CN116723897A - 用于快速清洁车辆上的外部传感器表面的系统和方法 - Google Patents

用于快速清洁车辆上的外部传感器表面的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了使用多个快速排气阀快速地清洁表面的系统和方法，其中该系统被配置为用于特别地清洁安装到车辆的外部的传感器的大的或圆柱形表面。该系统和方法设想使用多个快速排气阀，这些快速排气阀设置有至少一个喷嘴和至少一个电磁阀，以便有效地将一定剂量的加压空气排放到表面上。

Description

用于快速清洁车辆上的外部传感器表面的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年11月12日提交的、名称为“System and A Method for RapidlyClearing an Exterior Sensor Surface on a Vehicle(用于快速清洁车辆上的外部传感器表面的系统和方法)”的美国临时专利申请No.63/112，812的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及从沿车辆的外部定位的传感器表面有效去除沉积物或碎屑的流体管理系统和方法。
背景技术
只要有车辆行驶，为了方便和安全，则需要清洁车辆的表面。例如，在如今的汽车上，具有挡风玻璃、后窗玻璃、前照灯、后部相机、前部相机和大量的附加传感器，它们在被弄脏时无法有效地工作。这些传感器可以遍布整个车辆。几十年来，清洁的主要需求仅限于挡风玻璃、后窗玻璃和前照灯。
自动驾驶车辆(“AV”)概念的兴起增加了对所有类型的传感器清洁的需求。这种传感器可以包括：相机、红外线雷达、近程雷达和激光雷达，仅举几例。当被碎屑堵塞时，它们通常也不太有效。许多车辆制造商认为这是一个挑战，因此在车辆上增加了多种传感器清洁选项，以允许操作员在舒适的乘员舱中按需清洁面向外部的相机。在一个实施例中，车载计算机系统决定何时需要清洁，并触发独立的清洁事件。这些传感器清洁实施的架构类似于清洁挡风玻璃，但有几个重要的区别。第一是没有刮水器臂的形式对表面的机械清洁。由于在挡风玻璃应用中缺少由刮水器提供的机械清洁/分配，因此清洁流体的均匀分配是现在更优先考虑的问题。第二是这种传感器上待清洁的区域比挡风玻璃小多个数量级。这种现实的结果是需要的清洗流体明显更少。典型的挡风玻璃清洁喷嘴的流量接近1000mL/min，而类似的传感器清洁喷嘴的流量通常小于300mL/min。此外，封装成为重大的挑战，因为嵌入式传感器处于狭窄的区域，并且在光学传感器的情况下，喷嘴无法在传感器的视野内，否则将导致传感器性能下降。
美国专利公开2014/0060582和US 2017/0036650以及美国专利No.9,992，388通过引用全部并入本文，并说明了用于解决这些目标的各种方法。然而，随着这些紧凑包装和实现了非标准车辆数量，出现了一些挑战。在某些情况下，压缩空气已经被用于吹掉汽车传感器应用中的碎屑。已知一些系统利用电磁阀来管理从空气源到喷嘴的空气分配，以应用到传感器表面来去除碎屑。在一个示例中，如美国公开专利申请2020/0282416所教导的，已知结合了一种类型的快速排气阀，以将封闭体积的压缩空气快速排放到表面上，以用于从表面去除液滴或其他污染物。然而，本公开设想了一种用于从喷嘴组件分配压缩空气和流体以清洁表面的组件。
这些已知的压缩空气系统由于各种不利于这种系统的市场接受度的因素而受到限制。例如，有效去除沉积物所需的高空气消耗率是令人望而却步的，因为这些空气计量系统需要多个螺线管或大尺寸、相对昂贵的螺线管来清洁较大的传感器表面，如LIDAR传感器表面。还存在将多个喷嘴结合到设计中的挑战，该设计可以通过相对小的、成本有效的方式定时以不显眼的方式有效地移除碎屑，并且可以从大的或弯曲的表面移除碎屑。
发明内容
在一个实施例中，公开了一种用于快速清洁沿车辆的外部的表面的系统，该系统包括至少一个排气阀，其中排气阀包括：壳体，该壳体限定了具有入口端口、剂量端口和出口端口的空腔；与剂量端口连通的剂量腔室；以及阀构件，所述阀构件放置在所述空腔内并被配置为选择性地在入口端口、剂量端口和出口端口之间传递空气压力，其中所述阀构件被配置为在闭合位置和打开位置之间偏置，所述空腔被所述阀构件分成分离的容积，使得所述阀构件在打开位置和闭合位置之间的选择性偏置允许加压空气被储存在剂量腔室内并被控制以通过出口端口被排放。至少一个喷嘴，其与排气阀的出口端口连通，该喷嘴被配置为将加压空气排放到待清洁表面上；以及与排气阀连通的转换阀，其中转换阀被配置为选择性地将加压空气引入所述至少一个排气阀并且选择性地在打开位置和闭合位置之间将阀构件偏置。可以在系统中设置多个排气阀，它们与单个转换阀加压连通，其中每个排气阀与至少一个喷嘴加压连通。待清洁表面可以具有大致圆柱形形状，或者可以是弯曲的或平坦的。待清洁表面的大致圆柱形形状可以包括大约25mm至大约150mm之间的高度和大约50mm至大约300mm的直径。剂量端口可以附接到剂量腔室，该剂量腔室是壳体内连续的单独容积，其中剂量腔室在壳体的空腔内。可选地，剂量端口可以附接到剂量腔室，该剂量腔室是附接到壳体并且在壳体的空腔的外部的单独容积。当阀构件处于闭合位置时，加压空气不能从出口端口被排出，但是可以在入口端口和剂量端口之间敞开地连通，并且当阀构件处于打开位置时，加压空气可以通过出口端口从剂量端口被排出，并且不与入口端口连通。排气阀可以被配置为用于通过转换阀快速排气，以实现阀构件的快速打开，从而将加压空气从剂量腔室释放到出口端口。转换阀可以是3/2电磁阀，使得通过电磁阀实现快速排气。
