基于雨量光線傳感器的雨刮燈光智能控制系統(tǒng)

韓慶福， 韓大偉， 范安軍， 徐成竹， 張龍中

（北京福田戴姆勒汽車有限公司， 北京 101400）

1 前言

隨著車輛智能輔助駕駛應(yīng)用程度的提高， 人們對車輛自動化控制的要求也越來越高。 針對車輛傳統(tǒng)雨刮系統(tǒng)，通過人為判斷前擋風玻璃承受落雨量之模糊程度， 再以手動方式調(diào)整雨刷對應(yīng)的操作開關(guān)， 在某些場景下， 手動操作雨刮控制系統(tǒng)有可能會使駕駛員手忙腳亂， 有可能會給車輛的行駛安全帶來隱患。 因此， 車輛智能雨刮、 燈光控制系統(tǒng)， 對車輛行駛安全尤為重要。

車輛自動雨刮系統(tǒng)可以免除駕駛員手動操作雨刮開關(guān)的麻煩， 有效提高行車的安全性及汽車雨刮系統(tǒng)的可靠性；車輛自動燈光控制系統(tǒng)免除駕駛員手動操作燈光開關(guān)的麻煩， 當車輛進入車庫、 隧道等光線變暗的地方時， 自動燈光感應(yīng)系統(tǒng)將自動開啟車燈， 出來光線變亮的地方時將自動關(guān)閉車燈。 為此， 加裝自動雨刮、 燈光系統(tǒng)， 為目前各主機廠的開發(fā)方向， 且自動雨刷系統(tǒng)也將為車輛智能輔助駕駛提供基礎(chǔ)條件。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

基于雨量光線傳感器開發(fā)的雨刮、 燈光智能控制系統(tǒng)（圖1）， 包括雨量光線傳感器 （以下簡稱RLS）、 車身控制器、 儀表、 雨刮電機、 雨刮連桿系統(tǒng)、 雨刮組合開關(guān)、 燈光組合開關(guān)、 前照燈和后尾燈。 雨刮組合開關(guān)、 燈光組合開關(guān)與車身控制器的輸入口相連接， 雨量光線傳感器通過LIN線與車身控制器相連接， 儀表通過CAN總線與車身控制器相連接， 雨刮電機、 前照燈和后尾燈與車身控制器的輸出口相連接。

圖1 雨刮燈光智能控制系統(tǒng)

雨量光線傳感器采集計算雨量大小、 光照強度大小，轉(zhuǎn)化成雨刮指令及燈光開啟指令通過LIN總線發(fā)送給車身控制器， 車身控制器根據(jù)雨刮指令進行自動雨刮的相關(guān)控制動作， 同時根據(jù)雨刮組合開關(guān)的手動雨刮指令信號進行雨刮的間歇、 低速、 高速的動作。 車身控制器根據(jù)燈光開啟指令進行自動燈光的相關(guān)控制， 開啟位置燈和近光燈， 同時根據(jù)燈光組合開關(guān)的手動燈光指令進行位置燈、 近光燈或遠光燈的相關(guān)控制， 以實現(xiàn)雨刮、 燈光的自動和手動控制。 儀表顯示雨刮燈光控制系統(tǒng)的相關(guān)零部件故障， 以提醒用戶及時地進行維護。

3 技術(shù)方案

3.1 雨量光線傳感器的開發(fā)

3.1.1 自動燈光請求功能原理

自動燈光功能請求的實現(xiàn)， 通過使用環(huán)境光敏二極管感知外界環(huán)境光的變化情況， 隨著外界光線的變化， 環(huán)境光敏二極管采樣電壓也隨之變化， RLS根據(jù)采樣電壓判定外界的環(huán)境光光照強度， 并根據(jù)程序的控制策略向車身控制器發(fā)出相應(yīng)的位置燈、 近光燈照明指令信號。

自動燈光請求功能系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 自動燈光請求框圖

自動燈光請求功能應(yīng)能識別的環(huán)境有以下幾種， 見表1。

表1 場景識別

自動燈光請求功能控制策略： ①RLS光照模塊能正確識別白天、 隧道、 車庫和黑夜等幾種情況； ②RLS光照模塊感知到可見環(huán)境光亮度≤1000Lux時， 且延續(xù)時間大于1s時， 并且自動前照燈AUTO開關(guān)信號有效時， RLS通過LIN總線發(fā)送位置燈和近光燈開啟指令信號， 請求車身控制器點亮近光燈和位置燈； ③RLS光照模塊感知到可見環(huán)境光亮度>1600Lux時， 且延續(xù)時間大于5.5s時， 并且自動前照燈AUTO開關(guān)信號有效時， RLS通過LIN總線發(fā)送位置燈和近光燈關(guān)閉指令信號， 請求車身控制器關(guān)閉位置燈和近光燈。

