传感器组件的控制系统的制作方法

这通常涉及用于传感器组件的控制系统。

背景技术：

障碍物和避碰系统可用于减轻由于碰撞而对交通工具和其他财产造成的损害。关于障碍物和避碰系统的各种技术可以以合理的成本结合到交通工具中。一些技术包括用于感测和监测交通工具周围区域的传感器和数码相机。在某些情况下，相机可以通过安装在可以让驾驶员访问其他视角的位置中来提高安全性，否则这些视角会减少或驾驶员通过窗户或镜子的常见视野而无法看到。

技术实现要素：

一个示例包括用于传感器的控制系统，其包括测量传感器组件的共振频率的污染物检测子系统，传感器组件包括：壳体；致动器和传感器，该致动器和传感器二者设置在壳体中；以及壳体盖，该壳体盖使传感器能够通过壳体盖进行感测；污染物检测子系统检测壳体盖的暴露的表面上的污染物，并基于传感器组件的共振频率提供识别壳体盖上的污染物的检测信号；以及清洁子系统，其向致动器提供清洁控制信号，以响应于检测信号从壳体盖排出污染物。

另一个示例包括污染物感测系统，其包括设置在交通工具外部的传感器组件，该传感器组件包括：致动器和传感器，所述致动器和传感器二者设置在壳体中，所述壳体使传感器能够通过壳体进行感测；污染物检测子系统，其测量传感器组件的共振频率，污染物检测子系统响应于检测到壳体的暴露的表面上的污染物而提供检测信号；清洁子系统，其响应于检测信号实施从暴露的表面排出污染物；以及温度调节装置，其基于致动器的温度调节致动器的功率。

另一个示例包括从传感器排出污染物的方法，该方法包括：测量传感器组件的共振频率的变化以检测传感器组件的暴露的表面上的污染物、测量传感器组件的频率响应的变化以确定暴露的表面上的污染物的存在和数量、基于暴露的表面上的污染物的量确定清洁模式、基于暴露的表面上的污染物的量确定清洁阶段，并且产生清洁控制信号给传感器组件的致动器，以用于从暴露的表面排出污染物。

附图说明

图1说明了用于传感器组件的示例感测和信令控制/监测系统。

图2说明了在交通工具外部上使用的示例。

图3说明了说明归一化固有频率与归一化质量的示例图。

图4是示例致动器的示例阻抗幅度响应曲线图。

图5说明了针对示例传感器组件依据频率而变化的示例阻抗幅度响应曲线图，该示例传感器组件包括设置在示例传感器组件的暴露的表面上的不同水滴体积。

图6说明了针对300khz附近的不同电压激励水平的示例无故障致动器和对应的传感器组件的阻抗幅度响应曲线图。

图7说明了针对300khz附近的不同电压激励水平的示例故障致动器和对应的传感器组件的阻抗幅度响应曲线图。

图8说明了用于不同温度的传感器组件中的示例压电换能器和壳体盖的示例阻抗幅度响应曲线图。

图9说明了20至40khz的频率范围的示例阻抗幅度响应曲线图。

图10说明了将使用用于示例致动器的线性方程的温度估计和来自图9的阻抗幅度响应曲线图的实际温度进行比较的示例曲线图。

图11是说明从暴露的表面排出外来污染物的示例方法的流程图。

图12是说明一个示例清洁过程的流程图。

图13是说明另一个示例清洁过程的流程图。

具体实施方式

本说明书一般涉及用于设置在交通工具外部的传感器(传感器组件)的感测和信令控制/监测系统。更具体地，本说明书涉及感测和信令控制/监测系统，其用于关于设置在交通工具外部的传感器来识别污染物、清洁、温度检测/调节、故障检测、功率调节等。用于清洁传感器的超声激励提供了比水喷雾器、机械刮水器或空气喷射解决方案更具成本效益和更有效的方法。因此，感测和信令控制/监测系统利用致动器，该致动器使传感器组件振动并因此以其共振频率驱动沉积在传感器组件的暴露的表面上的污染物(例如，水、雾、冰、污垢、泥土等)，以便利于从暴露的表面除去污染物。更具体地，当致动器被适当的周期性波形激励时，致动器将使传感器组件振动。适当调整振动的频率和振幅将从暴露的表面排出污染物。因为不同的污染物量和类型导致不同的共振频率，所以致动器可以提供频率范围内的频率，该频率范围包含组合的传感器组件的共振频率和沉积在暴露的表面上的污染物的量。一些示例致动器包括压电换能器、音圈致动器等。

