一种汽车雨刮控制装置及控制方法与流程

本发明涉及汽车雨刮设备技术领域，具体涉及一种汽车雨刮控制装置及控制方法。

背景技术：

自动雨刷系统是汽车主动安全系统的重要组成部分,自动雨刷系统(包括:前风挡、后窗、前大灯、侧后视镜等)已经为越来越多的中高档车采用。在自动雨刷系统中最重要的部件就是雨滴传感器，其测量雨量的精度、准确度直接影响了雨刮装置对雨量的判断以及接下来对雨刮器的控制方式。

现有的雨滴传感技术按安装形式可分为内置型和外置型两大类，外置型是将传感器安装在风挡玻璃外面如发动机盖上面、汽车前保险杆附近等，己知的外置型雨滴传感器按工作原理划分有光电式、电感式、振动式。内置型雨滴传感器通常安装在汽车玻璃内表面，必须采用非接触式检测技术，目前主流的内置型雨滴传感器是光电式的，但是光电式雨滴传感器检测容易受外界光线、玻璃透光性、玻璃厚度和膨胀度等因素的影响，其稳定性有限，且光电式雨滴传感器对于安装工艺、安装精度的要求较高，导致制造成本较高。

现有技术中另一种内置型雨滴传感器为电容式传感器，如专利cn201010147175.7中涉及的一种双耦合型检测电路，该电路包括感应电极，与感应电极相耦合的互耦电极，对互耦电极进行驱动的第一驱动信号发生单元，通过电阻或等效电阻与感应电极电连接、且与互耦电极在不同时段被驱动的自耦电极，对自耦电极进行驱动的第二驱动信号发生单元，其与自耦电极连接，ad检测通道，用于接收所述感应电极输入的检测信号。该技术可以通过简单的检测电路达到有效地区分雨水与人手或其它接地导体的目的。

但是当降雨量很大时，雨水会在挡风玻璃上均匀覆盖，形成具有一定厚度的水膜，此时雨量的大小只能通过从附着在玻璃表面雨水的厚度变化测量，若无法测量雨水厚度变化将造成自动雨刷系统动作速度迟缓从而影响刷雨效果。光电式雨滴传感器的工作原理是利用光线的折射率变化，而折射率只与入射面的物质特性有关，与物质的厚度无关，因此，光电式雨滴传感器无法反映雨水的厚度变化。

电感式或电容式传感器是根据电极之间的间距、电极的面积或者电极的介电常数发生变化来进行测量，如专利cn201210599412.2中所述的一种用于挡风玻璃上的雨检测的方法，该方式是用压电方式求得传感器值，其传感器是通过检测挡风玻璃本体的振动来判断雨量大小，这种振动根据润湿度或者根据落到挡风玻璃(1)上的雨滴而改变。但是当挡风玻璃上沾有异物，如污泥、树叶、昆虫等，则这类传感器的测量精度会大大降低，如果更换一块新的挡风玻璃，则需要重新校正检测系统，导致工作量增大。

上述几种雨滴检测装置都存在测量精度不高的问题，同时还存在以下缺点：雨滴传感器检测的项目仅仅包括落在挡风玻璃上雨滴的雨量，以及雨刮器刮扫后的除雨效果，但在实际开车过程中，雨刮器的刮扫频率不仅仅取决于降雨量，还和驾驶员的心里感受及车辆的驾驶状态有关。

通过相关的心理学实验可知，在雨滴传感器检测到相同雨量的情况下，汽车的速度越快，驾驶员心里所希望的雨刮器刮扫速度也会增加。而雨滴降落时其与挡风玻璃之间的角度同样会对驾驶员的心里造成影响；雨滴下落时其与挡风玻璃之间的夹角接近0°或180°时，驾驶员的眼睛看到雨滴的视觉速度较小，雨滴下落时其与挡风玻璃之间的夹角接近90°时，驾驶员的眼睛看到雨滴的视觉速度较大，这时驾驶员出于安全考虑，希望增加雨刮器的刮扫速度，如果雨刮器的刮扫速度不变，则驾驶员会产生一定的恐惧感，导致其精神不集中，增加了雨天驾驶的危险性；

驾驶员在平直路面上直线行驶时，其所希望的雨刮器的刮扫速度位于正常范围内，而当汽车上坡或下坡或转向时，其希望的雨刮器刮扫速度会改变，因此还需要针对车辆的行驶状态实时改变雨刮器的刮扫速度。