在一个实施例中，至少一个回流阀可以与至少一个剂量腔室和加压空气源连通，以允许当阀构件处于闭合位置并且回流阀处于打开位置时，压力从加压空气源快速传递到所述至少一个排气阀的剂量腔室。此外，至少一个回流阀可以在至少一个剂量腔室或至少一个喷嘴与加压液体源之间连通，以允许加压液体的快速转移，从而与所述剂量腔室或所述喷嘴中的加压空气混合。
在一个实施例中，多个排气阀相对于彼此以串联配置布置。多个排气阀可以包括第一排气阀和至少一个通过管或管腔的系统连接到第一排气阀的后续排气阀，该系统还可以包括在至少一个后续排气阀的至少一个剂量腔室和转换阀之间连通的第一回流阀，使得第一回流阀被配置为当转换阀打开时允许所述剂量腔室通过加压空气源充注加压空气。第二回流阀可以被设置成在至少一个后续排气阀的至少一个入口端口和转换阀之间连通，使得第二回流阀被配置为当电磁阀打开时允许加压空气进入至少一个后续排气阀，以将至少一个后续排气阀的阀构件切换到闭合位置，从而允许至少一个剂量腔室充注加压空气。
在另一个实施例中，多个排气阀相对于彼此布置成瀑布式配置。瀑布式配置包括第一排气阀和至少一个后续排气阀，使得第一排气阀的剂量腔室与后续排气阀的入口端口流体连通并且被配置为将加压空气从所述后续排气阀的所述入口端口导向至第一排气阀的所述剂量腔室。该实施例可以包括在第一排气阀的剂量腔室、转换阀、第一排气阀的入口端口之间连通的第一回流阀，以及在至少一个后续排气阀的剂量腔室、至少一个后续排气阀的入口端口之间连通的第二回流阀，其中当转换阀打开时，第一回流阀和第二回流阀允许剂量腔室由空气源充注加压空气。在本文，当转换阀关闭时，剂量腔室内的压力被配置为将多个排气阀的阀构件偏置到打开位置并通过喷嘴和抵靠期望表面排出加压空气。后续排气阀内的加压空气可以被配置为从后续排气阀的入口端口快速排出到第一排气阀的剂量腔室，并且第一排气阀的剂量腔室内的加压空气被配置为从出口端口快速排出。
在另一个实施例中，系统被配置为从至少一个喷嘴提供多个排气冲击或脉冲空气冲击来清洁表面。在本文中，在多个脉冲空气冲击中的每一个之间，排气阀的剂量腔室可以用加压空气充注至静态压力，并且然后加压空气可以仅部分地从所述剂量腔室排出。该系统还可以包括以下设计特征中的至少一个：每个脉冲空气冲击的平均质量流速至少大约为0.5g/s；喷嘴出口速度大于大约50m/s；以及大于大约0.025N的目标系统推力。在另一个实施例中，该系统还包括以下设计特征中的至少一个：(a)至少一个喷嘴包括至少一个出口，该出口具有横截面面积，其中至少一个出口的横截面面积大于转换阀的横截面流动面积；(b)连接在排气阀和至少一个喷嘴之间的至少一个管，其中该管包括横截面面积，使得该管的横截面面积是至少一个喷嘴的至少一个出口的横截面面积的总和的大约2倍；(c)排气阀的出口端口的横截面面积大于连接在排气阀和至少一个喷嘴之间的所述管的横截面面积；以及(d)当加压空气在排气冲击之间从剂量腔室排出时，剂量腔室中的绝对压力不会下降到低于环境压力的大约2倍。
在一个实施例中，提供了一种利用多个快速排气阀和多个喷嘴快速清洁表面的方法，该方法包括：提供至少一个排气阀，其中该排气阀包括：壳体，该壳体限定了具有入口端口、剂量端口和出口端口的空腔；与剂量端口连通的剂量腔室；以及阀构件，该阀构件放置在空腔内并且被配置为选择性地在入口端口、剂量端口和出口端口之间传递空气压力，其中阀构件被配置为在闭合位置和打开位置之间偏置，空腔被所述阀构件分隔成单独容积，使得阀构件被配置为在打开位置和闭合位置之间选择性地偏置；提供至少一个喷嘴，该喷嘴与多个排气阀中的至少一个的出口端口连通，该喷嘴被配置为将加压空气排放到待清洁表面上；提供与至少一个排气阀连通的转换阀；以及控制转换阀以选择性地将加压空气引入所述至少一个排气阀，并选择性地在打开位置和闭合位置之间偏置阀构件，以在截断循环操作中操作所述排气阀，以从至少一个喷嘴提供多个排气冲击或脉冲空气冲击来清洁表面。
附图说明
通过结合附图参考以下对本发明的当前优选示例性实施例的更详细描述，将更全面地理解和认识本公开的这些以及其他目的和优点，其中：
图1A是现有技术中已知的快速排气阀的示意图；
图1B是用于图1A的快速排气阀的阀构件；
图2是根据本公开的用于快速清洁表面的系统的实施例的示意图；
图3是根据本公开的用于快速清洁表面的系统的实施例的示意图；
图4是根据本公开的用于快速清洁表面的系统的另一实施例的示意图；
图5是根据本公开的用于快速清洁表面的系统的另一实施例的示意图；
图6是根据本公开的用于在快速清洁表面的系统中使用的具有回流阀的快速排气阀的示意图；
图7是根据本公开的用于快速清洁表面的系统的另一实施例的示意图；
图8是根据本公开的用于快速清洁表面的系统的另一实施例的示意图；
图9是根据本公开的用于快速清洁表面的系统的另一实施例的示意图；
图10是根据本公开的用于快速清洁表面的系统的另一实施例的示意图；
图11A是由根据本公开的用于快速清洁表面的系统的喷嘴围绕的其上有沉积物的大的圆柱形传感器的表面的图像；
图11B是图11A的表面的图像，其上的沉积物被根据本公开的用于快速清洁表面的系统去除；
图12是根据本公开的用于快速清洁表面的系统的实施例的图像；
图13是示出了根据本公开的用于快速清洁表面的系统的实施例的操作期间压力与时间的关系的曲线图；
图14是示出了根据本公开的用于快速清洁表面的系统的实施例的操作期间压力与时间的关系的曲线图；
图15是示出了压力与时间的关系的曲线图，其中示出了根据本公开的用于快速清洁表面的系统的实施例的操作期间的阀颤振；
图16是可以用于根据本公开的快速清洁表面的系统中的低效率喷嘴类型的透视示意图；以及
