KR20210040099A - 액티브 플로우 제어 액추에이터들을 사용한 기상 환경 및 동작 컨디션들로 인한 투과 표면을 통한 무선 및 광 신호 투과 손실의 방지 - Google Patents

액티브 플로우 제어 액추에이터들을 사용한 기상 환경 및 동작 컨디션들로 인한 투과 표면을 통한 무선 및 광 신호 투과 손실의 방지 Download PDF

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KR1020217005737A
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데이비드 메니코비치
앤서니 존 3세 미켈라우스카스
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액타시스 인코포레이티드
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Abstract

합성 제트 액추에이터들을 사용하여 다양한 기상 및 환경 컨디션들 하에서 최적의 성능을 유지하기 위하여 광학용 투과 표면들 및 센서 표면들을 세정하기 위한 시스템들 및 방법들. 액추에이터들은 환경 컨디션들에 따라 물 또는 공기의 제트를 방출할 수 있고 액추에이터의 파형, 주파수, 진폭은 표면들을 더 잘 세정하기 위하여 입자 특성들 및 투과 신호 품질에 기초하여 조정될 수 있다.

Description

액티브 플로우 제어 액추에이터들을 사용한 기상 환경 및 동작 컨디션들로 인한 투과 표면을 통한 무선 및 광 신호 투과 손실의 방지
관련 출원에 대한 상호-참조
본 출원은 2018년 7월 27일자로 출원된 미국 가특허출원 제62/711,037호의 우선권 및 이익을 주장하고, 그 전체 내용은 참조로 통합된다.
발명의 분야
본 발명은 일반적으로 환경 컨디션들로 인한 투과 표면을 통한 무선 및 광 투과 손실들을 방지하기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이고, 특히 하나 이상의 액추에이터들을 사용하여 공기 및/또는 액체의 제트들을 생성하여 표면을 세정하고 투과 표면 상에 축적되었을 수도 있는 임의의 입자들 및 환경 오염물들을 제거하는 것에 관한 것이다.
최근 수십 년간, 인간 활동을 증대시키도록 의도된 무수한 애플리케이션들에서 광 및 무선 파들을 사용하는, 즉, 다양한 타입들의 센서들을 사용하여 차량들 주위의 물체들을 센싱하고, 광발전 패널들을 사용하여 태양광 에너지를 수확하고, 넓은 주변 커튼 벽들을 사용하여 계속 빌딩 플로어들을 자연스럽게 비추는데 있어서 상당한 발전들이 있었다. 그러한 애플리케이션들의 경우, 통상적으로 (광 또는 레이더가 수신 또는 송신되는) 외부 환경 컨디션들과 신호 및 무선 수신 또는 송신에 관련된 활동이 발생하는 내부 공간 또는 볼륨 사이에 개재하는 표면이 있다.
그 표면은 보통 투명 또는 반투명이고 유리, 폴리카보네이트, 플라스틱 또는 다른 재료로 제조된다. 대부분의 경우들에서, 그 표면은 외부 환경으로부터의 보호 층으로서 의도된다. 일부 경우들에서, 그 표면은 집중, 반사 등과 같은 신호 수신 및/또는 송신의 역할을 한다.
이들 애플리케이션들에서의 주요 관심사는 표면을 통한 다양한 기상 컨디션들 하의 신호 투과를 유지하는 것이다. 표면의 외부 부분을 가로질러 먼지, 눈 및 얼음으로부터의 입자 축적 및 오염은 광 및 레이더 신호들이 그 표면을 통과하는 능력을 상당히 감소시킬 수 있다. 또한, 강수 동안 표면을 가로지른 수막의 형성은 신호를 악화시킬 수 있어, 그 신호는 더 이상 신뢰할 수 없고 그 신호가 반송하는 데이터는 차량 안전을 보장하기 위해 물체 검출과 같은 비전 센서가 맡게 되는 필수 기능들을 수행하는데 더 이상 충분하지 않다.
깨끗한 표면들의 유지가 중요한 하나의 산업은, 자동차를 제어하여 안전하게 내비게이팅하기 위하여 (인간 또는 디바이스들/센서들 중 어느 하나에 의해) 물체들을 검출하는 것이 중요한 자동차 산업이다. 자동차 레이더 센서들은 1980년대에 크루즈 제어 시스템들에서의 사용을 위해 처음 채용되었다. 자동차 레이더 센서들의 사용은 최근에 차량 안전, 효율, 및 경제성을 개선시키기 위하여 AICC (Autonomous Intelligent Cruise Control) 및 CM (Collision Mitigation) 시스템들로 확산되어, 마이크로- 및 밀리미터-파 레이더들을 포함한, 자동차들용의 다양한 타입들의 센서들의 개발을 초래하였다.
밀리미터-파 레이더 센서들과 유사하게, LiDAR 와 같은 적외선 기반 센서들이 환경 인식을 위해, 특히 요구된 성능 및 실현가능성을 고려하는 것에 의한 적응형 크루즈 제어 (Adaptive Cruise Control; ACC) 시스템을 위해 또한 채용되었다. 적외선 기반 및 밀리미터-파 레이더 센서들 양자 모두는 차량 앞의 타겟들에 대한 범위, 속도 및 각도 정보를 제공한다. 이는 프로젝팅된 차량 경로와 검출된 장애물 포지션들을 상관시키기 위해 차량 동역학 데이터와 함께 사용된다. 결과의 데이터는 차량 스로틀, 브레이크들, 스티어링 및 차량 트랜스미션을 제어하는데 사용된다. ACC 시스템들은 2 개의 차량들 간에 일정한 거리를 유지하기 위하여, 차량의 속도를 앞차의 속도에 따라 적응시킨다. 운전자는 원하는 최대 속도 및 최소 이격 (separation) 을 설정한다. 양자의 센서 시스템들은 주행 차선의 트래픽 컨디션들을 예상하기 위해, 전방의 도로에서 다중 타겟들을 로케이트 및 추적하는데 또한 사용될 수 있다. 현재, 밀리미터-파 및 적외선 기반 센서들의 ACC 시스템 애플리케이션은 안전 옵션이 아닌 편안 및 편의 옵션으로서 마케팅된다. 자동차들에서의 그의 사용과 연관된 안전 위험이 여전히 존재한다. 레이더 및 LiDAR 센서들이 ACC 시스템에 미치는 결정적 영향으로 인해, 개발, 제조, 및 설치의 다양한 스테이지들에서 시스템의 정확한 검증 및 교정을 수행하는 것이 중요하다.
