基于红外反射式雨量传感器的雨刮策略

关忠旭，杨慧凯，韩新立*，王鹏鹏，吴志纲

基于红外反射式雨量传感器的雨刮策略

关忠旭1，杨慧凯1，韩新立*1，王鹏鹏1，吴志纲2

（1.中国第一汽车股份有限公司 智能网联开发院，吉林 长春 130011； 2.上海保隆汽车科技股份有限公司 汽车传感器单元，上海 201600）

随着汽车行业的发展，人们对车辆的智能化要求越来越高，雨量传感器已经成为汽车必不可少的一部分，同时在雨天行车过程中，雨量传感器能自动控制雨刷系统，可以让驾驶员注意力更加集中，不用分心去控制雨刷系统，提高行车的安全性。因此，文章主要研究汽车在行驶过程中雨量传感器感应雨量的策略，从产品的工作原理、软件算法逻辑、应用工况等方面进行研究，通过该雨刮策略实现智能化的自动雨刷控制，为驾驶员带来便利，提高车辆的使用舒适性。基于此软件策略，最终通过测试工程师及驾驶员的驾乘感受，能较好地区分出不同的雨量工况，有效地提升了自动刮刷的效果，也提高了雨刮控制的稳定性，解决了隧道模式停刮慢等问题。

红外反射式雨量传感器；雨刮策略；舒适性

随着汽车电动化和智能化的发展趋势，以及汽车产品的消费升级，消费者对于汽车的舒适性体验越来越重视，因此，车用光雨量传感器系统渗透率越来越高[1]。雨刮器是保证下雨等不良天气下行车安全的重要部件，自动雨刮器能够针对周围环境的变化自动运行，进一步提高驾驶的安全性和便利性[2-3]。雨量传感器是自动雨刮器的核心部件，被用于感测挡风玻璃上的雨滴，识别当前小雨、中雨、大雨等不同的工况信息，从而自动控制雨刷的刮刷方式和速度。

但是在实际使用过程中也面临一些弊端，雨量传感器不能精准地识别雨量情况[4-5]包括：1）大雨和小雨是交替出现的，雨量传感器探测识别时可能会有混淆；2）不能将车速、灵敏度、实际雨量进行区分，无法做到与车辆运行状态的及时匹配；3）由有雨工况进入无雨工况时，雨刮无法快速停止[6-7]；4）由于感雨面积的限制，出现未及时刮刷等现象[8]。因此，本文对雨量传感器的自动雨刷策略进行研究，从原理和应用上说明对车辆感应雨量功能的提升。

1 雨量传感器工作原理

目前市场上的车用雨量传感器感应原理比较多，主要有电容式、热电偶式、红外散射式和基于图像处理的方法[9-12]。本文只针对红外反射式雨量传感器进行说明。

无雨时，发射端以特定角度[13]发射出的红外光线会在挡风玻璃外壁上发生全反射；雨天时，红外光线会因为雨滴的存在而发生折射并被雨水吸收[14-15]，如图1所示。因此，根据红外接收管感应反射信号的强弱可以判断挡风玻璃敏感区域雨水的大小。

将红外接收管接收的红外信号通过一定的方法转变为可用于测量的电流或电压等信号，根据检测电流或电压的强度变化来进行控制雨刷的运作，从而使得雨刷可根据雨量大小自动调节。

红外反射式雨量传感器一般安装在汽车挡风玻璃内侧，不易受工作环境影响，雨量引起的光强变化比较明显，且不易受电磁干扰。

图2为雨量传感器工作的硬件原理图，主要由几大模块电路组成：局部互联网络（Local Inter- connect Network, LIN）+低压差线性稳定器（Low Dropout Regulator, LDO）电源模块、微控制单元计算处理模块、雨量专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit, ASIC）处理模块、发光二极管雨量发射模块和PD雨量接收模块。雨量传感器通过LIN协议车辆进行网络通信，电源模块会将外界12 V电源进行处理，并转换为3.3 V电源供给MCU和雨量专用ASIC芯片，其通过串行通信协议（Serial Peripheral Interface, SPI）进行通信。雨量专用ASIC芯片通过脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）方波信号给两路LED雨量发射模块进行供电和控制，并给PD雨量接收模块进行3.3 V供电。

图2 雨量传感器硬件框图

当外界光线发生变化时，PD将感受到的外界光线变化转化为光电流信号传递给雨量ASIC，随后对微小的光电流信号进行转换、放大、滤波等处理，将量化后的ADC信号传递给MCU，并通过数据接收和发送引脚引脚将计算处理后的信号传递给LIN芯片，最后与整车进行LIN通信。