根据以上叙述可知，为了提高雨量检测精度，同时兼顾车辆行驶状态与驾驶员心里因素的影响，需要设计一种检测精度高的新型的雨刮控制装置，并对该雨刮控制装置进行适当控制，以提高驾驶员的安全感。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种检测精度高、有效提高驾驶安全感的汽车雨刮控制装置及控制方法。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种汽车雨刮控制装置，所述的雨刮控制装置包括雨刮器，雨刮器通过连杆机构与雨刮驱动电机连接，驱动电机与控制器连接，控制器与ecu连接；汽车前挡风玻璃外侧面与发动机罩交界区域设置雨滴传感器，雨滴传感器与控制器通过有线或无线方式连接；

所述的雨滴传感器包括带有一定厚度的、中空的基座，基座安装在前挡风玻璃与发动机盖交界区域，基座是由一个半圆扇形截面绕y轴旋转扫略特定角度后形成的空腔结构，空腔结构的底部由两块分别与发动机盖、前挡风玻璃接触的挡板组成，两块挡板与空腔结构形成一个密封的腔体；所述的y轴为经过基座的原点、沿汽车左右方向设置的水平横轴，所述的特定角度为汽车侧视图上、前挡风玻璃与发动机盖之间的夹角；

所述基座的外表面上分别设置多个扇形竖板、扇形横板，所述的扇形竖板平行于沿汽车前后方向的竖直面，多个扇形竖板相互平行、等间隔设置；多个扇形横板绕y轴等角度间隔排列多个；所述的扇形横板将扇形竖板分隔成多个相互独立的基板；所述的扇形竖板、扇形横板将基座的外表面分隔成多个相互独立的单元球面；

所述的基座、扇形横板由绝缘材料制作而成，所述的竖板为夹层结构，其夹层结构由位于中间的绝缘板、绝缘板两侧的导电板构成，单元球面的表面设置指向基座球心的导水孔，导水孔靠近单元球面的端口设置泄压阀；所述基座的内腔底部设置排水孔，排水孔的出口位于前挡风玻璃下边缘处排水槽的上方；

所述的基座的内腔底部设置支座，支座内设置的蓄电池的正负极分别与绝缘板两侧的一个导电板连接，使位于一个绝缘板两侧的两个导电板的极性相反，保持单个单元球面两侧的导电板之间具有电压差；所述的蓄电池与导电板之间设置继电器开关，继电器开关与控制器连接，一个单元球面两侧的两个导电板之间设置压力传感器，压力传感器与控制器通信连接。

优选的，所述的支座的上表面设置球形凹槽，球形凹槽内放置可旋转的旋转球；所述旋转球的上半部外表面上、沿其竖直轴线方向设置多个水平放置的支撑环，支撑环上安装多个导流叶片；

所述的旋转球、支撑环、导流叶片由绝缘材料制作而成；所述支座的凹槽表面设置多对永磁体；所述旋转球的内部下侧设置多个金属条，金属条通过导线与蓄电池连接。

优选的，所述的ecu还与设置在汽车相应位置的三轴加速度传感器、方向盘角度传感器、车速传感器、坡度传感器连接。

根据上述任意一种汽车雨刮控制装置的控制方法，所述的控制方法包括以下步骤：初始化、参数测量、速度调节；

所述的初始化步骤为：汽车点火开关启动后，ecu向控制器发送初始化命令，控制器控制与蓄电池连接的继电器开关，使导电板带电，以基座的球心为原点分别建立球面坐标系、直角坐标系，所述的直角坐标系中，xy平面与汽车底盘所在平面平行，xz平面沿汽车前后方向设置，且与xy平面垂直，yz平面分别与xy平面、xz平面垂直；ecu存储每个单元球面中心位置的球面坐标r、θ、φ，并接收压力传感器发送的、该单元球面内相对的两个导电板之间的电压值u；

