CN115308978B - 一种车载摄像头加热除霜功能的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种车载摄像头加热除霜功能的设计方法，包括如下步骤：获取摄像头在最高环境温度下，使镜头温度不高于设定最高值的第一加热模块输出能量；获取摄像头在最低环境温度下，使镜头温度高于设定最低值的第二加热模块输出能量；以第一加热模块输出能量和第二加热模块输出能量为加热模块输出能量的上下限边界值，得到若干组满足所述边界值的加热模块的加热时长和加热功率；根据实际应用场景选取一组加热模块的加热时长和加热功率；根据实际应用的供电电压，计算得到加热电阻阻值；根据加热电阻阻值，设计用于连接加热模块的加热电路。本发明的设计方法能够简单高效的得到加热控制参数，同时保证加热效果和不损伤摄像头。
Description
技术领域
本发明涉及一种车载摄像头加热除霜功能的设计方法，属于车载摄像头融冰除霜技术领域，尤其涉及一种加热控制参数的确定和加热融冰除霜功能的设计方法。
背景技术
车辆电子后视镜替代物理后视镜成为一种技术发展的趋势，取消物理后视镜后，智能摄像头的清晰显示尤为重要。同时摄像头作为视觉感知的核心器件，被安装在车内外，以监测车辆周围环境，从而实现补盲和安全驾驶。同时摄像头在车辆外部的安装也带来了新的问题和挑战，其中一项就是低温霜冻环境下如何实现摄像头的快速除霜解冻。
对于摄像头快速除霜解冻的效果来说，加热的功率越大越好，但是功率越大，就面临能量浪费，镜头耐受性及寿命的问题，所以加热功能参数的设计和控制逻辑需要慎重考虑；这中间需要考虑镜头的耐受温度、加热单元与镜头之间的导热效率、融冰除霜速度等等，需要反复试验，采集大量加热功率的测试数据，存在加热除霜参数设计困难。且最终存在加热效率高时，温度过高对摄像头带来不可逆的损害；或者加热效率不够，无法融冰或融冰效果差的问题，最终影响行车安全。
发明内容
本发明的目的是提供一种车载摄像头加热除霜功能的设计方法，用以解决加热除霜参数设计困难，可能烧坏摄像头或者无法有效融冰的问题。
为实现上述目的，本发明的方案包括：
本发明的一种车载摄像头加热除霜功能的设计方法的技术方案，包括如下步骤：
1)确定一个在车辆实际应用中可能面临的最高环境温度，获取摄像头在所述最高环境温度下，使镜头温度不高于设定最高值的第一加热模块输出能量；
确定一个在车辆实际应用中可能面临的最低环境温度，获取摄像头在所述最低环境温度下，使镜头温度高于设定最低值的第二加热模块输出能量；
2)以第一加热模块输出能量和第二加热模块输出能量为加热模块输出能量的上下限边界值，得到若干组满足所述边界值的加热模块的加热时长和加热功率；
3)根据实际应用场景选取一组加热模块的加热时长和加热功率；
4)根据实际应用的供电电压，计算得到加热电阻阻值；
5)根据加热电阻阻值，设计用于连接加热模块的加热电路。
本发明考虑到实车可能面临的温度环境，将最高环境温度时摄像头镜头不达到损伤摄像头的温度上限下加热能量作为最大加热能量，将最低环境温度时摄像头镜头能够融冰的温度下限下加热能量作为最低加热能量，在最大加热能量和最低加热能量之间可以获得多组加热时间和加热功率的组合，再根据应用场景选择一组最佳的加热时间和加热功率的组合。
根据本发明的方法确定的加热参数组合，可以有效避免加热热量积累导致摄像头镜头温度过高伤害摄像头，也可以防止加热热量不足，镜头温度难以融化结冰。且简化了摄像头参数的确定过程，仅需两次基本的实验即可得到大致的参数范围。
在确定的加热能量下，加热时间和加热功率成反比关系，即加热时间越长、加热功率越低，加热时间越短、加热功率越高。因此，最佳组合的选择可以综合考虑，避免加热功率过高造成能量浪费，同时避免加热时间过长，降低用户体验甚至影响行车安全，这其中加热能量范围(最大加热能量和最低加热能量之间的范围)给予加热时间和加热功率的选择一定的裕度空间，即加热时间和加热功率并非是一一对应的关系。在保证加热效果和不损伤摄像头的前提下，可以更合理的设置加热时间和加热功率。
