一種車載手自一體智能防霧除霧控制系統的研究與實現

倪紅兵、孫青

（揚州航盛科技有限公司，揚州 225009）

0 引言

在交通事故發生的起因中，有相當一部分事故的發生是因為在冬天，或者下雨天的時候，由于汽車前擋風玻璃出現霧氣造成駕駛員視線模糊，或者車外后視鏡出現霧氣看不清車身周邊及后方情況，從而引發了交通事故的發生。目前市場上現有的汽車智能除霧控制系統，多為探測除霧系統[1]。這種除霧系統在前風窗玻璃已經出現霧氣的情況下，才開始除霧。從出現霧氣，系統探測到霧氣，再到除霧系統開始工作，最后霧氣全部去除，這個過程需要數秒甚至更長的時間。這期間汽車前風窗玻璃處于能見度極低的狀態下，危險系數非常高，極易造成交通事故的發生。

1 系統的先進性

本研究考慮到目前市場上探測型智能除霧系統的缺陷，可以在前風窗玻璃和車外后視鏡起霧之前，根據環境條件，判斷前風窗玻璃和車外后視鏡是否進入起霧高風險狀態，從而提前開啟智能防霧系統，使前風窗玻璃和車外后視鏡不會產生霧氣，保證駕駛安全。該系統需要操作簡單，避免駕駛員對除霧按鈕和HVAC 系統的頻繁操作以及誤操作，從而保障汽車內人員的生命安全。同時，該系統也需要避免駕駛員在不當時機，未關閉HVAC 系統，減少能源浪費。另外，該系統還應該兼容傳統汽車的手動除霧按鍵功能。

2 系統的工作原理

在氣象學中，露點溫度是指空氣中所含的氣態水達到飽和而凝結成液態水所需要降至的溫度。由此可見，前風窗玻璃上出現霧的原因，就是前風窗玻璃的溫度，達到或低于車廂內空氣的露點溫度。

我國臺站的露點溫度一般采用公式反算的形式[2]。按照2004 年版的《地面氣象觀測規范》，露點溫度的測量是利用馬格拉斯公式（Magnus Formula）的轉換形式，具體如下。

式中：T為空氣溫度，Tdp為露點溫度，RH為相對濕度，a、b、c為常數。

Arden Buck 在《Applied Meteorology and Climatology》雜志中，提出了一種常數估值如下：

因此，要計算出空氣的露點溫度，就需要測量出空氣的溫度（T）和相對濕度（RH）[3]。本研究通過在汽車合適的位置安裝溫濕度傳感器，收集測量玻璃的溫度，以及玻璃后方空氣的溫度和濕度。

系統將玻璃的溫度和空氣的露點溫度相比，判斷玻璃處于起霧高風險狀態時，分別向車身控制單元發出后視鏡加熱申請；或者通過CAN 電路，向空調控制單元發出前風窗玻璃加熱或車內制冷除濕申請。當玻璃的溫度逐漸高于空氣的露點溫度就不會出現霧氣，從而保證駕駛安全。

3 系統的設計組成

本系統構成框圖如圖1 所示。手動后除霧按鍵和自動防霧/除霧按鍵均安裝于車內空調控制面板附近，用于接收駕駛員手動啟動、關閉傳統的后除霧功能，以及接收駕駛員啟動、關閉自動防霧/除霧功能。按鍵檢測電路將對應的按鍵信息，轉換成處理器能夠識別的電平信號。

圖1 系統構成框圖

該系統還可以實現語音控制。麥克風將駕駛員控制啟動、關閉自動防霧/除霧功能的聲音聲音信號轉化為電信號（模擬信號），通過汽車音頻處理器轉化為處理器所需的數字信號。而處理器輸出的除霜狀態提示音等通過汽車音頻處理器進行音階、音效和混音等處理后，轉化為模擬音頻信號，輸出給功率放大器。功率放大器將模擬音頻信號放大后，驅動車身喇叭將電信號轉變為聲信號[4]，播放系統的除霜狀態提示音。