所述的参数测量步骤为：当雨滴落在单元球面的表面并在其表面形成一定厚度的水膜时，相邻两个导电板(65)之间的电压值u发生变化，控制器计算单元球面内、相邻两个导电板之间的电压变化值uv，将uv值传递给ecu，ecu将具有最大uv值的单元球面中心点记为参考点，将参考点与基座的球心之间的连线标记为雨滴入射线；ecu提取参考点处的球面坐标r、θ、φ；所述的θ角为雨滴入射线在xy平面内的投影与xz平面之间的角度，θ角的0°与x轴重合，所述的φ角为雨滴入射线与xy平面之间的角度，φ角的0°与xy平面平行；

所述的速度调节步骤为：ecu根据降雨量、最大uv值调整雨刮器的初始刮扫速度v1，降雨量越大，v1越大,最大uv越大，v1越大；ecu根据θ、φ调整雨刮器的心里修正速度v2，θ角接近0°，v2增大，θ角远离0°，v2减小；φ角接近45°，v2增大，φ角远离45°，v2减小；雨刮器的实际刮扫速度v3＝v1+v2；

优选的，所述的参数测量步骤中，三轴加速度传感器测量汽车纵向加速度ax、横向加速度ay，车速传感器测量汽车的速度v0；

所述的速度调节步骤中，ecu根据ax、ay计算加速度修正系数a0，a0按照以下公式计算：

雨刮器实际刮扫速度v3按照以下公式计算：

v3＝v1+v2+c1(a0×v0)

所述的c1为正值常数。

优选的，所述的参数测量步骤中，坡度传感器测量汽车底盘所在的平面与水平面之间的坡度倾角α2；所述的速度调节步骤中，ecu根据α2调整雨刮器的实际刮扫速度v3，汽车处于上坡状态时，α2越大，v3越小，汽车处于下坡状态时，α2越大，v3越大。

优选的，所述的参数测量步骤中，方向盘角度传感器测量汽车的转向角度α1；所述的速度调节步骤中，ecu根据α1调整雨刮器的实际刮扫速度v3，α1越大，v3越小。

本发明具有以下有益效果：雨滴传感器每次测量前均进行初始化，如果其表面沾有灰尘或杂质时，不影响其测量精度，降雨量测量精度高，环境适应性强；雨滴传感器可以测量降雨量及雨水的入射角度，根据降雨量和雨水入射角度调节雨刮器实际刮扫速度，有效提高驾驶员的心里安全感。雨刮器实际刮扫速度还可根据汽车的不同行驶状态，在加速行驶、坡道行驶、转向行驶状态下分别调整雨刮器实际刮扫速度，提高驾驶安全性。

附图说明

图1为汽车侧视图示意图；

图2为雨刮控制装置电路原理图；

图3为雨滴传感器结构示意轴测图；

图4为图3中a-a剖视图；

图5为图4中b-b剖视图；

图6为单元球壳两侧具有电压差示意图；

图7为直角坐标系参数与球坐标系示意图。

具体实施方式

本申请中所述的“x轴”、“y轴”、“z轴”、“xy平面”、“yz平面”、“zx平面”、“水平面”均是为了更好的描述控制装置结构及位置使用的词语，不对本申请中技术方案的保护范围构成任何形式上的限定。

如图1-6所示的一种汽车雨刮控制装置，所述的雨刮控制装置包括雨刮器1，雨刮器1通过连杆机构与雨刮驱动电机2连接，驱动电机2与控制器3连接，控制器3与ecu4连接；连杆机构可以是四连杆或多连杆机构，驱动电机2可以是永磁式直流电机，也可以是步进电机或其他控制精度较高的电机；控制器3可以是带有存储器的中央处理器芯片或带有存储器的单片机；控制器3中存储的程序可以控制驱动电机2运动，驱动电机2带动连杆机构运动，连杆机构带动雨刮器1的骨架在一定角度内做往复旋转运动，雨刮器1的骨架上安装的刮条对前挡风玻璃或后挡风玻璃进行刮扫。

为了检测雨量，汽车前挡风玻璃外侧面与发动机罩交界区域设置雨滴传感器5，雨滴传感器5与控制器3通过有线或无线方式连接；

所述的雨滴传感器5包括带有一定厚度的、中空的基座6，基座6安装在前挡风玻璃7与发动机盖8交界区域，基座6是由一个半圆扇形截面绕y轴旋转扫略特定角度后形成的空腔结构，空腔结构的底部由两块分别与发动机盖7、前挡风玻璃8接触的挡板组成，两块挡板与空腔结构形成一个密封的腔体；所述的y轴为经过基座6的原点、沿汽车左右方向设置的水平横轴，所述的特定角度为汽车侧视图上、前挡风玻璃7与发动机盖8之间的夹角；

