一种高效的汽车摄像头智能清洗装置

王玲昱 刁川洲 王 宇 杨文胜 杨彦炯

（泰州学院数理学院，江苏 泰州 225300）

0 引言

目前，因倒车影像模糊而引发的交通事故时有发生。因此，在汽车上增加摄像头清洗功能具有重要意义，它可以帮助驾驶员快速、有效地清理摄像头，保证视野清晰，有效降低发生交通事故的概率。该文设计了一种倒车摄像头智能清洗装置，它借鉴高压水射流技术的工作原理[1]并采用软冲刷技术，清洗后不留任何水珠，能够高效地完成清洁和保护摄像头的工作，最大程度地延长了摄像头的使用寿命，弥补了雨刮式产品容易磨损摄像头的缺点。此外，已有的雨刮器式发明对安装角度要求极高，而该装置安装便捷，对各种类型、尺寸的摄像头匹配度高，装置拆卸方便，可以根据不同车型调整多个零部件的位置。

1 装置研发必要性分析

倒车摄像头是一种安装在车辆尾部的摄像头，与车内安装的显示屏共同组成一套完整的倒车影像系统，倒车时可以看到车后的实时影像，以降低发生倒车事故的概率。倒车影像系统已经被广泛应用于家用轿车等小型车辆，并有向货车、大巴车、收割机以及工程机械车辆等大、中型车辆发展的明显趋势。倒车影像的普遍应用说明摄像头清洗装置的研究具有重要的现实意义。

由于倒车摄像头长期暴露在车外，难免会有灰尘、雨水等污染物附着在其表面。长期使用倒车影像系统的司机可能会因“视野盲区”而无法继续正常地驾驶操作，这会对驾乘人员生命安全造成潜在威胁。因此，该文设计了一款汽车摄像头智能喷洗装置，该智能喷洗装置运用高压水枪的原理使高压柱塞泵产生高压水，以冲洗物体表面，主要解决以下4个问题：1） 倒车摄像头表面附着灰尘、雨水等污染物，会影响司机的视野，存在安全隐患。2） 驾驶人员下车擦拭摄像头不仅浪费时间，而且效率不高，也存在安全隐患。3） 现有技术中的棉条擦拭会对摄像头造成不可逆的磨损。4） 传统的擦拭对棉棒安装角度的要求非常高，安装点距离倒车摄像头过近会导致镜头与棉棒的双向损耗，维修成本过高[2]。与已有的雨刮器式发明相比，该装置不仅适用范围较广，而且具有很高的清洗效率。

2 装置概述

该文设计的智能清洗装置是一种汽车倒车摄像头雨水/灰尘/遮挡物自动清洗装置，该装置运用高压水枪的原理使高压柱塞泵产生高压水流，以冲洗物体表面，当水的冲击力大于污垢与物体表面的附着力时，高压水流就会将污垢剥离并冲走[3]。组合使用STM32 单片机、粉尘传感器、继电器模块以及水泵，当倒车摄像头上的粉尘等遮挡物达到一定浓度时，水箱自动喷出水流清洗遮挡物。同时，组合使用STM32 单片机、超声波水位传感器、继电器模块、蜂鸣器以及LED 灯，当超声波水位传感器监测到水箱中的水位较低时，蜂鸣器发出警报声，LED 灯闪烁，提醒司机需要向水箱中加水。

与已有的棉条擦洗式发明的0.88 cm2的扇形工作区域相比，该文设计的喷洗装置可以清洗3.00 cm2的区域，足够覆盖摄像头的所有取景范围，不留死角，可以轻松完成清洗工作[4]。当气温较低时，为了避免因结冰而导致该装置无法使用，可以将清洗液换成玻璃水[5]，保证该装置正常发挥作用。

该装置的结构示意图一如图1 所示，结构示意图二如图2 所示，图1 的A 处结构放大图如图3 所示，该装置的各部件安装位置示意图如图4 所示。为了达到高效清洗的目的，该装置采用了以下技术方案：该装置所在车体的后备箱底端固定连接水箱，水箱的内部底端固定连接超声波传感器，水箱的一侧固定连接水泵，水泵的进水口固定连接连接管，连接管的另一端固定连接在水箱的出水口，出水口均固定连接软管，软管的另一端固定连接喷水管，车体的车尾固定连接摄像头本体，车体的发动机一侧有蓄电池，车体的内部有仪表盘，仪表盘的前端一侧有蜂鸣器，仪表盘的前端中部有开关，仪表盘的另一侧有显示屏。

图1 汽车倒车摄像头喷洗装置的结构示意图一

图2 汽车倒车摄像头喷洗装置的结构示意图二

图3 图1 的A 处结构放大图

图4 汽车倒车摄像头喷洗装置的各部件安装位置示意图

图 5 自动清洗系统整体设计结构图

该设计采用软冲刷技术，最大程度地延长了摄像头的使用寿命，操作简单且清洗效率高。

3 硬件电路

该文设计的智能清洗装置主要包括自动清洗系统、供水系统以及水位报警系统。

3.1 自动清洗系统

3.1.1 自动清洗系统的整体设计

自动清洗系统结构如图5 所示，该系统的作用是通过电路启动供水系统，是实现清洗功能的开关。该系统将所需的程序烧录至STM32 单片机中，并通过程序设置粉尘浓度阈值，当粉尘传感器检测到灰尘时，ADC 转换器将灰尘量转换为具体数值，当该数值超过程序中预先设置的阈值时，继电器常开闭合，水泵开始工作，从而达到自动清洗的效果。

