客车智能雨刮系统设计.pdf

客 车 智 能 雨 刮 系 统 设 计吕 科 , 石 振 东 , 罗 永 革 , 佘 建 强 , 刘 珂 路( 湖 北 汽 车 工 业 学 院 汽 车 工 程 系 , 湖 北 十 堰 4 4 2 0 0 2 )摘 要 : 分 析 了 传 统 客 车 雨 刮 ; 对 车 用 红 外 雨 量 传 感 器 进 行 了 研 究 ; 结 合 单 片 机 控 制 提 出 了 客 车 智 能 雨 刮 系 统 的低 成 本 解 决 方 案 , 具 有 良 好 的 应 用 前 景 。关 键 词 : 客 车 ; 红 外 雨 量 传 感 器 ; 智 能 雨 刮中 图 分 类 号 : U 4 6 3 . 8 5+5 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 1 0 0 8 - 5 4 8 3 ( 2 0 0 7 ) 0 4 - 0 0 0 5 - 0 4D e s i g n o f I n t e l l i g e n t W i n d s c r e e n W i p e r S y s t e m f o r B u K e , S h i Z h e n d o n g , L u o Y o n g g e , S h e J i a n q i n g , L i u K e l u( D e p t . o f A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g , H u b e i A u t o m o t i v e I n d u s t r i e s I n s t i t u t e , S h i y a n 4 4 2 0 0 2 , C h i n a )A b s t r a c t : T h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e t r a d i t i o n a l w i n d s c r e e n w i p e r o f b u s w a s a n a l y z e d . T h e i n f r a r e dr a i n s e n s o r f o r v e h i c l e s w a s r e s e a r c h e d . C o m b i n e d w i t h m i c r o - c o n t r o l l e r s c o n t r o l , t h e l o w c o s t s o l u -t i o n o f i n t e l l i g e n t w i n d s c r e e n w i p e r s y s t e m o f b u s w a s g i v e n .K e y w o r d s : b u s ; i n f r a r e d r a i n s e n s o r ; i n t e l l i g e n t w i n d s c r e e n w i p e 器 是 汽 车 车 身 系 统 的 重 要 组 成 之 一 , 关 系到 汽 车 雨 天 行 车 安 全 性 。 据 统 计 , 全 世 界 雨 天 行 车7 % 的 交 通 事 故 是 由 驾 驶 员 手 动 操 作 雨 刮 器 引 起的 。 随 着 汽 车 电 子 迅 猛 发 展 , 出 现 了 应 用 雨 量 传 感器 根 据 雨 量 大 小 进 行 智 能 控 制 的 雨 刮 器 , 雨 天 行 车时 无 需 手 动 雨 刮 器 , 驾 驶 者 也 无 需 调 节 雨 刮 器 设 置来 迅 速 停 止 刮 片 的 运 动 或 得 更 好 的 视 角 。 当 在 湿 路面 上 驾 驶 时 , 若 有 水 溅 到 了 风 窗 玻 璃 上 , 无 需 动 手打 开 雨 刮 器 , 驾 驶 者 可 以 集 中 精 力 开 车 , 大 大 提 高了 汽 车 雨 天 行 车 的 舒 适 性 与 安 全 性 。