새로운 세대의 시스템들은 도시 주행 또는 교통 정체 (stop-and-go traffic), 사전 충돌 센싱, 충돌 경고 및 회피 시스템들 (collision warning and avoidance systems; CWAS) 로 ACC 시스템을 확장하기 위해 다중 센서들을 이용한다. 이들은 통상적으로 단거리 애플리케이션들이며 적외선, 비전, 초음파, 및 마이크로-파 레이더를 포함한 다양한 센서 타입들이 사용될 수 있다. 고속도로 ACC 시스템을 넘어서는 대부분의 애플리케이션들의 경우, 다중 센서 시스템들은 장거리 ACC LiDAR 또는 밀리미터-파 레이더 센서들과 함께 사용되어야 한다. 기술들의 조합은 하이-레벨 환경 인식을 달성하고 자율 주행의 목표를 앞당기는 열쇠이다.
이들 미래의 안전 지향 애플리케이션들의 대부분은 임의의 교통 및 기상 시나리오에서 환경 인식 센서들의 더 큰 성능 및 신뢰성에 대한 요구들을 증가시키는 것과 연관된다.
불행히도, 악천후 컨디션들은 CWAS 를 위해 요구되는 대부분의 센서들의 성공적인 동작에 도전과제를 제공한다. 악천후 컨디션들 하에서, CWAS 에 의해 송신 및 수신된 전자기파는 센서의 표면 또는 그 보호 커버링 상에 쌓이는 물질들 및 대기수상체 (hydrometeors) (대기 중의 고체 또는 액체 형태의 물의 입자들) 와 상호작용한다. 대기수상체의 예들은 박무, 비, 진눈깨비, 우박, 눈, 헤일 및 안개를 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다. 센서의 표면 또는 그 보호 커버링 상의 예시적인 예상된 물질들은 물 입자들의 응축, 충돌 및 부착을 통해 형성될 수도 있는, 마른 눈 및 수막들은 물론 모래 및 오물을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.
상이한 형태들의 물 입자들 (박무, 비, 진눈깨비, 우박, 눈, 헤일 및 안개) 은 적외선 및 밀리미터-파 전파에 동일하지 않게 영향을 미친다. 그 이유는 물 입자들의 흡수 및 전산란 단면적들이 입자 사이즈와 파장 사이의 관계 뿐만 아니라 입자 밀도 및 범위에 의존하기 때문이다.
이들 물 입자들의 거의 모든 사이즈들은 적외선 파장들보다 크다. 그들은 그 결과 적외선 및 가시광 범위에서 최대 산란 단면적들을 산출할 수도 있다. 이는 특히 폭우 및 안개 방울들 같은 밀도가 높은 물 입자들에서, 매우 큰 감쇠 및 후방산란된 신호를 초래한다. 이는 최대 검출 범위를 비슷한 인간 눈의 것으로 제한하는 것 뿐만 아니라 프로세스들을 증가시키는 것에 의해 LiDAR 센서의 성능을 저하시키고, 물 입자들로 인한 관련없는 검출들을 걸러내기 위해 적지 않은 양의 메모리 및 컴퓨테이션 스루풋을 점유한다.
밀리미터-파 범위에서, 4 mm 보다 큰 강우 강도들을 갖는 빗방울들만이 최대 흡수 및 전산란 단면적들을 얻을 수 있다. 이는 강한 비 감쇠 및 후방산란을 도입할 수 있다. 눈 및 헤일의 영향들은 그들의 물 함량이 상당히 달라지기 때문에 정확히 평가하기가 어렵다. 일반적으로, 얼음은 동일 질량의 물보다 훨씬 더 손실이 적고, 마른 눈의 밀리미터-파 감쇠는 따라서 무시해도 될 정도이다. 그러나, 눈이 젖어있으면, 감쇠는 상당히 증가하지만 통상적으로 보통의 비보다 적을 것으로 예상된다.
안테나 또는 그 레이돔 (즉, 렌즈들, 안테나들, 또는 커버들) 의 표면 상의 수막의 경우에 있어서, 특히 밀리미터 파들의 경우, 안테나 렌즈 또는 레이돔의 표면 상의 수분의 정도가 적을수록 파 전파에 악영향을 미치고 밀리미터-파 레이더 동작의 중단을 도입할 수 있다.
LiDAR 렌즈 상의 마른 눈, 모래 및 오물 같은 먼지 물질들은 또한 감쇠 및 회절 현상으로 인해 측정 감도를 손상시킬 수도 있다.
또한, 투과 표면이 백업 카메라가 운전자에게 주변상황을 보여주도록 허용하는 경우에 있어서, 입자들로 너무 차단되는 표면은 카메라가 오작동하게 하여 경고를 트리거링하고 차량을 강제로 정지시킬 수 있다. 차량이 도시 지역들에서와 같이 저속으로 주행하다가 비에 노출되면, 카메라들 뿐만 아니라 다른 센서들은 물을 쓸어내기 위해 차량 모션으로 인한 기류에 의존할 수 없다.