3.1.2 粉尘浓度测量模块

夏普光学灰尘传感器（GP2Y1014AU0F）可以非常有效地检测细微颗粒，同时该传感器具有极低的电流消耗（最大20 mA，最小11 mA），可以搭载高达7 V DC 的传感器。输出的是模拟电压（与测得的粉尘浓度成正比），敏感性为0.5 V/0.1 mg/m3。

3.1.3 ADC 转换模块

ADC 转换模块又称模拟-数字转换器，可以将引脚上连续变化的模拟电压转换为内存中存储的数字变量，建立模拟电路到数字电路的桥梁。

3.1.4 主控制模块

采用具有72 MHz 的工作频率，3 个16 位定时器和1 个PWM 定时器的STM32F103RCT6 主控芯片，用USB 线接入后可以一键烧录程序。

3.1.5 继电器模块

选用2 路继电器低电平触发，供电电压为5 V，该继电器光耦隔离，抗干扰性好。低电平吸合，高电平释放，吸合时状态指示灯亮，释放时状态指示灯灭。负载可接250 V/10 A交流。

3.2 供水系统

在该设计中，供水系统的作用是利用水泵将水箱中的清洗液传输至喷水管。

3.2.1 水泵

水泵的主要作用是将水箱中的清洗液输送至喷水管，水泵的一般组成形式为驱动部分+泵体，泵体上有2 个接口（1 个进口和1 个出口）。

3.2.2 变径管

变径管是该装置的关键部分，基于变压原理和高压水射流技术的工作原理，先向软管内注入液体，由于喷水管的内径小于软管的内径，因此液体会在软管内加压后从喷水管喷出，当软管内径为5 mm、喷水管内径为2 mm 时，水压达到0.2 MPa，既可以冲洗掉灰尘，又不会伤害摄像头本体。

3.2.3 喷水管

喷水管的作用是实现多角度灵活喷洗摄像头的功能。仪表盘的前端中部有开关，按压开关后2 s 内清洗液从喷水管口部喷出，仪表盘的另一侧有显示屏，可以显示摄像头本体所捕捉的画面。

3.3 水位报警系统

3.3.1 水位报警器

水位报警系统如图6 所示[3]，该系统固定在车体的后备箱底端并连接水箱，通过水位监测模块实时监测水箱内的水位，在单片机最小系统中设置最小阈值，当水位低于阈值时，继电器模块促使蜂鸣器发出警报声[6]，同时闪光灯开始闪烁报警。

图6 水位报警系统整体设计结构图

3.3.2 水位报警系统工作原理

蜂鸣器模块Proteus 仿真图如图7 所示，图7 给出了水位报警系统的工作原理。首先，利用超声波传感器检测水箱中的水量。其次，通过ADC 转换器将检测到的模拟信号转换为具体的数值，当其低于预先设定的水量阈值时，单片机控制继电器模块常开闭合，蜂鸣器和闪光灯开始工作。

图7 蜂鸣器模块Proteus 仿真图

3.3.3 水位检测模块

URM37 超声波传感器可以测量参考物体与动态或静态目标之间的距离[7]。该传感器内置温度传感器辅助校正距离值，确保在温度变化的应用场景中实现准确测距的功能。

4 系统软件

4.1 主程序

水位报警系统的程序设计流程如图8 所示，由于GPIO外设口只能读取高低电平，因此利用ADC 模数转换器将采集到的数据转化为具体的数值，将其与预先设定的阈值进行比较。当其超过或低于阈值时，看门狗申请中断，蜂鸣器报警，LED 灯闪烁。

图8 主程序设计流程图

4.2 ADC 转换程序

4.2.1 配置ADC

ADC 初始化程序流程如图9 所示。首先，开启ADC 和GPIO 的外部时钟。其次，配置ADCCLK 分频器。再次，对GPIO 的输入/输出模式、引脚以及速率进行初始化。从次，指定 ADC 的规则组通道，设置它们的转化顺序和采样时间，对ADC 的模式（扫描模式或者单次模式）、数据对齐方式等参数进行配置。最后，使能并校准ADC。

图9 ADC 初始化程序流程图

4.2.2 ADC 获取转换值

ADC 获取转换值程序设计流程如图10 所示，利用ADC_SoftwareStartConvCmd 库函数使能ADC 的软件转换启动功能，转换完成后再返回ADC 的转换值。

5 应用前景

该装置的喷洗范围可达到3 cm2的区域，足够覆盖摄像头的所有取景范围，不留死角，可以轻松完成清洗工作。与棉签这类容易损坏、需要勤换且清洁力度较低的产品相比，该装置易操作、效果好且寿命长，可以提高清洗效率。该文设计的装置不仅可以清洗倒车摄像头上的灰尘，而且还可以清洗摄像头上覆盖的雨水。目前，该装置已经在家庭轿车上进行体验应用。

6 结语

自2002 年后，中国汽车行业开始进入爆发式增长阶段，人们对汽车安全行驶的需求也越来越高，倒车摄像头的清洗功能适应了这一发展趋势，必将成为汽车安全配置的一项重要功能。该文设计的智能喷洗装置能帮助驾驶员快速、有效地清理摄像头，保证视野清晰，有效降低交通事故发生的概率。与市场已有的产品相比，该文设计的装置易操作、效果好且寿命长，为汽车的安全驾驶提供了保障，具有良好的市场应用前景。