一種車載手自一體智能防霧除霧控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

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(hào)：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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?yàn)樵诙欤蛘呦掠晏斓臅r(shí)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(chǎng)上現(xiàn)有的汽車智能除霧控制系統(tǒng)，多為探測(cè)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(cè)到霧氣，再到除霧系統(tǒng)開始工作，最后霧氣全部去除，這個(gè)過程需要數(shù)秒甚至更長(zhǎng)的時(shí)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(xiǎn)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(jìn)性

本研究考慮到目前市場(chǎng)上探測(cè)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(jìn)入起霧高風(fēng)險(xiǎn)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(huì)產(chǎn)生霧氣，保證駕駛安全。該系統(tǒng)需要操作簡(jiǎn)單，避免駕駛員對(duì)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(shí)，該系統(tǒng)也需要避免駕駛員在不當(dāng)時(shí)機(jī)，未關(guān)閉HVAC 系統(tǒng)，減少能源浪費(fèi)。另外，該系統(tǒng)還應(yīng)該兼容傳統(tǒng)汽車的手動(dòng)除霧按鍵功能。

2 系統(tǒng)的工作原理

在氣象學(xué)中，露點(diǎn)溫度是指空氣中所含的氣態(tài)水達(dá)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(dá)到或低于車廂內(nèi)空氣的露點(diǎn)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(jì)算出空氣的露點(diǎn)溫度，就需要測(cè)量出空氣的溫度（T ）和相對(duì)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(cè)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(diǎn)溫度相比，判斷玻璃處于起霧高風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，分別向車身控制單元發(fā)出后視鏡加熱申請(qǐng)；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(qǐng)。當(dāng)玻璃的溫度逐漸高于空氣的露點(diǎn)溫度就不會(huì)出現(xiàn)霧氣，從而保證駕駛安全。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)組成

本系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1 所示。手動(dòng)后除霧按鍵和自動(dòng)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(dòng)啟動(dòng)、關(guān)閉傳統(tǒng)的后除霧功能，以及接收駕駛員啟動(dòng)、關(guān)閉自動(dòng)防霧/ 除霧功能。按鍵檢測(cè)電路將對(duì)應(yīng)的按鍵信息，轉(zhuǎn)換成處理器能夠識(shí)別的電平信號(hào)。

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

該系統(tǒng)有2 個(gè)傳感器：一個(gè)是前風(fēng)窗玻璃溫濕度傳感器，用于測(cè)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(duì)濕度；另一個(gè)是車外后視鏡溫濕度傳感器，用于測(cè)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(duì)濕度。駕駛員啟動(dòng)或關(guān)閉后除霧功能時(shí)，系統(tǒng)通過工作申請(qǐng)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(qǐng)信號(hào)；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(hào)通過后除霧工作狀態(tài)輸入電路接收和識(shí)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(lái)啟動(dòng)、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(jī)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(cè)、語(yǔ)音識(shí)別、傳感器信息計(jì)算和分析、音頻和顯示處理以及控制輸出等。

4 系統(tǒng)的實(shí)施方案

本系統(tǒng)總實(shí)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(cè)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(duì)濕度數(shù)據(jù)；通過車外后視鏡溫濕度傳感器，測(cè)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(duì)濕度數(shù)據(jù)。

（2）系統(tǒng)通過公式（1）和公式（2），分別計(jì)算出車廂內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度和后視鏡后方的車外空氣的露點(diǎn)溫度，判斷前風(fēng)窗玻璃、車外后視鏡是否進(jìn)入起霧高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。因?yàn)楫?dāng)玻璃溫度Tg，達(dá)到或低于露點(diǎn)溫度T_dp，即T_g ≤T_dp 時(shí)，玻璃上會(huì)出現(xiàn)霧。系統(tǒng)判斷玻璃溫度是否進(jìn)入起霧高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)時(shí)，需要預(yù)留一定的余量T_th，也稱之為風(fēng)險(xiǎn)余量。因此，當(dāng)T_g -T_th ≤T_dp 時(shí)，系統(tǒng)判斷進(jìn)入起霧高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。兼顧準(zhǔn)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(duì)應(yīng)的玻璃進(jìn)入起霧高風(fēng)險(xiǎn)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(cè)。如果檢測(cè)到防霧/ 除霧觸發(fā)源，則區(qū)分觸發(fā)源為手動(dòng)除霧申請(qǐng)，還是自動(dòng)防霧/ 除霧申請(qǐng)。如果檢測(cè)到觸發(fā)源為手動(dòng)除霧按鍵，則執(zhí)行手動(dòng)除霧工作子流程；如果檢測(cè)到觸發(fā)源為自動(dòng)防霧/ 除霧按鍵，或者語(yǔ)音開啟自動(dòng)防霧/ 除霧，則執(zhí)行自動(dòng)防霧/ 除霧工作子流程。如果在手動(dòng)除霧工作子流程中，收到自動(dòng)防霧/ 除霧申請(qǐng)，則切換為自動(dòng)防霧/ 除霧工作子流程；如果在自動(dòng)防霧/ 除霧工作子流程中，收到手動(dòng)除霧申請(qǐng)，則切換為手動(dòng)除霧工作子流程。