該系統有2 個傳感器：一個是前風窗玻璃溫濕度傳感器，用于測量車內前擋風玻璃的溫度，以及前擋風玻璃后方、車內的溫度和相對濕度；另一個是車外后視鏡溫濕度傳感器，用于測量車外后視鏡玻璃的溫度，以及車外后視鏡后方、車外的溫度和相對濕度。駕駛員啟動或關閉后除霧功能時，系統通過工作申請輸出電路向車身控制單元輸出打開、關閉車外后視鏡和后擋風玻璃的加熱申請信號；車身控制單元發出的后除霧加熱工作狀態的反饋信號通過后除霧工作狀態輸入電路接收和識別，并傳送給處理器。系統和空調控制單元之間通過CAN 電路通信，以獲取空調控制單元的信息，以及控制空調控制單元的工作狀態，來啟動、關閉前擋風玻璃防霧/除霧。

此外，系統還配表了TFT-LCD 顯示屏，用于系統UI人機交互界面的顯示，包括當前除霧狀態等界面顯示。汽車和信息娛樂應用處理器作為系統的“大腦”，用于處理上述所有按鍵檢測、語音識別、傳感器信息計算和分析、音頻和顯示處理以及控制輸出等。

4 系統的實施方案

本系統總實施流程如圖2 所示，具體步驟如下。

圖2 系統實施流程圖

（1）系統通過前風窗玻璃溫濕度傳感器，測量收集車內前風窗玻璃溫度，以及前風窗玻璃后方車內環境的溫度、相對濕度數據；通過車外后視鏡溫濕度傳感器，測量收集車外后視鏡玻璃溫度，以及車外后視鏡后方車外環境的溫度、相對濕度數據。

（2）系統通過公式（1）和公式（2），分別計算出車廂內空氣的露點溫度和后視鏡后方的車外空氣的露點溫度，判斷前風窗玻璃、車外后視鏡是否進入起霧高風險區。因為當玻璃溫度Tg，達到或低于露點溫度Tdp，即Tg≤Tdp時，玻璃上會出現霧。系統判斷玻璃溫度是否進入起霧高風險區時，需要預留一定的余量Tth，也稱之為風險余量。因此，當Tg-Tth≤Tdp時，系統判斷進入起霧高風險區。兼顧準確防霧以及節約能源考慮，該系統Tth取值1.45℃。

（3）如果對應的玻璃進入起霧高風險區，系統將發出防霧/除霧提醒。提醒信息包括顯示屏界面顯示、喇叭播放音頻提醒.

（4）防霧/除霧觸發源檢測。如果檢測到防霧/除霧觸發源，則區分觸發源為手動除霧申請，還是自動防霧/除霧申請。如果檢測到觸發源為手動除霧按鍵，則執行手動除霧工作子流程；如果檢測到觸發源為自動防霧/除霧按鍵，或者語音開啟自動防霧/除霧，則執行自動防霧/除霧工作子流程。如果在手動除霧工作子流程中，收到自動防霧/除霧申請，則切換為自動防霧/除霧工作子流程；如果在自動防霧/除霧工作子流程中，收到手動除霧申請，則切換為手動除霧工作子流程。

4.1 手動除霧工作子流程

手動除霧工作子流程具體實施步驟如下。

（1）當駕駛員按下手動除霧按鍵啟動后除霧功能時，后除霧工作申請輸出，即向車身控制單元發出車外后視鏡和后擋風玻璃電阻絲的加熱申請信號。

（2）后除霧功能啟動后，系統識別車身控制單元向本系統發出的后除霧加熱設備工作狀態的反饋信號，判斷后除霧設備是否工作。

（3）當駕駛員手動關閉后除霧功能時，系統首先檢測、確認是否有關閉手動除霧申請的觸發源。如果檢測到關閉手動除霧申請的觸發源后，則向車身控制單元發出關閉車外后視鏡和后擋風玻璃電阻絲加熱的申請信號。

