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污染管理设计 确保汽车感测效能稳定可靠
[作者 達梭系統提供]   2021年07月07日 星期三 浏览人次: [2769]

对于新兴自动驾驶汽车(AV),先进驾驶辅助系统(ADAS)设备成为导航和确保安全的主要手段。 ADAS系统需要在所有条件之下,包括正常和极端状况,皆具备准确的即时感测能力和优异效能。大多汽车公司致力于相关的研究,皆试图在设计早期阶段发现污染问题。


根据Technology Consultancy Invensity研究显示,在当前环境下,提升先进驾驶辅助系统(ADAS)的整合度和自动化水准已成趋势,因此汽车产业90%的创新来自电子与软体。 ADAS系统安装于传统汽车上以辅佐驾驶,在一般驾驶场景下为驾驶人提供协助。然而它们仅是辅助装置,驾驶人对操作车辆仍负有主要责任。


对于新兴自动驾驶汽车(AV),这些系统设备成为导航和确保安全的主要手段。 ADAS系统需要在所有条件之下,包括正常和极端状况,皆具备准确的即时感测能力和优异效能。


在过去几十年来,对于省油型汽车的需求越来越普遍。因此,汽车设计更加重视空气动力学以降低风阻,其主要是透过管理车辆的尾流来实现,同时也导致更多来自车体下方的空气冲击车辆后方。


不幸的是,来自车体下方的空气往往夹杂着尘土和水颗粒,随空气一起冲击车体后方和侧面。在ADAS系统尚未普遍时,污染仅会导致影响驾驶人视觉的安全问题,主要局限于玻璃和镜子表面。车辆其他位置的表面污染则主要影响美观。


现今随着ADAS系统(特别是在自动驾驶汽车上)数量的不断增长,车辆其他位置的表面污染也成为乘客和交通安全的隐忧。大多汽车公司致力于ADAS和自动驾驶汽车(AV)的研究,皆试图在设计早期阶段发现污染问题。


目前相关研究和实验在全天候风洞(wind tunnel)内进行,这些风洞拥有受控制的表面污染和水管理的条件。然而其属于人造环境,不能代表真实的道路和气候条件,而且成本高、耗时长。


因此,产生了以下的问题:


1. 是否有高成本效益的解决方案,能够防止摄影机和感测器污染?


2. 感测器应怎样放置才能实现最佳效能?


3. 该如何确保它们都能正常运作?


4. 当遇到的确无法避免污泥或其他污染溅射到摄影机上的情况,能否控制车辆受其影响的位置和方式?


为什么需要感测器?它们是如何被污染的?

在当今时代,随着先进技术、自动驾驶、更多的电气化系统和驾驶辅助系统在现代汽车上的应用,感测器数量不断增加成为显著趋势。自动驾驶汽车面临着各种状况,例如车辆需要倒车、过十字路口、检测碰撞威胁等。


因此,安装在自动驾驶汽车上的摄影机和感测器,就成为现代汽车的眼睛和耳朵,若没有它们,自动驾驶也无法实现。摄影机和感测器必须保持干净才能正常运作,然而从它们的运作环境来看,这样的要求实属奢求。


目前,根据污染来源,自动驾驶用感测器和摄影机的污染方式,可划分为直接污染、第三方污染或自污染。雨水会造成直接污染。第三方污染形成的原因是前方行车和旁边行车通行时溅起的污泥、石块、尘土、水等等。车辆自身轮胎溅起的污染则会导致自污染。前轮胎溅起物会在车体侧面形成从前轮一直延伸到后轮的「沉积区」,而后轮溅起物为后方表面污染的主要来源。


全景摄影机(前视、后视和盲点检测摄影机)通常直接暴露在不利的环境条件下。在摄影机镜头暴露在雨中时,这种情况尤为恶劣,将导致驾驶人能见度下降和摄影机效能降低,造成严重的安全隐忧。


解决问题之钥

道路行驶必然会遇到尘土、水和其他污染物。我们不能阻止这种情况的发生,但可以设计出效能更好的车辆,以降低污染物对车辆的影响。有些方案可以帮助维持感测器和摄影机的清洁。例如用喷射水流清洗和吹气自动清洗镜头,或是在镜头上镀膜。