图17是可以用于根据本公开的快速清洁表面的系统中的高效率喷嘴类型的透视示意图。
具体实施方式
现在将详细参考本教导的示例性实施例，其示例在附图中示出。应当理解，在不脱离本教导的相应范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以进行结构和功能上的改变。此外，在不脱离本教导的范围的情况下，可以组合或改变各种实施例的特征。因此，下面的描述仅仅是以说明的方式给出的，并且不应该以任何方式限制可以对所示实施例进行的各种替换和修改，并且仍然在本教导的精神和范围内。在本公开中，对特定形状、材料、技术、布置等的任何标识都与所呈现的特定示例相关，或者仅是对这种形状、材料、技术、布置、尺寸等的一般描述。
本公开的一个目的是提供一种流体管理的系统和方法，以有效且高效地从沿着车辆的外部定位的传感器表面去除沉积物或碎屑。希望减少从传感器表面清除水滴所需的压缩空气量，特别是像通常安装在车辆的外部的激光雷达(LIDAR)那样的较大表面。测试表明，与来自剪切喷嘴的压缩空气的短时间冲击相比，利用快速排气阀的系统来提供空气剂量可以减少从给定的小表面清除液滴所需的空气质量，例如汽车后视相机。然而，问题总是在于如何正确地布置剂量阀或排气阀的系统，比如快速排气阀(“QEV”)，以正确的操作方式来清除较大表面的碎屑。
此外，已知的系统不能够有效地清洁较大表面或圆柱形表面，比如那些结合在某些LIDAR传感器中的表面，这些传感器被设想用于车辆上以辅助自动化。这些较大的或圆柱形的LIDAR传感器表面通常大于相机或其他传感器透镜表面，比如在某些车辆的后视相机上使用的那些。这种LIDAR传感器预期用于汽车、卡车、船只、UAV、飞机或工业或农业设备。较大形状的圆柱形表面的一个实施例可以被测量为具有55mm的高度和115mm的表面直径。然而，本文可以考虑任何尺寸和类型的表面，但是这种传感器表面的高度和曲率直接影响可以实施用于适当清洁的清洁系统的类型。应当注意的是，圆柱形表面可以更好地用于通过围绕这种表面的圆柱形间隔开的多个喷嘴进行清洁，以提供具有足够形状和/或喷雾重叠的扇形角度喷雾，从而从表面上去除沉积物或碎屑。应当注意的是，所公开的系统的实施例可以被配置为清洁任何类型的表面，该表面包括平坦表面、轻微弯曲的表面，比如适度弯曲的窗口等。
用于有效清洁系统的一个此类设计参数是建立使用最小可能的空气剂量来清洁传感器表面85(图3和图5)，同时以最少数量的转换阀70来实现，以降低系统成本和复杂性，从而建立每个转换阀使用多个喷嘴60。转换阀可以是机电控制阀，其中转换阀的一种常见类型是电磁阀。与喷嘴和QEV相关的许多类型的电磁阀都非常昂贵。此外，申请人已经认识到电磁阀与喷嘴的1∶1比例将产生不可行的系统成本。因此，缩小压缩空气源的尺寸、减小有效清洁所需的电磁阀的尺寸以及以其他方式消除使用多个电磁阀的需要具有商业效益，除非多个喷嘴可以由本文所述系统的单个电磁阀控制。
此外，存在这样的设计理论，即需要压缩空气的阈值速度(Vmin)来移动特定尺寸的液滴。产生的喷嘴速度是喷嘴几何结构和供应空气的函数。对于给定传感器表面的液滴清除，距离喷嘴一定距离处的速度必须超过Vmin。QEV计量空气流量，使得包括流量和速度在内的喷雾性能不是由喷嘴的配置决定的。在这种系统中正确使用QEV应该允许设计使用各种类型的喷嘴，比如具有大喷嘴出口的喷嘴。QEV允许空气像典型的喷嘴喉部一样不受限制地快速离开，以实现高的空气瞬时质量流速(Qinst)，但每次启动释放的空气总体积较低。高质量流速Qinst将比低Qinst从喷嘴传播得更远。更快的剂量释放时间将导致更高的Qinst和在距离喷嘴Ymm处的速度V，而不增加消耗的空气质量，这将导致更有效的表面清洁。具有大扇形角度的喷嘴将减少每个传感器表面所需的喷嘴数量，但只有在仍能达到Vmin时才有效。
申请人已经解决了所描述的问题并结合了所描述的设计理论来发现本公开的清洁系统的实施例。图1A和图1B示出了由本申请设想的QEV的一个实施例。QEV 10包括壳体12，其限定了具有第一端口(入口)20、第二端口(剂量)30和第三端口(出口)40的空腔14。应当注意的是，第二端口(剂量)30可以是在壳体12内连续的单独容积，其中第二端口和相关剂量可以在壳体的空腔内，或者第二端口(剂量)30可以是单独的装置(如图2所示)，以允许剂量连接到其上。阀构件50可以放置在空腔14内，并且在第一端口、第二端口和第三端口之间可操作地和选择性地连通空气压力。阀构件50可以在闭合位置和打开位置之间被偏置。在闭合位置，加压空气不能从第三端口(出口)40排出，但是可以在第一端口(入口)20和第二端口(剂量)30之间开放地连通。在打开位置，加压空气可以通过空腔14从第二端口(剂量)30被排出，并且从第三端口(出口)40被排出到喷嘴，但是可以不与第一端口(入口)20开放地连通。空腔14可以被阀构件50分割成单独的容积。单独的容积可以通过阀构件50中的导向孔52加压连通。在图1A的实施例中，QEV包括阀构件50，该阀构件具有位于空腔14内的第一容积53A和第二容积53B之间的导向孔52。在一个实施例中，阀构件在打开位置和闭合位置之间的选择性偏置允许压缩空气进入QEV并储存在剂量腔室32中，并且随后被控制以期望和受控的方式通过出口50和喷嘴60排出，以从传感器表面去除沉积物或碎屑。
换句话说，加压空气或气体可以从电磁阀施加到QEV压力的入口20，使得其被引导到剂量腔室32中，同时防止从出口50排出。阀构件50可以以特定方式成形，以允许基于管线压力在打开位置和闭合位置之间切换的这种功能，从而允许压缩空气在闭合位置储存在剂量腔室中，并在打开位置从出口快速排出。阀构件50还可以包括导向孔52，以助于以期望的方式输送加压空气。
