基于倒車輔助系統(tǒng)的攝像頭清洗裝置設(shè)計與開發(fā)

劉嘉欣

（東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

該文所探討的裝置是在可視化倒車輔助系統(tǒng)的背景技術(shù)下研究的。隨著汽車數(shù)量的不斷增長和交通事件的頻發(fā)，駕駛的便利性以及汽車的安全性受到了廣泛關(guān)注。人們認(rèn)識到，用先進(jìn)技術(shù)輔助駕駛員駕駛汽車，尤其是在危機(jī)情況下由系統(tǒng)主動替代駕駛員的操控，可以有效預(yù)防汽車發(fā)生碰撞事故[1]。在駕駛普通汽車時，駕駛?cè)酥饕煤笠曠R判斷后方的情況和自身的位置。但是，由于盲區(qū)的存在，這種傳統(tǒng)方法顯然要被更加智能化的方式所替代，因此在汽車的主動性安全裝置中，倒車輔助系統(tǒng)必不可少。近些年來，不斷發(fā)展出了倒車?yán)走_(dá)、可視化倒車系統(tǒng)以及自動泊車系統(tǒng)（APS）[2]。數(shù)據(jù)顯示，目前存在的道路交通事故中，倒車剮蹭、碰撞頻發(fā)，由于后視不良造成的交通事故占15%，人們需要通過影像來規(guī)劃倒車路徑，因此從攝像頭角度出發(fā)，優(yōu)化倒車輔助系統(tǒng)尤為重要。

1 裝置研發(fā)必要性分析

攝像頭作為可視化倒車輔助系統(tǒng)的重中之重，汽車需要在行駛環(huán)境中獲取準(zhǔn)確、可靠的探測信號，從而實現(xiàn)智能駕駛功能，而攝像頭具有清晰的視野，是幫助倒車輔助系統(tǒng)捕捉道路特征，收集道路數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。行車過程中途徑泥濘路面或雨天等情況時，不可避免地會有水珠、霧氣、污漬、灰塵、泥沙等覆蓋在攝像頭表面上，若沒有及時發(fā)現(xiàn)并清洗，會嚴(yán)重影響攝像頭采集圖像的質(zhì)量，雷達(dá)等傳感器的識別能力，極易造成車載電腦識別錯誤信息，干擾駕駛?cè)藛T判斷，造成意外事故。為保證智能駕駛功能在任何工況下能夠穩(wěn)定、安全地運(yùn)行，時刻保證攝像頭等傳感器表面潔凈是智能駕駛汽車必須面對的問題[3]。

攝像頭是繼車載雷達(dá)和激光雷達(dá)之后的第3種支持自動化駕駛的重要環(huán)境傳感器，隨著自動化水平的提高，會有越來越多的傳感器應(yīng)用于車身，因此手動擦拭顯然不再是清潔車載攝像頭的好方法，傳感器清潔變得越來越重要。目前，大多數(shù)司機(jī)仍采用手動擦拭的方法來清潔攝像頭，除此之外，現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)了車載攝像頭清洗系統(tǒng)將清洗用水從雨刮水箱中抽出，經(jīng)過管道傳送到直接安裝在攝像鏡頭上的噴嘴處，噴頭會將水流噴在攝像頭鏡片的曲面上，利用“康達(dá)效應(yīng)”沖刷鏡片，從而實現(xiàn)攝像頭的清潔[4]。但是，噴射液能沖刷掉污物，卻可能留下水痕，同樣影響攝像頭采集圖像的功能，在低溫環(huán)境中還容易泛霜、凍結(jié)，存在一定的不足。因此，該裝置在已有技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改善，增加了使用清洗棉條進(jìn)行清洗的裝置，可以拂去攝像頭上的灰塵而減少清洗用水的使用，實現(xiàn)日常對污物的處理以及噴射清洗用水后對殘余水珠的及時擦拭，彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，具有現(xiàn)實應(yīng)用價值，是一種經(jīng)濟(jì)而高效的攝像頭清洗方案。