进一步地，通过如下方法获取第一加热模块输出能量：在所述最高环境温度条件下，调整加热模块的输出功率，使摄像头镜头温度达到并稳定在所述设定最高值以下，记录所用的时间，根据输出功率在所用时间上的积分得到第一加热模块输出能量。
进一步地，通过如下方法获取第二加热模块输出能量：在所述最低环境温度条件下，调整加热模块的输出功率，使摄像头镜头温度达到并稳定在所述设定最低值以上，记录所用的时间，根据输出功率在所用时间上的积分得到第二加热模块输出能量。
本发明通过在对应的恒温环境下，以恒定的输出功率或变化的输出功率做摄像头加热实验，当摄像头镜头温度稳定在对应值时记录加热时间，输出功率在加热时间上的积分(恒定的输出功率下，输出功率与加热时间的乘积；或者变化的输出功率下，输出功率与加热时间的积分)得到对应的加热能量。加热能量获得的方法简单可靠，且成本较低。
进一步地，所述设定最高值为镜头最大耐受温度的设定百分比。
对镜头可达到的最大温度到镜头最大耐受温度之间设定一定余量，避免温度波动损伤摄像头，同时最大程度延长摄像头寿命。设定百分比具体可以设为80％。
进一步地，所述设定最低值为大于冰点温度设定值。
冰点温度下由于温度波动可能影响融冰效果，同时冰点温度下融化的冰呈冰水混合物，冰在镜头表面滑下堆积，可能进一步影响视线，影响行车安全，因此大于冰点温度一定设定值，保证镜头表面的薄冰层完全融化流走，提高融冰效果。设定值可以为4℃，当冰点温度为0℃时，设定最低值即为零上4℃。
进一步地，所述步骤3)中，根据使用场景，确定一个最大融冰除霜时间，选取所述加热时长小于等于最大融冰除霜时间的一组加热模块的加热时长和加热功率。
不同的加热时间均可匹配出加热功率，但加热时间过短意义不大同时导致能量的浪费，因此首先确定一个可以容忍的最大加热时间，例如15分钟，根据可以容忍的最大加热时间确定加热功率。保证在理想的加热时间下确定出加热功率。
进一步地，所述步骤4)中，根据所述供电电压的平方除以所述加热功率，得到加热电阻阻值。
进一步地，所述步骤5)中，加热电路包括串联的电阻，电阻阻值之和等于所述加热电阻阻值，串联的电阻两端与所述加热模块的功率输出端相连；所述电阻均匀的和与摄像头镜头导热接触的导热介质导热接触，所述导热介质呈环状分布在避让开镜头光路的镜头周围位置。
本发明设计方法，能够实现对摄像头设计一个加热装置，根据确定好的加热电阻阻值，通过导热介质对摄像头镜头进行加热。设计方法适用于对现有摄像头从内部进行改装，也适用于从外部配件对摄像头进行无损改装，使其具备有效合理的加热功能，适用范围广。
进一步地，还设置与所述导热介质导热接触的热敏电阻，所述加热模块采样连接热敏电阻，所述加热模块的功率输出根据采样的结果调整。
本发明通过纯硬件电路的方式实现加热模块输出电流(或输出功率)的动态调整，输出电流会根据加热介质的温度的变化而变化，能够实现温度控制的动态平衡，避免其他因素导致的镜头温度过高或过低。例如避免了太阳长时间直射，摄像头本身温度已经很高，超过40℃，此时误开加热功能，有导致摄像头损坏的风险。
进一步地，所述热敏电阻上还并联有固定阻值的配置电阻。
附图说明
图1是本发明车载摄像头加热除霜功能的设计方法的流程示意图；
图2是本发明车载摄像头加热除霜功能的设计方法设计出的加热除霜电路的电路原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示的本发明的一种车载摄像头加热除霜功能的设计方法，包括如下步骤：
首先根据车辆销售使用区域确定出车辆可能面临的最高环境温度和最低环境温度，本实施例中，以最极端的最高40℃和最低-40℃的环境温度为例。
