用工業(yè)設(shè)計方法設(shè)計全景系統(tǒng)控制單元結(jié)構(gòu)

歐陽星

摘? 要：工業(yè)設(shè)計手段一般用于產(chǎn)品外形設(shè)計，但在產(chǎn)品不太復(fù)雜時，也可同時將初步結(jié)構(gòu)設(shè)計加入，這樣就可節(jié)省部分時間，加快設(shè)計速度。全景系統(tǒng)的控制單元結(jié)構(gòu)是比較簡單的，可以通過這個方法，在設(shè)計出符合客戶要求的外形的同時，做好初步的結(jié)構(gòu)，提高開發(fā)效率。

關(guān)鍵詞：全景系統(tǒng);工業(yè)設(shè)計;控制單元;外形設(shè)計;結(jié)構(gòu)設(shè)計

中圖分類號：TB47? ? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：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

全景輔助泊車系統(tǒng)（簡稱全景系統(tǒng)），是近年來出現(xiàn)并發(fā)展迅速的一種車載電子設(shè)備，它是通過安裝在車輛前后左右的四個大廣角攝像頭攝取車輛四周的圖像，對圖像進行處理，還原為與實地相似的平面或立體圖像，并將四個圖像按實際位置拼接成為車輛周邊的完整的環(huán)境圖像。圖像隨著車輛的行進，實時反映著車輛周邊的實際情況，對駕駛?cè)藛T判斷周邊的安全環(huán)境，及早發(fā)現(xiàn)和規(guī)避危險情況，對倒車、窄路等的駕駛操作有很大的幫助。

全景系統(tǒng)由控制單元（又稱主機）、前后左右四個攝像頭和固定結(jié)構(gòu)、聯(lián)接線束所組成，搭載在車載視像系統(tǒng)上。其中控制單元是系統(tǒng)的中心，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的圖像處理、變形矯正、全景圖合成、信號輸出。全景系統(tǒng)可以分為前裝、精品和后裝幾種：前裝產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)由車廠統(tǒng)一安排，在車輛生產(chǎn)線上完成安裝;精品也是由車廠統(tǒng)一安排配套的，但是在車輛下線后加裝;后裝是車輛出廠到了分銷店后，再由全景廠家安裝在車上的產(chǎn)品。

工業(yè)設(shè)計是按照現(xiàn)代美學(xué)、人體工程學(xué)對商業(yè)產(chǎn)品進行先期外形設(shè)計的藝術(shù)方法，務(wù)求讓產(chǎn)品更符合大眾審美觀念，使用更加舒適、方便、安全，越是復(fù)雜的產(chǎn)品，就越需要先期進行產(chǎn)品的工業(yè)設(shè)計。一般的工業(yè)設(shè)計首先在于外形設(shè)計，并不涉及內(nèi)部結(jié)構(gòu)（當(dāng)然不能違反結(jié)構(gòu)原則），就可以在較短時間內(nèi)完成設(shè)計并提交各方討論，綜合意見后進行反復(fù)修改、完善，最終使外形達到時尚、美觀、方便操作。確定外形后，再進行內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計，可免掉反復(fù)修改時涉及內(nèi)部結(jié)構(gòu)修改的麻煩。

工業(yè)設(shè)計手段主要用于外形設(shè)計，但也能做結(jié)構(gòu)。工業(yè)設(shè)計的常用軟件Rhinoceros、3ds Max等主要偏向于造型能力，數(shù)字化處理能力比不上Pro/E、UG、CATIA等專用于結(jié)構(gòu)設(shè)計和機械加工的軟件。但對比較簡單的產(chǎn)品，工業(yè)設(shè)計軟件同樣能在完成外形的同時，兼顧到內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2 影響控制單元設(shè)計的結(jié)構(gòu)和工藝要素

控制單元的結(jié)構(gòu)雖然相對簡單，但同樣有嚴(yán)格的要求，車載產(chǎn)品處于比較嚴(yán)苛的環(huán)境下工作，要承受很嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)測試，需要合理的結(jié)構(gòu)和用料。

2.1 用料

單元機殼用料有三種：鋁、鋼板和塑料。

從強度、耐用的角度看，三種材料都可用，可是還是有區(qū)別的：全景系統(tǒng)需要處理大量動態(tài)圖像信息，其主控芯片（CPU）、圖像處理芯片、可擦寫存儲芯片（FLASH）、臨存芯片（DDR）等都會發(fā)熱，主控發(fā)熱最嚴(yán)重，車輛在夏天太陽下停放時，車內(nèi)溫度可達到70C°以上，全景系統(tǒng)開機后，合并了車內(nèi)溫度的芯片，工作溫度最高可達110C°以上。在這樣環(huán)境下工作無疑很危險，散熱能力就顯得很重要了。鋁的導(dǎo)熱性最好，鋼次之，塑料是熱的不良導(dǎo)體，所以，機殼最好用鋁，塑料雖然成本較低，但性能不符合控制單元的工作要求，最好不要用。