2 裝置概述

該設(shè)計的目的是為了解決實際生活中存在的問題，彌補(bǔ)在車載攝像頭清洗技術(shù)上的不足，而提出的一種對基于倒車輔助系統(tǒng)的新型攝像頭清洗裝置的研究。裝置可實現(xiàn)對于灰塵、沾黏物等污物的處理以及配合清潔用水進(jìn)行更大力度的清潔，并對噴射清潔用水后留下的水珠進(jìn)行擦拭，解決鏡頭表面受污染情況并避免泛霜、凍結(jié)。

為了達(dá)到上述目的，該設(shè)計在已有技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了一種與攝像頭一體安裝的清洗裝置，圖1為該裝置的側(cè)視圖，圖2為圖1中A處放大圖，圖3為固定桿與活動罩示意圖，圖4為裝置中減震機(jī)構(gòu)示意圖。按裝置的具體設(shè)計內(nèi)容采用了如下技術(shù)方案：該項裝置包括攝像頭主體，裝置所述攝像頭主體上部為攝像端，即鏡頭，攝像頭主體一側(cè)開設(shè)有第一滑槽，所述第一滑槽內(nèi)側(cè)壁靠近攝像頭主體的一側(cè)轉(zhuǎn)動連接多個限位珠，所述第一滑槽內(nèi)側(cè)壁滑動連接多個第一滑塊，多個所述第一滑塊共同固定連接活動罩，所述活動罩遠(yuǎn)離攝像頭主體的一端固定連接固定桿，所述固定桿靠近攝像頭主體的一側(cè)固定連接多個減震機(jī)構(gòu)，多個所述減震機(jī)構(gòu)共同固定連接清洗棉條，所述攝像頭主體靠近固定桿的一側(cè)固定連接固定架，所述固定架內(nèi)側(cè)壁固定連接電機(jī)，所述電機(jī)驅(qū)動端固定連接齒輪，所述齒輪底部與活動罩內(nèi)側(cè)壁嚙合。

圖2 A處放大圖

圖3 固定桿與活動罩示意圖

圖4 減震機(jī)構(gòu)示意圖

該設(shè)計結(jié)合傳感器和已有的清潔用水噴射裝置，通過加裝在攝像頭上的清洗棉條實現(xiàn)攝像頭的清潔，從而保證可視化倒車輔助系統(tǒng)的正常運(yùn)行，該裝置也適用于其他暴露在外的車載攝像頭。清洗裝置在提高駕駛安全性的同時，減少了駕乘人員對攝像頭的維護(hù)保養(yǎng)工作，將駕駛員從手動擦拭中解放出來[5]，符合智能化駕駛的趨勢。

3 裝置具體內(nèi)容

該裝置應(yīng)滿足如下要求：1）能夠通過可轉(zhuǎn)動的清洗棉條，實現(xiàn)對攝像頭的清潔；2）清洗棉條要與攝像頭的攝像端鏡面良好貼合，清洗棉條與連接裝置不能對攝像頭造成沖擊破壞；3）使用時，由齒輪帶動固定桿轉(zhuǎn)動角度，保證對攝像頭進(jìn)行全方位清潔；4）不使用時，固定桿可轉(zhuǎn)動到攝像頭主體上的攝像端拍攝范圍外，避免遮擋攝像頭；5）裝置由電機(jī)驅(qū)動，保證良好動力性。

基于以上要求，清洗裝置由4個主要部分組成，分別為減震機(jī)構(gòu)、活動罩、電機(jī)、清洗棉條，下面將針對各個組成部分給出具體結(jié)構(gòu)和功能。

3.1 減震機(jī)構(gòu)

該設(shè)計中，減震機(jī)構(gòu)的作用是緩沖減震、幫助清洗棉條以合適的距離和合適的力度對攝像頭進(jìn)行清洗。該減震機(jī)構(gòu)包括與固定桿固定連接的安裝箱，在安裝箱的內(nèi)側(cè)壁底部固定連接著彈簧，在彈簧頂端固定連接著活動桿，活動桿的頂端貫穿安裝箱的頂端并與清洗棉條固定連接。在安裝箱的內(nèi)側(cè)壁滑動連接第二滑槽，在第二滑槽的內(nèi)側(cè)壁上，均滑動連接多個第二滑塊，并且第二滑塊均與活動桿固定連接。該裝置中的活動桿與第二滑塊均采用不銹鋼材質(zhì)制成，且活動桿與第二滑塊為一體鑄造成型；第二滑槽與第二滑塊的斷面均呈“T”形。活動桿與安裝箱采取滑動連接，其斷面形狀均呈圓形。

