基于倒車輔助系統的攝像頭清洗裝置設計與開發

劉嘉欣

（東北林業大學交通學院，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的背景技術下研究的。隨著汽車數量的不斷增長和交通事件的頻發，駕駛的便利性以及汽車的安全性受到了廣泛關注。人們認識到，用先進技術輔助駕駛員駕駛汽車，尤其是在危機情況下由系統主動替代駕駛員的操控，可以有效預防汽車發生碰撞事故[1]。在駕駛普通汽車時，駕駛人主要利用后視鏡判斷后方的情況和自身的位置。但是，由于盲區的存在，這種傳統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，倒車輔助系統必不可少。近些年來，不斷發展出了倒車雷達、可視化倒車系統以及自動泊車系統（APS）[2]。數據顯示，目前存在的道路交通事故中，倒車剮蹭、碰撞頻發，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劃倒車路徑，因此從攝像頭角度出發，優化倒車輔助系統尤為重要。

1 裝置研發必要性分析

攝像頭作為可視化倒車輔助系統的重中之重，汽車需要在行駛環境中獲取準確、可靠的探測信號，從而實現智能駕駛功能，而攝像頭具有清晰的視野，是幫助倒車輔助系統捕捉道路特征，收集道路數據的關鍵。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，若沒有及時發現并清洗，會嚴重影響攝像頭采集圖像的質量，雷達等傳感器的識別能力，極易造成車載電腦識別錯誤信息，干擾駕駛人員判斷，造成意外事故。為保證智能駕駛功能在任何工況下能夠穩定、安全地運行，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和激光雷達之后的第3種支持自動化駕駛的重要環境傳感器，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，大多數司機仍采用手動擦拭的方法來清潔攝像頭，除此之外，現有技術實現了車載攝像頭清洗系統將清洗用水從雨刮水箱中抽出，經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“康達效應”沖刷鏡片，從而實現攝像頭的清潔[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，在低溫環境中還容易泛霜、凍結，存在一定的不足。因此，該裝置在已有技術的基礎上進行改善，增加了使用清洗棉條進行清洗的裝置，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，彌補了現有技術中的不足，具有現實應用價值，是一種經濟而高效的攝像頭清洗方案。

2 裝置概述

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

為了達到上述目的，該設計在已有技術的基礎上，研發了一種與攝像頭一體安裝的清洗裝置，圖1為該裝置的側視圖，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為裝置中減震機構示意圖。按裝置的具體設計內容采用了如下技術方案：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，攝像頭主體一側開設有第一滑槽，所述第一滑槽內側壁靠近攝像頭主體的一側轉動連接多個限位珠，所述第一滑槽內側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固定連接多個減震機構，多個所述減震機構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固定連接固定架，所述固定架內側壁固定連接電機，所述電機驅動端固定連接齒輪，所述齒輪底部與活動罩內側壁嚙合。

圖2 A處放大圖

圖3 固定桿與活動罩示意圖

圖4 減震機構示意圖

該設計結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攝像頭的清潔，從而保證可視化倒車輔助系統的正常運行，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保養工作，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 裝置具體內容

該裝置應滿足如下要求：1）能夠通過可轉動的清洗棉條，實現對攝像頭的清潔；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動角度，保證對攝像頭進行全方位清潔；4）不使用時，固定桿可轉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）裝置由電機驅動，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，分別為減震機構、活動罩、電機、清洗棉條，下面將針對各個組成部分給出具體結構和功能。

3.1 減震機構

該設計中，減震機構的作用是緩沖減震、幫助清洗棉條以合適的距離和合適的力度對攝像頭進行清洗。該減震機構包括與固定桿固定連接的安裝箱，在安裝箱的內側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。在安裝箱的內側壁滑動連接第二滑槽，在第二滑槽的內側壁上，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

該設計中，活動罩與固定桿為固定連接，固定桿與減震機構為固定連接，減震機構端部固定連接清洗棉條，這樣的設計使固定桿一經轉動，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動，從而能帶動固定桿和減震機構工作，實現與減震機構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。該裝置設置了第一滑塊和第一滑槽，來更好地對活動罩進行限位。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，且第一滑塊與活動罩為一體鑄造成型。

3.3 電機

該設計中，需要保證持續、良好的動力性，因此采取電機作為動力裝置。電機的作用是驅動齒輪轉動，帶動整個裝置良好工作。電機與外部電源連接，并使用焊接在攝像頭主體外側壁的固定架對其限位。電機的固定架采用不銹鋼材質，固定架的內側壁與電機的外側壁粘接。電機的優良性能決定了該裝置可自動、連續清潔攝像頭，是功能實現中關鍵性的一環。

3.4 清洗棉條

該設計中的關鍵部件為清洗棉條。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材料。清洗棉條設置的大小和范圍，要保證在電機驅動裝置運動，固定桿轉到鏡頭端時，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置，可以方便清洗棉條對攝像頭主體進行清洗，從而保證攝像頭保持良好的“視野”。清洗棉條與減震機構固定連接，并可以在使用次數足夠多的情況下拆卸下來，換上備用棉條。

4 工作原理

駕駛人通過自主分析攝像頭是否臟污或采用機器視覺檢測技術[6]進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。當裝置工作時，由電機驅動齒輪轉動，齒輪進一步帶動活動罩轉動。活動罩帶動固定桿與減震機構轉動，減震機構帶動清洗棉條轉動。將帶有清洗棉條的固定桿旋轉到合適的角度，此時，清洗棉條可全方位擦拭到攝像頭，通過機構的轉動，清洗棉條對攝像頭主體的攝像端進行清潔。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構控制，減震機構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行貼合，便于清洗，同時保護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 特點及應用前景

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

該裝置具有優良的使用效果，攝像頭與清洗裝置采用一體化設計，操作簡單，去污效果良好。一方面，清洗棉條可進行日常灰塵、沾黏物擦拭，減少了清潔用水的使用，節約環保，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。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可以發揮其良好的作用。

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，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，比如經過泥濘路面會由于泥點飛濺糊住攝像頭，或是經過灑水車的作業區域而被泥水污染，即使不經過泥面水面，日常使用中也存在被灰塵覆蓋、被部分沾黏物遮擋、表面結霧結霜、經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器視覺檢測臟污程度技術來共同使用，保證在攝像頭表面受污染的情況下及時、全面進行清潔，保證成像質量，對車輛行駛環境進行可靠探測和精確評估，從而作為基礎裝置，實現倒車輔助系統和自動化駕駛系統的基本功能，適應當前汽車智能化發展的要求。這既是該裝置擬實現的功能和應用前景，也是研發該裝置的重大現實意義。

6 結語

汽車產業日益發展，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境，替代人來完成在行車駕駛中對視覺盲區的安全監測。隨著攝像頭數量和布置位置的增加，駕駛員下車進行擦拭顯然不是好方法。因此，要采用先進的技術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、倒車環境并減少誤判。該設計在分析了現存技術的基礎上，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，為安全行車保駕護航。