2.2 加工工藝

不同的材料做殼體，用的工藝不一樣。塑料殼體用塑料注射成形工藝，要有相應(yīng)的模具，產(chǎn)生模具費用，但同等體積下，塑料重量較輕，成本也較低。

鋼板制作殼體的工藝有兩種：沖壓和鈑金。車內(nèi)空間有限，機殼做得越小越好，用的鋼板厚度在0.8～1.5mm之間，如果有確定的、量較大的訂單，沖壓效率較高，但需要做沖壓模具，批量大時才會分?jǐn)偝鲚^低成本;不確定批量時，應(yīng)用配套了專用工具的數(shù)控機床進行鈑金加工，雖然二者加工原理相同，效率卻不一樣，大批量時鈑金加工成本比沖壓高。

用鋁做殼體的工藝常用的也有兩個：鋁型材加工和壓鑄加工。鋁型材加工是主流方法，用于精品和后裝的全景產(chǎn)品中較多，圖5就是按鋁型材設(shè)計的機殼。鋁型材的模具成本較低，主體用鋁型材，兩端封蓋就只能用鋁板沖壓而成了。在某些發(fā)熱不高的系統(tǒng)中，為了節(jié)省成本，常常將上下兩片殼體做成形狀一樣的，這樣就只需一個鋁材擠出模就滿足加工要求了，但這種結(jié)構(gòu)一般無法帶上散熱片。壓鑄機殼多用于前裝產(chǎn)品，前裝才有比較固定的大批量，因為鋁的壓鑄模具是比較貴的，價格是同體積塑料模具的2～3倍，沒有較大批量訂單的支持，成本就很高了。鋁殼由于用料是鋁，材料比較貴，所以成本是三種中最高的。

2.3 散熱

主機散熱方法是傳導(dǎo)、對流，傳導(dǎo)只用于熱的良好導(dǎo)體。塑料就無法用傳導(dǎo)的方法，只能用對流散熱，在殼體上開孔，通過空氣對流帶走熱量，但芯片體積不大，這樣的散熱效率太低。

鋁和鋼板機殼散熱比塑料好，將殼體當(dāng)散熱片，芯片用導(dǎo)熱膠貼到殼體上，可快速將芯片的發(fā)熱散發(fā)掉，降低工作溫度和工作風(fēng)險。但兩者散熱效率還是區(qū)別的，鈑金殼子薄，熱容積不大，也無法做出散熱片結(jié)構(gòu)增加與空氣的接觸面積，加上鋼的導(dǎo)熱性比不上鋁，就決定了鈑金殼的散熱能力還是不太能滿足需要，只能用于芯片發(fā)熱較低的系統(tǒng)。

鋁殼是合適的散熱材料，雖然價格相對高些，可散熱能力強于前兩種，無論是型材還是壓鑄，都能做出需要的形狀和散熱結(jié)構(gòu)，可在對應(yīng)芯片的位置加厚殼體，增加熱容積，也可在同樣位置上設(shè)計散熱片，增加散熱能力。重要的全景項目，用的都是鋁殼，以保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

無論鋁殼還是鈑金殼都開孔，作為輔助散熱措施。但車載產(chǎn)品有防塵防水要求，開孔后必須在孔上貼上薄紗網(wǎng)防塵，以免降低了系統(tǒng)的可靠性。

2.4 控制單元固定

前裝全景產(chǎn)品在車輛設(shè)計時已經(jīng)預(yù)留安裝位置和相關(guān)結(jié)構(gòu)，一般放在車輛中控臺內(nèi)，也有在別的位置，但由于需要拉出較長的聯(lián)接線，易產(chǎn)生干擾，不如在中控位置合理。設(shè)計時可以在機殼上直接做出安裝孔。精品、后裝產(chǎn)品，不是原車設(shè)計時就考慮要安裝的，就沒必要做出安裝孔了，一般是用強力膠墊或尼龍捆扎帶將主機固定在中控臺內(nèi)合適位置上。

3 實例

下面是用工業(yè)設(shè)計軟件進行設(shè)計的過程，造型軟件為Rhinoceros 5.0（俗稱犀牛軟件），結(jié)構(gòu)軟件為proe_wild fire5.0。

3.1 PCBA造型

結(jié)構(gòu)設(shè)計一般都在PCBA（電路板）出來以后，板上各元件的位置、大小都已固定，造型一定要按實際元件大小來建模。如果為了縮短設(shè)計工期，在PCBA還未完成時就進行機殼設(shè)計，必須與硬件工程師將板的邊際尺寸，各接插件的位置、型號，指示燈的位置、大小、高度等聯(lián)接硬件與結(jié)構(gòu)的要素確定下來。一般不要這樣做，硬件設(shè)計有很多不確定因素，樣品出來后，要經(jīng)過繁復(fù)的測試和優(yōu)化才能穩(wěn)定，在之前，是隨時有修改可能的，結(jié)構(gòu)的需要不是影響修改的必要條件。

