基于紅外反射式雨量傳感器的雨刮策略

關忠旭，楊慧凱，韓新立*，王鵬鵬，吳志綱

基于紅外反射式雨量傳感器的雨刮策略

關忠旭1，楊慧凱1，韓新立*1，王鵬鵬1，吳志綱2

（1.中國第一汽車股份有限公司 智能網聯開發院，吉林 長春 130011； 2.上海保隆汽車科技股份有限公司 汽車傳感器單元，上海 201600）

隨著汽車行業的發展，人們對車輛的智能化要求越來越高，雨量傳感器已經成為汽車必不可少的一部分，同時在雨天行車過程中，雨量傳感器能自動控制雨刷系統，可以讓駕駛員注意力更加集中，不用分心去控制雨刷系統，提高行車的安全性。因此，文章主要研究汽車在行駛過程中雨量傳感器感應雨量的策略，從產品的工作原理、軟件算法邏輯、應用工況等方面進行研究，通過該雨刮策略實現智能化的自動雨刷控制，為駕駛員帶來便利，提高車輛的使用舒適性。基于此軟件策略，最終通過測試工程師及駕駛員的駕乘感受，能較好地區分出不同的雨量工況，有效地提升了自動刮刷的效果，也提高了雨刮控制的穩定性，解決了隧道模式停刮慢等問題。

紅外反射式雨量傳感器；雨刮策略；舒適性

隨著汽車電動化和智能化的發展趨勢，以及汽車產品的消費升級，消費者對于汽車的舒適性體驗越來越重視，因此，車用光雨量傳感器系統滲透率越來越高[1]。雨刮器是保證下雨等不良天氣下行車安全的重要部件，自動雨刮器能夠針對周圍環境的變化自動運行，進一步提高駕駛的安全性和便利性[2-3]。雨量傳感器是自動雨刮器的核心部件，被用于感測擋風玻璃上的雨滴，識別當前小雨、中雨、大雨等不同的工況信息，從而自動控制雨刷的刮刷方式和速度。

但是在實際使用過程中也面臨一些弊端，雨量傳感器不能精準地識別雨量情況[4-5]包括：1）大雨和小雨是交替出現的，雨量傳感器探測識別時可能會有混淆；2）不能將車速、靈敏度、實際雨量進行區分，無法做到與車輛運行狀態的及時匹配；3）由有雨工況進入無雨工況時，雨刮無法快速停止[6-7]；4）由于感雨面積的限制，出現未及時刮刷等現象[8]。因此，本文對雨量傳感器的自動雨刷策略進行研究，從原理和應用上說明對車輛感應雨量功能的提升。

1 雨量傳感器工作原理

目前市場上的車用雨量傳感器感應原理比較多，主要有電容式、熱電偶式、紅外散射式和基于圖像處理的方法[9-12]。本文只針對紅外反射式雨量傳感器進行說明。

無雨時，發射端以特定角度[13]發射出的紅外光線會在擋風玻璃外壁上發生全反射；雨天時，紅外光線會因為雨滴的存在而發生折射并被雨水吸收[14-15]，如圖1所示。因此，根據紅外接收管感應反射信號的強弱可以判斷擋風玻璃敏感區域雨水的大小。

將紅外接收管接收的紅外信號通過一定的方法轉變為可用于測量的電流或電壓等信號，根據檢測電流或電壓的強度變化來進行控制雨刷的運作，從而使得雨刷可根據雨量大小自動調節。

紅外反射式雨量傳感器一般安裝在汽車擋風玻璃內側，不易受工作環境影響，雨量引起的光強變化比較明顯，且不易受電磁干擾。

圖2為雨量傳感器工作的硬件原理圖，主要由幾大模塊電路組成：局部互聯網絡（Local Inter- connect Network, LIN）+低壓差線性穩定器（Low Dropout Regulator, LDO）電源模塊、微控制單元計算處理模塊、雨量專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit, ASIC）處理模塊、發光二極管雨量發射模塊和PD雨量接收模塊。雨量傳感器通過LIN協議車輛進行網絡通信，電源模塊會將外界12 V電源進行處理，并轉換為3.3 V電源供給MCU和雨量專用ASIC芯片，其通過串行通信協議（Serial Peripheral Interface, SPI）進行通信。雨量專用ASIC芯片通過脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation, PWM）方波信號給兩路LED雨量發射模塊進行供電和控制，并給PD雨量接收模塊進行3.3 V供電。

圖2 雨量傳感器硬件框圖

當外界光線發生變化時，PD將感受到的外界光線變化轉化為光電流信號傳遞給雨量ASIC，隨后對微小的光電流信號進行轉換、放大、濾波等處理，將量化后的ADC信號傳遞給MCU，并通過數據接收和發送引腳引腳將計算處理后的信號傳遞給LIN芯片，最后與整車進行LIN通信。