不过,镀层并不耐久而且成本高昂,而采用清洁解决方案则会增加重量,进而降低燃油效率、增加运行成本。作为替代方案,可以预测雨水、尘土、虫子、石块或其他物质冲击车身的位置。


接着,可以最佳化感测器的位置或建议车辆进行设计调整,以尽可能避免摄影机污染。随后还可以针对设计调整或摄影机安装位置的变化,会如何影响车辆的空气动力学效能进行预测,进而提高燃油经济性。最终目的是开发出感测器放在最佳位置的车辆,尽可能避免污染累积以及与水的接触。


然而,如果仍需要任何外部清洁设备,那么这种系统的位置也可以最佳化。在昂贵的表面涂层上投资,还是仅仅移动感测器几英寸,两者之间总会有一个平衡,而达梭系统可以对此提供帮助。


污染和水管理

达梭系统SIMULIA提供解决方案来研究各种污染和水管理现象。使用PowerFLOW,开发人员可以透过详细的空气动力学和粒子流模拟,评估车辆设计目标。使用PowerFlOW进行模拟,并以PowerVIZ处理结果。


PowerVIZ可以动态地视觉化粒子释放到气流中的过程,并运算出粒子在撞击表面前的运动轨迹。它允许用户在模拟中呈现尘土、泥垢、石块和水,进而清晰地理解车辆如何与污染粒子相互作用,让OEM厂商能够更完善地管理车辆表面上的污物。


此外,它还能定义表面特性,让表面反射粒子,创造透过发动机舱或车身表面的复杂气流路径。


着重三大场景

在本项研究中考虑了三种场景,每种场景下摄影机位于车身上的不同位置。


【场景1】后视摄影机上灰尘和泥土的堆积


在第一个场景中,模拟灰尘和泥土在后视摄影机上的堆积,其主要由汽车自身轮胎(尤其是后轮胎)的溅射导致。


【场景2】盲点侦测系统(BLIS)侧后视镜摄影机上的积水


在第二种场景中,模拟下雨时盲点侦测系统(BLIS)侧后视镜摄影机上的积水情况。研究人员可以针对特定的后视镜设计模拟雨水粒子的行为方式及其与摄影机镜头相互作用的情况进行设计。


【场景3】撞击前视摄影机的石屑


在第三种场景中,透过研究了解过往车辆掀起的石屑将如何撞击车辆的前视摄影机并影响其能见度和功能。


模拟结果

车身后部和侧面的污染


后视摄影机也被称为倒车摄影机,目的为帮助汽车或驾驶人观察车后区域,缩小后方盲点视野。这种附加的能见度有助于避免在倒车时发生碰撞。在汽车的基线设计模型中,后轮胎扬起的尘垢粒子会沉积在后方表面上,模糊后视摄影机的视野,给乘客带来不安全的旅行体验。


在本研究中,建议针对汽车底部进行设计调整,目的是能够重新分布污染物,使其远离摄影机和车牌等车身最敏感的位置。如图1所示,车底部扩散器建议增大曲率。



图1 : 车底扩散器。(上)基线设计;(下)改良设计
图1 : 车底扩散器。(上)基线设计;(下)改良设计

在汽车的基线设计模型中,与后轮尾流有关的流线会与尾流涡旋的下部分相互作用。这种相互作用代表一种对流机制,可能会将污染物输送给后尾流。扩散器最佳化后,强化了后尾流环状涡旋的下横向臂,产生更平衡的尾流。


图2显示的背面水膜厚度累积图,就可以定性地对比基线设计和修改后的设计。可以看出,对设计进行调整能够改善背面的污染物分布,以及后方挡风玻璃上的污染累积水准。这种效果值得关注,因为维持背面一些区域清洁的重要性比其他区域更大。例如摄影机、车牌和车门把手,都是需要维持干净的重要区域:在设计初期阶段,透过轻微设计修改就能实现。


图2 : 沉积污垢的膜厚。(左)基线设计;(右)改良设计
图2 : 沉积污垢的膜厚。(左)基线设计;(右)改良设计

这项工作证明,在车辆设计中考虑空气动力学因素,有助于重新分配表面污染物,远离最敏感的区域。然而,由于我们在研究第一步中未能证明背面污染足够减少,为达到预想效果需要展开进一步的系统设计研究和修改。