智 能 雨 刮 器 在 国 外 已 广 泛 应 用 于 各 种 车 型 , 在国 内 东 风 标 致 3 0 7 、 一 汽 大 众 速 腾 等 中 高 档 轿 车 装备 了 智 能 雨 刮 , 而 乘 客 人 数 较 多 的 中 巴 车 、 大 客 车却 极 少 装 备 。 究 其 原 因 , 主 要 是 智 能 雨 刮 器 的 雨 量传 感 器 及 控 制 器 大 多 数 依 赖 进 口 , 价 格 较 高 ; 其 次 ,对 于 传 统 的 中 巴 车 大 客 车 , 由 于 安 装 智 能 雨 刮 造 成的 改 动 较 多 。 因 此 , 在 国 内 客 车 行 业 中 一 种 低 成 本 、易 于 安 装 维 护 的 智 能 雨 刮 器 具 有 很 好 的 市 场 前 景 。1传 统 客 车 雨 刮 器传 统 客 车 雨 刮 器 机 构 如 图 1 所 示 , 通 过 带 蜗 轮蜗 杆 减 速 器 的 雨 刮 电 机 推 动 四 杆 机 构 同 时 带 动 两侧 刮 臂 刮 片 摆 动 实 现 风 窗 玻 璃 清 洁 。 雨 刮 器 开 启 及其 工 作 模 式 ( 快 慢 挡 ) 选 择 由 驾 驶 者 手 动 操 作 雨 刮器 组 合 开 关 接 通 电 源 切 换 电 机 工 作 电 枢 实 现 控 制 。图 1 传 统 客 车 雨 刮 机 构可 见 , 传 统 客 车 雨 刮 器 结 构 功 能 简 单 , 完 全 依 靠驾 驶 者 手 动 控 制 。收 稿 日 期 : 2 0 0 7 - 1 0 - 0 8作 者 简 介 : 吕 科 ( 1 9 8 2 - ) , 男 , 四 川 广 安 人 , 从 事 汽 车 电 子 研 究 。湖 北 汽 车 工 业 学 院 学 报J o u r n a l o f H u b e i A u t o m o t i v e I n d u s t r i e s I n s t i t u t 1 卷 第 4 期2 0 0 7 年 1 2 月V o l . 2 1 N o . 4D e c . 2 0 0 7湖 北 汽 车 工 业 学 院 学 报 2 0 0 7 年 1 2 月2红 外 雨 量 传 感 器 设 计2 . 1 红 外 雨 量 传 感 器 原 理车 用 红 外 雨 量 传 感 器 运 用 光 从 光 密 介 质 到 光疏 介 质 传 导 全 反 射 原 理 如 图 2 所 示 , 雨 量 传 感 器 红外 发 射 管 与 接 收 管 安 装 在 风 窗 玻 璃 后 方 且 浸 在 填充 层 中 的 填 充 介 质 中 , 发 射 的 红 外 线 经 填 充 层 入 射到 玻 璃 中 , 由 于 入 射 角 大 于 4 2 ( 玻 璃 空 气 全 反射 临 界 角 ) 在 玻 璃 与 空 气 的 分 界 面 上 发 生 全 反 射 ,红 外 线 经 全 反 射 由 红 外 接 收 管 接 收 。 若 玻 璃 上 存在 水 滴 , 由 于 入 射 角 小 于 6 3 ( 玻 璃 水 全 反 射 临界 角 ) , 在 玻 璃 与 水 滴 分 界 面 处 红 外 线 完 全 折 射 到水 滴 中 , 该 束 红 外 线 不 能 反 射 到 接 收 管 , 水 滴 越 多接 收 管 收 到 的 红 外 线 越 少 , 由 此 计 算 雨 量 大 小 。图 2 红 处 雨 量 传 感 器 原 理 图红 外 雨 量 传 感 器 设 计 使 用 必 须 满 足 3 个 条 件 :1 ) 红 外 发 射 管 的 角 度 必 须 使 红 外 线 入 射 角 大 于 4 2 小 于 6 3 ; 2 ) 填 充 层 填 充 介 质 折 射 率 尽 量 与 玻 璃 接近 ; 3 ) 安 装 时 保 证 填 充 层 与 风 窗 玻 璃 间 无 气 泡 。2 . 2 红 外 雨 量 传 感 器 电 路 设 计如 图 3 本 设 计 采 用 感 应 区 域 内 均 布 4 个 红 外发 射 二 极 管 并 联 以 脉 冲 调 制 方 式 依 次 间 隔 发 射 红外 线 。 