2 雨量傳感器刮刷策略

根據上述工作原理，外界雨量的變化會引起采樣值值的變化，即不同雨量大小會對應不同的值，采樣周期為（50 ms），兩次采樣周期內的變化值用△進行定義。

車輛雨刷未刮時定義為停止狀態，雨刷刮起一次后停止定義為點刮，其對應毛毛雨工況；雨刮多次按照間歇時間刮刷定義為周期刮刷，周期間歇對應小雨工況；雨刮多次的無間歇刮刷定義為連續刮刷，分為低速刮刷對應中雨工況、高速高刷對應大雨工況、超高速刮刷對應暴雨工況，刮速切換流程如圖3所示。

圖3 刮速切換流程圖

將雨刮的靈敏度分為4擋（L1、L2、L3、L4），定義L4為最高靈敏度擋，L1為最低靈敏度擋，可根據個人感官進行主動調整，以此來滿足不同駕駛員的使用需求。

雨刮電機可以分為機械雨刮和電子雨刮，本文主要針對電子雨刮策略進行描述。通常電子雨刮的刮速從0到7，其中0為停止，7為最高。

2.1 停止－點刮

△連續3次采樣不小于點刮閾值,則開始點刮，點刮1次后停止，刮刷速度通常為1。

點刮模式無軟件保持策略，刮刷請求一次后立即停止。

2.2 點刮－周期刮刷

秒內累計2次點刮后開啟一個秒的有雨時間，因為秒內能夠連續檢測到降雨，則認為外界的降雨比較連續，有一個相對穩定的持續降雨時間。進入有雨時間后，雨刮按照秒的刮刷間隔保持次的刮刷，此為1個刮刷循環。在秒的有雨時間內，檢測到保持周期間歇△，則開啟1個刮刷循環，否則退出到停止模式。周期刮刷的刮刷速度通常設置為1，此策略能夠有效解決雨量傳感器由于檢測面積限制導致的漏刮，進而引起駕駛員駕駛視野模糊的情況。

為了滿足不同人員的需求，可以根據不同靈敏度和車速，設置不同的閾值。車速越高，駕駛員對視野的需求也越高，因此，需要更頻繁的刮刷頻次或更高的刮速。通常設置原則為靈敏度或者車速越低，設置得越短、設置越長、設置越少、△值設置越大。

2.3 停止－周期刮刷

當處于秒的有雨時間內時，當檢測到有雨時，直接由停止模式切換到周期刮刷模式。因為此時仍在有雨時間內，外界的降雨比較連續，所以為了防止出現漏刮現象，需要跳過點刮直接到周期間歇模式。

2.4 周期刮刷－低速刮刷

在10 s內累計檢測到次進入低速刮刷△閾值，進入到低速刮刷模式。10 s內檢測到次保持低速刮刷△，繼續保持低速刮刷模式，否則退出低速刮刷模式。同樣可以按照靈敏度設置不同的閾值，以此來滿足不同人員的需求，靈敏度或者車速越低，設置越短，且△設置越大。

在周期刮刷切換到低速刮刷過程中，可以將雨刮速度擋位2作為過渡刮速，雨刮速度擋位3作為目標刮速，以此來提升刮刷切換的平順性。考慮到進入低速刮刷后的刮刷保持穩定性，防止頻繁的切換刮速，設置的△比△要小。

2.5 低速刮刷－高速刮刷

在10 s內累計檢測到次進入高速刮刷△閾值，從而進入到高速刮刷模式。10 s內檢測到次保持高速刮刷△，繼續保持高速刮刷模式，否則退出高速刮刷模式。同樣可以按照靈敏度設置不同的閾值，以此來滿足不同人員的需求，靈敏度或者車速越低，設置越多，△設置越大。

在低速刮刷切換到高速刮刷過程中，可以將4作為過渡刮速，5作為目標刮速，以此來提升刮刷切換的平順性。

考慮到進入高速刮刷后的刮刷保持穩定性，防止頻繁的切換刮速，設置的△比△要小。

2.6 高速刮刷－超高速刮刷

在10 s內累計檢測到次進入超高速刮刷△，進入到超高速刮刷模式。10 s內檢測到次保持超高速刮刷△，繼續保持超高速刮刷模式，否則退出超高速刮刷模式。同樣可以按照靈敏度設置不同的閾值，以此來滿足不同人員的需求，靈敏度或者車速越低，設置越多，△設置越大。

在高速刮刷切換到超高速刮刷過程中，可以將6作為過渡刮速，7作為目標刮速，以此來提升刮刷切換的平順性。

考慮到進入超高速刮刷后的刮刷保持穩定性，防止頻繁的切換刮速，設置的△比△要小。

2.7 點刮－高速刮刷

當有大量的水打到玻璃上時，需要雨刮能夠快速地刮掉雨水，恢復駕駛員視野。因此，當雨量傳感器的所有檢測通道的值同時低于一定值，并持續秒時，則認為水量很大，雨刮模式直接從點刮進入高速刮刷。