3.2 活動罩

該設(shè)計中，活動罩與固定桿為固定連接，固定桿與減震機(jī)構(gòu)為固定連接，減震機(jī)構(gòu)端部固定連接清洗棉條，這樣的設(shè)計使固定桿一經(jīng)轉(zhuǎn)動，便可使清洗裝置自動工作。活動罩的作用是由齒輪帶動著轉(zhuǎn)動，從而能帶動固定桿和減震機(jī)構(gòu)工作，實現(xiàn)與減震機(jī)構(gòu)連接的清洗棉條的良好工作。同時，在不需要清潔的情況下，由活動罩帶動裝置轉(zhuǎn)到與攝像頭主體的攝像端錯開的角度，使之不遮擋攝像頭，不妨礙攝像頭的清晰拍攝。該裝置設(shè)置了第一滑塊和第一滑槽，來更好地對活動罩進(jìn)行限位。第一滑塊與第一滑槽的斷面形狀均呈“T”形，第一滑塊與活動罩的斷面形狀呈圓形。第一滑塊與活動罩均采用不銹鋼材質(zhì)，且第一滑塊與活動罩為一體鑄造成型。

3.3 電機(jī)

該設(shè)計中，需要保證持續(xù)、良好的動力性，因此采取電機(jī)作為動力裝置。電機(jī)的作用是驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)動，帶動整個裝置良好工作。電機(jī)與外部電源連接，并使用焊接在攝像頭主體外側(cè)壁的固定架對其限位。電機(jī)的固定架采用不銹鋼材質(zhì)，固定架的內(nèi)側(cè)壁與電機(jī)的外側(cè)壁粘接。電機(jī)的優(yōu)良性能決定了該裝置可自動、連續(xù)清潔攝像頭，是功能實現(xiàn)中關(guān)鍵性的一環(huán)。

3.4 清洗棉條

該設(shè)計中的關(guān)鍵部件為清洗棉條。工作時要保證清洗棉條與攝像頭主體鏡片光滑貼合，不留空隙，同時不能過分壓緊、沖擊鏡面，造成攝像頭的損壞。清洗棉條為可以滿足有效去污要求和有效吸水要求的棉質(zhì)材料。清洗棉條設(shè)置的大小和范圍，要保證在電機(jī)驅(qū)動裝置運(yùn)動，固定桿轉(zhuǎn)到鏡頭端時，可以全方位覆蓋到攝像頭鏡頭，同時保證固定桿轉(zhuǎn)離鏡頭端時不遮擋鏡頭。焊接在一起的活動罩與固定桿的設(shè)置，可以方便清洗棉條對攝像頭主體進(jìn)行清洗，從而保證攝像頭保持良好的“視野”。清洗棉條與減震機(jī)構(gòu)固定連接，并可以在使用次數(shù)足夠多的情況下拆卸下來，換上備用棉條。

4 工作原理

駕駛?cè)送ㄟ^自主分析攝像頭是否臟污或采用機(jī)器視覺檢測技術(shù)[6]進(jìn)行攝像頭表面贓物檢測后，可判斷是否使用攝像頭清洗裝置。當(dāng)裝置工作時，由電機(jī)驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪進(jìn)一步帶動活動罩轉(zhuǎn)動。活動罩帶動固定桿與減震機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動，減震機(jī)構(gòu)帶動清洗棉條轉(zhuǎn)動。將帶有清洗棉條的固定桿旋轉(zhuǎn)到合適的角度，此時，清洗棉條可全方位擦拭到攝像頭，通過機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動，清洗棉條對攝像頭主體的攝像端進(jìn)行清潔。在工作過程中，攝像頭與清洗棉條之間的力與距離由減震機(jī)構(gòu)控制，減震機(jī)構(gòu)中的彈簧可緩沖減震，使清洗棉條更好地與攝像頭主體的攝像端進(jìn)行貼合，便于清洗，同時保護(hù)攝像頭不受劇烈壓力和沖擊。而在裝置不工作的情況下，齒輪帶動活動罩轉(zhuǎn)動到一個固定桿與攝像頭主體上的攝像端錯開的角度，使之不遮擋鏡頭。