종래 기술에는 이들 표면들 상의 입자 축적을 제거하기 위한 기법들이 존재하지만, 그것들은 모두 한계들이 있다. 예를 들어, 열적 수단에 의한 (즉, 가열기의 사용에 의한) 눈의 제거는 일반적으로 투과 표면 재료의 투과 특성, 그 수명, 세정 시스템 비용, 차량 에너지 소비 프로파일, 및 심지어 승객 안전에 영향을 미칠 수도 있다. 표면을 처리하여 비습윤 (non-wetting) 또는 발수성으로 만듦으로써 수막의 존재로 인한 신호 손실이 상당히 감소될 수도 있다. 이 방법은 마이크로파 공항 감시 레이더 및 위성 통신용 지상 레이더들에 적용될 때 긍정적인 결과들을 보였다. 그러나, 이 방법은 밀리미터-파 레이더를 사용하는 자동차 애플리케이션과 같은 애플리케이션에 적용될 때 단점들을 갖는다. 그러한 환경에서, 빗물은 차량이 작동중일 때 가해진 공기력으로 인해 균일한 막을 형성할 것으로 예상되지 않을 수도 있지만, 좁은 리불렛들 (rivulets) 에서 안테나 및 레이돔 표면들을 빠르게 흘러넘치는 많은 작은 스트릭 (streak) 들을 형성한다. 또한, 얼어붙은 눈 및 진눈깨비는 안테나 또는 레이돔 상에 습한 및/또는 얼룩진 표면을 용이하게 야기할 수도 있다. 그러한 환경 컨디션들 하에서, 발수제 (water repellant) 의 적용 또는 비습윤 표면들의 사용은 그들이 입자들을 효과적으로 제거하지 않고, 높은 마모 (wear and tear) 및 발수제의 경우, 시간 제한된 처리 주기를 갖기 때문에 표면을 불충분하게 세정한다. 추가적으로, 에이징 (aging) 및 더스팅 (dusting) 이 상당한, 차량의 전방 그릴 영역에의 자동차 레이더 센서들의 종래의 배치는, 그러한 발수 재료들에 영향을 준다.
이론 및 실험 연구들에 따르면, 적은 양의 습기 (wetness) 가 밀리미터-파 레이더 센서들의 상당한 성능 저하를 야기할 수 있다. 따라서, 이들 센서들의 표면을 습기가 없게 유지할 필요가 있다.
깨끗한 표면들의 유지가 가장 중요한 다른 산업은, 광발전 태양광 패널들의 어레이 상의 표면들이 전기를 효율적으로 생성하기 위하여 깨끗한 상태를 유지해야 하는 태양광 전기 산업이다. 그러나 태양광 에너지 시설들은, 태양열 설비들의 효율을 상당히 저하시킬 수 있는, 바닷물 얼룩, 나뭇잎, 모래, 새 배설물, 및 먼지의 퇴적과 같은, 현장에서 흔히 간과되는 편재하는 실체들에 영향을 받기 쉽다. 최근 연구는 광발전 (PV) 모듈들의 오염 (soiling) 이 야기될 때 성능 손실이 얼마나 큰지를 보여준다. (https://renewablesnow.com/news/dust-pollution-buildup-can-cut-pv-output-by-up-to-35-study-573691/ 참조.) 오염은 태양 복사가 태양광 전지들에 도달하는 것을 방지하는 PV 모듈의 표면 상의 오물, 눈, 및 다른 이물질을 포함한다. 오물 축적은 로케이션과 기상 의존적이다.
태양광 모듈들의 동작 수명 동안의 오염은 그들의 전력 생산의 손실을 야기한다. 오물의 축적은, PV 시스템들 효율을 감소시키는 팩터들이 매력적이지 않거나 또는 경제적으로 실현가능하지 않은 대안의 에너지원으로 만들 수 있기 때문에 매우 중요하다.
로컬 현실에 따라, 오염으로 인한 PV 의 전력 생산의 손실은 5.2 내지 17% 의 범위이다. 극단적인 경우들에서, 더 높은 값들이 발생할 수도 있다 (25%). 태양광 모듈들의 정기적인 세정이 따라서 필수적이다. 적절한 표면 세정이 없으면, 태양광 발전소의 성능 및 소유자의 이익은 장기적으로 15-17% 까지 떨어질 수 있다.
세정하는 비가 희박한, 극도로 그리고 매우 건조한, 모래로 뒤덮인 기후에서, PV 패널들을 세정하지 못하면 훨씬 더 큰 손실을 야기할 수 있다. 태양광 시설 소유자 또는 오퍼레이터는 와이어 저항, 또는 인버터 효율과 같은, 어떠한 구성 특징들도 더 이상 변경할 수 없다. 다시 말해서, PV 패널들을 세정하는 수단으로서의 비에 대한 의존은 효율의 심각한 손실을 야기한다.
따라서, 태양광 전지들 상의 표면들을 깨끗하게 유지할 필요가 있다. PV 패널들의 세척을 위한 고압수 또는 스팀 세정 기술들의 사용은 패널들의 외부 층에 대한 손상을 회피하기 위하여 금지된다. 비가 반드시 100% 세정 효과를 제공하는 것은 아니고 비 및 패널 각도들에 따라, 패널의 일부 부분은 완전히 세정되지 않을 수도 있기 때문에, PV 패널들을 효과적으로 세정하기 위해 비에 의존할 수 없다. 추가적으로, PV 패널을 세정할 적절한 시기에 항상 비가 내리는 것은 아닐 수도 있다.
투과 표면을 통한 투과율 (transmissibility) 에 영향을 미치는 투과 표면에서의 동적 컨디션들 (즉, 간섭들의 타입들) 에 적응할 수 있는 적응형 시스템에 대한 요구도 존재한다.
액티브 플로우 제어 액추에이터들 (예컨대 합성 제트들, 플라즈마 제트들, 및 다른 타입들) 은 일 주파수 또는 주파수-범위에서 불안정한 공기 제트를 생성한다. 불안정한 제트들은 열 전달, 혼합, 및 스프레이 제어와 같은 공기 수송 애플리케이션들에서, 압축된 공기 액추에이터들, 팬들, 블로어들 및 다른 안정된 형태들의 공기 공급기에 비해, 소용돌이들 및 다른 플로우 패턴들로 구성된, 훨씬 더 효율적인 구조를 갖는 것으로 보여져 왔다. (http://www.cds.caltech.edu/~murray/courses/cds101/fa04/caltech/collis-etal-pas-2004.pdf 참조.)