图2示出了清洁系统的实施例的示意性线路图，该清洁系统包括与压缩空气源80加压连通的QEV 10、3/2电磁阀70和喷嘴60。这些元件通过不同尺寸和长度的软管加压连通。然而，这种配置具有设计限制，在于QEV的控制侧(第一端口)必须被配置为通过电磁阀70快速排气，以便实现阀构件50的快速打开，进而实现将加压剂量释放到出口40的剂量腔室32的快速打开。这种快速控制管线排气的能力允许这种系统实现来自装置的空气的高离开速度和瞬时质量流速，从而导致有效的液滴清除。QEV的控制侧上的压力切换可以通过3/2型电磁阀来实现，该电磁阀将QEV连接到压缩空气源80以充注剂量，或者连接到环境空气以排出剂量。这种布置需要每个QEV使用一个螺线管，这导致了高的系统成本。
申请人已经发现，如果电磁阀的尺寸足以一次快速排空所有QEV的控制侧以及连接它们的任何管件，则可以实现每个电磁阀使用多个QEV。图3-5考虑了这种配置，并且需要大的电磁阀，但是可以包括任何数量的QEV和喷嘴来清洁表面85。图6描述了QEV的替代配置，其中至少一个附加的回流阀或止回阀90被引入到系统中，以允许当处于打开配置时压力从剂量腔室32快速传递到出口端口40，以及当处于闭合位置时压力从加压空气源快速传递到剂量腔室32。此外，阀构件50中的导向孔52被消除，以防止从剂量32到电磁阀70排放口的回流。
可选地，多个QEV可以如下所述配置，以允许单个小型3-2电磁阀的有效功能，该电磁阀不需要设计成允许多个QEV的快速排气。在这种情况下，本公开设想了为快速QEV空气计量系统配置的至少两种布置(“串联”和“瀑布式(waterfall)”)。
在图7(“串联”)和图8(“瀑布式”)所设想的配置中，至少一个附加的回流阀或止回阀90、190被引入到系统中，以便在处于打开配置时允许压力从剂量腔室32快速传递到出口端口40，并且在处于闭合位置时允许压力从加压空气源快速传递到剂量腔室32。这两种配置都允许QEV通过控制侧(第一端口)快速排气，以便有效地操作，因为多喷嘴设置(比如清理LIDAR传感器表面85所需的设置)将以其他方式需要非常大的电磁阀或多个螺线管，以便能够足够快速地排气。这也允许阀构件50在闭合位置和打开位置之间有效且快速地偏置，以便有效且高效地对每个喷嘴喷射进行定时，使得表面的期望部分被每个喷嘴充分地清洁。
在一个实施例中，如图7所考虑的，多个QEV 10可以串联布置，使得第一QEV 10A触发后续QEV 10B、10C、10D，从而触发/控制电磁阀70可以相对较小，因为该电磁阀不需要设计成允许快速排气。相反，快速排气通过使用第一QEV 10A来实现，其中其出口端口40A直接排放到周围环境中。相反，后续QEV 10B、10C、10D的出口端口40B、40C、40D分别与喷嘴60A、60C、60D连通，以提供在相对于彼此的受控时间内将来自相关剂量腔室32B、32C、32D的加压空气排放到期望的表面。第一QEV 10A不包括剂量腔室，但是其第二端口30A与后续QEV10B、10C 10D的入口端口20B、20C、20D加压连通。
在如图7所示的实施例中，第一回流阀90A与后续QEV 10B、10C 10D的剂量腔室32B、32C、32D和螺线管70连通。当电磁阀70打开时，该回流阀90A允许剂量腔室由空气源80直接充注加压空气。然而，一旦在剂量腔室32中，则防止加压空气被向回引导到螺线管70。此外，第二回流阀90B与后续QEV 10B、10C 10D的入口端口20B、20C、20D以及第一QEV 10A的第二端口30A和电磁阀70连通。在这种情况下，当电磁阀被控制打开时，加压空气被引入到系统，以将每个QEV的阀构件50置于闭合位置，并用加压空气充注剂量腔室。当电磁阀70闭合时，剂量腔室32B、32C、32D内的压力大于控制管线侧压力，并用于将阀构件50偏置到打开位置，并且通过喷嘴并对着期望的表面将加压空气排出。此外，QEV 10B、10C 10D内的潜在加压空气从入口端口20B、20C、20D，并且通过第一QED 10A的第二端口30A和出口端口40A快速排出。这种潜在加压空气从QEV 10B、10C、10D的快速排出允许来自剂量腔室的加压空气以期望的体积和速度流动通过出口，从而导致从表面期望的去除沉积物。
换句话说，第一QEV被配置为继电器，以利用单个电磁阀来触发其他多个QEV。为此，可以将多个QEV的控制侧连接至作为继电器的QEV的致动器或剂量端口。下游QEV的剂量和控制侧应该通过单向止回阀连接到3-2电磁阀出口，当电磁阀端口连接到压力时，该单向止回阀允许压缩空气流向剂量，但当电磁阀切换到排气位置时，不允许空气向回从剂量中流出。以这种方式，当电磁阀连接到压力时，所有QEV的剂量被充注，但是当电磁阀切换时，仅允许继电器QEV的控制侧排气。这导致继电器QEV打开，并将压力从所有连接的QEV控制侧排放到环境中，从而允许它们打开并将其剂量排放到目标传感器表面上。优点是继电器QEV排气端口的尺寸可以比电磁阀控制孔大得多，从而允许来自多个QEV的大控制体积快速排放到环境中。如果相同的体积被强制通过电磁阀，则流量将被节流，从而阻止下游QEV的快速打开，并限制下游QEV的气体离开速度。在替代配置中，如果在阀构件50中存在导向孔52，当电磁阀70连接到空气源时，允许加压空气充注剂量32B、32C、32D，则可以取消单向止回阀90A、90B及其连接软管。任何类似的单向或基本偏置的流动路径也可以用于充注剂量32B、32C、32D。