（4）系統接收并識別車身控制單元向本系統發出的后除霧加熱設備工作狀態的反饋信號，判斷后除霧設備是否關閉。

4.2 自動防霧/除霧工作子流程

當開啟時，系統會同步監測前風窗玻璃、車外后視鏡，根據環境參數，分別做出后續處理。

4.2.1 針對車外后視鏡

當開啟自動防霧/除霧功能時，系統通過車外后視鏡傳感器測量的參數，包括車外后視鏡玻璃的溫度以及車外后視鏡后方空氣的溫度和相對濕度，計算車外后視鏡后方空氣的露點溫度，以判斷車外后視鏡玻璃是否進入起霧高風險區。如果車外后視鏡的玻璃進入起霧高風險區，系統則發出后除霧工作申請輸出，即向車身控制單元發出車外后視鏡和后擋風玻璃電阻絲的加熱申請信號。同時，系統會對后除霧工作狀態輸入檢測、確認，即接收并識別車身控制單元向本系統發出的后除霧加熱設備工作狀態的反饋信號，判斷后除霧設備是否工作。

在后除霧功能開啟后，系統隨時根據車外后視鏡后方空氣的露點溫度，判斷車外后視鏡玻璃是否進入安全區，即判斷Tg-ΔT＞Tdp是否成立。其中，ΔT為安全系數，本系統取值4.90℃。如果系統判斷車外后視鏡的玻璃溫度進入安全區，則向車身控制單元發出關閉車外后視鏡和后擋風玻璃電阻絲加熱的申請信號。最后，系統接收并識別車身控制單元向本系統發出的后除霧加熱設備工作狀態的反饋信號，判斷后除霧設備是否關閉成功。

4.2.2 針對前擋風玻璃

當開啟自動防霧/除霧功能時，系統通過前擋風玻璃傳感器測量的參數，包括車內前風窗玻璃的溫度，以及前風窗玻璃后方、車內的溫度和相對濕度，計算前風窗玻璃后方車內空氣的露點溫度，以判斷前風窗玻璃是否進入起霧高風險區。如果前風窗玻璃溫度進入起霧高風險區，系統則發出前風窗玻璃除霧工作申請輸出。

如果車內溫度≥26.00℃，系統則通過CAN 網絡“通知”空調控制單元[5]，將對著前風窗玻璃的出風口打開。同時，空調控制單元打開空調HVAC 系統，設置為外循環、制冷模式，降低車內的相對濕度和溫度，從而降低車內的露點溫度，使之低于前風窗玻璃的溫度。如果車內溫度＜26.00℃，系統則通過CAN“通知”空調控制單元，將對著前風窗玻璃的出風口打開。同時，空調控制單元設置到制熱模式，利用發動機冷卻液的熱能，直接吹熱風加熱前風窗玻璃，升高前風窗玻璃的溫度，使之高于車內露點溫度。

在自動防霧/除霧功能開啟時，系統通過CAN 網絡接收并檢測空調控制單元向本系統發出的工作狀態的反饋信號，判斷除霧設備是否工作。自動防霧/除霧工作過程中，系統根據前風窗玻璃傳感器的參數，計算前風窗玻璃后方車內空氣的露點溫度，判斷前風窗玻璃溫度是否進入安全區。如果前擋風玻璃溫度進入安全區，系統會向空調系統控制單元發出空調系統關閉申請信號。最后，系統通過CAN 接收并檢測空調控制單元向本系統發出的空調系統關閉狀態的饋信號，判斷空調系統是否關閉。

5 結束語

該方案系統構造簡單，有效地加強了中控系統與空調控制單元之間的聯系，可以幫助駕駛人員確定前風窗玻璃和車外后視鏡防霧除霧的必要性和時間。在前擋風玻璃和車外后視鏡進入起霧高風險狀態之前，提前開啟智能防霧系統，規避前風窗玻璃和車外后視鏡起霧，保證駕駛安全。同時，該系統還在節省油耗方面起到了非常重要的作用，解決了智能座艙領域的一大難點。