一種車載手自一體智能防霧除霧控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

倪紅兵　孫青

關(guān)鍵詞：汽車；智能座艙；智能防霧；除霧；車載系統(tǒng)

中圖分類號：U463.6 文獻標識碼：A

0 引言

在交通事故發(fā)生的起因中，有相當(dāng)一部分事故的發(fā)生是因為在冬天，或者下雨天的時候，由于汽車前擋風(fēng)玻璃出現(xiàn)霧氣造成駕駛員視線模糊，或者車外后視鏡出現(xiàn)霧氣看不清車身周邊及后方情況，從而引發(fā)了交通事故的發(fā)生。目前市場上現(xiàn)有的汽車智能除霧控制系統(tǒng)，多為探測除霧系統(tǒng)[1]。這種除霧系統(tǒng)在前風(fēng)窗玻璃已經(jīng)出現(xiàn)霧氣的情況下，才開始除霧。從出現(xiàn)霧氣，系統(tǒng)探測到霧氣，再到除霧系統(tǒng)開始工作，最后霧氣全部去除，這個過程需要數(shù)秒甚至更長的時間。這期間汽車前風(fēng)窗玻璃處于能見度極低的狀態(tài)下，危險系數(shù)非常高，極易造成交通事故的發(fā)生。

1 系統(tǒng)的先進性

本研究考慮到目前市場上探測型智能除霧系統(tǒng)的缺陷，可以在前風(fēng)窗玻璃和車外后視鏡起霧之前，根據(jù)環(huán)境條件，判斷前風(fēng)窗玻璃和車外后視鏡是否進入起霧高風(fēng)險狀態(tài)，從而提前開啟智能防霧系統(tǒng)，使前風(fēng)窗玻璃和車外后視鏡不會產(chǎn)生霧氣，保證駕駛安全。該系統(tǒng)需要操作簡單，避免駕駛員對除霧按鈕和HVAC 系統(tǒng)的頻繁操作以及誤操作，從而保障汽車內(nèi)人員的生命安全。同時，該系統(tǒng)也需要避免駕駛員在不當(dāng)時機，未關(guān)閉HVAC 系統(tǒng)，減少能源浪費。另外，該系統(tǒng)還應(yīng)該兼容傳統(tǒng)汽車的手動除霧按鍵功能。

2 系統(tǒng)的工作原理

在氣象學(xué)中，露點溫度是指空氣中所含的氣態(tài)水達到飽和而凝結(jié)成液態(tài)水所需要降至的溫度。由此可見，前風(fēng)窗玻璃上出現(xiàn)霧的原因，就是前風(fēng)窗玻璃的溫度，達到或低于車廂內(nèi)空氣的露點溫度。

Arden Buck 在《Applied Meteorology and Climatology》雜志中，提出了一種常數(shù)估值如下：

a =6.1121 mb，b =17.368，c =238.88℃ ；for 0℃≤T ≤ 50℃（error ≤ 0.05%）

a =6.1121 mb，b =17.966，c =247.15℃；for -40℃≤T ≤ 0℃（error ≤ 0.06%）

因此，要計算出空氣的露點溫度，就需要測量出空氣的溫度（T ）和相對濕度（RH ）[3]。本研究通過在汽車合適的位置安裝溫濕度傳感器，收集測量玻璃的溫度，以及玻璃后方空氣的溫度和濕度。

系統(tǒng)將玻璃的溫度和空氣的露點溫度相比，判斷玻璃處于起霧高風(fēng)險狀態(tài)時，分別向車身控制單元發(fā)出后視鏡加熱申請；或者通過CAN 電路，向空調(diào)控制單元發(fā)出前風(fēng)窗玻璃加熱或車內(nèi)制冷除濕申請。當(dāng)玻璃的溫度逐漸高于空氣的露點溫度就不會出現(xiàn)霧氣，從而保證駕駛安全。

