光线就弱。这样利用摄像头采集的光线在挡风玻璃上反射回来的图像进行处理就可以检测到雨量大小变化。

图4 光强式雨量传感器-无雨滴时

1.5 技术方案对比

图6 图像处理式雨量传感器工作原理图

表1 雨量传感器技术方案对比表

表1为雨量传感器技术方案对比表。通过对比，光强式的雨量传感器在实际应用中是一个理想的选择。基于光强变化的传感器安装在汽车挡风玻璃内后视镜处，不与雨滴直接接触，在挡风玻璃的保护下，能够长期稳定地工作。而基于光强式的雨量传感器有两类，一类是可见光，另外一类是红外光。使用可见光的传感器，在工作时有光线发射出，容易对驾驶人员造成影响，同时根据雨滴对光线的散射作用研究，雨滴对红外线的散射有明显的规律性：雨滴越大，散射越强。因此，基于红外光强变化的传感器是实现雨量检测的较理想选择，本论文所述即是选择了此技术方案。

2 自动雨刮控制系统方案设计

2.1 系统组成简介

自动雨刮控制系统主要由六大部分组成：车身控制器（Body control module，BCM，集成雨刮控制器），雨量传感器控制器（rain sensor，RS），组合仪表（instrument controller，IC），多功能影音娱乐系统（multiple Functional video entertainment system，MP5），前雨刮电机（wiper motor，WIPE），车窗和天窗控制器（window and roof controller，WINDOW）。自动雨刮控制系统布置示意如图7，基本系统组成如图8所示。

图7 自动雨刮控制系统布置示意图

图8 自动雨刮控制系统组成图

1）车身控制器（BCM，集成雨刮控制器）主要负责采集相关输入，配置信息，通过LIN1总线与雨量传感器控制器（RS）进行信号交互，自动直接驱动前雨刮电机工作在间歇、连续低速、连续高速工作状态。

2）雨量传感器控制器（RS）主要负责雨量大小的检测，雨量检测的核心算法都在此控制器中，通过LIN1总线信号间接控制雨刮进行间歇、连续低速、连续高速动作。

3）组合仪表（IC）主要负责自动雨刮功能激活状态的图标显示以及文字提示，通过CAN总线与BCM进行信号交互。

4）多功能影音娱乐系统（MP5）主要负责自动雨刮相关功能的配置及显示，例如：下雨关窗功能。通过CAN总线与BCM进行信号交互。

5）前雨刮电机主要负责驱动汽车前挡风玻璃上的雨刮臂，刮刷雨水，保持前挡风玻璃的视野清晰、干净。BCM通过硬线直接驱动前雨刮的动作。

6）车窗和天窗控制器（WINDOW）汽车上每个车窗都有一个控制器（总共4个），天窗还有一个控制器通过同一路LIN2总线与车身控制器进行信号交互处理。主要负责实现雨量关窗的功能。

2.2 汽车红外光强式雨量传感器的设计方案

自动雨刮控制系统的核心是雨量传感器控制器（RS），其对雨量大小检测的准确性、实时性决定了自动雨刮控制系统的可靠性、稳定性、舒适性。经过调研，国内外汽车红外线光强式雨量传感器的硬件设计方案主要有两种，一种是德国大众汽车公司基于模拟和数字混合电路［4］，一种是基于MCU的电路［5］。

2.2.1 模拟和数字混合电路

此方案的基本原理是由振荡电路产生调制方波去调制红外发射管，红外发射管发出的光线经过一定的入射角度入射到前挡风玻璃上经过反射后被红外接收管接收，红外接收管经过光电转换及微弱信号放大处理后，最终由模拟和数字混合信号处理及输出电路完成信号的解调及处理，输出跟雨量大小对应的数字信号。其结构示意图见图9。

图9 基于模拟和数字混合电路的红外雨量传感器方案

根据以上图9的系统方案，可以设计出以下内部原理图，具体见图10。整个系统由振荡电路、时序控制电路、红外发射电路、信号处理及输出电路、红外接收电路、光电转换及微弱信号放大电路这六大部分构成。其中时序控制电路由2个D触发器组成；信号处理及输出电路由取样积分电路、RC复位电路、比例积分电路、阈值比较电路输出等基本的电路单元组成；光电转换及微弱信号放大电路由差分放大电路、电流放大器、信号放大器组成。

图10 基于模拟和数字混合电路的红外雨量传感器内部原理图

2.2.2 基于MCU的电路

此方案的基本原理是由MCU定时器产生调试所需要的方波去调制红外发射管发射红外线，红外接收管接收到红外线后经光电转换及微弱信号放大电路处理，最后由MCU内部的A／D转换器对放大信号进行采集，采用软件的方式对红外信号进行解调处理，然后输出与雨量大小对应的数字信号，其结构见图11。

根据图11的系统方案，可以设计出以下内部原理图，具体见图12。整个系统由MCU、红外发射电路、红外接收电路、光电转换及微弱信号放大电路这四大部分构成。其中MCU由定时器调试、脉冲输出、D／A转换、软件解调及处理、A／D转换组成；光电转换及微弱信号放大电路由差分放大电路［6］、电流放大器、信号放大器组成，这部分电路与基于模拟和数字混合的电路完全一致。