통상적으로, 그러한 액추에이터들은 블러프 바디형 형상 (bluff body-like shape) (에어포일, 날개, 풍력 터빈 블레이드, 차량 스포일러, 빌딩 난간 등) 주위의 기류를 개선하는 수단으로서 사용되고 독립형 디바이스로서 사용되지 않는다. 둘째, 지금까지 이들의 사용은 에어-본 (air-born) 현상을 다루기 위하여 공기를 편항시키는데 사용되었다. 액추에이터들의 보다 상세한 논의는 미국 특허 제9,567,017호에서 확인될 수 있으며, 그 전체 내용은 본 명세서에 참조로 통합된다.
공기 또는 액체의 제트들을 생성하기 위한 액추에이터들 중 하나 또는 어레이의 사용을 통해 표면들을 세정하기 위한 시스템들 및 방법들이 제공된다.
실시형태들에서, 액추에이터들은 투과 표면으로부터 직접 입자들을 제거하는 로컬 공기 제트를 생성한다. 액추에이터들이 이동 차량들에 사용되는 실시형태들에서, 로컬 공기 제트는 차량의 모션의 결과로서 투과 표면을 가로질러 통과하는 기류와 상호작용한다. 그 결과, 고속도로 속도에서, 액추에이터 공기 제트와 인입 기류 사이의 시너지는, 투과 표면이 액추에이터 공기 제트 또는 인입 기류에만 노출될 경우에 비해 세정 성능을 더욱 개선한다.
본 발명은 액추에이터들을 사용하는 신규한 방식들을 제시한다. 본 발명의 실시형태들에 따르면, 액추에이터들은, (1) 투과 표면을 통한 광학 성능을 개선하기 위해 물 또는 다른 입자들을 제거하는데 사용되고; (2) 제어 피드백 루프의 부분으로서 또는 기계적으로 비전 센서들과 통합되거나 또는 그에 부착되고; 그리고 (3) 그들의 온도, 및 릴리즈 각도를 제어하는 수단과 결합된다.
실시형태들에서, 액추에이터 전력 진폭, 파형 및 주파수는 강수, 수성 (water-based) 및 먼지 타입 입자들과 같은 환경 팩터들 및 투과 표면에 야기된 간섭에 의해 알려진다. 바람직한 실시형태에서, 차량 또는 비전 센서가 투과 표면을 통한 투과 품질을 불충분한 것으로 식별한 경우, 어느 한쪽은 송신 신호 품질이 미리결정된 임계치보다 높게 증가할 때까지 투과 표면을 세정하기 위해 세정 시스템을 활성화할 것이다.
본 발명의 예시적인 실시형태에서, 시스템은, 하나 이상의 표면들을 세정하고 입자들 및 환경 오염물들을 제거하여 그들의 광 및 에너지 투과 특성들이 다양한 환경 컨디션들 하에서 유지되도록 하기 위하여 공기의 하나 이상의 제트들을 생성함으로써 차량의 부분인 하나 이상의 표면들을 세정하기 위해 제공된 적어도 하나의 액추에이터를 포함한다.
일 실시형태에서, 시스템은 하나의 액추에이터로 구성된다. 다른 실시형태에서, 액추에이터들의 어레이가 사용된다. 액추에이터들의 어레이가 사용되는 실시형태들에서, 액추에이터들은 전압, 액추에이션 주파수와 같은 동일한 입력들로 동작되거나, 또는 각각의 액추에이터가 차량 상의 그 로케이션, 세정을 맡게 되는 비전 센서의 요건들, 제거하도록 요구되는 입자들의 타입 및 로컬 기류 컨디션들에 기초한 상이한 입력들을 수신하도록 서로 별도로 동작될 수 있다. 예를 들어, 시스템이 적어도 하나의 루프 장착 LiDAR 및 후방 차량 범퍼에 장착된 적어도 하나의 후방 카메라로 구성되면, 각각의 액추에이터는 루프와 후방 범퍼 사이의 기류 컨디션들의 차이로 인해 이동 중일 때 상이한 입력들을 수신하고 정지해 있을 때는 동일한 입력을 수신할 것이다.
실시형태들에서, 액추에이터들은 합성 제트 액추에이터들 또는 다른 액티브 플로우 제어 액추에이터들을 포함할 수도 있다. 액추에이터들은 표면들을 세정하기 위해 공기 제트들을 전달하는 독립형 액추에이터들일 수도 있다. 다른 실시형태들에서, 액추에이터들은 물일 수도 있는 액체, 또는 더 추운 기후에서의 사용을 위해 바람직하게는 결빙 온도가 예상된 외기 컨디션들보다 낮은 액체와 결합되어, 가압된 공기 및 액체를 제공할 수도 있다. 실시형태들에서, 액추에이터 또는 액추에이터들은 제빙 (de-icing) 과 같은 애플리케이션들 위해 공기 및/또는 액체 온도를 변화시키기 위해 가열 및 냉각 엘리먼트들과 결합하여 사용된다.
실시형태들에서, 액추에이터는 광학 표면 상에 놓인 액적들을 효과적으로 제거하는 소용돌이 구조를 갖는 공기 제트를 생성하도록 동작된다. 수행된 실험들은 액추에이션 주파수와 액적 사이즈 간에 관계가 있음, 즉 상이한 액적 사이즈들이 연관된 액추에이션 주파수들로 더 효과적으로 제거될 수 있음을 입증하였다. 다시 말해서, 소정의 주파수에서의 공기 제트는 상이한 주파수에서의 더 강한 공기 제트에 비해 액적들을 제거하는데 있어서 더 효과적일 수도 있다.