红 外 接 收 电 路 采 用 两 并 联 红 外 接 收 二 极 管 ,其 封 装 为 滤 除 可 见 光 设 计 , 接 收 管 1 接 收 发 射 管1 、 2 发 射 的 红 外 线 , 接 收 管 2 接 收 发 射 管 3 、 4 发 射的 红 外 线 , 感 应 区 域 内 无 水 滴 时 4 个 发 射 管 中 任 一发 射 红 外 线 则 雨 量 信 号 输 出 口 即 可 得 到 相 应 脉 冲信 号 。 外 界 自 然 光 中 含 有 的 部 分 红 外 线 会 对 接 收管 产 生 一 定 干 扰 且 自 然 光 强 度 随 天 气 环 境 变 化 , 灵敏 度 选 择 1 8 对 应 接 收 管 取 样 电 阻 阻 值 由 小 到 大从 而 实 现 对 红 外 反 射 信 号 由 小 到 大 的 接 收 灵 敏 度以 适 应 外 界 环 境 变 化 , 被 选 择 的 灵 敏 度 通 道 置 低 电平 其 余 为 高 电 平 。图 3 雨 量 传 感 器 电 路3智 能 雨 刮 系 统 控 制 硬 件 设 计传 统 客 车 雨 刮 器 一 般 具 有 间 歇 ( I N T ) 、 慢( L O ) 、 快 ( H I ) 3 种 工 作 模 式 选 择 , 电 机 有 电 源 + 、 电源 - 、 复 位 、 慢 挡 、 快 挡 5 根 引 出 线 , 汽 车 行 驶 时 电源 + 、 电 源 - 与 整 车 电 源 常 通 。 为 不 改 变 原 车 线 束 ,控 制 器 采 用 过 渡 连 接 器 形 式 安 装 , 如 图 4 所 示 , 原车 线 束 由 过 渡 连 接 器 经 控 制 器 连 接 到 雨 刮 电 机 。 控制 器 工 作 电 源 为 雨 刮 电 机 电 源 , 由 其 控 制 快 、 慢 挡线 通 断 并 从 复 位 线 获 得 电 机 复 位 信 号 , 同 时 取 消 原车 雨 刮 I N T 模 式 改 为 雨 刮 器 自 动 ( A U T O ) 模 式 ,A U T O 模 式 使 能 信 号 从 原 I N T 模 式 控 制 线 获 得 。 雨刮 器 处 于 A U T O 模 式 时 慢 挡 、 快 挡 线 由 控 制 器 内继 电 器 控 制 断 开 , 切 断 组 合 开 关 与 雨 刮 电 机 的 连接 , 单 片 机 根 据 当 前 雨 量 大 小 结 合 电 机 驱 动 电 路 连接 雨 刮 电 机 快 挡 线 对 其 进 行 调 速 控 制 , 传 统 雨 刮 电图 4 智 能 雨 刮 器 线 路 图6 第 2 1 卷 第 4 期机 调 速 性 能 不 理 想 , 因 此 电 机 目 标 转 速 处 于 快 、 慢挡 之 间 时 连 接 快 挡 线 对 电 机 调 速 , 目 标 转 速 低 至 慢挡 转 速 时 不 对 电 机 调 速 直 接 连 接 慢 挡 线 工 作 , 雨 量再 下 降 则 采 用 慢 挡 间 歇 模 式 ; 雨 刮 器 处 于 手 动 模 式( L O W 或 H I G H ) 时 快 、 慢 挡 线 由 控 制 器 内 继 电 器 处于 常 闭 状 态 接 通 , 组 合 开 关 与 雨 刮 电 机 直 接 连 接 恢复 原 车 手 动 模 式 , 该 系 统 默 认 模 式 为 手 动 模 式 。单 片 机 作 为 该 系 统 智 能 核 心 位 于 雨 量 传 感 器内 , 实 现 以 下 功 能 : 1 ) 检 测 A U T O 模 式 启 动 信 号 ;2 ) 控 制 红 外 发 射 接 收 电 路 探 测 当 前 雨 量 ; 3 ) 根 据雨 量 对 雨 刮 电 机 进 行 控 制 ; 4 ) 在 传 感 器 探 测 失 效时 报 警 提 醒 驾 驶 者 。 该 系 统 单 片 机 所 需 资 源 较 少 ,可 选 用 较 为 廉 价 的 汽 车 级 8 位 单 片 机 , 如 4 2 引 脚F r e e s c a l e M C 6 8 H C 9 0 8 S R 1 2 , 其 总 线 时 钟 为 8 M H z ,具 备 1 2 k B F l a s h R O M , 且 集 成 了 P W M 硬 件 模 块可 简 化 电 机 调 速 控 制 软 件 设 计 。