1、在40℃环境下进行摄像头加热实验，调整加热模块全功率输出，热量通过导热机构后到达镜头，实时在镜头处采集镜头表面温度。保证镜头表面的最高温度，不能高于镜头的最大耐受温度的80％，记录从功率输出加热开始到温度稳定的达到最大耐受温度的80％处时的加热时间，记录加热功率为Pmax和T1；得到第一输出能量W1为W1＝Pmax×T1。
其中，镜头的最大耐受温度可以通过查询摄像头的出厂说明书或者镜头材质的对应参数获得。
考虑到摄像头用于车辆时有对应的遮挡结构例如防风罩，因此应当忽略气流的影响，40℃的环境温度可以通过恒温箱实现，将恒温箱设置在40℃，同时将实验放在恒温箱中进行。
本实施例中，镜头可达到的温度最高设定值为最大耐受温度的80％，在可能损坏镜头的最大温度前增加了一定余量，延长摄像头寿命，作为其他实施例，这个温度最高值可以根据需要进行设置。
在零下40℃环境下进行摄像头加热实验，调整加热模块全功率输出，热量通过导热机构后到达镜头，实时在镜头处采集镜头表面温度。保证镜头表面的温度不低于4℃，保证镜头温度完全有融冰的能力，记录加热功率为Pmax和T2；得到第二输出能量W2为W2＝Pmax×T2。
同样地，零下40℃的环境温度可以通过恒温箱实现，将恒温箱设置在-40℃，同时将实验放在恒温箱中进行。
本实施例中，为了提高实验效率，加快实验速度，将加热模块采取全功率输出来缩短镜头达到设定温度的时间，进而获得相应的输出能量。作为其他实施例，为了使输出能量的计算更加精准，也可以采取更接近实际应用的输出功率来进行实验，或者采用动态变化的输出功率进行实验，最终的输出能量为变化的输出功率在时间上的积分。
本实施例中，镜头应当达到的最低温度设置在4℃，考虑到0℃即冰点温度可能无法完全融化镜头上结的冰，会导致冰化成冰水混合物，冰在镜头表面滑动，在温度波动时甚至重新结冰，导致影响行车安全，因此设置一定余量使加热的最低温度高于冰点温度一定值，使冰完全融化流走。
2.根据两次加热实验，将加热模块需要输出的能量(或者说热量)的范围以W1和W2为边界，这个热量范围能够保证最终加热效果，不会损伤摄像头同时能够可靠融冰。
3.然后根据实际应用场景，设定合适的加热时长T3，例如一个理想的加热时长，这个理想的加热时长同样可以通过实验确定，例如加热时长在15min时，正常环境温度范围内(5～25摄氏度)的加热过程中就能很快除霜(无需完全等待15min，15min针对的是极端的情况)，同时在极端温度条件(零下25摄氏度)下，融冰的时间又在可以忍受的时间范围内，就可以设置加热时长为15min。结合步骤3中得到的输出热量的取值范围[W1,W2]，根据W＝P·T，能够得到满足范围的加热时长15min和若干个加热功率的组合，综合考虑选择出合适的输出功率P3。例如，考虑器件寿命可以选择组合中最小的加热功率。
4.根据车辆低压平台的电压等级，或者实际产品的供电电压范围U，推算出加热电阻的阻值R＝P3/U2。
5.根据计算出的加热电阻的阻值设计对应的加热电路，完成车载摄像头加热除霜功能的设计。
具体地，加热除霜功能电路的电路原理如图2所示，包括加热模块和加热板，加热模块包括电流控制器，电流控制器负责输出加热所需要的电流，可以设置在整车端，也可以集成于摄像头中；加热板作为导热介质设置在摄像头处，与镜头导热接触，为了不遮挡摄像头光路，同时最大化导热效率，将加热板设计成环形，套装在摄像头镜头外围。
电流控制器的电流输出端的两级之间串联若干个加热电阻，这些加热电阻的阻值之和等于步骤6计算得到的加热电阻的阻值。本实施例中，加热电阻包括加热电阻R1、R2、R3、R4，加热电阻负责产生融冰除霜的热量，均匀分布的贴合在加热板上。电流控制器的采样端通过热敏电阻R5接地，实现对热敏电阻R5阻值的采样，热敏电阻R5也设置于加热板上，用于感应加热板温度，其阻值根据加热板温度的变化而变化。热敏电阻R5还并联一个配置电阻R6，配置电阻R6为固定阻值电阻，用于提供采用初始值。