感测和信令控制/监测系统可以与设置在交通工具外部的任何传感器装置一起使用。例如，一些传感器装置包括相机系统(例如，相机监视系统(cms)、环绕视图系统(svs))、光电检测器、外部反射镜、反射器、激光雷达(lidar)。其他类型的传感器装置可以包括短程和远程雷达、近场收发器、声学传感器等。相应地，用于相机或其他装置的镜头的壳体可包括暴露的镜头盖表面(诸如相机、反射器、传感器等)。类似地，其他类型的传感器(不同于光学传感器或相机)还包括外部壳体以保护传感装置免受环境影响。每个壳体具有相关联的表面，通过该表面提供信令和/或感测以实施相应的感测功能(成像、雷达、lidar、近场感测等)。如上文所述，感测和信令控制/监测系统不仅清洁壳体，还包括监测传感器组件的其他环境或操作参数的部件。环境和操作参数的示例包括温度检测、故障检测(例如，监测暴露的表面的完整性和功能性)、功率调节等。因此，感测和信令控制/监测系统可以延长传感器组件的机械寿命并保持其表面基本上没有污染物。感测和信令控制/监测系统还可以为传感器组件的潜在故障提供早期警告。

图1说明了示例感测和信令控制/监测系统100，并且图2是可以与感测和信令控制/监测系统100一起使用的示例传感器组件200。感测和信令控制/监测系统100包括：污染物检测子系统110，其测量传感器组件的共振频率；故障检测子系统130，其基于传感器组件的频率的变化检测传感器组件中的故障；清洁子系统140，其向传感器组件中的致动器提供清洁控制信号以从传感器组件的暴露的表面排出污染物；以及温度监测/功率调节装置160，其监测致动器的温度。提供控制器170以经由总线190控制子系统和装置。

图2中说明的示例传感器组件200是用于在相机上使用的示例相机镜头组件。传感器组件200包括附接到相机主体204的壳体202、设置在壳体202中的感测装置(例如，相机镜头)206、设置在壳体202的开口端处的透明壳体盖208以及致动器210。致动器210设置在壳体202中并且附接到壳体盖208。致动器210包括电极212，其允许致动器210经由电路接口214连接到控制器170。在示例相机镜头组件中，致动器210可以是换能器(例如，压电圆柱形或环形换能器)，当由适当的信令激励时，将使壳体盖208振动。如本文所述，通过正确地调节振动的频率和/或振幅，污染物可以从壳体盖208的暴露的表面216排出。

参见图1、图3、图4和图5，污染物检测子系统110检测并识别设置在传感器组件的暴露的表面(例如，壳体/镜头盖的暴露的表面)上的污染物，并且可包括定时器112、频率测量电路114、频率响应测量电路116和比较器118。在一个示例中，污染物检测子系统110可以经由定时器112被配置成基于各种因素周期性地检查污染物，各种因素诸如交通工具运动的时间量、交通工具的速度、交通工具的方向(例如，前进、后退、转弯等)。可以在检测过程期间动态更新(即增加、减少、不改变)等待时段。在另一个示例中，污染物检测子系统110可以由交通工具的乘员手动触发(例如，开关、按钮等)。在又一个示例中，如果传感器组件感测到污染物可能在暴露的表面上，则污染物检测子系统110可以由传感器组件触发。因此，污染物检测子系统110的触发可以来自多个源中的一个。

参考图1，频率测量电路114监测传感器组件的共振频率的变化，以检测设置在传感器组件的暴露的表面上的污染物的存在。共振频率的偏移表明传感器组件的暴露的表面上存在污染物。具体地，传感器组件具有共振频率，其被称为自然频率/固有频率ωn并且由方程(1)定义：

其中k是机械系统(传感器组件)的有效刚度，单位为n/m，m是机械系统的有效质量，单位为kg。当在暴露的表面上检测到污染物时，共振频率从传感器组件的共振(固有)频率变为传感器组件和设置在暴露的表面上的污染物二者的共振(固有)频率。由于设置在暴露的表面上的污染物引起的固有频率的变化δωn可以通过方程(2)在数学上表示：

其中是固有频率的归一化变化，而是质量的归一化变化，两者都是无单位的。

图3是说明了归一化固有频率的变化与归一化质量的变化的示例曲线图300，如上文所述。归一化固有频率的变化对归一化质量的微小变化非常敏感。在图3中的示例中，归一化质量的变化约10％导致归一化固有频率变化约70％。因此，共振或固有频率变化的灵敏度在检测暴露的表面上污染物的存在方面是有效的。污染物的检测可以在第一共振频率、第二共振频率等处检测到。