3.2 面殼和底殼設(shè)計

系統(tǒng)發(fā)熱比較嚴(yán)重，可能達到100C°以上，必須在面殼上做出散熱片結(jié)構(gòu)，并且需要散熱能力比較強，所以在整個大面上都均勻布置了散熱片。散熱片的設(shè)計必須符合結(jié)構(gòu)要求，做成端薄根厚的型式，殼的壁厚要均勻，并符合結(jié)構(gòu)規(guī)則要求。

底殼上可做出了兩排散熱孔，孔不能過小，一般取3～4mm，太小妨礙流動，太大不好做三防?，F(xiàn)在的結(jié)構(gòu)是初步的，沒有將固定兩側(cè)端蓋的螺絲孔和面底蓋扣合的臺階做出來，這些小結(jié)構(gòu)待整個外形確定后再做更好，可以省掉修改的麻煩。

3.3 端蓋設(shè)計

端蓋設(shè)計應(yīng)按照PCBA建模的位置開孔和留間隙，保證產(chǎn)品生產(chǎn)時不會出現(xiàn)誤差。鋁型材加工是用設(shè)備將長條的型材裁成符合要求的一段段，并且精加工到規(guī)定的尺寸范圍內(nèi)，所以殼體兩端的邊緣比較鋒利，沒有遮擋很易被割傷，端蓋應(yīng)能完全擋住殼體的端口，起到安全保護作用。螺絲孔位置必須能夠放置螺絲結(jié)構(gòu)，在隨后的結(jié)構(gòu)細(xì)化時，殼體上的螺孔要對得上端蓋上設(shè)的沉孔。端蓋上那排孔是為了讓散熱片間的空氣能順利流通，無這排孔，散熱片兩頭被堵住，片間空氣流通不暢，散熱效率會受影響。

3.4 螺絲螺柱設(shè)計

端蓋固定螺絲的設(shè)計只是為了效果比較逼真，沒有實際意義，做個符合標(biāo)準(zhǔn)件尺寸的螺絲頭就夠了。PCB板用螺柱固定，散熱片上銑出四個避空位置，安放鉚壓螺柱，用模具開孔，將鉚壓螺柱壓入孔內(nèi)鉚緊即可。

對于這個環(huán)節(jié)，也許會有疑問：為何不將螺柱鉚在底殼上，將其鉚在面殼上要特意切出避空位置，會增加成本。原設(shè)計是放在底殼的，但問題是芯片主要靠面殼散熱，想導(dǎo)熱效果好，不但膠要用得薄，而且還需有一定的壓緊力，才能更好地傳導(dǎo)熱量。螺柱在底殼上，就難以形成預(yù)壓力，所以改成在面殼鉚螺絲柱。

至此，殼體的設(shè)計基本完成。

3.5 渲染準(zhǔn)備

建模完成后，還需要做以下準(zhǔn)備工作：一是做背景板;二是需對各零件和背景賦予合適的材質(zhì);三是必須布置適當(dāng)?shù)臒艄庹彰?，增加產(chǎn)品的真實性和美觀性。這樣才能取得與實物相近的效果。

3.6 渲染效果

在做完以上工作后，可以進行產(chǎn)品效果渲染了。由于產(chǎn)品比較簡單，不需用更高級的渲染器，就用犀牛自帶的渲染器就可以，渲染出來的產(chǎn)品效果如圖5，可提交給客戶評審了。

3.7 結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計

犀牛文件不能直接打開到PROE中繼續(xù)設(shè)計，需要有過渡的文件格式。得到客戶外形確認(rèn)后，可將犀牛文件中多余的東西（背景、燈光、PCB、螺絲螺柱等）去掉，將剩下的模型導(dǎo)出成擴展名為“.stp”或“.igs”格式的文件，這兩種格式可用于兩種軟件間的數(shù)據(jù)交換。

將過渡文件導(dǎo)入到PROE中，就能在PROE上產(chǎn)生如圖的模型，并可在此基礎(chǔ)上繼續(xù)進行結(jié)構(gòu)的細(xì)化設(shè)計，直到完成整個控制單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

4 結(jié)束語

客戶都希望得到的產(chǎn)品能做到外觀新穎，設(shè)計合理耐用，用工業(yè)設(shè)計方法進行產(chǎn)品的外觀設(shè)計同時兼顧基本的結(jié)構(gòu)設(shè)計，就可在提交客戶評審?fù)庑蔚耐瑫r準(zhǔn)備好內(nèi)部結(jié)構(gòu)，客戶一旦確認(rèn)外形，很快就能拿出整個單元的完整結(jié)構(gòu)，有效縮短產(chǎn)品的設(shè)計時間。博維公司為客戶定向設(shè)計的幾十款全景系統(tǒng)控制單元大部分用這個方法設(shè)計，在產(chǎn)品外形得到客戶確認(rèn)后一天左右，整個結(jié)構(gòu)設(shè)計就能全部完成，大大縮短產(chǎn)品的設(shè)計需要時間，為客戶節(jié)省開發(fā)時間、爭取市場主動創(chuàng)造了條件。

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