2 雨量传感器刮刷策略

根据上述工作原理，外界雨量的变化会引起采样值值的变化，即不同雨量大小会对应不同的值，采样周期为（50 ms），两次采样周期内的变化值用△进行定义。

车辆雨刷未刮时定义为停止状态，雨刷刮起一次后停止定义为点刮，其对应毛毛雨工况；雨刮多次按照间歇时间刮刷定义为周期刮刷，周期间歇对应小雨工况；雨刮多次的无间歇刮刷定义为连续刮刷，分为低速刮刷对应中雨工况、高速高刷对应大雨工况、超高速刮刷对应暴雨工况，刮速切换流程如图3所示。

图3 刮速切换流程图

将雨刮的灵敏度分为4挡（L1、L2、L3、L4），定义L4为最高灵敏度挡，L1为最低灵敏度挡，可根据个人感官进行主动调整，以此来满足不同驾驶员的使用需求。

雨刮电机可以分为机械雨刮和电子雨刮，本文主要针对电子雨刮策略进行描述。通常电子雨刮的刮速从0到7，其中0为停止，7为最高。

2.1 停止－点刮

△连续3次采样不小于点刮阈值,则开始点刮，点刮1次后停止，刮刷速度通常为1。

点刮模式无软件保持策略，刮刷请求一次后立即停止。

2.2 点刮－周期刮刷

秒内累计2次点刮后开启一个秒的有雨时间，因为秒内能够连续检测到降雨，则认为外界的降雨比较连续，有一个相对稳定的持续降雨时间。进入有雨时间后，雨刮按照秒的刮刷间隔保持次的刮刷，此为1个刮刷循环。在秒的有雨时间内，检测到保持周期间歇△，则开启1个刮刷循环，否则退出到停止模式。周期刮刷的刮刷速度通常设置为1，此策略能够有效解决雨量传感器由于检测面积限制导致的漏刮，进而引起驾驶员驾驶视野模糊的情况。

为了满足不同人员的需求，可以根据不同灵敏度和车速，设置不同的阈值。车速越高，驾驶员对视野的需求也越高，因此，需要更频繁的刮刷频次或更高的刮速。通常设置原则为灵敏度或者车速越低，设置得越短、设置越长、设置越少、△值设置越大。

2.3 停止－周期刮刷

当处于秒的有雨时间内时，当检测到有雨时，直接由停止模式切换到周期刮刷模式。因为此时仍在有雨时间内，外界的降雨比较连续，所以为了防止出现漏刮现象，需要跳过点刮直接到周期间歇模式。

2.4 周期刮刷－低速刮刷

在10 s内累计检测到次进入低速刮刷△阈值，进入到低速刮刷模式。10 s内检测到次保持低速刮刷△，继续保持低速刮刷模式，否则退出低速刮刷模式。同样可以按照灵敏度设置不同的阈值，以此来满足不同人员的需求，灵敏度或者车速越低，设置越短，且△设置越大。

在周期刮刷切换到低速刮刷过程中，可以将雨刮速度挡位2作为过渡刮速，雨刮速度挡位3作为目标刮速，以此来提升刮刷切换的平顺性。考虑到进入低速刮刷后的刮刷保持稳定性，防止频繁的切换刮速，设置的△比△要小。

2.5 低速刮刷－高速刮刷

在10 s内累计检测到次进入高速刮刷△阈值，从而进入到高速刮刷模式。10 s内检测到次保持高速刮刷△，继续保持高速刮刷模式，否则退出高速刮刷模式。同样可以按照灵敏度设置不同的阈值，以此来满足不同人员的需求，灵敏度或者车速越低，设置越多，△设置越大。

在低速刮刷切换到高速刮刷过程中，可以将4作为过渡刮速，5作为目标刮速，以此来提升刮刷切换的平顺性。

考虑到进入高速刮刷后的刮刷保持稳定性，防止频繁的切换刮速，设置的△比△要小。

2.6 高速刮刷－超高速刮刷

在10 s内累计检测到次进入超高速刮刷△，进入到超高速刮刷模式。10 s内检测到次保持超高速刮刷△，继续保持超高速刮刷模式，否则退出超高速刮刷模式。同样可以按照灵敏度设置不同的阈值，以此来满足不同人员的需求，灵敏度或者车速越低，设置越多，△设置越大。

在高速刮刷切换到超高速刮刷过程中，可以将6作为过渡刮速，7作为目标刮速，以此来提升刮刷切换的平顺性。

考虑到进入超高速刮刷后的刮刷保持稳定性，防止频繁的切换刮速，设置的△比△要小。

2.7 点刮－高速刮刷

当有大量的水打到玻璃上时，需要雨刮能够快速地刮掉雨水，恢复驾驶员视野。因此，当雨量传感器的所有检测通道的值同时低于一定值，并持续秒时，则认为水量很大，雨刮模式直接从点刮进入高速刮刷。