在另一个实施例中，如图8所考虑的，多个QEV 110A、110B、110C以瀑布式配置排列。多个QEV 110A、110B、110C可以以级联式串联布置，使得剂量腔室132A、132B和下游QEV的入口端口120B、120C流体连通，从而使得触发/控制电磁阀70可以相对较小，因为它不需要设计成允许大体积空气的快速排出。相反，潜在加压空气的快速排出是通过将入口端口120C引导至剂量腔室132B，将入口端口120B引导至剂量腔室132A，和将入口端口120A引导至电磁阀70来实现的。QEV 110A、110B、110C的出口端口140A、140B、140C与喷嘴连通，以提供在相对于彼此的受控时间内将来自相关的剂量腔室132A、132B、132C的加压空气排放到期望的表面。
在图8所示的实施例中，第一回流阀190A的开口侧与剂量腔室132A、电磁阀70、入口端口120B和第二回流阀190B的闭合侧连通。第二回流阀190B的开口侧与剂量腔室132B、入口端口120C和第三回流阀190C的闭合侧连通。第三回流阀190C的开口侧与剂量腔室132C连通。当电磁阀70打开时，第一回流阀190A、第二回流阀190B和第三回流阀190C允许剂量腔室由空气源80直接充注加压空气。然而，一旦剂量腔室充满，则防止加压空气被向回引导至电磁阀70。在这种情况下，当电磁阀被控制打开时，加压空气被引入系统，以将每个QEV的阀构件50置于闭合位置，并用加压空气充注剂量腔室。当电磁阀70关闭时，剂量腔室132A、132B、132C内的压力大于控制管线侧压力，并用于将阀构件50偏置到打开位置，并且通过喷嘴并对着期望的表面将加压空气排出。此外，QEV 110C内的潜在加压空气从入口端口120C快速排出到剂量腔室132B，QEV 110B内的潜在加压空气从入口端口120B快速排出到剂量腔室132A，并且QEV 110A内的潜在加压空气通过电磁阀70从入口端口120A快速排出。这种潜在加压空气从QEV 110A、110B、110C的快速排出允许加压空气从剂量腔室以期望的体积和速度流动通过出口，从而导致从表面期望的去除沉积物。
换句话说，多个QEV以级联或雪崩式(avalanche)配置连接，其中每个下游QEV的控制端口连接到前一个QEV的剂量。触发连接到第一QEV的控制侧的电磁阀导致其打开并排出其剂量，这致使下一个QEV的控制端口感受到环境压力并打开，从而使其排气并导致成直线的下一个QEV以级联方式进行排放。或者，不是每个QEV以1∶1的关系串联连接到单个下游QEV，而是每个QEV可以以1∶2或1∶X的比例连接到多个下游QEV，以引起下游QEV的雪崩激活。为了向级联QEV配置的剂量充注，剂量应该具有平行的压力供给路径，每个连续QEV具有单向止回阀隔离，使得压缩空气可以从压缩空气源流向剂量，但是不允许流回源。
申请人已经确定，颤振可能导致级联或瀑布式配置的系统出现故障。当控制侧和剂量大小的通气速率类似时，这可能发生在系统中。有多个结构变量可以用来补偿颤振失效。在一个实例中，系统链中的连续剂量腔室可以连续地变大。图9示出了瀑布式配置的一个实施例，该瀑布式配置与图8的配置相当，但是包括连续的剂量腔室，这些剂量腔室的容积依次增大。在该实施例中，剂量腔室132C的尺寸大于剂量腔室132B的尺寸，该剂量腔室132B的尺寸大于剂量腔室132A的尺寸。这种配置可以延长剂量排放时间。在另一个示例中，剂量腔室之间的管件连接可以包括每个后续QEV之间的附加容积，以增加用于加压空气的储存容积的尺寸。例如，电磁阀70和第一QEV 110A之间的管件可以是大约5ml，第一QEV110A和第二QEV 110B之间的管件可以是大约10ml，第二QEV 110B和第三QEV 110C之间的管件可以是大约15ml，等等。这种配置可以延长剂量排放时间。在又一示例中，连续的喷嘴可以定尺寸为具有逐渐变小的出口尺寸，以延长剂量排放时间。此外，每个QEV还可以与不同数量的喷嘴连通，以进一步延长剂量排放时间。例如，第一QEV 110A可以从其出口端口140A连通到3个喷嘴，第二QEV 110B可以从其出口端口140B连通到2个喷嘴，并且第三QEV 110C可以从其出口端口140C连通到1个喷嘴。
应当注意的是，从每个后续喷嘴的压缩空气的这种定时排放并不是完全同时进行的，因为在每次排放之间存在细微的时间延迟。细微的时间延迟对于人眼来说不一定是明显的，但是在其他方面可以有效地从表面的期望部分快速连续地去除碎屑。后续QEV出口和喷嘴之间的脉冲持续时间主要取决于剂量大小，并且其脉冲持续时间可以通过系统中使用的更长软管而略微延长。然而，脉冲时间的一个实施例已经被测量为存在于每个喷嘴的大约0.03秒到大约0.18秒之间。
图10示出了另一个实施例，该实施例还包括至少一个回流阀190，该回流阀在至少一个剂量腔室32或至少一个喷嘴60与加压液体源200之间连通，以允许加压液体的快速传递，从而与所述剂量腔室32或所述喷嘴60中的加压空气混合。应当注意的是，这种湿空气清洁特征可以是本文公开的系统的替代实施例。当剂量腔室32减压时，液体(比如洗涤流体)可以被注射到剂量腔室32和喷嘴60或注射到喷嘴中。加压空气随后可以被引入QEV 10，并且回流阀190将防止加压空气进入液体软管或液体源200。电磁阀70可以是3/2阀，并且当其在闭合位置和打开位置之间切换时，系统的控制侧的排放可以发生，并且允许流体在剂量腔室32内混合。一旦加压空气被引入剂量腔室并与流体混合，则QEV可以被配置为通过喷嘴60将空气和流体从剂量腔室排放到待清洁的表面上。
图11A和图11B示出了比如去除沉积物的表面清洁，其中示出了具有本公开的系统的大致圆柱形的大型LIDAR传感器表面。在本文，2个喷嘴沿着待清洁表面的外曲率定位。图11A示出了其上具有沉积物的表面。图11B示出了通过从位于圆柱形表面的曲率周围的不同点从两个喷嘴排放压缩空气来去除沉积物的表面。待清洁的LIDAR表面或其他表面的大致圆柱形可以包括大约25mm到大约150mm之间的高度和大约50mm到大约300mm的直径。