3 系統(tǒng)的設(shè)計組成

本系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1 所示。手動后除霧按鍵和自動防霧/除霧按鍵均安裝于車內(nèi)空調(diào)控制面板附近，用于接收駕駛員手動啟動、關(guān)閉傳統(tǒng)的后除霧功能，以及接收駕駛員啟動、關(guān)閉自動防霧/ 除霧功能。按鍵檢測電路將對應(yīng)的按鍵信息，轉(zhuǎn)換成處理器能夠識別的電平信號。

該系統(tǒng)還可以實現(xiàn)語音控制。麥克風(fēng)將駕駛員控制啟動、關(guān)閉自動防霧/ 除霧功能的聲音聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號（模擬信號），通過汽車音頻處理器轉(zhuǎn)化為處理器所需的數(shù)字信號。而處理器輸出的除霜狀態(tài)提示音等通過汽車音頻處理器進行音階、音效和混音等處理后，轉(zhuǎn)化為模擬音頻信號，輸出給功率放大器。功率放大器將模擬音頻信號放大后，驅(qū)動車身喇叭將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)槁曅盘朳4]，播放系統(tǒng)的除霜狀態(tài)提示音。

該系統(tǒng)有2 個傳感器：一個是前風(fēng)窗玻璃溫濕度傳感器，用于測量車內(nèi)前擋風(fēng)玻璃的溫度，以及前擋風(fēng)玻璃后方、車內(nèi)的溫度和相對濕度；另一個是車外后視鏡溫濕度傳感器，用于測量車外后視鏡玻璃的溫度，以及車外后視鏡后方、車外的溫度和相對濕度。駕駛員啟動或關(guān)閉后除霧功能時，系統(tǒng)通過工作申請輸出電路向車身控制單元輸出打開、關(guān)閉車外后視鏡和后擋風(fēng)玻璃的加熱申請信號；車身控制單元發(fā)出的后除霧加熱工作狀態(tài)的反饋信號通過后除霧工作狀態(tài)輸入電路接收和識別，并傳送給處理器。系統(tǒng)和空調(diào)控制單元之間通過CAN 電路通信，以獲取空調(diào)控制單元的信息，以及控制空調(diào)控制單元的工作狀態(tài)，來啟動、關(guān)閉前擋風(fēng)玻璃防霧/ 除霧。

此外，系統(tǒng)還配表了TFT-LCD 顯示屏，用于系統(tǒng)UI人機交互界面的顯示，包括當(dāng)前除霧狀態(tài)等界面顯示。汽車和信息娛樂應(yīng)用處理器作為系統(tǒng)的“大腦”，用于處理上述所有按鍵檢測、語音識別、傳感器信息計算和分析、音頻和顯示處理以及控制輸出等。

4 系統(tǒng)的實施方案

本系統(tǒng)總實施流程如圖2 所示，具體步驟如下。

（1）系統(tǒng)通過前風(fēng)窗玻璃溫濕度傳感器，測量收集車內(nèi)前風(fēng)窗玻璃溫度，以及前風(fēng)窗玻璃后方車內(nèi)環(huán)境的溫度、相對濕度數(shù)據(jù)；通過車外后視鏡溫濕度傳感器，測量收集車外后視鏡玻璃溫度，以及車外后視鏡后方車外環(huán)境的溫度、相對濕度數(shù)據(jù)。

（2）系統(tǒng)通過公式（1）和公式（2），分別計算出車廂內(nèi)空氣的露點溫度和后視鏡后方的車外空氣的露點溫度，判斷前風(fēng)窗玻璃、車外后視鏡是否進入起霧高風(fēng)險區(qū)。因為當(dāng)玻璃溫度Tg，達到或低于露點溫度T_dp，即T_g≤T_dp時，玻璃上會出現(xiàn)霧。系統(tǒng)判斷玻璃溫度是否進入起霧高風(fēng)險區(qū)時，需要預(yù)留一定的余量T_th，也稱之為風(fēng)險余量。因此，當(dāng)T_g-T_th≤T_dp時，系統(tǒng)判斷進入起霧高風(fēng)險區(qū)。兼顧準確防霧以及節(jié)約能源考慮，該系統(tǒng)Tth取值1.45℃。

