自動(dòng)駕駛感知硬件清潔裝置應(yīng)如何設(shè)計(jì)？

[首發(fā)于智駕最前沿微信公眾號(hào)]在自動(dòng)駕駛發(fā)展過程中，感知系統(tǒng)的可靠性一直是大家討論的熱點(diǎn)。盡管目前的傳感器在探測距離、分辨率和響應(yīng)速度上已經(jīng)取得了長足進(jìn)步，但有一個(gè)產(chǎn)品落地時(shí)必須考慮卻鮮被討論的問題，那就是感知硬件的臟污處理。

無論是雨雪天氣留下的水漬，還是道路行駛中飛濺的泥漿、灰塵甚至是昆蟲殘骸，都可能導(dǎo)致攝像頭畫面模糊或激光雷達(dá)點(diǎn)云缺失。這種物理層面的遮擋會(huì)直接削弱感知算法的效能，甚至導(dǎo)致自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在關(guān)鍵時(shí)刻被迫降級(jí)或退出。

感知硬件清潔裝置設(shè)計(jì)邏輯

對(duì)于自動(dòng)駕駛車輛而言，分布在車頂、側(cè)方及四周的各類傳感器具有不同的物理特性和視野范圍。攝像頭對(duì)光學(xué)的清晰度要求極高，極小的油漬或水漬都會(huì)引發(fā)視頻流的畸變；激光雷達(dá)通過發(fā)射激光脈沖并接收反射光來構(gòu)建三維地圖，表面的積雪或厚重的泥漿會(huì)吸收或折射激光，導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)出現(xiàn)大量噪聲。

這種多樣化的污染場景促使清潔裝置必須具備針對(duì)性。目前的清潔策略正從簡單的被動(dòng)防護(hù)轉(zhuǎn)向主動(dòng)干預(yù)。最基本的設(shè)計(jì)思路是將關(guān)鍵傳感器布置在不易被飛濺物直接命中的位置，并加裝導(dǎo)流結(jié)構(gòu)或物理護(hù)罩，利用行駛過程中的氣流減少污染物附著。

然而，被動(dòng)措施無法完全避免極端路況下的臟污，因此主動(dòng)清潔系統(tǒng)成為了高級(jí)別自動(dòng)駕駛車輛的標(biāo)配。

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主動(dòng)清潔系統(tǒng)的核心在于如何高效地利用有限的清潔媒介。目前，流體噴淋系統(tǒng)是最為主流的方案。這種系統(tǒng)的基本原理是通過洗滌泵將清潔液加壓，通過噴嘴噴射到傳感器表面，利用流體的沖擊力和溶解力帶走污垢。

傳統(tǒng)的噴嘴采用擴(kuò)散狀的錐形噴霧，雖然覆蓋面廣，但液體利用效率低，難以應(yīng)對(duì)頑固的干涸泥垢。對(duì)此，有技術(shù)就采用掃掠式扁平噴嘴，這種噴嘴內(nèi)部具有特殊的微結(jié)構(gòu)，能夠產(chǎn)生一層像刀片一樣薄且均勻的液幕。這種扁平水幕在接觸鏡片時(shí)能產(chǎn)生更強(qiáng)的剪切應(yīng)力，從而像物理刮片一樣將污垢“刨除”。這種設(shè)計(jì)的流體消耗量也僅為傳統(tǒng)方式的幾分之一，有效延長了車輛洗滌液儲(chǔ)備的續(xù)航里程。

除此之外，伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)也極大地提升了清潔的靈活性。對(duì)于安裝在側(cè)面或底部的傳感器，固定式噴嘴不僅影響美觀，還容易造成額外的空氣阻力。伸縮式噴嘴在非工作狀態(tài)下隱藏在車身覆蓋件內(nèi)，僅在需要清潔時(shí)依靠執(zhí)行器彈出，在近距離以最佳角度進(jìn)行噴射。

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這種方式縮短了液體在空中的飛行距離，減少了風(fēng)速對(duì)噴射軌跡的干擾，確保了每一滴清潔液都能精準(zhǔn)作用于感知窗口。針對(duì)圓柱狀激光雷達(dá)，環(huán)形噴嘴的設(shè)計(jì)也在不斷進(jìn)化。最新的環(huán)形噴嘴不再只是從頂部淋水，而是采用了分段式噴射技術(shù)，能夠同時(shí)覆蓋傳感器的多個(gè)高度區(qū)間，確保了大視場角范圍內(nèi)的清潔均勻度。

氣動(dòng)與振動(dòng)技術(shù)的微觀治理方案

在液體沖洗之后，如何快速去除殘留的水膜或雨滴是設(shè)計(jì)的另一個(gè)難點(diǎn)，因?yàn)闅埩舻囊后w本身也會(huì)造成光線折射。針對(duì)這一問題，氣動(dòng)清潔技術(shù)體現(xiàn)了獨(dú)特的價(jià)值。