所述基座6的外表面上分别设置多个扇形竖板61、扇形横板62，所述的扇形竖板61平行于沿汽车前后方向的竖直面，即与xz面平行，多个扇形竖板61相互平行、等间隔设置；多个扇形横板62绕y轴等角度间隔排列多个；多个扇形横板62将扇形竖板61分隔成多个相互独立的基板；所述的扇形竖板61、扇形横板62将基座6的外表面分隔成多个相互独立的单元球面63；

所述的基座6、扇形横板62由绝缘材料制作而成，可以是橡胶绝缘材料，也可以是塑料绝缘材料；所述的扇形竖板61为夹层结构，即扇形竖板61被多个扇形横板62分割成多个基板，每个基板为夹层结构，基板的夹层结构由位于中间的绝缘板64、绝缘板64两侧的导电板65构成，单元球面63的表面设置指向基座6球心的导水孔66，导水孔66靠近单元球面63的端口设置泄压阀67；所述基座6的内腔底部设置排水孔69，排水孔69的出口位于前挡风玻璃下边缘处排水槽的上方；

所述基座6的内腔底部设置支座7，支座7内设置的蓄电池76的正负极分别与绝缘板64两侧的一个导电板65连接，使位于一个绝缘板64两侧的两个导电板65的极性相反，保持单个单元球面63两侧的导电板65之间具有电压差；所述的蓄电池76与导电板65之间设置继电器开关，继电器开关与控制器3连接，一个单元球面63两侧的两个导电板65之间设置压力传感器68，压力传感器68与控制器3通信连接。

为了提高雨滴传感器5的可靠性，有效延长其工作时间，延长使用寿命，更好的实施方式是让雨滴传感器具有自发电结构，自发电结构包括支座7上表面设置的球形凹槽内放置的旋转球71；旋转球71的上半部外表面上、沿其竖直轴线方向设置多个水平放置的支撑环72，支撑环72上安装多个导流叶片73；所述的旋转球71、支撑环72、导流叶片73由绝缘材料制作而成；所述支座7的凹槽表面设置多对永磁体；所述旋转球71的内部下侧设置多个金属条，金属条通过导线与蓄电池76连接。

所述的雨滴传感器5的工作原理为：下雨时，雨水射入多个单元球面63上，雨水在单元球面63的表面形成水膜，水膜的厚度不同，则会使单元球面63两侧的导电板65之间的电压差发生变化，ecu4采集多个单元球面63的电压差变化值uv，以及多个uv值所在的单元球面63投影到前挡风玻璃8上的面积，从而可以计算出前挡风玻璃8上局部面积的降雨量，根据降雨量控制雨刮器的刮扫速度。

由于雨水与汽车之间存在一定角度，因此每个单元球面63接收的雨量不同，如果一个单元球面63的电压差值变化速度快，则说明进入该单元球面63的雨量多，进一步可推断出该单元球面63中心点与基座6球心之间的连线就是雨水入射的方向，这样可以得出雨水与前挡风玻璃之间的入射角度；根据降雨量及雨水的入射角度，调整雨刮器的刮扫速度，降雨量越大，雨刮器的刮扫速度越大，而雨水的入射角度与前挡风玻璃之间的角度越接近90°，说明驾驶员眼中的视觉雨水速度越大，此时应提高雨刮器的刮扫速度，从而提高驾驶员的心里安全感。

当单元球面63中聚集的雨量超过一定值，则泄压阀67打开，雨水沿导水孔66进入基座6的内腔，并冲刷导流叶片73，导流叶片73带动旋转球71在支架7的凹槽内旋转，此时旋转球71即为一个微型发电机，旋转球71内设置的金属条切割多个永磁体形成的磁场从而在金属条上产生电流，电流经导线进入蓄电池76存储起来，即实现了雨滴传感器5的自发电功能，多余的雨水经排水孔69排出。