本实施例中，加热板采用了导热系数且性价比良好的铝基板，因铝基板导热较好，可以认为加热板温度均衡。
电流控制器是根据并联电阻R5//R6的大小来调整电流输出端输出电流大小的，热敏电阻R5即作为该恒流源的控制电阻，热敏电阻会根据铝基板上的温度变化而变化，从而来动态调整恒流源的大小，进而形成一个稳定温度的动态平衡。即可以达到融冰除霜的效果，又可以直接根据加热温度进行有效的兜底控制。
本发明的设计方法得到的加热除霜功能，可以实现自动的加热动态控制，无需人为干预和程序控制。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种车载摄像头加热除霜功能的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）确定一个在车辆实际应用中面临的最高环境温度，获取摄像头在所述最高环境温度下，使镜头温度不高于设定最高值的第一加热模块输出能量；
确定一个在车辆实际应用中面临的最低环境温度，获取摄像头在所述最低环境温度下，使镜头温度高于设定最低值的第二加热模块输出能量；
2）以第一加热模块输出能量和第二加热模块输出能量为加热模块输出能量的上下限边界值，得到若干组满足所述边界值的加热模块的加热时长和加热功率；
3）根据实际应用场景选取一组加热模块的加热时长和加热功率；
4）根据实际应用的供电电压，计算得到加热电阻阻值；
5）根据加热电阻阻值，设计用于连接加热模块的加热电路。
2.根据权利要求1所述的车载摄像头加热除霜功能的设计方法，其特征在于，通过如下方法获取第一加热模块输出能量：在所述最高环境温度条件下，调整加热模块的输出功率，使摄像头镜头温度达到并稳定在所述设定最高值以下，记录所用的时间，根据输出功率在所用时间上的积分得到第一加热模块输出能量。
3.根据权利要求1所述的车载摄像头加热除霜功能的设计方法，其特征在于，通过如下方法获取第二加热模块输出能量：在所述最低环境温度条件下，调整加热模块的输出功率，使摄像头镜头温度达到并稳定在所述设定最低值以上，记录所用的时间，根据输出功率在所用时间上的积分得到第二加热模块输出能量。
4.根据权利要求1所述的车载摄像头加热除霜功能的设计方法，其特征在于，所述设定最高值为镜头最大耐受温度的设定百分比。
5.根据权利要求1所述的车载摄像头加热除霜功能的设计方法，其特征在于，所述设定最低值为大于冰点温度设定值。
6.根据权利要求1所述的车载摄像头加热除霜功能的设计方法，其特征在于，所述步骤3）中，根据使用场景，确定一个最大融冰除霜时间，选取所述加热时长小于等于最大融冰除霜时间的一组加热模块的加热时长和加热功率。
7.根据权利要求1所述的车载摄像头加热除霜功能的设计方法，其特征在于，所述步骤4）中，根据所述供电电压的平方除以所述加热功率，得到加热电阻阻值。
8.根据权利要求1所述的车载摄像头加热除霜功能的设计方法，其特征在于，所述步骤5）中，加热电路包括串联的电阻，电阻阻值之和等于所述加热电阻阻值，串联的电阻两端与所述加热模块的功率输出端相连；所述电阻均匀的和与摄像头镜头导热接触的导热介质导热接触，所述导热介质呈环状分布在避让开镜头光路的镜头周围位置。
9.根据权利要求8所述的车载摄像头加热除霜功能的设计方法，其特征在于，还设置与所述导热介质导热接触的热敏电阻，所述加热模块采样连接热敏电阻，所述加热模块的功率输出根据采样的结果调整。
10.根据权利要求9所述的车载摄像头加热除霜功能的设计方法，其特征在于，所述热敏电阻上还并联有固定阻值的配置电阻。
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2022
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