一种车载手自一体智能防雾除雾控制系统的研究与实现

倪红兵　孙青

关键词：汽车；智能座舱；智能防雾；除雾；车载系统

中图分类号：U463.6 文献标识码：A

0 引言

在交通事故发生的起因中，有相当一部分事故的发生是因为在冬天，或者下雨天的时候，由于汽车前挡风玻璃出现雾气造成驾驶员视线模糊，或者车外后视镜出现雾气看不清车身周边及后方情况，从而引发了交通事故的发生。目前市场上现有的汽车智能除雾控制系统，多为探测除雾系统[1]。这种除雾系统在前风窗玻璃已经出现雾气的情况下，才开始除雾。从出现雾气，系统探测到雾气，再到除雾系统开始工作，最后雾气全部去除，这个过程需要数秒甚至更长的时间。这期间汽车前风窗玻璃处于能见度极低的状态下，危险系数非常高，极易造成交通事故的发生。

1 系统的先进性

本研究考虑到目前市场上探测型智能除雾系统的缺陷，可以在前风窗玻璃和车外后视镜起雾之前，根据环境条件，判断前风窗玻璃和车外后视镜是否进入起雾高风险状态，从而提前开启智能防雾系统，使前风窗玻璃和车外后视镜不会产生雾气，保证驾驶安全。该系统需要操作简单，避免驾驶员对除雾按钮和HVAC 系统的频繁操作以及误操作，从而保障汽车内人员的生命安全。同时，该系统也需要避免驾驶员在不当时机，未关闭HVAC 系统，减少能源浪费。另外，该系统还应该兼容传统汽车的手动除雾按键功能。

2 系统的工作原理

在气象学中，露点温度是指空气中所含的气态水达到饱和而凝结成液态水所需要降至的温度。由此可见，前风窗玻璃上出现雾的原因，就是前风窗玻璃的温度，达到或低于车厢内空气的露点温度。

Arden Buck 在《Applied Meteorology and Climatology》杂志中，提出了一种常数估值如下：

a =6.1121 mb，b =17.368，c =238.88℃ ；for 0℃≤T ≤ 50℃（error ≤ 0.05%）

a =6.1121 mb，b =17.966，c =247.15℃；for -40℃≤T ≤ 0℃（error ≤ 0.06%）

因此，要計算出空气的露点温度，就需要测量出空气的温度（T ）和相对湿度（RH ）[3]。本研究通过在汽车合适的位置安装温湿度传感器，收集测量玻璃的温度，以及玻璃后方空气的温度和湿度。

系统将玻璃的温度和空气的露点温度相比，判断玻璃处于起雾高风险状态时，分别向车身控制单元发出后视镜加热申请；或者通过CAN 电路，向空调控制单元发出前风窗玻璃加热或车内制冷除湿申请。当玻璃的温度逐渐高于空气的露点温度就不会出现雾气，从而保证驾驶安全。

3 系统的设计组成

本系统构成框图如图1 所示。手动后除雾按键和自动防雾/除雾按键均安装于车内空调控制面板附近，用于接收驾驶员手动启动、关闭传统的后除雾功能，以及接收驾驶员启动、关闭自动防雾/ 除雾功能。按键检测电路将对应的按键信息，转换成处理器能够识别的电平信号。

该系统还可以实现语音控制。麦克风将驾驶员控制启动、关闭自动防雾/ 除雾功能的声音声音信号转化为电信号（模拟信号），通过汽车音频处理器转化为处理器所需的数字信号。而处理器输出的除霜状态提示音等通过汽车音频处理器进行音阶、音效和混音等处理后，转化为模拟音频信号，输出给功率放大器。功率放大器将模拟音频信号放大后，驱动车身喇叭将电信号转变为声信号[4]，播放系统的除霜状态提示音。

该系统有2 个传感器：一个是前风窗玻璃温湿度传感器，用于测量车内前挡风玻璃的温度，以及前挡风玻璃后方、车内的温度和相对湿度；另一个是车外后视镜温湿度传感器，用于测量车外后视镜玻璃的温度，以及车外后视镜后方、车外的温度和相对湿度。驾驶员启动或关闭后除雾功能时，系统通过工作申请输出电路向车身控制单元输出打开、关闭车外后视镜和后挡风玻璃的加热申请信号；车身控制单元发出的后除雾加热工作状态的反馈信号通过后除雾工作状态输入电路接收和识别，并传送给处理器。系统和空调控制单元之间通过CAN 电路通信，以获取空调控制单元的信息，以及控制空调控制单元的工作状态，来启动、关闭前挡风玻璃防雾/ 除雾。

此外，系统还配表了TFT-LCD 显示屏，用于系统UI人机交互界面的显示，包括当前除雾状态等界面显示。汽车和信息娱乐应用处理器作为系统的“大脑”，用于处理上述所有按键检测、语音识别、传感器信息计算和分析、音频和显示处理以及控制输出等。

4 系统的实施方案

本系统总实施流程如图2 所示，具体步骤如下。

（1）系统通过前风窗玻璃温湿度传感器，测量收集车内前风窗玻璃温度，以及前风窗玻璃后方车内环境的温度、相对湿度数据；通过车外后视镜温湿度传感器，测量收集车外后视镜玻璃温度，以及车外后视镜后方车外环境的温度、相对湿度数据。

（2）系统通过公式（1）和公式（2），分别计算出车厢内空气的露点温度和后视镜后方的车外空气的露点温度，判断前风窗玻璃、车外后视镜是否进入起雾高风险区。因为当玻璃温度Tg，达到或低于露点温度T_dp，即T_g≤T_dp时，玻璃上会出现雾。系统判断玻璃温度是否进入起雾高风险区时，需要预留一定的余量T_th，也称之为风险余量。因此，当T_g-T_th≤T_dp时，系统判断进入起雾高风险区。兼顾准确防雾以及节约能源考虑，该系统Tth取值1.45℃。