（3）如果對應(yīng)的玻璃進入起霧高風(fēng)險區(qū)，系統(tǒng)將發(fā)出防霧/除霧提醒。提醒信息包括顯示屏界面顯示、喇叭播放音頻提醒.（4）防霧/ 除霧觸發(fā)源檢測。如果檢測到防霧/ 除霧觸發(fā)源，則區(qū)分觸發(fā)源為手動除霧申請，還是自動防霧/ 除霧申請。如果檢測到觸發(fā)源為手動除霧按鍵，則執(zhí)行手動除霧工作子流程；如果檢測到觸發(fā)源為自動防霧/ 除霧按鍵，或者語音開啟自動防霧/ 除霧，則執(zhí)行自動防霧/ 除霧工作子流程。如果在手動除霧工作子流程中，收到自動防霧/ 除霧申請，則切換為自動防霧/ 除霧工作子流程；如果在自動防霧/ 除霧工作子流程中，收到手動除霧申請，則切換為手動除霧工作子流程。

4.1 手動除霧工作子流程

手動除霧工作子流程具體實施步驟如下。

（1）當(dāng)駕駛員按下手動除霧按鍵啟動后除霧功能時，后除霧工作申請輸出，即向車身控制單元發(fā)出車外后視鏡和后擋風(fēng)玻璃電阻絲的加熱申請信號。

（2）后除霧功能啟動后，系統(tǒng)識別車身控制單元向本系統(tǒng)發(fā)出的后除霧加熱設(shè)備工作狀態(tài)的反饋信號，判斷后除霧設(shè)備是否工作。

（3）當(dāng)駕駛員手動關(guān)閉后除霧功能時，系統(tǒng)首先檢測、確認是否有關(guān)閉手動除霧申請的觸發(fā)源。如果檢測到關(guān)閉手動除霧申請的觸發(fā)源后，則向車身控制單元發(fā)出關(guān)閉車外后視鏡和后擋風(fēng)玻璃電阻絲加熱的申請信號。

（4）系統(tǒng)接收并識別車身控制單元向本系統(tǒng)發(fā)出的后除霧加熱設(shè)備工作狀態(tài)的反饋信號，判斷后除霧設(shè)備是否關(guān)閉。

4.2 自動防霧/ 除霧工作子流程

當(dāng)開啟時，系統(tǒng)會同步監(jiān)測前風(fēng)窗玻璃、車外后視鏡，根據(jù)環(huán)境參數(shù)，分別做出后續(xù)處理。

4.2.1 針對車外后視鏡

當(dāng)開啟自動防霧/ 除霧功能時，系統(tǒng)通過車外后視鏡傳感器測量的參數(shù)，包括車外后視鏡玻璃的溫度以及車外后視鏡后方空氣的溫度和相對濕度，計算車外后視鏡后方空氣的露點溫度，以判斷車外后視鏡玻璃是否進入起霧高風(fēng)險區(qū)。如果車外后視鏡的玻璃進入起霧高風(fēng)險區(qū)，系統(tǒng)則發(fā)出后除霧工作申請輸出，即向車身控制單元發(fā)出車外后視鏡和后擋風(fēng)玻璃電阻絲的加熱申請信號。同時，系統(tǒng)會對后除霧工作狀態(tài)輸入檢測、確認，即接收并識別車身控制單元向本系統(tǒng)發(fā)出的后除霧加熱設(shè)備工作狀態(tài)的反饋信號，判斷后除霧設(shè)備是否工作。

在后除霧功能開啟后，系統(tǒng)隨時根據(jù)車外后視鏡后方空氣的露點溫度，判斷車外后視鏡玻璃是否進入安全區(qū)，即判斷Tg -ΔT＞Tdp 是否成立。其中，ΔT 為安全系數(shù)，本系統(tǒng)取值4.90℃。如果系統(tǒng)判斷車外后視鏡的玻璃溫度進入安全區(qū)，則向車身控制單元發(fā)出關(guān)閉車外后視鏡和后擋風(fēng)玻璃電阻絲加熱的申請信號。最后，系統(tǒng)接收并識別車身控制單元向本系統(tǒng)發(fā)出的后除霧加熱設(shè)備工作狀態(tài)的反饋信號，判斷后除霧設(shè)備是否關(guān)閉成功。

