基于倒车辅助系统的摄像头清洗装置设计与开发

刘嘉欣

（东北林业大学交通学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

0 引言

该文所探讨的装置是在可视化倒车辅助系统的背景技术下研究的。随着汽车数量的不断增长和交通事件的频发，驾驶的便利性以及汽车的安全性受到了广泛关注。人们认识到，用先进技术辅助驾驶员驾驶汽车，尤其是在危机情况下由系统主动替代驾驶员的操控，可以有效预防汽车发生碰撞事故[1]。在驾驶普通汽车时，驾驶人主要利用后视镜判断后方的情况和自身的位置。但是，由于盲区的存在，这种传统方法显然要被更加智能化的方式所替代，因此在汽车的主动性安全装置中，倒车辅助系统必不可少。近些年来，不断发展出了倒车雷达、可视化倒车系统以及自动泊车系统（APS）[2]。数据显示，目前存在的道路交通事故中，倒车剐蹭、碰撞频发，由于后视不良造成的交通事故占15%，人们需要通过影像来规划倒车路径，因此从摄像头角度出发，优化倒车辅助系统尤为重要。

1 装置研发必要性分析

摄像头作为可视化倒车辅助系统的重中之重，汽车需要在行驶环境中获取准确、可靠的探测信号，从而实现智能驾驶功能，而摄像头具有清晰的视野，是帮助倒车辅助系统捕捉道路特征，收集道路数据的关键。行车过程中途径泥泞路面或雨天等情况时，不可避免地会有水珠、雾气、污渍、灰尘、泥沙等覆盖在摄像头表面上，若没有及时发现并清洗，会严重影响摄像头采集图像的质量，雷达等传感器的识别能力，极易造成车载电脑识别错误信息，干扰驾驶人员判断，造成意外事故。为保证智能驾驶功能在任何工况下能够稳定、安全地运行，时刻保证摄像头等传感器表面洁净是智能驾驶汽车必须面对的问题[3]。

摄像头是继车载雷达和激光雷达之后的第3种支持自动化驾驶的重要环境传感器，随着自动化水平的提高，会有越来越多的传感器应用于车身，因此手动擦拭显然不再是清洁车载摄像头的好方法，传感器清洁变得越来越重要。目前，大多数司机仍采用手动擦拭的方法来清洁摄像头，除此之外，现有技术实现了车载摄像头清洗系统将清洗用水从雨刮水箱中抽出，经过管道传送到直接安装在摄像镜头上的喷嘴处，喷头会将水流喷在摄像头镜片的曲面上，利用“康达效应”冲刷镜片，从而实现摄像头的清洁[4]。但是，喷射液能冲刷掉污物，却可能留下水痕，同样影响摄像头采集图像的功能，在低温环境中还容易泛霜、冻结，存在一定的不足。因此，该装置在已有技术的基础上进行改善，增加了使用清洗棉条进行清洗的装置，可以拂去摄像头上的灰尘而减少清洗用水的使用，实现日常对污物的处理以及喷射清洗用水后对残余水珠的及时擦拭，弥补了现有技术中的不足，具有现实应用价值，是一种经济而高效的摄像头清洗方案。

2 装置概述

该设计的目的是为了解决实际生活中存在的问题，弥补在车载摄像头清洗技术上的不足，而提出的一种对基于倒车辅助系统的新型摄像头清洗装置的研究。装置可实现对于灰尘、沾黏物等污物的处理以及配合清洁用水进行更大力度的清洁，并对喷射清洁用水后留下的水珠进行擦拭，解决镜头表面受污染情况并避免泛霜、冻结。

为了达到上述目的，该设计在已有技术的基础上，研发了一种与摄像头一体安装的清洗装置，图1为该装置的侧视图，图2为图1中A处放大图，图3为固定杆与活动罩示意图，图4为装置中减震机构示意图。按装置的具体设计内容采用了如下技术方案：该项装置包括摄像头主体，装置所述摄像头主体上部为摄像端，即镜头，摄像头主体一侧开设有第一滑槽，所述第一滑槽内侧壁靠近摄像头主体的一侧转动连接多个限位珠，所述第一滑槽内侧壁滑动连接多个第一滑块，多个所述第一滑块共同固定连接活动罩，所述活动罩远离摄像头主体的一端固定连接固定杆，所述固定杆靠近摄像头主体的一侧固定连接多个减震机构，多个所述减震机构共同固定连接清洗棉条，所述摄像头主体靠近固定杆的一侧固定连接固定架，所述固定架内侧壁固定连接电机，所述电机驱动端固定连接齿轮，所述齿轮底部与活动罩内侧壁啮合。