為了保證及時性，時間不宜設置過長，一般為1 s以內。

2.8 有雨區域－無雨區域

當在中雨、大雨以及暴雨下突然進入到無雨環境，例如從有雨區域進入無雨區域時，需要雨刮刮刷模式能夠快速地降到停止模式。因此，在高速模式和超高速模式下，當所有雨量傳感器檢測通道連續2.5 s檢測到的△均小于150時，則立即切換至周期模式。在低速模式下，所有雨量檢測通道連續5 s檢測到△小于150，則切換至周期模式。

3 主觀感知評價

3.1 評分細則

為了驗證雨刮控制策略的合理性，使用評分細則（見表1）在不同使用場景、車速和靈敏度下，主觀評價對自動雨刮功能的滿意程度。

3.2 主觀感知評價結果

依據上述的評價細則，本次邀請5位測試者進行主觀評價，主觀感知評價如表2所示。

從駕乘人員的感受來看，點刮體驗效果平均分較低，為4.4分，有雨區域進入無雨區域體驗效果平均分最高，為4.8分，整體體驗都在4.0分以上，說明駕乘人員對當前的軟件邏輯和刮刷模式比較滿意，體驗效果良好。

表1 評分細則

分值雨刮刮刷感受評價影響 1有雨時不能及時刮刷，無雨時亂刮刷，用戶體驗極差所有用戶都會抱怨或投訴 2有雨時不能及時刮刷且出現概率較高，無雨時不能及時退出刮刷且出現概率較高，刮刷過程中不夠穩定多數用戶容易引起抱怨 3有雨環境偶爾不能及時刮刷，無雨時不亂刮，刮刷過程穩定性一般有改善需求，追求完美的用戶也許會抱怨 4雨刮進入和退出比較及時，刮刷過程中比較穩定追求完美的用戶極少抱怨 5刮刷進入和退出非常及時，過程中非常穩定、沒有缺陷非常好

表2 主觀感知評價表

序號雨刮模式人員平均分 12345 1點刮454544.4 2周期刮刷554544.6 3低速刮刷445454.4 4高速刮刷555454.8 5超高速555454.8 6有雨－無雨555544.8

4 總結

本文通過紅外反射式雨量傳感器檢測雨量的大小，利用一段周期內的雨量導致的△變化量作為軟件的核心控制邏輯，提高刮刷模式控制的穩定性。將車速與靈敏度引入雨刮控制策略，使得刮刷效果與車輛運行狀態的相匹配。周期刮刷模式可有效地解決漏刮現象和有雨工況進入無雨工況停刮慢的問題，但從實際結果來看，還是存在一些缺點，由于同樣雨量下雨滴大小不同，因此，同樣雨量下單次△采樣量并不穩定，導致刮速的輸出有一定概率與真實感受不一致，還需要進行采樣以及雨量計算方式的優化，進一步提高汽車感知系統的智能化程度。

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The Wiper Strategy Based on Infrared Reflection Rain Sensor

GUAN Zhongxu1, YANG Huikai1, HAN Xinli*1, WANG Pengpeng1, WU Zhigang2

( 1.Intelligent Connected Vehicle Development Institute, China FAW Company Limited, Changchun 130011, China; 2.Automotive Electronic Unit, Shanghai Baolong Automotive Technology Company Limited, Shanghai 201600, China )

With the development of the automobile industry,people are becoming more and more intelligent requirements for vehicles, rain sensor has become an essential part of the automobile,at the same time in the rainy driving process, rain sensor can automatically control the wiper system and make the driver's attention more concentrated,without distraction to control the wiper system which improve the safety of driving.Therefore, this paper is mainly to study the strategy of the rainfall sensor in the process of automobiledriving, from the working principle of the product, software algorithm logic, application conditions and other aspects of research and explanation, through the wiper strategyto achieve intelligent automatic wiper control, bring convenience to the driver, improve the use of vehicle comfort.Based on this software strategy, finallythrough the driving experience of test engineers and drivers, different rainfall conditions can be distinguished in a better area, which effectively improves the effect of automatic scraping, improves the stability of wiper control, and solves the problem of slow stop and scraping in tunnel mode.

Infrared reflection rain sensor;Wiper strategy;Comfort

U463.99

A

1671-7988(2023)20-30-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.007

關忠旭（1988－），男，工程師，研究方向為智能網聯汽車，E-mail:guanzhongxu@faw.com.cn。

韓新立（1986－），男，碩士，工程師，研究方向為智能網聯汽車，E-mail:hanxinli@faw.com.cn。