3.1.2 自動雨刮請求功能原理

紅外發(fā)光二極管 （LED） 發(fā)出紅外線經(jīng)過光學元件整理形成一定入射角度的平行光束， 紅外線會在擋風玻璃內(nèi)表面產(chǎn)生全反射， 反射的紅外線經(jīng)過另一端光學元件聚焦到紅外光敏二極管 （PD） 上。 玻璃表面干燥的情況下， 默認為發(fā)射管發(fā)出的光線是平行入射到擋風玻璃上被最大化地反射回來， 通過光學元件匯聚后由PD接收。 當擋風玻璃外表面有雨滴時， 入射到擋風玻璃上的光線被部分散射掉，反射后PD接收的光線變少， 雨量越大則反射回來的光線越少。 通過與擋風玻璃干燥情況下接收的光線比較， 就可以得出目前擋風玻璃上水量的多少， 進而可以判斷出不同的雨量模式。 自動雨刮請求功能系統(tǒng)框圖見圖3。

圖3 自動雨刮請求框圖

自動雨刮請求功能詳述： RLS通過光學元器件來實現(xiàn)感知玻璃上的水汽， 當RLS自動雨刮請求功能激活后， RLS雨量模塊通過光學元器件來識別小雨、 中雨、 大雨等不同的降水形式。 然后雨量傳感器根據(jù)感知的水量， 通過LIN總線發(fā)送相應(yīng)的刮水速度指令信號給車身控制器， 車身控制器根據(jù)刮水速度指令信號控制雨刮電機執(zhí)行相應(yīng)的動作，實現(xiàn)自動雨刮功能。

不同雨量對應(yīng)的雨刮動作指令以及刮水速度指令信號的值如表2所示。

表2 刮水狀態(tài)識別

1） 雨刮停止： 雨刮處于停止位置， 只要檢測到雨量，無論小雨、 中雨、 大雨， 首先進入雨刮間歇點刮。

2） 雨刮點刮： RLS雨刮刮水速度指令間歇輸出1。 如果在5s的間隔時間內(nèi)， 只有小雨， 則維持在雨刮點刮中。當檢測到中雨時， 開始計數(shù)間隔刮次數(shù)。 根據(jù)靈敏度的不同 （由低到高）， 點刮3次后進入雨刮周期刮刷， 期間若檢測到中雨則直接進入連續(xù)低速刮刷。

3） 雨刮周期刮刷： 間隔時間根據(jù)車速和靈敏度值 （默認值為3）， 期間若檢測到中雨則直接進入連續(xù)低速刮刷。

4） 雨刮低速連續(xù)刮： RLS雨刮連續(xù)輸出1。 點刮模式遇到中雨進入低速連續(xù)刮。 周期刮模式遇到中雨進入到低速連續(xù)刮。 5s內(nèi)檢測到無中雨， 則退回至補刮。

5） 雨刮高速連續(xù)刮： RLS雨刮連續(xù)輸出2。 低速連續(xù)刮模式遇到大雨， 進入高速連續(xù)刮模式。 5s內(nèi)檢測到無大雨， 則退回至雨刮低速連續(xù)刮。

3.2 自動前照燈和自動雨刮組合開關(guān)的開發(fā)

3.2.1 帶AUTO擋的雨刮組合開關(guān) （圖4）

圖4 帶AUTO擋的雨刮組合開關(guān)

1） 開關(guān)置于OFF擋時， 雨刮系統(tǒng)關(guān)閉。

2） 當開關(guān)操作到 “AUTO” 時， 雨刮系統(tǒng)根據(jù)指令，自動執(zhí)行低速、 間歇、 或高速雨刮控制； 當雨量光線傳感器故障時， “AUTO” 擋可切換成 “INT” 擋功能執(zhí)行。