参考图1，频率响应测量电路116以给定的共振频率测量传感器组件或其任何部分的频率响应，以识别暴露的表面上的污染物的类型和污染物的量。传感器组件加上污染物的频率响应与暴露的表面上污染物的特定量的质量相关。例如，图4是示例频率响应，其示出了示例传感器组件的阻抗幅度响应曲线400。峰值是阻抗幅度响应的极点，谷值是阻抗幅度响应的零点。零极点对表示示例传感器组件的共振频率。更具体地，极点表示并联共振频率，零表示串联共振频率。术语并联共振频率指代机械子系统的并联组合与电介质之间的共振，而术语串联共振频率仅指代机械子系统的共振。图5说明了针对图4的示例传感器组件依据频率而变化的示例阻抗幅度响应曲线图500，该示例传感器组件用于设置在示例传感器组件的暴露的表面的中心中的不同的水滴体积，范围从0μl至200μl。

如图5中所说明的，给定的共振频率将基于设置在暴露的表面上的水(或其他污染物)的量而偏移不同的量。从传感器组件的共振频率偏移的频率的量与暴露的表面上的质量的量相关。因此，为了识别暴露的表面上污染物的类型和量，可以利用传感器组件的共振频率和频率响应以及可能与暴露的表面接触的任何和所有可能的污染物质量水平来校准污染物检测子系统110。该信息可以存储在数据库180中，并且比较器118将测量的共振频率和频率响应与存储的共振频率和频率响应进行比较，以确定传感器组件的暴露的表面上的污染物的量和/或类型。可以在第一共振频率、第二共振频率等处发起污染物的识别。

参考图1、图6和图7，当清洁系统140未在暴露的表面上检测到任何可感知的质量时，故障检测子系统130执行系统检查。通过将无故障的功能致动器和对应的传感器组件的频率响应与故障的无功能的致动器和对应的传感器组件的频率响应进行比较来执行系统检查。例如，图6示出了针对300khz附近的不同电压激励水平的示例无故障功能(健康)致动器和对应传感器组件的阻抗幅度响应。依据电压激励水平，响应在285和295khz之间为零，在305和310khz之间为极点。另一方面，图7示出了针对在300khz附近的不同电压激励水平的示例故障或损坏的致动器和对应的传感器组件的阻抗幅度响应。在这种情况下，当电压电平增加到激励致动器所需的电平时，290khz附近的零点不再具有共振效应。结果，可以在致动器的寿命期间周期性地监测传感器组件的阻抗幅度响应。如果响应指示共振频率不再存在，则致动器故障并且故障检测子系统130禁用系统启动信号(下文进一步描述)。

故障检测子系统130可以通过频率响应检测到的故障致动器的一个示例是当换能器过热时压电换能器中的压电材料的去极化。当材料的温度超过其居里温度时发生这种故障，并且当在清洁过程中驱动太多电流通过传感器组件时发生这种故障。其他示例故障可能包括镜头破裂或破坏、换能器破裂、密封故障、环氧树脂失效等。因此，如前一段所述，可以将故障致动器的频率响应与致动器没有故障时的频率响应进行比较。非故障致动器的(一个或更多个)频率响应可以存储在数据库180中并且被访问以将故障致动器频率响应与无故障致动器频率响应进行比较。

再次参考图1，清洁子系统140基于污染物检测子系统110对污染物的识别来发起清洁过程。清洁子系统140包括清洁模式选择器142、清洁阶段选择器144和信号发生装置146。清洁模式选择器142包括多种清洁模式(1、2……n)并基于由上文所述的污染物检测子系统110所确定的设置在暴露的表面上的污染物的类型来选择清洁模式。例如，可以响应于确定对应于雾的污染物的类型来实施第一清洁模式，可以响应于确定对应于水滴的污染物的类型来实施第二清洁模式，可以响应于确定对应于冰的污染物的类型实施第三清洁模式等。其他清洁模式可能对应于其他类型的已知(或未知)类型的污染物，诸如污垢、泥土、树叶等。