5 特點及應(yīng)用前景

該裝置的特點如下：1）通過設(shè)置限位珠，來更好地滑動第一滑塊，方便地帶動活動罩轉(zhuǎn)動。2）通過第二滑塊和彈簧，保證減震機(jī)構(gòu)的有益效果；減震機(jī)構(gòu)的設(shè)置便于更好地利用清洗棉條對攝像頭主體進(jìn)行清洗。3）固定架的設(shè)置便于更好地對電機(jī)進(jìn)行固定，有利于帶動活動罩轉(zhuǎn)動。

該裝置具有優(yōu)良的使用效果，攝像頭與清洗裝置采用一體化設(shè)計，操作簡單，去污效果良好。一方面，清洗棉條可進(jìn)行日常灰塵、沾黏物擦拭，減少了清潔用水的使用，節(jié)約環(huán)保，并解決了攝像頭被污物遮擋，影響其檢測效果的問題。另一方面，該裝置可在攝像頭鏡頭存在霧氣、水珠或噴射清潔用水后留下殘余水痕的情況下進(jìn)行鏡面擦拭，防止留下水痕污染，同時避免在低溫天氣下，因表面有水而造成的攝像頭凍結(jié)。基于此，在確保攝像頭保持清晰的條件下，汽車的倒車輔助系統(tǒng)可以發(fā)揮其良好的作用。

在駕駛員的駕車過程中，少不了倒車的操作，攝像頭的安裝可以有效解決使用人和后視鏡存在的視覺盲區(qū)，減少倒車不慎的情況。但是在攝像頭在使用過程中極易被污染，比如經(jīng)過泥濘路面會由于泥點飛濺糊住攝像頭，或是經(jīng)過灑水車的作業(yè)區(qū)域而被泥水污染，即使不經(jīng)過泥面水面，日常使用中也存在被灰塵覆蓋、被部分沾黏物遮擋、表面結(jié)霧結(jié)霜、經(jīng)雨雪沖刷后留下水痕等問題。因此，汽車的車載攝像頭加裝該裝置非常有必要，它可以配合攝像頭的清潔用水噴射裝置和車輛的機(jī)器視覺檢測臟污程度技術(shù)來共同使用，保證在攝像頭表面受污染的情況下及時、全面進(jìn)行清潔，保證成像質(zhì)量，對車輛行駛環(huán)境進(jìn)行可靠探測和精確評估，從而作為基礎(chǔ)裝置，實現(xiàn)倒車輔助系統(tǒng)和自動化駕駛系統(tǒng)的基本功能，適應(yīng)當(dāng)前汽車智能化發(fā)展的要求。這既是該裝置擬實現(xiàn)的功能和應(yīng)用前景，也是研發(fā)該裝置的重大現(xiàn)實意義。

6 結(jié)語

汽車產(chǎn)業(yè)日益發(fā)展，人均汽車保有量在逐年增加，除了對于自動化的要求越來越高以外，人們對于行車安全性的需求也在增加。車載攝像頭將更多地應(yīng)用于汽車中，尤其針對于智能倒車而言，更需要攝像頭來有效感知環(huán)境，替代人來完成在行車駕駛中對視覺盲區(qū)的安全監(jiān)測。隨著攝像頭數(shù)量和布置位置的增加，駕駛員下車進(jìn)行擦拭顯然不是好方法。因此，要采用先進(jìn)的技術(shù)裝置來使攝像頭鏡頭保持清潔、工作性能良好，清晰識別行車、倒車環(huán)境并減少誤判。該設(shè)計在分析了現(xiàn)存技術(shù)的基礎(chǔ)上，找出不足并做出改善，研制了與攝像頭連為一體的清洗裝置，不僅能提高攝像頭的成像質(zhì)量，有效保證了交通安全，還能將駕駛員從手動擦拭中解放并提高駕駛員的駕車舒適性。希望通過清洗棉條的及時清潔，使駕駛更加便捷，為汽車的主動安全提供保障，為安全行車保駕護(hù)航。