根据上述的任意一种汽车雨刮控制装置的控制方法，所述的控制方法包括以下步骤：初始化、参数测量、速度调节；

所述的初始化步骤为：汽车点火开关启动后，ecu4向控制器3发送初始化命令，控制器3控制与蓄电池76连接的继电器开关，使导电板65带电，如图7所示的，以基座6的球心为原点分别建立球面坐标系、直角坐标系，所述的直角坐标系中，xy平面与汽车底盘所在平面平行，xz平面沿汽车前后方向设置，且与xy平面垂直，yz平面分别与xy平面、xz平面垂直；ecu4存储每个单元球面63中心位置的球面坐标r、θ、φ，并接收压力传感器68发送的、该单元球面63内相对的两个导电板65之间的电压值u；汽车每次行驶时均进行初始化步骤，当雨滴传感器表面不干净或沾有灰尘杂质时，也不会对后续的参数测量产生影响，提高了雨滴传感器5的适应性，也提高了降雨量测量精度。

所述的参数测量步骤为：当雨滴落在单元球面63的表面并在其表面形成一定厚度的水膜时，相邻两个导电板65之间的电压差值u发生变化，控制器3计算单元球面63内、相邻两个导电板65之间的电压变化值uv，将uv值传递给ecu4，ecu4采集多个uv值，以及多个uv值所在的单元球面63投影到前挡风玻璃8上的面积，从而计算出前挡风玻璃8上局部面积的降雨量，同时将具有最大uv值的单元球面63中心点记为参考点，将参考点与基座6的球心之间的连线标记为雨滴入射线；ecu4提取参考点处的球面坐标r、θ、φ；所述的θ角为雨滴入射线在xy平面内的投影与xz平面之间的角度，θ角的0°与x轴重合，即θ角的0°与汽车底盘所在平面平行且指向汽车前方，所述的φ角为雨滴入射线与xy平面之间的角度，φ角的0°与xy平面平行，φ角相对于xy平面向上旋转时，其角度为正值，φ角相对于xy平面向下旋转时，其角度为负值；

所述的速度调节步骤为：ecu4根据降雨量、最大uv值调整雨刮器1的初始刮扫速度v1，降雨量越大，v1越大,最大uv越大，v1越大；ecu4根据θ、φ调整雨刮器1的心里修正速度v2，θ角接近0°，驾驶员眼中的视觉雨滴速度增大，则v2增大；θ角远离0°驾驶员眼中的视觉雨滴速度增大，则v2减小；φ角接近45°，驾驶员眼中的视觉雨滴速度增大，则v2增大，φ角远离45°，驾驶员眼中的视觉雨滴速度减小，则v2减小；雨刮器的实际刮扫速度v3＝v1+v2；

为了适应加速行驶、坡道行驶、转弯行驶等复杂环境情况，更好的实施方式是：所述的ecu4还与设置在汽车相应位置的三轴加速度传感器31、方向盘角度传感器32、车速传感器33、坡度传感器34连接。

所述的参数测量步骤中，三轴加速度传感器31测量汽车纵向加速度ax、横向加速度ay，车速传感器33测量汽车的速度v0；

所述的速度调节步骤中，ecu4根据ax、ay计算加速度修正系数a0，所述a0按照以下公式计算：

雨刮器实际刮扫速度v3按照以下公式计算：

v3＝v1+v2+c1(a0×v0)

所述的c1为正值常数，当汽车处于急加速或急减速情况下，雨刮器实际刮扫速度v3会适当增加，从而减小加速状态下驾驶员的心里危险感觉，提高驾驶安全性。

所述的参数测量步骤中，坡度传感器34测量汽车底盘所在的平面与水平面之间的坡度倾角α2；所述的速度调节步骤中，ecu4根据α2调整雨刮器的实际刮扫速度v3，汽车处于上坡状态时，为了更好的看清前方的道路，减小雨刮器遮挡影响，上坡坡度越大，v3应该越小，这样有利于驾驶员在上坡时其视野不受雨刮器的影响，因此α2越大，v3越小；汽车处于下坡状态时，为了减小驾驶员的心里危险感觉，下坡坡度越大，v3应该越大，因此α2越大，v3越大。这样可以提高汽车在坡道行驶状态下的驾驶安全性。

所述的参数测量步骤中，方向盘角度传感器32测量汽车的转向角度α1；所述的速度调节步骤中，ecu4根据α1调整雨刮器的实际刮扫速度v3，转向角度越大，驾驶员希望的雨刮器刮扫速度越小，这样有利于转向时看清前方的状况，减小雨刮器对视线的阻挡，因此α1越大，v3越小。