4智 能 雨 刮 系 统 控 制 软 件 设 计4 . 1 雨 量 检 测 子 程 序 设 计四 路 红 外 发 射 分 别 以 6 2 . 5 H z 间 隔 发 射 红 外线 , 传 感 器 感 应 区 域 内 无 水 滴 时 各 路 红 外 信 号 均 能在 风 窗 玻 璃 与 车 前 空 气 的 分 界 面 发 生 全 反 射 , 完 成1 个 发 射 周 期 红 外 接 收 电 路 应 输 出 4 个 脉 冲 方 波 ,即 雨 量 传 感 器 输 出 口 此 时 输 出 2 5 0 H z 方 波 , 控 制时 序 如 图 5 所 示 。 由 图 5 可 得Fr a i n= 4 Fs e n t!Dr a i n= 4 Ds e n : Fr a i n 雨 量 信 号 频 率 ; Fs e n t 红 外 发 射 信 号 频率 ; Dr a i n 雨 量 信 号 占 空 比 ; Ds e n t 红 外 发 射 信 号占 空 比 。图 5 红 外 发 射 接 收 时 序发 射 信 号 最 大 占 空 比 为 2 5 % , 即 高 电 平 时 间最 大 为 4 m s 。 该 设 计 方 案 中 为 获 得 占 空 比 为 5 0 %的 雨 量 脉 冲 信 号 , 因 此 发 射 脉 冲 占 空 比 为 1 2 . 5 % ,其 高 电 平 时 间 为 2 m s 。感 应 区 域 内 无 水 滴 时 选 定 较 低 的 接 收 灵 敏 度 ,1 个 发 射 周 期 内 雨 量 信 号 应 输 出 4 个 脉 冲 ; 感 应 区域 内 出 现 水 滴 时 , 反 射 信 号 受 到 削 弱 出 现 脉 冲 丢失 , 则 需 改 变 灵 敏 度 重 新 收 到 4 个 脉 冲 雨 量 信 号 。雨 量 探 测 软 件 设 计 中 始 终 选 取 刚 好 能 保 持 4 个 雨量 脉 冲 信 号 的 最 小 灵 敏 度 , 所 需 灵 敏 度 越 高 证 明 雨量 越 大 , 据 此 可 实 时 监 控 雨 量 变 化 。 最 小 灵 敏 度 确定 如 图 6 所 示 , 红 外 发 射 信 号 占 空 比 上 升 到 2 5 % ,其 高 电 平 时 间 为 4 m s , 雨 量 脉 冲 信 号 占 空 比 为1 0 0 % , 则 在 发 射 红 外 线 均 能 被 接 收 管 接 收 的 情 况下 雨 量 信 号 始 终 保 持 高 电 平 。 灵 敏 度 随 发 射 周 期 由高 至 低 变 化 , 若 出 现 雨 量 信 号 为 低 电 平 , 该 处 灵 敏度 高 一 级 为 接 收 灵 敏 度 ; 始 终 保 持 高 电 平 则 最 低 灵敏 度 1 为 接 收 灵 敏 度 ; 雨 量 信 号 一 直 为 低 电 平 则 取最 高 灵 敏 度 8 为 接 收 灵 敏 度 。 由 于 存 在 外 界 红 外 线干 扰 , 需 确 定 雨 量 探 测 能 采 用 的 最 高 灵 敏 度 , 四 路红 外 发 射 均 关 闭 灵 敏 度 由 低 至 高 变 化 , 此 时 接 收 管仅 仅 接 收 外 界 红 外 线 。 随 灵 敏 度 增 加 雨 量 信 号 出 现高 电 平 则 该 处 灵 敏 度 的 低 一 级 为 接 收 灵 敏 度 上 限 ;雨 量 信 号 一 直 为 低 电 平 则 上 限 为 灵 敏 度 8 ; 始 终 为高 电 平 说 明 传 感 器 因 外 界 光 太 强 导 致 失 效 。雨 量 大 小 由 刚 好 保 持 4 个 雨 量 脉 冲 的 灵 敏 度进 行 衡 量 , 所 需 灵 敏 度 越 高 雨 量 越 大 。 该 设 计 雨 量传 感 器 拥 有 8 种 灵 敏 度 , 雨 量 大 小 分 为 8 个 等 级 。雨 量 探 测 子 程 序 流 程 如 图 7 所 示 , 若 探 测 灵 敏 度 达到 灵 敏 度 上 限 持 续 1 0 s , 确 定 探 测 失 效 则 需 报 警 请求 驾 驶 者 进 行 雨 刮 器 手 动 控 制 。