图12是用于建立期望的清洁结果的测试装备的图像，该测试装备具有各种尺寸的剂量腔室32。此外，所公开的实施例预期利用容积在大约4mL和大约400mL之间的剂量腔室32。实施例的初步测试已经表明，对于较大尺寸的剂量存在较高的出口速度，其中37.4mL的剂量可以提供大约260m/s的平均喷嘴出口速度。在一个实施例中，在沿着表面的液滴位置处清除的阈值速度可能是大约5m/s到大约30m/s。在另一个实施例中，阈值速度的范围可以是大约150m/s到大约250m/s。据观察，即使在非常低的喷嘴压力下，也可以获得显著的出口速度。
应当注意的是，申请人已经发现，与本文所述系统内的压力均衡相关的某些效率可以被简化。更具体地，系统可能需要通过提供多个排气冲击或脉冲空气冲击来循环运行，以适当地清洁表面。脉冲空气冲击的这种循环可以非常快速地发生，以允许表面被快速清洁，比如在1至5秒之间(该范围是非限制性的，因为循环操作的任何持续时间在此都是设想的)。此外，每个循环将要求系统中的多个QEV中的每一个的剂量腔室，无论如何布置都被充分充注或排空，以满足苛刻环境的表面清洁要求。例如，在一个实施例中，这种表面的有效液滴清洁可能需要(i)至少大约为0.5g/s，或优选地大约为1.0g/s的喷嘴目标处的平均质量流速；(ii)大于约50m/s，或优选地大于约150m/s的目标表面处的喷嘴出口速度；(iii)至少大约为0.025N，或优选地大于约0.15N的目标系统推力(其中推力等于质量流速×速度，并且总冲量是推力乘以脉冲时间)。
在本文，所述系统的实施例可以包括以下设计约束中的至少一个：(i)每个喷嘴出口面积的总和是系统的剂量的下游的最大限制部分；(ii)电磁阀的最小流动面积可以小于每个喷嘴出口面积的总和；(iii)连接喷嘴和QEV的管62或管腔的横截面面积优选具有最小尺寸，该最小尺寸为由该管部段供给的喷嘴出口面积的总和的大约2倍，并且优选地为喷嘴出口面积的总和的大约5倍；以及(iv)阀构件和用于QEV的出口端口之间的空间54(图1A)的面积应该大于连接QEV与一个或更多个喷嘴的管62的组合的横截面面积。空间54可以通过方程式[A＝π×D×H]来测量。在该方程式中，A是空间54的面积，D是出口端口的直径，并且H是阀构件50远离出口端口的表面移动以放置在闭合位置处的距离。
这些设计参数提供了系统内的效率，并允许目标质量流速和预期的操作压力，管中的加压空气的速度小于50m/s，优选地小于大约10m/s。此外，对于优选的有效配置，在排放事件结束时，剂量腔室中的剩余绝对压力应该大于环境压力的大约2倍(大于2倍绝对巴)。该特征被配置为允许空气保持在QEV和喷嘴之间的管内，以适当的密度降低其中的摩擦损失。
申请人已经发现，在系统运行期间，在剂量压力下降到环境压力水平之前，推力量可以下降到低于目标水平。这是由于随着时间的推移以及随着空气的释放，系统压力和喷嘴速度降低。因此，可以通过控制系统在“截断循环操作(truncated cycle operation)”中的操作来节省空气质量。在本文，QEV的排气循环可以被控制为定时发生在推力量达到或下降到目标水平以下的大约同一时间。这允许一些空气压力保留在剂量腔室中或者系统的管件和QEV中，使得重新充注多个剂量腔室的时间也可以减少，从而允许系统的有效和快速循环操作。这也允许在系统内保持压力平衡，同时满足或超过与目标表面清洁相关的性能要求。
“截断循环操作”反映在图13所示的图表中。在本文，描绘的是压力与时间的关系的曲线图，其跟踪在单个喷嘴和单个QEV处的系统操作的单个循环的控制压力、喷嘴压力和剂量压力。当剂量腔室充满加压空气时，控制管线(入口端口)和剂量腔室处的系统的静态压力被反映为大约超过45psi。在1.5秒标记处，电磁阀从充注切换到排放，并且控制压力开始从超过大约45psi的静态压力下降。此时，由于阀构件上的压力不平衡，因此阀构件在QEV内被切换为打开，加压空气开始从剂量腔室快速排出到出口端口并朝向喷嘴排出，其中喷嘴压力增加到超过35psi。在控制压力和剂量压力的降低之间存在细微的延迟，其中在QEV打开之后，剂量压力也开始从超过45psi的静态压力降低。在这个循环阶段，剂量压力和喷嘴的压力降低似乎类似地降低，直到控制压力增加。控制压力增加的时间是在它达到0psi之前，但不是必须的。应当注意的是，当电磁阀被切换到充注位置时，控制压力增加，从而允许空气压力在控制管线中上升，随后控制管线将阀构件偏置以关闭并允许空气压力源被引入返回到剂量腔室中。在本文，优选的是，当加压空气仅从剂量腔室或系统的流体管线中部分排出而未完全排出时，切换控制管线压力。该曲线图表示沿x轴从大约1.4秒到大约1.8秒测量的时间。应当注意的是，当控制压力升高到高于剂量压力时，阀构件50切换到闭合位置。
图14示出了另一个压力与时间的关系的曲线图，其代表了在本文描述的系统的截断循环的循环操作。这种操作可以发生在经历强降水(比如风暴或雪)的表面，并反映连续循环，同时保持剂量腔室中的空气压力，缩短充注时间，并减少系统消耗的空气。在本文，表示了5个循环的排放，其中加压空气的初始排放发生在静态压力(大约超过45psi)时。然而，如本文所公开的截断循环可以在降水事件的持续时间内连续运行，足以提供车辆的安全运行所需的表面的连续清洁。应当注意的是，“截断操作”发生在加压空气从剂量腔室/喷嘴到待清洁表面上的后续冲击或排放。实际上，这种系统的喷嘴可以在5秒钟内排放5次加压空气的冲击或脉冲。如上所述的QEV、电磁阀、喷嘴、回流阀的结构和布置用于允许截断循环的性能满足在短时间内利用占用最小空间的系统清洁目标表面的设计约束，同时减少成功进行这种清洁操作所需的加压空气量。此外，如本文所述的结构和布置以及QEV内的压力平衡的控制用于减少系统内的操作误差，比如颤振。