3） 當開關(guān)操作到 “LO” 時， 雨刮低速控制。

4） 當開關(guān)操作到 “HI” 時， 雨刮高速控制。

3.2.2 帶AUTO擋的燈光旋鈕開關(guān) （圖5）

圖5 帶AUTO擋的燈光旋鈕開關(guān)

1） 開關(guān)置于OFF擋時， 全部燈光熄滅。

2） 當開關(guān)操作到“AUTO” 時， 除遠光燈、前霧燈和后霧燈， 近光燈和位置燈自動控制。

3） 當開關(guān)操作到“位置燈” 時， 位置燈亮起， 在該位置上可以操作前、 后霧燈， 將旋鈕上拉4mm， 前霧燈亮起， 在這基礎(chǔ)上再拉4mm， 前、 后霧燈同時亮起。

4） 當開關(guān)操作到 “近光燈” 時， 位置燈與近光燈同時亮起， 在該位置上可以操作前、 后霧燈， 將旋鈕上拉4mm，前霧燈亮起， 在這基礎(chǔ)上再拉4mm， 前、 后霧燈同時亮起。

3.3 車身控制器的功能開發(fā)

根據(jù)雨量光線傳感器采集處理的數(shù)據(jù)， 車身控制器根據(jù)雨刮、 燈光指令進行自動雨刮、 自動燈光控制， 其應(yīng)用層控制邏輯如下。

車身控制器應(yīng)用層的自動雨刮控制模塊 （圖6） 用于接收來自雨刮組合開關(guān)的AUTO擋、 雨刮低速、 雨刮高速、 雨刮間歇時間調(diào)節(jié)和雨刮噴淋的開關(guān)信號， 控制雨刮系統(tǒng)自動和手動操作； 自動燈光控制模塊 （圖7） 用于接收來自燈光組合開關(guān)的AUTO擋、 位置燈、 近光燈、 遠光燈和霧燈的開關(guān)信號， 控制燈光系統(tǒng)的位置燈和近光燈的自動和手動操作。

圖6 自動雨刮控制模塊

圖7 自動燈光控制模塊

1） 自動雨刮工作邏輯： 點火鑰匙開關(guān)撥至ON擋， 雨刮組合開關(guān)撥至AUTO擋時， 當接收到雨量光線傳感器發(fā)送的CAN信息刮水速度指令連續(xù)為1時， 則車身控制器控制雨刮系統(tǒng)低速連續(xù)刮水； 當接收到雨量光線傳感器發(fā)送的CAN信息刮水速度指令為2時， 則車身控制器控制雨刮系統(tǒng)高速連續(xù)刮水； 當接收到雨量光線傳感器發(fā)送的CAN信息刮水速度指令周期性為1時， 則車身控制器控制雨刮系統(tǒng)間歇刮水； 當刮水速度指令為0時， 雨刮刮水停止。 若在刮刷過程中， 雨量光線傳感器發(fā)生故障時， 保持上一次刮水狀態(tài)， 直至下一次上鑰匙電復(fù)位。 同時， 儀表顯示雨量光線傳感器故障， 提醒用戶切換到手動雨刮操作。

2） 自動燈光工作邏輯： 點火鑰匙開關(guān)撥至ON擋， 燈光組合開關(guān)撥至AUTO擋時， 當接收到位置燈和近光燈工作指令均為01b時， 則車身控制器應(yīng)立即驅(qū)動位置燈和近光燈工作。 若在工作過程中， 雨量光線傳感器發(fā)生故障時，保持上一次燈光狀態(tài)， 直至下一次上鑰匙電復(fù)位。 同時，儀表顯示雨量光線傳感器故障， 提醒用戶切換到手動燈光操作。

4 總結(jié)

在手動雨刮操作的基礎(chǔ)上， 增加雨刮AUTO擋開關(guān)， 從而增加了自動雨刮系統(tǒng)控制， 可根據(jù)不同的場景， 選擇控制方式， 自動雨刮控制系統(tǒng)可以減少駕駛行駛期間分心操作動作， 確保玻璃落雨刮除保持干凈。 在手動組合開關(guān)的基礎(chǔ)上， 增加燈光AUTO開關(guān)， 從而增加了自動燈光控制，根據(jù)光照度的環(huán)境場景變化， 實現(xiàn)了燈光的自動控制。 智能雨刮、 燈光控制系統(tǒng)給駕駛員帶來了極大的駕駛舒適性，同時也提升了車輛駕駛的安全性。