图2 A处放大图

图3 固定杆与活动罩示意图

图4 减震机构示意图

该设计结合传感器和已有的清洁用水喷射装置，通过加装在摄像头上的清洗棉条实现摄像头的清洁，从而保证可视化倒车辅助系统的正常运行，该装置也适用于其他暴露在外的车载摄像头。清洗装置在提高驾驶安全性的同时，减少了驾乘人员对摄像头的维护保养工作，将驾驶员从手动擦拭中解放出来[5]，符合智能化驾驶的趋势。

3 装置具体内容

该装置应满足如下要求：1）能够通过可转动的清洗棉条，实现对摄像头的清洁；2）清洗棉条要与摄像头的摄像端镜面良好贴合，清洗棉条与连接装置不能对摄像头造成冲击破坏；3）使用时，由齿轮带动固定杆转动角度，保证对摄像头进行全方位清洁；4）不使用时，固定杆可转动到摄像头主体上的摄像端拍摄范围外，避免遮挡摄像头；5）装置由电机驱动，保证良好动力性。

基于以上要求，清洗装置由4个主要部分组成，分别为减震机构、活动罩、电机、清洗棉条，下面将针对各个组成部分给出具体结构和功能。

3.1 减震机构

该设计中，减震机构的作用是缓冲减震、帮助清洗棉条以合适的距离和合适的力度对摄像头进行清洗。该减震机构包括与固定杆固定连接的安装箱，在安装箱的内侧壁底部固定连接着弹簧，在弹簧顶端固定连接着活动杆，活动杆的顶端贯穿安装箱的顶端并与清洗棉条固定连接。在安装箱的内侧壁滑动连接第二滑槽，在第二滑槽的内侧壁上，均滑动连接多个第二滑块，并且第二滑块均与活动杆固定连接。该装置中的活动杆与第二滑块均采用不锈钢材质制成，且活动杆与第二滑块为一体铸造成型；第二滑槽与第二滑块的断面均呈“T”形。活动杆与安装箱采取滑动连接，其断面形状均呈圆形。

3.2 活动罩

该设计中，活动罩与固定杆为固定连接，固定杆与减震机构为固定连接，减震机构端部固定连接清洗棉条，这样的设计使固定杆一经转动，便可使清洗装置自动工作。活动罩的作用是由齿轮带动着转动，从而能带动固定杆和减震机构工作，实现与减震机构连接的清洗棉条的良好工作。同时，在不需要清洁的情况下，由活动罩带动装置转到与摄像头主体的摄像端错开的角度，使之不遮挡摄像头，不妨碍摄像头的清晰拍摄。该装置设置了第一滑块和第一滑槽，来更好地对活动罩进行限位。第一滑块与第一滑槽的断面形状均呈“T”形，第一滑块与活动罩的断面形状呈圆形。第一滑块与活动罩均采用不锈钢材质，且第一滑块与活动罩为一体铸造成型。

3.3 电机

该设计中，需要保证持续、良好的动力性，因此采取电机作为动力装置。电机的作用是驱动齿轮转动，带动整个装置良好工作。电机与外部电源连接，并使用焊接在摄像头主体外侧壁的固定架对其限位。电机的固定架采用不锈钢材质，固定架的内侧壁与电机的外侧壁粘接。电机的优良性能决定了该装置可自动、连续清洁摄像头，是功能实现中关键性的一环。

3.4 清洗棉条

该设计中的关键部件为清洗棉条。工作时要保证清洗棉条与摄像头主体镜片光滑贴合，不留空隙，同时不能过分压紧、冲击镜面，造成摄像头的损坏。清洗棉条为可以满足有效去污要求和有效吸水要求的棉质材料。清洗棉条设置的大小和范围，要保证在电机驱动装置运动，固定杆转到镜头端时，可以全方位覆盖到摄像头镜头，同时保证固定杆转离镜头端时不遮挡镜头。焊接在一起的活动罩与固定杆的设置，可以方便清洗棉条对摄像头主体进行清洗，从而保证摄像头保持良好的“视野”。清洗棉条与减震机构固定连接，并可以在使用次数足够多的情况下拆卸下来，换上备用棉条。