申请人已经发现，当加压空气源和剂量腔室中的压力之间存在大的压差时，剂量腔室的有效充注发生得最快。通过在后续循环中减少将剂量腔室完全充注至静态压力的时间量(即，仅通过将剂量腔室充注至较低的峰值剂量压力)，其允许更快的循环，同时仍然保持大部分清洁功效。在本文，在系统的循环操作期间，通过在加压空气从剂量腔室中完全排出和完全充注之前切换控制压力来采用截断操作。所公开的系统的以下设计特征中的至少一个可以有助于有效地操作清洁系统的截断循环，从而减少其中的误差：(a)至少一个喷嘴包括至少一个出口，该出口具有横截面面积，其中至少一个出口的横截面面积大于转换阀的横截面流动面积；(b)连接在排气阀和至少一个喷嘴之间的至少一个管，其中该管包括横截面面积，使得该管的横截面面积是至少一个喷嘴的至少一个出口的横截面面积的总和的大约2倍；(c)排气阀的出口端口的横截面面积大于连接在排气阀和至少一个喷嘴之间的所述管的横截面面积；和/或(d)当加压空气在排气冲击之间从剂量腔室排出时，剂量腔室中的绝对压力不会下降到低于环境压力的大约2倍。应当注意的是，在图13中，剂量压力下降到大约25psi，并且在图14中，在加压空气在脉冲之间被重新引入系统之前，剂量压力下降到20psi到25psi之间。应当注意的是，期望QEV内的剂量压力在每个脉冲之间不会下降到0psi，以确保快速且无误差的操作。
在一个实施例中，电磁阀的尺寸优选地允许在大约300ms内，并且优选地在大约200ms内，重新充注系统内的所有剂量腔室。这可以允许大约3Hz的目标循环速率。此外，控制侧的压力变化率应该大于剂量腔室的压力变化率。这种关系允许QEV完全打开，并防止系统“颤振”。所确定的设计限制允许任何数量的喷嘴和QEV，但可能受到管体积相对于剂量体积的比例的限制。
在一个实例中，作为替代实施例，剂量腔室可以是导向阀。此外，申请人已经认识到不同的喷嘴配置可能影响系统的效率。在一个实施例中，可以使用具有剪切喷嘴出口162B的效率较低的喷嘴160A(比如剪切喷嘴)。参见图16。在另一个实施例中，可以采用更有效的喷嘴160B，其包括具有轴对称会聚-发散(CD)喷嘴配置的孔口出口162B。参见图17。
在一种情况下，当系统中QEV的压力平衡在运行期间变得不平衡时，系统中可能会发生“颤振”。已经测量了各种形式的压力颤振，并且可以通过至少在图15中描绘的曲线图进行观察。已经发现，如果QEV内的平衡压力无法使剂量腔室及时被充注或排出，以便连续充注/排出加压空气，从而适当地建立平衡，则存在这种颤振。
尽管本教导的实施例已经在附图中示出并在前面的详细描述中被描述，但是应当理解，本教导不仅限于所公开的实施例，而是在不脱离此后的权利要求的范围的情况下，本文描述的本教导能够进行多种重新布置、修改和替换。以下权利要求旨在包括所有修改与替换，只要它们落入权利要求或其等同物的范围内。

Claims (21)

1.一种用于快速清洁沿车辆的外部的表面的系统，其包括：
至少一个排气阀，其中所述排气阀包括：
壳体，其限定了具有入口端口、剂量端口和出口端口的空腔；
与所述剂量端口连通的剂量腔室；以及
阀构件，所述阀构件放置在所述空腔内并且被配置为选择性地在所述入口端口、所述剂量端口和所述出口端口之间传递空气压力，其中所述阀构件被配置为在闭合位置和打开位置之间偏置，所述空腔被所述阀构件分隔成单独的容积，使得所述阀构件在所述打开位置和闭合位置之间的选择性偏置允许加压空气储存在所述剂量腔室中并且被控制以通过所述出口端口排放；
与所述排气阀的出口端口连通的至少一个喷嘴，其被配置为将加压空气排放到待清洁的表面上；以及
与所述排气阀连通的转换阀，其中所述转换阀被配置为选择性地将加压空气引入到所述至少一个排气阀，并且使所述阀构件在所述打开位置和闭合位置之间选择性地偏置。
2.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括与单个转换阀加压连通的多个排气阀，其中所述排气阀中的每一个排气阀与至少一个喷嘴加压连通。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述待清洁的表面具有大致圆柱形形状。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述大致圆柱形形状包括大约25mm至大约150mm之间的高度和大约50mm至大约300mm的直径。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述剂量端口附接到剂量腔室，所述剂量腔室是在所述壳体内连续的单独容积，其中所述剂量腔室在所述壳体的空腔内。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述剂量端口附接到剂量腔室，所述剂量腔室是附接到所述壳体并在所述壳体的空腔的外部的单独容积。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，当所述阀构件处于所述闭合位置时，加压空气不能从所述出口端口排放，但是能够在所述入口端口和所述剂量端口之间开放地连通，并且当所述阀构件处于所述打开位置时，加压空气能够通过所述出口端口从所述剂量端口排放并且不与所述入口端口连通。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述排气阀被配置为通过所述转换阀快速排气，以实现所述阀构件的快速打开，从而将加压空气从所述剂量腔室释放到所述出口端口。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述转换阀是3/2电磁阀，使得通过所述电磁阀实现快速排气。