空氣刀技術(shù)利用壓縮空氣產(chǎn)生高速層流氣簾，通過極高的動(dòng)量將表面的液滴瞬間吹離。空氣刀腔室采用淚滴狀的穩(wěn)壓設(shè)計(jì)，以確保氣流在噴口處達(dá)到層流狀態(tài)，從而降低氣流紊亂產(chǎn)生的噪音并提高能量效率。

在某些技術(shù)方案中，空氣刀產(chǎn)生的氣流速度可以達(dá)到每分鐘四萬英尺，足以在雨滴尚未附著前就將其吹走。對(duì)于對(duì)圖像質(zhì)量極其敏感的攝像頭，氣動(dòng)系統(tǒng)可以與液體沖洗配合使用，即先用洗滌液稀釋污垢，再用壓縮空氣進(jìn)行強(qiáng)力干燥，從而實(shí)現(xiàn)污漬清除。

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除了氣動(dòng)和液動(dòng)，還有技術(shù)方案采用壓電超聲清潔技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)利用壓電陶瓷元件的逆壓電效應(yīng)，將高頻電信號(hào)轉(zhuǎn)化為微米級(jí)的機(jī)械振動(dòng)。通過將壓電換能器集成在傳感器保護(hù)罩的邊緣或基材上，系統(tǒng)可以誘發(fā)表面產(chǎn)生特定頻率的行波。

當(dāng)表面有水滴或薄冰時(shí)，這種高頻振動(dòng)會(huì)破壞液體的表面張力或冰的晶格結(jié)構(gòu)。在特定的振動(dòng)模式下，水滴會(huì)被粉碎成微小的霧狀液滴并被彈射出去，而冰層則會(huì)松動(dòng)脫落。這種清潔方式具有響應(yīng)快、無需耗材、不產(chǎn)生機(jī)械磨損等優(yōu)勢，特別適合處理鏡頭表面的霧氣和輕微水漬。

德州儀器等半導(dǎo)體廠商已經(jīng)推出了專門用于壓電清潔的控制芯片，這些芯片能夠動(dòng)態(tài)感知鏡面負(fù)載的變化并自動(dòng)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)頻率。為了保證這種高頻振動(dòng)在長期運(yùn)行中不引發(fā)電子元件疲勞失效，系統(tǒng)中會(huì)配套高穩(wěn)定性的MEMS振蕩器。這種MEMS器件的耐沖擊和抗振性能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的石英晶體，確保了清潔系統(tǒng)在各種惡劣行車環(huán)境下的時(shí)鐘一致性。

此外，對(duì)于結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)較高的極寒地區(qū)，清潔裝置還會(huì)集成透明的導(dǎo)電加熱層，配合溫濕度傳感器在露點(diǎn)附近自動(dòng)激活。熱能與振動(dòng)能量的結(jié)合，可以使傳感器在極短時(shí)間內(nèi)從冰封狀態(tài)中解脫出來，恢復(fù)感知能力。

智能監(jiān)測算法與感知系統(tǒng)的協(xié)同

一套先進(jìn)的清潔裝置不僅要有物理執(zhí)行機(jī)構(gòu)，更需要一個(gè)聰明的“大腦”決定何時(shí)行動(dòng)。這就涉及到感知層面的臟污檢測算法。目前，行業(yè)內(nèi)傾向于使用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對(duì)感知畫面的退化程度進(jìn)行定量分析。

如通過計(jì)算圖像的對(duì)比度信噪比，系統(tǒng)可以判斷鏡頭是否受到了大面積的遮擋。如果圖像的對(duì)比度顯著下降，或者信噪比惡化到一定閾值，算法就會(huì)識(shí)別出臟污的存在。

更高級(jí)的方法還有語義分割模型，這類模型可以識(shí)別出特定的污垢模式，比如雨滴在畫面中形成的模糊光斑或泥漿產(chǎn)生的黑色塊就可以被精準(zhǔn)識(shí)別。通過這些算法，車輛能夠?qū)崟r(shí)評(píng)估每一個(gè)傳感器的健康度，并根據(jù)臟污的性質(zhì)（是透明的液體還是不透明的固體）選擇最優(yōu)的清潔模式。

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清潔決策的執(zhí)行邏輯需要考慮自動(dòng)駕駛?cè)蝿?wù)的整體安全性。在高速行駛或復(fù)雜的路口轉(zhuǎn)彎時(shí)，突然開啟的噴淋清潔可能會(huì)導(dǎo)致傳感器視野出現(xiàn)短暫的空白。因此，智能清潔系統(tǒng)可采取分布式、異步的清潔策略。這意味著系統(tǒng)不會(huì)同時(shí)清洗所有的攝像頭，而是分批次進(jìn)行，確保在任何時(shí)刻都有足夠的感知冗余來覆蓋關(guān)鍵視野區(qū)域。