4 工作原理

驾驶人通过自主分析摄像头是否脏污或采用机器视觉检测技术[6]进行摄像头表面赃物检测后，可判断是否使用摄像头清洗装置。当装置工作时，由电机驱动齿轮转动，齿轮进一步带动活动罩转动。活动罩带动固定杆与减震机构转动，减震机构带动清洗棉条转动。将带有清洗棉条的固定杆旋转到合适的角度，此时，清洗棉条可全方位擦拭到摄像头，通过机构的转动，清洗棉条对摄像头主体的摄像端进行清洁。在工作过程中，摄像头与清洗棉条之间的力与距离由减震机构控制，减震机构中的弹簧可缓冲减震，使清洗棉条更好地与摄像头主体的摄像端进行贴合，便于清洗，同时保护摄像头不受剧烈压力和冲击。而在装置不工作的情况下，齿轮带动活动罩转动到一个固定杆与摄像头主体上的摄像端错开的角度，使之不遮挡镜头。

5 特点及应用前景

该装置的特点如下：1）通过设置限位珠，来更好地滑动第一滑块，方便地带动活动罩转动。2）通过第二滑块和弹簧，保证减震机构的有益效果；减震机构的设置便于更好地利用清洗棉条对摄像头主体进行清洗。3）固定架的设置便于更好地对电机进行固定，有利于带动活动罩转动。

该装置具有优良的使用效果，摄像头与清洗装置采用一体化设计，操作简单，去污效果良好。一方面，清洗棉条可进行日常灰尘、沾黏物擦拭，减少了清洁用水的使用，节约环保，并解决了摄像头被污物遮挡，影响其检测效果的问题。另一方面，该装置可在摄像头镜头存在雾气、水珠或喷射清洁用水后留下残余水痕的情况下进行镜面擦拭，防止留下水痕污染，同时避免在低温天气下，因表面有水而造成的摄像头冻结。基于此，在确保摄像头保持清晰的条件下，汽车的倒车辅助系统可以发挥其良好的作用。

在驾驶员的驾车过程中，少不了倒车的操作，摄像头的安装可以有效解决使用人和后视镜存在的视觉盲区，减少倒车不慎的情况。但是在摄像头在使用过程中极易被污染，比如经过泥泞路面会由于泥点飞溅糊住摄像头，或是经过洒水车的作业区域而被泥水污染，即使不经过泥面水面，日常使用中也存在被灰尘覆盖、被部分沾黏物遮挡、表面结雾结霜、经雨雪冲刷后留下水痕等问题。因此，汽车的车载摄像头加装该装置非常有必要，它可以配合摄像头的清洁用水喷射装置和车辆的机器视觉检测脏污程度技术来共同使用，保证在摄像头表面受污染的情况下及时、全面进行清洁，保证成像质量，对车辆行驶环境进行可靠探测和精确评估，从而作为基础装置，实现倒车辅助系统和自动化驾驶系统的基本功能，适应当前汽车智能化发展的要求。这既是该装置拟实现的功能和应用前景，也是研发该装置的重大现实意义。

6 结语

汽车产业日益发展，人均汽车保有量在逐年增加，除了对于自动化的要求越来越高以外，人们对于行车安全性的需求也在增加。车载摄像头将更多地应用于汽车中，尤其针对于智能倒车而言，更需要摄像头来有效感知环境，替代人来完成在行车驾驶中对视觉盲区的安全监测。随着摄像头数量和布置位置的增加，驾驶员下车进行擦拭显然不是好方法。因此，要采用先进的技术装置来使摄像头镜头保持清洁、工作性能良好，清晰识别行车、倒车环境并减少误判。该设计在分析了现存技术的基础上，找出不足并做出改善，研制了与摄像头连为一体的清洗装置，不仅能提高摄像头的成像质量，有效保证了交通安全，还能将驾驶员从手动擦拭中解放并提高驾驶员的驾车舒适性。希望通过清洗棉条的及时清洁，使驾驶更加便捷，为汽车的主动安全提供保障，为安全行车保驾护航。