바람직한 실시형태에서, 다중 환경 컨디션들을 다루기 위하여, 센서 세정 시스템은 표준 앞유리 와이퍼 시스템과 유사한 방식으로 기류 및 물 스프레이를 결합하고, 마이크로유체 노즐은 앞유리에 물을 스프레이하여 진흙 및 먼지와 같은 매질을 부드럽게 하는 한편 와이퍼들은 기계적으로 임의의 잔류물을 제거할 뿐만 아니라 물 스프레이로부터 앞유리를 건조시킨다. 유사하게, 센서 세정 시스템은 공기 제트와 물 스프레이, 뿐만 아니라 그 둘 간을 효과적으로 동기화하는 능력을 결합한다. 이 효율은 합성 제트 액추에이터가 이들 "건식" 및 "습식" 모드들 양자 모두를 생성하는데 사용되는 방식으로 인한 것이다. 합성 제트 액추에이터는 세정될 광학 표면 바로 옆에 로케이트된, 일체형의, 펌프, 압력 레귤레이터 및 노즐로서 작용한다. 표면 부근은 중력으로 또는 저압으로 액추에이터에 물을 제공하는 로컬 소형 물 저장소를 사용하여 물 공급이 가능하다. 물은 액추에이터에 공급된다 (캐비티, 어댑터로, 광학 표면 바로 위에 또는 노즐로부터 소정 거리를 두고 릴리즈됨). 합성 제트 액추에이터는 "건식" 및 "습식" 모드들 간에 스위칭한다. 공기 제트가 계속적으로 분사되는 동안, 액추에이터로의 물 공급을 제한하는 것에 의해 스위치가 인에이블된다. 이는 물 컨테이너의 밸브를 제어함으로써 수행된다. "습식" 모드로 스위칭할 경우, 밸브는 개방되어 물이 컨테이너로부터 릴리즈되고 공기 제트에 의해 스프레이된다. 효과적으로 스프레이하는 것은 물이 공기 제트에 의해 분사되게 되는 (합성 제트 액추에이터 노즐로부터의) 거리, 파형 및 액추에이션 주파수와 같은 여러 파라미터들에 의존한다.
추가 실험들은 파형 (사인, 사다리꼴, 사각형), 변조 주파수, 듀티 사이클 등과 같은 신호 컨디셔닝 파라미터들이, 합성 제트 액추에이터가 얼마나 잘 표면을 세정하는지에 영향을 준다는 것을 밝혀냈다. 예를 들어, 급격한 상승 슬로프를 갖는 사다리꼴 파형을 사용하는 것은, 액추에이터 노즐 부근의 작은 액적들을 짧은 거리 및 시간 주기에 걸쳐 더 큰 액적들로 합체하는 것을 돕는 강한 공기 폭발 (burst of air) 을 제공한다. 합체 (coalescence) 는 액적들을 제거하는 열쇠이다. 이는 광학 표면을 가로질러 더 큰 액적들을 수송하는 것이 더 작은 액적들을 제거하는 것에 비해 더 용이하기 때문에 세정 성능에 유익하다.
본 발명의 하나의 양태는 투과 표면 상의 입자를 여기시키는 공기 제트 구조들의 타입에 영향을 미치기 위해 액추에이션 주파수를 변조한다. 이들 구조들은 입자 및 투과 표면과 상호작용하고 그들을 진동하게 한다. 물방울과 같은 입자들이 그들의 구조, 밀도, 콘택 각도 등에 기초하여 다양한 주파수들에서 공기 제트 구조들에 의해 여기된다는 것이 밝혀졌다.
50-1500 Hz 의 범위의 액추에이션 주파수들은 차량 스프레이 스플래시 (0.01 mm 또는 파인) 내지 앞유리에 부딪치는 폭우 (4 mm 또는 코어스) 의 범위의 액적들의 사이즈들을 나타내는 0.01 mm 와 4 mm 사이의 액적 직경 사이즈들과 상이하게 상호작용하는 것으로 나타났다. 예를 들어, 1040 Hz 에서의 공기 제트들은 360 Hz 에서의 공기 제트에 비해 4 mm 액적들을 더 잘 제거한다 (양자 모두 동일한 액추에이터, 파형, 및 전압을 사용하여 동작함). 0.01 mm (파인) 액적들을 제거하기 위해, 360 Hz 공기 제트는, 1040 Hz 공기 제트가, 더 큰 속도를 갖는다는 점에서 더 강하다는 사실에도 불구하고 1040 Hz 의 공기 제트를 능가한다.
또한, 펄스 파 변조 (PWM) 신호 (캐리어 f=360 Hz 변조 f=30 Hz, 50% 듀티 사이클) 와 순수 사인 파형 (f=360 Hz) 을 비교할 때 전자가 후자의 전력의 절반을 소비한다는 사실에도 불구하고 유사한 액적 제거 성능이 달성된다는 것이 추가로 밝혀졌다. 공기 제트의 보다 갑작스런 펄스는 공기 제트와 투과 표면 사이의 콘택 포인트 바로 옆에서 발견된 액적들 간의 합체를 촉진하는 경향이 있다는 것이 밝혀졌다. 일단 액적들이 합체되고 사이즈가 커지면, 투과 표면을 가로질러 더 큰 거리에 걸쳐 그들을 더 빠르게 수송하기가 더 용이하다.
실시형태들에서, 시스템은 적어도 전력 공급 유닛, 제어 유닛, 액추에이션 유닛, 물 공급 유닛, 소프트웨어 및 패키징을 포함한다. 실시형태들에서, 액추에이션 유닛은 공기 제트 온도를 제어하기 위한 가열 및 냉각 엘리먼트들, 액추에이터, 어댑터를 포함한다. 실시형태들에서, 물 공급 유닛은, 컨테이너, 어댑터, 액추에이터, 그 부근으로 또는 투과 표면 또는 그 부근에 물을 공급하기 위한 도관 (conduit) 을 포함한다.