域控制器在這里扮演著協(xié)調(diào)者的角色，它會(huì)根據(jù)車輛當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、環(huán)境氣溫、降雨量等多種參數(shù)，優(yōu)化清潔周期和液體用量。如在暴雨天氣中，系統(tǒng)可能會(huì)跳過洗滌液噴淋步驟，直接利用高速氣流或蓋板的快速旋轉(zhuǎn)來去除雨滴，從而節(jié)約洗滌液儲(chǔ)備。

像是法雷奧的everView Centricam攝像頭自清潔技術(shù)就通過微型可伸縮清潔臂，將精確計(jì)量的清洗液定向噴灑至鏡頭表面，借助流體動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)讓液體產(chǎn)生類離心擴(kuò)散效應(yīng)，均勻覆蓋視窗以沖刷泥漿、油污、冰雪等復(fù)雜污染物，隨后配合氣流或自然蒸發(fā)完成殘留物清除，整個(gè)過程無需移動(dòng)攝像頭本體，既規(guī)避了高速旋轉(zhuǎn)帶來的機(jī)械損耗、功耗過高及安全風(fēng)險(xiǎn)，又實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)方案更少的清洗液消耗。

此外，材料科學(xué)的介入也為清潔裝置的設(shè)計(jì)提供了更多可能。通過在鏡片表面涂覆超疏水涂層，可以從微觀層面減弱污染物與玻璃的粘附力。雖然這些涂層在面對(duì)強(qiáng)力磨損和紫外線照射時(shí)仍存在老化問題，但它們顯著降低了主動(dòng)清潔系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，使得較小的流體壓力就能達(dá)到理想的清潔效果。

系統(tǒng)集成與可靠性驗(yàn)證的工程要求

自動(dòng)駕駛車輛上的感知硬件數(shù)量眾多，這意味著洗滌管路的布置必須極其精簡且高效。為了減輕重量并優(yōu)化空間利用，工程師們正在開發(fā)共享管路和智能電磁閥組，通過多路分配器精準(zhǔn)控制清潔液的流向。

此外，洗滌泵也從簡單的定頻泵向超高壓、可變流量的泵組演進(jìn)。一些新型的超高壓泵能以極快的速度產(chǎn)生壓力脈沖，這種脈沖式的清潔方式不僅能震松頑固污漬，還能減少液體的總消耗量，使車輛能在更長的里程內(nèi)無需人工補(bǔ)充洗滌液。

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可靠性是清潔裝置設(shè)計(jì)的重中之重。這些裝置必須能在零下四十?dāng)z氏度的低溫下不結(jié)冰損壞，也能在夏季高溫下正常運(yùn)作。ISO 16750等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車載電子和機(jī)械部件提出了苛刻的要求。為了應(yīng)對(duì)極寒，系統(tǒng)中的管路和水箱一般會(huì)集成電加熱絲，并與車輛的熱管理系統(tǒng)相連。

同時(shí)，清潔液的化學(xué)成分也需經(jīng)過特殊配比，既要保證極佳的去污能力，又要確保對(duì)精密光學(xué)鍍膜沒有腐蝕性。針對(duì)海邊或高鹽地區(qū)的行駛需求，清潔裝置的各連接點(diǎn)和控制電路必須經(jīng)過長時(shí)間的鹽霧腐蝕測試。只有通過了長達(dá)數(shù)百小時(shí)的加速老化實(shí)驗(yàn)，清潔系統(tǒng)才能證明其在車輛整個(gè)生命周期內(nèi)的穩(wěn)定性。

在追求性能的同時(shí)，還必須關(guān)注系統(tǒng)的維護(hù)便利性。對(duì)于商用的Robotaxi或是物流車隊(duì)而言，感知系統(tǒng)的清潔狀況直接關(guān)系到出勤率和運(yùn)營成本。因此，清潔裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)趨向于模塊化，磨損嚴(yán)重的噴嘴或老化失效的壓電元件應(yīng)該能夠快速更換。

技術(shù)目標(biāo)及策略

感知硬件清潔裝置的最終目標(biāo)應(yīng)是實(shí)現(xiàn)完全閉環(huán)的清潔自管理系統(tǒng)，車輛在運(yùn)營過程中不僅能自己發(fā)現(xiàn)臟污、自己執(zhí)行清潔，甚至能評(píng)估清潔后的效果并反饋給后臺(tái)管理系統(tǒng)。

如果多次清潔仍無法恢復(fù)感知清晰度，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)預(yù)警，引導(dǎo)車輛前往最近的維護(hù)點(diǎn)。正是通過這種從物理結(jié)構(gòu)到智能算法、從材料應(yīng)用到工程驗(yàn)證的全面考量，自動(dòng)駕駛感知精確度才能得到保障。