为了保证及时性，时间不宜设置过长，一般为1 s以内。

2.8 有雨区域－无雨区域

当在中雨、大雨以及暴雨下突然进入到无雨环境，例如从有雨区域进入无雨区域时，需要雨刮刮刷模式能够快速地降到停止模式。因此，在高速模式和超高速模式下，当所有雨量传感器检测通道连续2.5 s检测到的△均小于150时，则立即切换至周期模式。在低速模式下，所有雨量检测通道连续5 s检测到△小于150，则切换至周期模式。

3 主观感知评价

3.1 评分细则

为了验证雨刮控制策略的合理性，使用评分细则（见表1）在不同使用场景、车速和灵敏度下，主观评价对自动雨刮功能的满意程度。

3.2 主观感知评价结果

依据上述的评价细则，本次邀请5位测试者进行主观评价，主观感知评价如表2所示。

从驾乘人员的感受来看，点刮体验效果平均分较低，为4.4分，有雨区域进入无雨区域体验效果平均分最高，为4.8分，整体体验都在4.0分以上，说明驾乘人员对当前的软件逻辑和刮刷模式比较满意，体验效果良好。

表1 评分细则

分值雨刮刮刷感受评价影响 1有雨时不能及时刮刷，无雨时乱刮刷，用户体验极差所有用户都会抱怨或投诉 2有雨时不能及时刮刷且出现概率较高，无雨时不能及时退出刮刷且出现概率较高，刮刷过程中不够稳定多数用户容易引起抱怨 3有雨环境偶尔不能及时刮刷，无雨时不乱刮，刮刷过程稳定性一般有改善需求，追求完美的用户也许会抱怨 4雨刮进入和退出比较及时，刮刷过程中比较稳定追求完美的用户极少抱怨 5刮刷进入和退出非常及时，过程中非常稳定、没有缺陷非常好

表2 主观感知评价表

序号雨刮模式人员平均分 12345 1点刮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－无雨555544.8

4 总结

本文通过红外反射式雨量传感器检测雨量的大小，利用一段周期内的雨量导致的△变化量作为软件的核心控制逻辑，提高刮刷模式控制的稳定性。将车速与灵敏度引入雨刮控制策略，使得刮刷效果与车辆运行状态的相匹配。周期刮刷模式可有效地解决漏刮现象和有雨工况进入无雨工况停刮慢的问题，但从实际结果来看，还是存在一些缺点，由于同样雨量下雨滴大小不同，因此，同样雨量下单次△采样量并不稳定，导致刮速的输出有一定概率与真实感受不一致，还需要进行采样以及雨量计算方式的优化，进一步提高汽车感知系统的智能化程度。

[1] 赵岩,王哈力,蒋贵龙,等.汽车智能雨刷系统的设计[J].电子科技,2007(2):70-72.

[2] 孙晓冰,王德生,刘海波,等.红外全反射式雨量传感器设计研究[J].仪表技术与传感器,2010(9):96-98.

[3] 张禹,龙永红.基于车载摄像机的雨量传感器算法研究[J].湖南工业大学学报,2017,31(6):37-42.

[4] 王金迪.探究智能传感器在汽车电子技术中的应用[J].内燃机与配件,2021(8):213-214.

[5] 朱自勤.传感器与检测技术[M].北京:北京机械工业出版社,2015.

[6] 沙站友.集成化智能传感器原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2014.

[7] 张靖,刘少强.检测技术与系统设计[M].北京:中国电力出版社,2009.

[8] 刘迎春,叶湘滨.传感器原理设计与应用[M].长沙:国防科技大学出版社,2013.

[9] 孙宝元,杨宝清.传感器及应用手册[M].北京:机械工业出版社,2012.

[10] 刘君华.现代测试技术与系统应用[M].北京:电子工业出版社,2005.

[11] 王文雪,张志勇.传感器原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2019.

[12] 薛拓.光学雨量传感器的校准及标定方法研究[D].昆明:昆明理工大学,2018.

[13] 赵松岭,雷永富,王红余.基于雨量传感器实现的汽车智能化应用[J].汽车电器,2020(7):5-7.

[14] 蒙小胖,李雁兵,梁泓泉.基于单片机的雨量检测系统设计[J].机械与电子,2021,39(10):45-49.

[15] 王宁.基于LIN总线的车用雨量传感器与雨刷器控制系统的研究[D].杭州:中国计量大学,2020.

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

关忠旭（1988－），男，工程师，研究方向为智能网联汽车，E-mail:guanzhongxu@faw.com.cn。

韩新立（1986－），男，硕士，工程师，研究方向为智能网联汽车，E-mail:hanxinli@faw.com.cn。