4.2.2 針對前擋風(fēng)玻璃

當(dāng)開啟自動防霧/ 除霧功能時，系統(tǒng)通過前擋風(fēng)玻璃傳感器測量的參數(shù)，包括車內(nèi)前風(fēng)窗玻璃的溫度，以及前風(fēng)窗玻璃后方、車內(nèi)的溫度和相對濕度，計算前風(fēng)窗玻璃后方車內(nèi)空氣的露點溫度，以判斷前風(fēng)窗玻璃是否進入起霧高風(fēng)險區(qū)。如果前風(fēng)窗玻璃溫度進入起霧高風(fēng)險區(qū)，系統(tǒng)則發(fā)出前風(fēng)窗玻璃除霧工作申請輸出。

如果車內(nèi)溫度≥ 26.00℃，系統(tǒng)則通過CAN 網(wǎng)絡(luò)“通知”空調(diào)控制單元[5]，將對著前風(fēng)窗玻璃的出風(fēng)口打開。同時，空調(diào)控制單元打開空調(diào)HVAC 系統(tǒng)，設(shè)置為外循環(huán)、制冷模式，降低車內(nèi)的相對濕度和溫度，從而降低車內(nèi)的露點溫度，使之低于前風(fēng)窗玻璃的溫度。如果車內(nèi)溫度＜ 26.00℃，系統(tǒng)則通過CAN“通知”空調(diào)控制單元，將對著前風(fēng)窗玻璃的出風(fēng)口打開。同時，空調(diào)控制單元設(shè)置到制熱模式，利用發(fā)動機冷卻液的熱能，直接吹熱風(fēng)加熱前風(fēng)窗玻璃，升高前風(fēng)窗玻璃的溫度，使之高于車內(nèi)露點溫度。

在自動防霧/ 除霧功能開啟時，系統(tǒng)通過CAN 網(wǎng)絡(luò)接收并檢測空調(diào)控制單元向本系統(tǒng)發(fā)出的工作狀態(tài)的反饋信號，判斷除霧設(shè)備是否工作。自動防霧/ 除霧工作過程中，系統(tǒng)根據(jù)前風(fēng)窗玻璃傳感器的參數(shù)，計算前風(fēng)窗玻璃后方車內(nèi)空氣的露點溫度，判斷前風(fēng)窗玻璃溫度是否進入安全區(qū)。如果前擋風(fēng)玻璃溫度進入安全區(qū)，系統(tǒng)會向空調(diào)系統(tǒng)控制單元發(fā)出空調(diào)系統(tǒng)關(guān)閉申請信號。最后，系統(tǒng)通過CAN 接收并檢測空調(diào)控制單元向本系統(tǒng)發(fā)出的空調(diào)系統(tǒng)關(guān)閉狀態(tài)的饋信號，判斷空調(diào)系統(tǒng)是否關(guān)閉。

5 結(jié)束語

該方案系統(tǒng)構(gòu)造簡單，有效地加強了中控系統(tǒng)與空調(diào)控制單元之間的聯(lián)系，可以幫助駕駛?cè)藛T確定前風(fēng)窗玻璃和車外后視鏡防霧除霧的必要性和時間。在前擋風(fēng)玻璃和車外后視鏡進入起霧高風(fēng)險狀態(tài)之前，提前開啟智能防霧系統(tǒng)，規(guī)避前風(fēng)窗玻璃和車外后視鏡起霧，保證駕駛安全。同時，該系統(tǒng)還在節(jié)省油耗方面起到了非常重要的作用，解決了智能座艙領(lǐng)域的一大難點。

作者簡介：

倪紅兵，本科，工程師，研究方向為汽車智能座艙產(chǎn)品硬件開發(fā)設(shè)計。