실시형태들에서, 액추에이션 유닛은 독립형 유닛으로서 패키징된다. 액추에이션 유닛이 자동차 상의 비전 센서와 관련하여 사용되는 실시형태에서, 액추에이션 유닛은 차량 상의 자동차 부분에 통합되거나 또는 그 패키징의 부분으로서 비전 센서에 통합될 수 있다.
실시형태들에서, 본 시스템의 액추에이터들은 차량 또는 센서 인클로저들에 장착되어 다음의 표면들 중 하나 이상을 깨끗하게 유지한다: (1) 커버 비전 및 포지션 센서들 (예컨대, 레이더, LiDAR, 카메라들 등) 및 (2) 차량 (예컨대, 지상, 해상, 및 공중 차량들) 에 장착된 액추에이터들을 사용한 비전 지원 디바이스들 (예컨대 거울들 및 앞유리들). 바람직한 실시형태에서, 센서들은 세정 시스템에 경고하여 동작을 시작 또는 중지할 것을 명령하는 비전 센서 진단 코드들 또는 디바이스들의 사용을 통해 동적으로 제어된다. 다른 실시형태에서, 액추에이터들은 차량 전자 제어 유닛 (ECU) 에 의해 제어된다. ECU 는 센서 세정 성능에 전용되거나 또는 다른 차량 활동에 전용될 수 있다.
차량 외에, 당업자는 액추에이터로 세정될 수 있는 표면이 디바이스에 대한 광 및 에너지 투과 특성들을 유지하기 위하여 세정을 요구하는 임의의 표면일 수 있음을 인정할 것이다. 예를 들어, 표면은 태양광 어레이에서의 PV 전지의 표면일 수도 있다.
세정될 표면은 다양한 정도의 투명도를 가질 수도 있고, 유리, 폴리카보네이트 등과 같은 다양한 재료들로 제조될 수도 있다. 표면은 환경 컨디션들로부터 디바이스를 보호하기 위한 커버와 같은 상이한 목적들을 제공하거나, 집중, 반사 등과 같은 광학적 특징들을 부가하거나, 또는 미적 또는 스타일링 목적들을 위해 기능할 수도 있다.
세정되는 표면이 차량의 부분인 실시형태들에서, 그 표면은 차량의 외부의 부분 또는 차량에 추가되는 표면일 수도 있다. 디바이스의 부분으로서, 표면은 LiDAR 렌즈, 카메라 렌즈, 레이더 안테나 렌즈, LiDAR 레이돔, 레이더 레이돔, 디바이스 인케이스먼트 또는 디바이스의 광학 성능에 영향을 주는 임의의 컴포넌트일 수도 있다. 표면은 또한 이동 플랫폼의 물체 및 환경 컨디션들 검출 및 인식, 맵핑, 지오로케이션, 및 내비게이션을 위해 기능하는 디바이스의 표면일 수도 있다. 디바이스는 센서, 예컨대, 레이더, LiDAR, 카메라 또는 감각 입력 또는 출력으로서 광, 무선 및 전자기 파들을 사용하거나 또는 안테나 렌즈와 같은 그 성능의 부분으로서 광학에 의존하는 임의의 다른 디바이스일 수도 있다.
실시형태들에서, 시스템은 물체들을 식별하고 안전하게 주행하는데 충분한 해상도에서 이미지 선명도를 막는 비, 결빙, 염분, 눈 축적 등 동안의 액적 축적과 같은 여러 이슈들을 겪게 되는 카메라 (즉, 전방, 백업 등) 의 투과 표면을 세정하는데 사용된다.
실시형태들에서, 시스템은 플랫폼의 전력 공급부 (배터리) 에 의해 또는 보조 전력 공급 유닛을 통해 전기적으로 전력공급된다.
실시형태들에서, 시스템은 프로그램을 사용하여 전자적으로 다양한 시스템 부분들에 명령하는 제어기에 의해 제어된다. 프로그램은 시스템에 의해, 시스템 외부적으로, 또는 양자의 조합으로 제공된 입력들을 사용한다. 제어기는 원하는 성능을 달성하기 위하여 시스템, 차량, 사용자 선호도, 및 환경 컨디션들에 기초하여 시스템의 성능을 적응시킨다. 시스템에 대한 입력들은 풍속 및 방향, 차량 속도, 센서 감도 및 액적 사이즈를 포함한다. 제어기는 시스템 진단 데이터 및 시스템 입력 및 출력 데이터를 무선으로 레코딩 및 브로드캐스트한다.
실시형태들에서, 제어기는 (루프 전면, 루프 측면, 전방 범퍼 및 후방 범퍼와 같은) 차량을 가로지른 상이한 로케이션들에서 다중 비전 센서 타입들 (예컨대 LIDAR, 레이더, 및 카메라들) 의 세정에 전용된 다중 액추에이터들에 커맨드들을 제공한다. 각각의 센서 전용 액추에이션 유닛은, (비, 진흙, 슬러시와 같은) 상이한 입자들, 공기역학 컨디션들 및 성능 요건들에 노출되기 때문에 비전 센서 요건들을 다루기 위하여 (액추에이션 주파수, 파형, 진폭 및 타이밍과 같은) 다른 커맨드들을 요구한다.
제어기는 ECU, 비전 센서 관련 디바이스들 등에 기초하여 각각의 액추에이터에 상이한 커맨드들을 제공한다. 다른 실시형태에서, 제어기는 이들 커맨드들을 생성하기 위해 시스템 프로그램에 의존한다. 이 실시형태에서, 제어기는 차량 및 센서들로부터 데이터를 수신하여 차량, 환경, 및 비전 센싱 입력들에 기초하여 세정 요건들을 확립한다. 제어기는 또한 차량 로케이션의 지오펜싱 및 지리공간 법적 요건들에 기초한 커맨드들을 제공한다. 그러한 요건들은 적용가능한 운전법들에 기초하여 물체 검출 범위 및 품질, 차량 속도, 가시성 및 다른 파라미터들의 타입을 지시한다.