基于由上文所述的污染物检测子系统110所确定的设置在暴露的表面上的污染物的量(例如，尺寸、质量、重量、体积等)，清洁阶段选择器144在给定清洁模式内从多个清洁阶段(a、b……n)中选择清洁阶段。因此，依据污染物的量，每种清洁模式可包括一种或更多种不同的清洁阶段。给定清洁模式内的每个清洁阶段可基于暴露的表面上的污染物的量提供不同的清洁水平、强度或过程。具体地，每个清洁阶段可以包括定义清洁过程的一个或更多个不同参数(i、ii……n)。清洁参数可以定义为在特定的共振频率和/或振幅下激励致动器的频率和/或电压电平，这进而使暴露的表面振动，从而从暴露的表面排出污染物。其他参数可包括时间段(持续时间)、加热干燥等。用超声波系统和方法清洁暴露的表面公开在2017年4月20日提交的题目为methodsandapparatususingmultistageultrasoniclenscleaningforimprovedwaterremoval(使用多级超声透镜清洁用于改进的除水的方法和设备)的共同未决的美国专利申请序列号15/492,286中，并且其全部内容通过参考并入本文。

如上所述，每个清洁阶段可以提供不同的清洁过程。例如，设置在暴露的表面上的较大量的污染物需要比较小量的更积极的清洁。例如，如果清洁模式选择器142选择对应于水的清洁模式，则阶段选择器144选择包括适当数量的清洁参数的清洁阶段，以有效地从暴露的表面排出水。更具体地，第一参数可以对应于使致动器振动的第一(高)频率(例如，大约300khz)，因此暴露的表面使大水滴雾化。第二参数可以对应于使致动器振动以进一步排出较小水滴的第二(较低)频率(例如，约25khz)。第三参数可以对应于使用换能器作为加热装置来加热干燥剩余的水滴。因此，在清洁过程期间，随着暴露的表面上的污染物的量改变(减少/增加)，清洁阶段和/或清洁参数可以相应地改变(例如，从更积极的清洁过程到不太积极的清洁过程(或反之亦然))，以有效地从暴露的表面去除污染物。换句话说，电压和/或频率或任何其他参数可在清洁过程中变化。

信号发生装置146经由致动器接口150生成清洁控制信号148到致动器。清洁控制信号148基于所选择的清洁阶段和/或清洁参数来驱动致动器或其他清洁参数。清洁信号可以具有预定的频率和/或电压电平，其以共振频率和/或振幅驱动致动器，以有效地从暴露的表面排出或驱散污染物。当清洁模式、清洁阶段和/或清洁参数动态改变时，清洁信号可以动态地改变。随着污染物开始从暴露的表面驱散，暴露的表面(包括剩余污染物)的共振频率发生变化。因此，在驱散期间，共振频率基本上不断地变化。因此，随着共振频率改变，清洁模式、清洁阶段和/或清洁参数可以改变以继续对应于改变的共振频率而从暴露的表面有效地驱散污染物。另外，可以在第一共振频率、第二共振频率等处发起清洁信号。

参见图1、图8、图9和图10，温度监测装置160监测致动器的温度，并且还可以用作功率调节装置以调节致动器的功率。因为致动器连接(例如，机械地耦合)到暴露的表面，所以温度监测装置因此监测暴露的表面的温度。如果致动器和/或暴露的表面的温度超过阈值温度，则停止清洁过程直到致动器和/或暴露的表面冷却到环境温度或低于阈值温度。冷却可以是被动冷却(例如，空气冷却)或主动冷却(例如，空气喷射、水喷雾等)。在一些示例中，温度可以由外部装置监测，诸如热电偶、红外传感器等。

在另一个示例中，温度可以由传感器组件内部地监测。例如，温度监测装置160可以通过测量传感器组件对不同温度的频率响应来确定致动器和/或传感器组件的温度。图8说明了在不同温度下的示例传感器组件的示例阻抗幅度响应800。特定频率(例如20khz)处的阻抗响应的幅度可用于确定换能器的温度。可以存储该信息并且可以访问该信息以确定致动器的温度以及换能器的温度是否超过温度安全阈值。如果是这样，则停止清洁过程，直到致动器和/或暴露的表面冷却到安全操作温度，该温度低于阈值温度。

图9说明了从20到40khz的阻抗幅度响应900的特写视图。假设对于频率的恒定阶跃变化，阻抗幅度的变化是均匀的，则可以根据阻抗数据容易地确定温度。在该示例中，描述依据该示例换能器的阻抗幅度而变化的温度的线性方程由方程(3)给出：

t＝-0.29*z+392.6(3),

其确定值系数为r²＝0.9932。当该值接近单位元素(unity)时，使用线性方程的估计值与实际值之间的方差被最小化。

图10示出了比较使用线性方程的温度估计和来自阻抗幅度曲线图的实际温度的曲线图1000。估计温度中的最大误差约为3.7℃。因此，一旦知道阻抗幅度值，就可以使用简单的线性方程精确地估计致动器的温度。