综上所述，以上两种方案的主要差别是：振荡电路，时序控制电路，信号处理及输出电路。方案1：基于模拟和数字混合电路的红外雨量传感器主要是由硬件电路实现的；而方案2：基于MCU电路的红外雨量传感器，则是集成到MCU中主要通过软件控制实现的。对比见表2。

图11 基于MCU电路的红外雨量传感器方案

图12 基于MCU电路的红外雨量传感器内部原理图

表2 红外雨量传感器技术方案对比表

2.3 汽车红外光强式雨量传感器的设计难点

汽车红外光强式雨量传感器的设计难点是如何有效消除背景噪声，精准识别到雨量信号，避免误检测。根据光电理论知识可知，红外辐射是与可见光相邻的一种不可见光，它具有可见光的一般特性，如：光的直线传播定律、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］。同时红外辐射还具有其固有的特性：2个物体吸收的能量不同，则它们发射的能量也不同；易发射的物体必易吸收，反之亦然；当红外辐射到达物体表面时，一般会发生3种现象：即一部分光线被物体吸收，一部分被反射，一部分被透射散发出去［8］。一般影响红外辐射的主要因素有大气的衰减作用、背景辐射的影响、物体的发射率等。而在实际应用中，最主要是考虑如何消除背景辐射的影响，保证传感器能够正常工作。背景辐射中最主要的影响因素是太阳的红外辐射，其波长范围是覆盖汽车红外光强式雨量传感器的工作范围，并且在白天天气正常的情况下，太阳以每平方米1000W的能量密度照射挡风玻璃。而汽车红外光强式雨量传感器发射出的红外能量密度仅为毫瓦级别。除此之外，实际汽车应用环境中还存在其他设备发出的红外信号。经过研究发现，一般有3种方法可以用于消除背景辐射噪声：①采用固定波长；②采用固定光线的方向；③采用调制解调。

2.3.1 固定波长方法

采用固定波长的方法，就是在选型红外发射管和红外接收管时，选择红外峰值波长一致的，这样就能够有效规避其他波长的光线干扰。但太阳光发射的能量光谱范围很宽，无论传感器选择哪个波长，太阳光在选定的光谱波段都有很强的能量。因此，在传感器的红外接收端增加一个滤光片，针对选定的波长，让有效的探测光通过，过滤掉其他频谱范围的光波，这样就能保证不让杂波进入到接收管。

2.3.2 固定方向方法

采用固定光线方向的方法，是利用前挡风玻璃前后2个表面的全反射原理来过滤其他杂波。发生全反射必须同时满足2个条件：①红外光由光密介质入射到光疏介质；②入射角必须大于介质的临界角。如果固定传感器的红外发射光线的入射角大于临界角一点点，那么绝大部分其他小于临界角方向的光线都无法发生全反射，而从挡风玻璃的表面入射到空气中，这样就可以减少杂波的干扰。

2.3.3 调制解调方法

采用调制解调的方法，是让汽车红外光强式雨量传感器通过特有的脉冲调制频率去驱动红外发射管，这样发射出去的红外光中就带有脉冲调制信号，接收管进行解调处理，就可以正确识别到有效的探测光线，滤除不同频率的其他杂波的干扰，尤其是太阳光。众所周知太阳光的光谱很广，但工作时间是连续的，其频率远低于调制频率，因此采用调制解调的方法可以有效滤除太阳光的干扰。

2.4 功能定义

自动雨刮控制系统主要涉及到雨刮控制功能、激活／禁止功能、灵敏度调节功能、雨量关窗功能。

2.4.1 激活／禁止功能

自动雨刮功能可以通过一定的设置控制其激活和禁止，自动雨刮功能激活之后，接收到雨量传感器发送过来的雨量信号就可以智能控制雨刮间歇刮刷（小雨，间歇时间根据小雨的大小自动控制），雨刮连续低速刮刷（中雨），雨刮连续高速刮刷（大雨）。自动雨刮功能禁止之后，根据雨量信号控制雨刮智能刮刷的功能就被禁止了（即使在下雨）。具体定义如下。

1）自动雨刮激活定义：当满足以下全部条件，自动雨刮功能激活：①点火锁位于ON挡；②前雨刮开关位于自动挡；③自动雨刮功能配置使能。

2）自动雨刮禁止定义：当满足以下任意一个条件，自动雨刮功能禁止：①点火锁位于非ON挡；②前雨刮开关位于非自动挡；③自动雨刮功能配置关闭；④雨量传感器信号无效。

2.4.2 雨刮控制功能

当自动雨刮激活，同时雨量传感器信号有效的情况下，车身控制器根据接收到的雨量传感器发送过来的雨量LIN信号，智能控制雨刮的刮刷动作。

1）当无雨时，雨刮停止运行。

2）当雨量小时，雨刮间歇刮刷。

3）当雨量中时，雨刮连续低速刮刷。

4）当雨量大时，雨刮连续高速刮刷。

2.4.3 灵敏度调节功能

BCM通过采集雨刮开关的间歇时间挡，来决定阳光雨量传感器的灵敏度，同时通过LIN总线将设置的灵敏度信号RS_Sensitivity发送给雨量传感器，雨量传感器根据设置的灵敏度，制定雨量检测的相关控制策略。

1）若前雨刮开关处于1挡时，BCM发送LIN信号RS_Sensitivity=4（灵敏度最高）。

2）若前雨刮开关处于3挡时，BCM发送LIN信号RS_Sensitivity=3。