제어기는 물 공급 유닛에 입력을 제공하고, 액추에이터는 소정의 밀도 및 확산의 물 스프레이를 생성하고 투과 표면으로부터 입자들을 효과적으로 및 물-효율적으로 제거하기 위하여 공기 제트와 제공된 물의 양을 동기화한다. 실시형태들에서, 제어기는 입자 밀도 (예컨대, 얼음, 슬러시, 눈), 주위 온도 및 타겟 디프리징 시간에 기초하여 공기 제트의 온도를 제어하기 위해 액추에이터, 어댑터, 또는 패키징에 통합된 가열 엘리먼트들에 데이터를 제공한다. 다른 실시형태에서, 제어기는 사전프로그래밍된 룩업 테이블에 따라 동작된다. 센서 세정 시스템은 광학 표면의 세정 성능을 최적화하기 위해 환경 및 액추에이션 파라미터들 간의 이들 관계들을 커플링한다. 실시간 입력 또는 프로그래밍된 룩업 테이블에 기초하여, 제어기 및 소프트웨어는 광학 관련 입력들 (예컨대 투과 표면을 통한 투과율) 에 더하여 강수 컨디션들 (예컨대 액적 사이즈), 주행 컨디션들 (예컨대 차량 속도), 옆바람 및 다른 환경 파라미터들에 응답하여 주파수, 진폭, 파형 등과 같은 액추에이션 특성들을 수정한다.
실시형태들에서, 센서 세정 시스템은 차량 장착 비전 센서들을 위한 인에이블러로서 기능한다. 이와 같이, 바람직한 실시형태에서, 센서 세정 시스템은 비전 센서의 패키징 내에 통합되어, 비전 센서로부터 커맨드들을 수신한다.
실시형태들에서, 제어기는 프로그램 설정들을 변경할 수 있는 사용자 인터페이스를 포함한다.
하나의 실시형태에서, 차량 비전 센서의 표면을 세정하기 위한 시스템은, 차량에 장착되고, 차량 비전 센서로 유체 제트를 향하게 하도록 구성된 적어도 하나의 액추에이터를 갖는 센서 세정 유닛, 차량에 장착되고, 차량에 근접한 환경 센서 데이터를 캡처하도록 구성된 적어도 하나의 환경 센서를 갖는 센서 세정 유닛 센서, 센서 세정 유닛 센서로부터 환경 센서 데이터를 수신하고 수신된 환경 데이터에 기초하여, 센서 세정 유닛의 적어도 하나의 액추에이터를 제어하기 위한 구동 주파수 및 구동 진폭 중 적어도 하나를 결정하도록 구성된 세정 전자 제어 유닛을 포함한다.
실시형태들에서, 환경 센서는 겉보기 풍속 및 풍향을 결정하도록 구성된 기류 센서 또는 강수 센서 중 적어도 하나를 포함한다. 실시형태들에서, 강수 센서는 강수 이벤트 동안 빗방울 사이즈들의 직경을 결정하도록 구성된다.
바람직한 실시형태에서, 세정 제어 유닛은 0.01 mm 의 빗방울 직경 사이즈들에 대한 360 Hz 내지 4 mm 의 빗방울 직경 사이즈들에 대한 1040 Hz 의 범위의 구동 주파수를 설정한다. 실시형태들에서의 액추에이터는 펄스 파 변조를 사용하여 동작하고 실시형태들에서 센서 세정 유닛에 연결된 수원 (water source) 을 포함하고, 여기서 세정 전자 제어 유닛은 수신된 환경 데이터에 기초하여, 센서 세정 유닛의 액추에이터에 사용하기 위한 수원으로부터의 물 또는 외기 중 하나를 선택하도록 추가로 구성된다.
실시형태에서, 차량 비전 센서의 표면을 세정하기 위한 시스템은, 차량에 장착되고, 차량 비전 센서로 유체 제트를 향하게 하도록 구성된 적어도 하나의 액추에이터를 갖는 센서 세정 유닛 및 차량 비전 센서 투과 표면을 통한 투과 신호의 방해의 양을 표시하는 비전 센서 투과 표면 방해 레벨 데이터를 차량 비전 센서로부터 수신하도록 구성된 세정 전자 제어 유닛을 포함하고, 여기서 세정 전자 제어 유닛은, 투과 신호의 방해의 양이 미리결정된 임계치를 초과하는 경우, 센서 세정 유닛의 적어도 하나의 액추에이터를 제어하기 위한 구동 주파수 및 구동 진폭 중 적어도 하나를 결정한다.
본 발명은 또한, 차량 비전 센서의 표면을 세정하기 위한 방법을 포함하고, 그 방법은: (1) 차량에 장착된 센서 세정 유닛 센서로부터 차량에 근접한 환경 센서 데이터를 캡처하는 단계; (2) 세정 전자 제어 유닛에 의해, 차량에 장착된 센서 세정 유닛의 적어도 하나의 액추에이터를 제어하기 위한 구동 주파수 및 구동 진폭 중 적어도 하나를 결정하는 단계; 및 (3) 차량 비전 센서의 표면을 세정하기 위해 센서 세정 유닛의 적어도 하나의 액추에이터에 의해 유체 제트를 생성하는 단계를 포함한다.
다른 실시형태들에서, 본 발명은 광발전 태양광 패널의 표면을 세정하기 위한 시스템을 포함하고, 그 시스템은, 광발전 태양광 패널의 주변 에지에 장착되고, 광발전 태양광 패널로 유체 제트를 향하게 하도록 구성된 적어도 하나의 액추에이터를 갖는 센서 세정 유닛; 광발전 태양광 패널과, 또는 세정 시스템과 연관된 에너지 저장 측정 디바이스와 연관된 제어 유닛으로부터 광발전 패널들의 방해를 표시하는 전기 생성 효율 데이터를 수신하도록 구성된 세정 전자 제어 유닛을 포함하고, 그 세정 전자 제어 유닛은, 생성 효율의 양이 미리결정된 임계치 아래로 내려가는 경우, 센서 세정 유닛의 적어도 하나의 액추에이터를 제어하기 위한 구동 주파수 및 구동 진폭 중 적어도 하나를 결정한다.