4.1 手動(dòng)除霧工作子流程

手動(dòng)除霧工作子流程具體實(shí)施步驟如下。

（1）當(dāng)駕駛員按下手動(dòng)除霧按鍵啟動(dòng)后除霧功能時(shí)，后除霧工作申請(qǐng)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(qǐng)信號(hào)。

（2）后除霧功能啟動(dòng)后，系統(tǒng)識(shí)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(hào)，判斷后除霧設(shè)備是否工作。

（3）當(dāng)駕駛員手動(dòng)關(guān)閉后除霧功能時(shí)，系統(tǒng)首先檢測(cè)、確認(rèn)是否有關(guān)閉手動(dòng)除霧申請(qǐng)的觸發(fā)源。如果檢測(cè)到關(guān)閉手動(dòng)除霧申請(qǐng)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(qǐng)信號(hào)。

（4）系統(tǒng)接收并識(shí)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(hào)，判斷后除霧設(shè)備是否關(guān)閉。

4.2 自動(dòng)防霧/ 除霧工作子流程

當(dāng)開啟時(shí)，系統(tǒng)會(huì)同步監(jiān)測(cè)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(duì)車外后視鏡

當(dāng)開啟自動(dòng)防霧/ 除霧功能時(shí)，系統(tǒng)通過車外后視鏡傳感器測(cè)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(duì)濕度，計(jì)算車外后視鏡后方空氣的露點(diǎn)溫度，以判斷車外后視鏡玻璃是否進(jìn)入起霧高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。如果車外后視鏡的玻璃進(jìn)入起霧高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，系統(tǒng)則發(fā)出后除霧工作申請(qǐng)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(qǐng)信號(hào)。同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)后除霧工作狀態(tài)輸入檢測(cè)、確認(rèn)，即接收并識(shí)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(hào)，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(shí)根據(jù)車外后視鏡后方空氣的露點(diǎn)溫度，判斷車外后視鏡玻璃是否進(jìn)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(jìn)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(qǐng)信號(hào)。最后，系統(tǒng)接收并識(shí)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(hào)，判斷后除霧設(shè)備是否關(guān)閉成功。

4.2.2 針對(duì)前擋風(fēng)玻璃

當(dāng)開啟自動(dòng)防霧/ 除霧功能時(shí)，系統(tǒng)通過前擋風(fēng)玻璃傳感器測(cè)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(duì)濕度，計(jì)算前風(fēng)窗玻璃后方車內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度，以判斷前風(fēng)窗玻璃是否進(jìn)入起霧高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。如果前風(fēng)窗玻璃溫度進(jìn)入起霧高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，系統(tǒng)則發(fā)出前風(fēng)窗玻璃除霧工作申請(qǐng)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(duì)著前風(fēng)窗玻璃的出風(fēng)口打開。同時(shí)，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(duì)濕度和溫度，從而降低車內(nèi)的露點(diǎn)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(duì)著前風(fēng)窗玻璃的出風(fēng)口打開。同時(shí)，空調(diào)控制單元設(shè)置到制熱模式，利用發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)溫度。

在自動(dòng)防霧/ 除霧功能開啟時(shí)，系統(tǒng)通過CAN 網(wǎng)絡(luò)接收并檢測(cè)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(hào)，判斷除霧設(shè)備是否工作。自動(dòng)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(jì)算前風(fēng)窗玻璃后方車內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度，判斷前風(fēng)窗玻璃溫度是否進(jìn)入安全區(qū)。如果前擋風(fēng)玻璃溫度進(jìn)入安全區(qū)，系統(tǒng)會(huì)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(qǐng)信號(hào)。最后，系統(tǒng)通過CAN 接收并檢測(cè)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(hào)，判斷空調(diào)系統(tǒng)是否關(guān)閉。

5 結(jié)束語(yǔ)

該方案系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)單，有效地加強(qiáng)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(shí)間。在前擋風(fēng)玻璃和車外后視鏡進(jìn)入起霧高風(fēng)險(xiǎn)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(shí)，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(diǎn)。

作者簡(jiǎn)介：

倪紅兵，本科，工程師，研究方向?yàn)槠囍悄茏摦a(chǎn)品硬件開發(fā)設(shè)計(jì)。