10.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括至少一个回流阀，所述至少一个回流阀与至少一个剂量腔室和加压空气源连通，以允许当所述阀构件处于所述闭合位置并且所述回流阀处于所述打开位置时，压力从所述加压空气源快速传递到所述至少一个排气阀的剂量腔室。
11.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括至少一个回流阀，所述至少一个回流阀在至少一个剂量腔室或至少一个喷嘴与加压液体源之间连通，以允许加压液体的快速传递，以便与所述剂量腔室或所述喷嘴中的加压空气混合。
12.根据权利要求2所述的系统，其中，所述多个排气阀相对于彼此以串联配置布置。
13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述多个排气阀包括第一排气阀和至少一个后续排气阀，所述系统还包括：
第一回流阀，其在所述至少一个后续排气阀的至少一个剂量腔室和所述转换阀之间连通，使得所述第一回流阀被配置为当所述转换阀打开时允许所述剂量腔室通过加压空气源充注加压空气；以及
第二回流阀，其在所述至少一个后续排气阀的至少一个入口端口和所述转换阀之间连通，使得所述第二回流阀被配置为当所述电磁阀打开时允许加压空气进入所述至少一个后续排气阀，以将所述至少一个后续排气阀的阀构件切换到所述闭合位置，从而允许所述至少一个剂量腔室充注加压空气。
14.根据权利要求2所述的系统，其中，所述多个排气阀相对于彼此以瀑布式配置布置。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述瀑布式配置包括第一排气阀和至少一个后续排气阀，使得所述第一排气阀的剂量腔室与所述后续排气阀的入口端口流体连通并且被配置为将加压空气从所述后续排气阀的所述入口端口引导至所述第一排气阀的所述剂量腔室。
16.根据权利要求14所述的系统，其进一步包括：
第一回流阀，其在第一排气阀的剂量腔室、所述转换阀和所述第一排气阀的入口端口之间连通；以及
第二回流阀，其在至少一个后续排气阀的剂量腔室和至少一个后续排气阀的入口端口之间连通，其中当所述转换阀打开时，所述第一回流阀和第二回流阀允许所述剂量腔室通过所述空气源充注加压空气；
其中当所述转换阀关闭时，所述剂量腔室内的压力被配置为将所述多个排气阀的阀构件偏置到所述打开位置并通过所述喷嘴和对着期望表面排出加压空气；并且
其中所述后续排气阀内的加压空气被配置为从所述后续排气阀的入口端口快速排出到所述第一排气阀的剂量腔室，并且所述第一排气阀的剂量腔室内的加压空气被配置为从所述出口端口快速排出。
17.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统被配置为从所述至少一个喷嘴提供多个排气冲击或脉冲空气冲击以清洁表面。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，在所述多个脉冲空气冲击的每一个脉冲空气冲击之间，所述排气阀的剂量腔室充注有加压空气至静态压力，并且随后所述加压空气仅部分地从所述剂量腔室排出。
19.根据权利要求17所述的系统，其中，所述系统进一步包括以下设计特征中的至少一个：
每个脉冲空气冲击的平均质量流速至少大约为0.5g/s；
喷嘴出口速度大于大约50m/s；并且
目标系统推力大于大约0.025N。
20.根据权利要求17所述的系统，其中，所述系统进一步包括以下设计特征中的至少一个：
(a)所述至少一个喷嘴包括具有横截面面积的至少一个出口，其中所述至少一个出口的横截面面积大于所述转换阀的横截面流动面积；
(b)连接在所述排气阀和所述至少一个喷嘴之间的至少一个管，其中所述管包括横截面面积，使得所述管的横截面面积是所述至少一个喷嘴的至少一个出口的横截面面积的总和的大约2倍；
(c)所述排气阀的出口端口的横截面面积大于连接在所述排气阀和所述至少一个喷嘴之间的所述管的横截面面积；并且
(d)当加压空气在排气冲击之间从所述剂量腔室排出时，所述剂量腔室中的绝对压力不会下降到低于环境压力的大约2倍。
21.一种利用多个快速排气阀和多个喷嘴快速清洁表面的方法，其包括：
提供至少一个排气阀，其中所述排气阀包括：
壳体，其限定了具有入口端口、剂量端口和出口端口的空腔；
与所述剂量端口连通的剂量腔室；以及
阀构件，所述阀构件放置在所述空腔内并且被配置为选择性地在所述入口端口、所述剂量端口和所述出口端口之间传递空气压力，其中所述阀构件被配置为在闭合位置和打开位置之间偏置，所述空腔被所述阀构件分隔成单独的容积，使得所述阀构件被配置为在所述打开位置和闭合位置之间选择性地偏置；
提供至少一个喷嘴，所述喷嘴与所述多个排气阀中的至少一个排气阀的出口端口连通，所述喷嘴被配置为将加压空气排放到待清洁的表面上；
提供与所述至少一个排气阀连通的转换阀；以及
控制所述转换阀以选择性地将加压空气引入到所述至少一个排气阀，并选择性地在所述打开位置和闭合位置之间偏置所述阀构件，以在截断循环操作中操作所述排气阀，以便从所述至少一个喷嘴提供多个排气冲击或脉冲空气冲击来清洁表面。
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