（3）如果对应的玻璃进入起雾高风险区，系统将发出防雾/除雾提醒。提醒信息包括显示屏界面显示、喇叭播放音频提醒.（4）防雾/ 除雾触发源检测。如果检测到防雾/ 除雾触发源，则区分触发源为手动除雾申请，还是自动防雾/ 除雾申请。如果检测到触发源为手动除雾按键，则执行手动除雾工作子流程；如果检测到触发源为自动防雾/ 除雾按键，或者语音开启自动防雾/ 除雾，则执行自动防雾/ 除雾工作子流程。如果在手动除雾工作子流程中，收到自动防雾/ 除雾申请，则切换为自动防雾/ 除雾工作子流程；如果在自动防雾/ 除雾工作子流程中，收到手动除雾申请，则切换为手动除雾工作子流程。

4.1 手动除雾工作子流程

手动除雾工作子流程具体实施步骤如下。

（1）当驾驶员按下手动除雾按键启动后除雾功能时，后除雾工作申请输出，即向车身控制单元发出车外后视镜和后挡风玻璃电阻丝的加热申请信号。

（2）后除雾功能启动后，系统识别车身控制单元向本系统发出的后除雾加热设备工作状态的反馈信号，判断后除雾设备是否工作。

（3）当驾驶员手动关闭后除雾功能时，系统首先检测、确认是否有关闭手动除雾申请的触发源。如果检测到关闭手动除雾申请的触发源后，则向车身控制单元发出关闭车外后视镜和后挡风玻璃电阻丝加热的申请信号。

（4）系统接收并识别车身控制单元向本系统发出的后除雾加热设备工作状态的反馈信号，判断后除雾设备是否关闭。

4.2 自动防雾/ 除雾工作子流程

当开启时，系统会同步监测前风窗玻璃、车外后视镜，根据环境参数，分别做出后续处理。

4.2.1 针对车外后视镜

当开启自动防雾/ 除雾功能时，系统通过车外后视镜传感器测量的参数，包括车外后视镜玻璃的温度以及车外后视镜后方空气的温度和相对湿度，计算车外后视镜后方空气的露点温度，以判断车外后视镜玻璃是否进入起雾高风险区。如果车外后视镜的玻璃进入起雾高风险区，系统则发出后除雾工作申请输出，即向车身控制单元发出车外后视镜和后挡风玻璃電阻丝的加热申请信号。同时，系统会对后除雾工作状态输入检测、确认，即接收并识别车身控制单元向本系统发出的后除雾加热设备工作状态的反馈信号，判断后除雾设备是否工作。

在后除雾功能开启后，系统随时根据车外后视镜后方空气的露点温度，判断车外后视镜玻璃是否进入安全区，即判断Tg -ΔT＞Tdp 是否成立。其中，ΔT 为安全系数，本系统取值4.90℃。如果系统判断车外后视镜的玻璃温度进入安全区，则向车身控制单元发出关闭车外后视镜和后挡风玻璃电阻丝加热的申请信号。最后，系统接收并识别车身控制单元向本系统发出的后除雾加热设备工作状态的反馈信号，判断后除雾设备是否关闭成功。

4.2.2 针对前挡风玻璃

当开启自动防雾/ 除雾功能时，系统通过前挡风玻璃传感器测量的参数，包括车内前风窗玻璃的温度，以及前风窗玻璃后方、车内的温度和相对湿度，计算前风窗玻璃后方车内空气的露点温度，以判断前风窗玻璃是否进入起雾高风险区。如果前风窗玻璃温度进入起雾高风险区，系统则发出前风窗玻璃除雾工作申请输出。

如果车内温度≥ 26.00℃，系统则通过CAN 网络“通知”空调控制单元[5]，将对着前风窗玻璃的出风口打开。同时，空调控制单元打开空调HVAC 系统，设置为外循环、制冷模式，降低车内的相对湿度和温度，从而降低车内的露点温度，使之低于前风窗玻璃的温度。如果车内温度＜ 26.00℃，系统则通过CAN“通知”空调控制单元，将对着前风窗玻璃的出风口打开。同时，空调控制单元设置到制热模式，利用发动机冷却液的热能，直接吹热风加热前风窗玻璃，升高前风窗玻璃的温度，使之高于车内露点温度。

在自动防雾/ 除雾功能开启时，系统通过CAN 网络接收并检测空调控制单元向本系统发出的工作状态的反馈信号，判断除雾设备是否工作。自动防雾/ 除雾工作过程中，系统根据前风窗玻璃传感器的参数，计算前风窗玻璃后方车内空气的露点温度，判断前风窗玻璃温度是否进入安全区。如果前挡风玻璃温度进入安全区，系统会向空调系统控制单元发出空调系统关闭申请信号。最后，系统通过CAN 接收并检测空调控制单元向本系统发出的空调系统关闭状态的馈信号，判断空调系统是否关闭。

5 结束语

该方案系统构造简单，有效地加强了中控系统与空调控制单元之间的联系，可以帮助驾驶人员确定前风窗玻璃和车外后视镜防雾除雾的必要性和时间。在前挡风玻璃和车外后视镜进入起雾高风险状态之前，提前开启智能防雾系统，规避前风窗玻璃和车外后视镜起雾，保证驾驶安全。同时，该系统还在节省油耗方面起到了非常重要的作用，解决了智能座舱领域的一大难点。

作者简介：

倪红兵，本科，工程师，研究方向为汽车智能座舱产品硬件开发设计。