再次参考图1，控制器170包括微处理器(微控制器)172，用于执行指令和/或算法以实行感测和信令控制/监测系统100的过程。微处理器172可以以这样的方式嵌入智能放大器中，使得控制系统可以集成到单个芯片中，或者可以由经由键合线连接的多个芯片组成。用于控制器170的逻辑控制可以是基于软件的(由处理器核可执行的指令)或实施为硬件，诸如逻辑门的布置。

控制器170还可以包括数据存储装置174，其可以存储数据和/或指令，诸如由微处理器172执行的可执行程序代码。数据存储装置174可以存储微处理器172可以执行的多个应用和数据，以至少实施本文中描述的功能。数据存储装置174可以包括各种类型的存储器模块，包括易失性和非易失性存储器。例如，数据存储装置174可以包括随机存取存储器(ram)176、只读存储器(rom)178、闪存固态驱动器(ssd)(未示出)和数据库180中的一个或更多个。附加装置和/或电路182可以包括诸如但不限于便于执行关于致动器的信号的(一个或更多个)脉冲宽度(pwm)切换控制器、(一个或更多个)pwm预驱动器、(一个或更多个)放大器、(一个或更多个)模数转换器、(一个或更多个)多路复用器等。

图11是说明从传感器组件的暴露的表面排出外来污染物的示例方法的流程图1100。该过程在上文描述的污染物子系统中开始。在1102处，感测和信令控制/监视系统在开始该过程之前等待一段时间(例如，等待系统启动信号)。在1104处，在等待时段期满之后，频率测量装置监测共振频率以确定(一个或更多个)污染物是否存在于暴露的表面上。如果没有检测到材料，则在1106处，该过程前进到故障检测子系统，其中感测和信令控制/监视系统经历系统检查。在1108处，做出决定以确定传感器组件或任何其他部件是否有故障。如果系统有故障，则在1110处，清洁过程停止。如果系统没有故障，则该过程循环回到1102并且该过程再次开始。

如果在1104处检测到材料，则污染物检测子系统110产生材料检测信号，然后在1112处，频率响应测量电路识别设置在暴露的表面上的污染物的类型。在1114处，该过程前进到清洁子系统并且执行清洁过程，这将在下面参考图12进一步描述。在1116处，测量致动器的温度。在1118处，做出决定以确定致动器的温度是否超过温度阈值。如果“是”，则该过程前进到温度监测子系统，其中在1120处，禁用清洁过程。在1122处，发起致动器和/或暴露的表面的冷却。在1124处，做出决定以确定致动器温度是否仍然超过温度阈值。如果“是”，则在1126处继续冷却并且该过程循环回到1124。如果“否”，则该过程在1102处再次开始。

如果在1118处致动器温度未超过温度阈值，则在1128处，做出决定以确定清洁过程是否完成。如果“是”，则该过程在1102处再次开始。如果“否”，则在1130处更新清洁信号持续时间并且该过程循环回到1104。

图12是说明图11中表示为1114的一个示例清洁过程的流程图。在1202处，基于设置在暴露的表面上的污染物的类型来确定清洁模式，如上所述。在1204处，基于设置在暴露的表面上的污染物的量来确定清洁阶段。在1206处，基于阶段选择来设定清洁参数。在1208处，产生清洁信号，从而发起清洁过程。

图13是说明图11中表示为1114的另一个示例清洁过程的流程图。在该过程之前，确定在暴露的表面上识别的污染物是冰和/或水。在1302处，确定致动器的温度，其进而确定暴露的表面的温度。在1304处，做出决定以确定温度是否低于冰点，低于冰点表明在暴露的表面上形成了冰。如果“是”，则产生加热信号以加热暴露的表面，从而熔化冰。如果“否”，那么在1308处，做出决定以确定是否应该减少污染物的量。如果“是”，则在1310处产生清洁信号以在暴露的表面加上暴露的表面上的任何污染物的共振频率下激励致动器。如果“否”，那么在1312处，做出决定以基于污染物的量确定是否需要干燥。如果“是”，则在1314处产生加热信号，从而加热传感器组件的暴露的表面。如果“否”，则该过程循环回到1102并再次开始该过程。

在所描述的实施例中修改是可能的，并且在权利要求的范围内，其他实施例也是可能的。