在许多地区,挡泥板是一种附加的售后产品。这是因为它被认为可以减少车身污染,但调查显示情况并非如此。事实上,它会增大车身污染的整体高度。当污染高度与车门把手的高度齐平时,可能导致乘客在出入时因接触把手弄脏双手或衣物。


图3 : 沉积污垢的膜厚。(左)没有挡泥板;(右)车轮後面的挡泥板
图3 : 沉积污垢的膜厚。(左)没有挡泥板;(右)车轮後面的挡泥板

雨水导致的污染


盲点侦测系统(BLIS)摄影机通常安装在汽车后视镜下方,用来监视其他车辆,并帮助自动驾驶汽车查看周边路况,甚至是在盲点上的路况。雨滴在撞击后视镜外罩后破碎形成水雾。这种水雾会受后视镜尾流方向的影响,使雨滴沉积在后视镜和摄影机镜头上,进而遮挡后视镜和摄影机的视野。在基线设计中,大量的水沉积在后视镜和摄影机镜头上会影响视野。从粒子撞击后视镜的时间历程来看,可以看到大部分撞击后视镜的粒子来自于后视镜臂的底部。因此对后视镜臂进行改良有助于改变其背后的涡旋,进而改善后视镜和摄影机镜头的污染情况。


图4 : 镜臂。(左)基线设计;(右)改良设计
图4 : 镜臂。(左)基线设计;(右)改良设计

从后视镜和摄影机上的水膜厚度累积图可以观察到,对后视镜臂的设计调整能够显著减少沉积在后视镜和摄影机镜头上的水污染量。


图5 : 镜面水膜厚度。 (左)基线设计;(右)改良设计
图5 : 镜面水膜厚度。 (左)基线设计;(右)改良设计

行进车辆扬起的石屑


汽车前视摄影机的设计目的是避免撞击停车位隔栏、道路边缘和其他可能导致危险的障碍物。造成前视摄影机受损的最常见原因是来自其他车辆引起的碎片,比如石屑、石头、砾石和卵石。这些微小的硬质颗粒以高速飞行,可能破坏车流中其他行驶车辆的敏感元件。此外,它也是汽车底部腐蚀的重要原因,将影响美观。


在本研究中,研究人员透过模拟最佳化前置摄影机的位置。我们致力降低摄影机被行驶中的前车轮胎扬起的石子破坏的风险。在基线设计中,前置摄影机被布置在下通气栅的顶部。从模拟中可以观察到,摄影机受扬起的石子的撞击,容易发生损坏。根据模拟结果制作的碰撞点图清楚地显示哪些位置不容易被前方行驶车辆的轮胎扬起的石子击中,其可以做为该摄影机新的安装位置。透过比较基线设计和改良设计中摄影机在不同位置下的击中点,清楚显示摄影机新的安装位置更加安全,受损的可能性较低。在设计早期阶段展开类似研究,对最佳化摄影机的位置有很大帮助,能够避免后期修改带来的不良后果。


图6 : 车辆表面的碰撞点图。(左)相机的初始位置;(右)相机更安全的位置
图6 : 车辆表面的碰撞点图。(左)相机的初始位置;(右)相机更安全的位置

结论

模拟技术在评估汽车感测器在恶劣天气和道路状况的效能方面相当具有发展前景。为了减少车体上的污染累积,同时确保雨滴不会妨碍摄影机视线,各大制造商长期付出大量心血。此研究提出模拟方法,用于研究尘土、雨水和行驶中车辆轮胎扬起的碎屑导致的车体背面和侧面上的污染问题。


这项研究透过检查汽车上三个不同位置的摄影机得以完成。此外,也针对如何减少摄影机上的污染累积,并维持摄影机清洁提出了设计修改建议。使用本研究工作中采用的流程,可在车辆开发初期阶段发挥虚拟测试的优势,进而消除对物理原型和测试的需求,特别是对于需要大量感测器的先进驾驶辅助系统(ADAS)和自动驾驶汽车(AV)而言。车辆设计改动造成的空气动力学效能变化超出本研究的研究范围内,但可能需要在减少外表面污染和增大风阻之间进行平衡。


(本文作者为达梭系统SIMULIA内容创作者Katie Corey、达梭系统SIMULIA航空航太与国防工业成长团队模拟顾问Deepak Goyal博士)


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