4 . 2 智 能 雨 刮 系 统 控 制 软 件 设 计雨 刮 器 开 启 处 于 A U T O 模 式 时 , 由 单 片 机 控制 继 电 器 切 断 快 、 慢 挡 线 断 开 组 合 开 关 对 电 机 的 快慢 挡 控 制 , 单 片 机 控 制 雨 量 传 感 器 发 射 红 外 线 探 测当 前 雨 量 , 根 据 所 探 测 雨 量 对 雨 刮 电 机 调 速 。 雨 刮电 机 调 速 模 式 根 据 雨 量 由 小 到 大 分 为 间 歇 调 速 模图 6 雨 量 探 测 最 小 灵 敏 度 确 定吕 科 等 : 客 车 智 能 雨 刮 系 统 设 计7 湖 北 汽 车 工 业 学 院 学 报 2 0 0 7 年 1 2 月!式 、 电 机 转 速 慢 到 快 的 连 续 调 速 模 式 。 雨 量 较 小 时采 用 间 歇 调 速 模 式 , 雨 量 较 大 时 自 动 切 换 到 连 续 模式 。 在 连 续 一 段 时 间 内 , 没 有 检 测 到 水 滴 后 , 单 片机 获 得 电 机 复 位 位 置 信 号 时 , 控 制 电 机 驱 动 电 路 对雨 刮 电 机 制 动 , 使 雨 刮 器 刮 片 自 动 回 到 复 位 位 置 ,停 止 刮 水 , 控 制 软 件 流 程 如 图 8 所 示 。 雨 量 探 测 失效 时 , 系 统 根 据 失 效 前 状 态 进 入 降 级 模 式 , 即 失 效前 探 测 有 雨 滴 则 慢 速 , 清 洁 风 窗 玻 璃 同 时 控 制 报 警蜂 鸣 器 发 声 , 请 求 驾 驶 者 手 动 操 控 雨 刮 器 , 失 效 前无 雨 滴 则 雨 刮 器 停 止 在 复 位 位 置 并 报 警 。 5 T r o y M i l l e r , G i o r g i o R i z z o n i , Q i n g y u a n L i . S i m u l a t i o nb a s e d h y b r i d - e l e c t r i c v e h i c l e d e s i g n r e s e a r c h C / / F u -t u r e T r a n s p o r t a t i o n T e c h n o l o g y C o n f e r e n c e , W a r r e n d a l eP e n n , S A E P a p e r 1 9 9 9 - 0 1 - 1 1 5 0 . 6 L u k i c S . M , E m a d i A . E f f e c t s o f d r i v e t r a i n h y b r i d i z a t i o no n f u e l e c o n o m y a n d d y n a m i c p e r f o r m a n c e o f p a r a l l e l h y -b r i d e l e c t r i c v e h i c l e s J . V e h i c u l a r T e c h n o l o g y , I E E ET r a n s a c t i o n s 2 0 0 4 , 5 3 ( 3 ) : 3 8 5 - 3 8 9 . 7 M a r k e l T , B r o k e r A . A D V I S O R : S y s t e m s A n a l y s i s T o o lf o r A d v a n c e d V e h i c l e M o d e l i n g . J o u r n a l o f P o w e r S o u r c e ,4 8 0 1 ( 2 0 0 2 ) - 1 2 . 8 王 保 华 , 罗 永 革 . 基 于 典 型 行 驶 工 况 的 城 市 客 车 性 能 分析 J . 湖 北 汽 车 工 业 学 院 学 报 , 2 0 0 7 , 2