실시형태들에서, 액추에이터는 유체 제트의 온도를 제어하기 위하여 적어도 하나의 가열 엘리먼트를 포함한다. 액추에이터는 또한, 배수시설 (drainage) 및 사용하지 않을 때 오염물들이 액추에이터에 들어가는 것을 방지하기 위해 노즐을 개방 또는 차단하기 위한 전기 제어식 노즐 커버를 포함할 수도 있다.
실시형태들에서, 액추에이터에는, 유체 제트와 결합될 경우, 물 스프레이를 생성하는 물이 공급된다. 액추에이터는 차량 장착 비전 센서 주위를 360 도 감싸는 투과 표면으로부터 입자들을 제거하기 위하여 전동 플레이트 (motorized plate) 상에 또는 하에 장착될 수도 있다. 실시형태들에서 액추에이터는 또한 투과 표면의 둘레 주위를 회전할 때 유체 제트를 생성하고 회전하는 플레이트는 투과 표면에 들러붙은 입자들에 의한 비전 차단에 직면하는 투과 표면의 둘레를 가로지른 로케이션들에 유체 제트를 포지셔닝하기 위하여 비전 센서들, 세정 시스템 또는 차량 시스템 중 하나 이상과 연관된 전자 제어 유닛에 의해 제어된다.
실시형태들에서, 액추에이터는 비전 센서와 통합되고 유체 제트는 공기역학, 광학, 환경 또는 다른 이유들을 위해 비전 센서를 커버하기 위해 곡면으로서 형상화되는 투과 표면을 통해 채널링된다.
실시형태들에서, 센서 세정 유닛은 2 개의 유체 제트 노즐들을 포함하고, 여기서 하나의 물 노즐이 물의 릴리즈를 위해 2 개의 유체 제트 노즐들 사이에 로케이트되어, 유체 제트 노즐들로부터 분배된 유체 제트들이 물 노즐로부터의 물과 결합되어 물 스프레이를 생성하도록 구성된다. 실시형태들에서, 2 개의 유체 제트들은, 각각의 공기 제트가 교번 방식으로 상이한 시간에 최대 진폭에 도달하도록 상이한 전압 진폭으로 각각 동작된다.
실시형태들에서, 물이 물 노즐을 통해 릴리즈되는 플로우 레이트는 측방향 모션을 갖는 물 스프레이를 생성하기 위하여 2 개의 유체 제트들의 피크 전압 진폭과 동기화된다.
본 발명의 범위 내에서, 본 발명이 표면을 통한 최적의 투과율을 유지하기 위해 세정을 필요로 하는 임의의 표면 상에서의 사용을 위해 적용가능한 것으로 예상된다. 또한, 투과 표면은 지상, 해상, 공중 또는 외계 차량과 같은 이동 플랫폼 상에 있을 수도 있을 것으로 예상된다. 투과 표면은 몇가지만 예로 들자면, 보안 및 교통 안전 비전 센서들 (카메라들), 에너지 평가 및 모니터링 비전 센서들 (풍력 발전 지역 내의 LiDAR), 제조 프로세스들 최적화 및 품질 제어 (예컨대 비디오 분석을 위한 IR, 열 카메라들) 와 같은 정지식 플랫폼들일 수도 있다. 예를 들어, 차량들 및 PV 전지들에의 사용에 더하여, 본 발명은 또한, 지구 상, 우주 내 환경 모니터링을 위해, 그리고 달, 화성 및 다른 외계 탐험들을 위해 사용되는 센서 스테이션 같은 정지식 및 이동식 센서들에의 사용을 위해; 속도 카메라들, 출입국관리 비전 센서들, 보안 카메라들, 모니터링 및 비디오 분석을 위한 산업 프로세스에 사용되는 비전 센서들과 같은 정지식 센서를 위해; 수트 및 헬멧과 같은 웨어러블; 자동차 앞유리; 유지 및 접근성이 어려운 빌딩의 글레이즈드 표면들에서의 비전 센서들을 위해; 그리고 위성의 에너지 수확 표면들 (예컨대 PV 호일 (foil) 들 및 세일 (sail) 들) 을 위해 적용될 수도 있다.
본 발명의 이들 및 다른 특징들은 본 발명의 다양한 예시적인 실시형태들의 다음의 상세한 설명에서 설명되거나, 그로부터 명백하다.
본 발명의 특징들 및 이점들은 다음의 도면들과 함께 취해질 때 본 발명의 예시적인 실시형태들의 다음의 상세한 설명을 참조하여 더 충분히 이해될 것이며, 여기서:
도 1 은 자동차 비전 센서와 관련하여 사용되는 본 발명의 센서 세정 시스템의 실시형태를 예시하는 개략적 다이어그램이다.
도 2 는 본 발명의 센서 세정 시스템의 컴포넌트인, 센서 세정 유닛의 실시형태를 예시하는 개략적 다이어그램이다.
도 3a 는 본 발명의 실시형태에 따른 곡면을 갖는 비전 센서에 사용되는 센서 세정 유닛의 예시이다.
도 3b 는 본 발명의 실시형태에 따른 편평한 표면을 갖는 비전 센서에 사용되는 센서 세정 유닛의 예시이다.
도 4a, 도 4b, 도 4c 및 도 4d 는 본 발명의 실시형태들에 따른 편평한 표면을 갖는 비전 센서에 사용될 경우의 센서 세정 유닛의 다양한 공기 및 물 스프레이 구성들을 예시한다.
도 5a 및 도 5b 는 본 발명의 실시형태에 따른 자동차들과 관련하여 사용되는 센서 세정 유닛 및 비전 센서의 패키징 구성들을 예시한다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c 는 본 발명의 실시형태들에 따른 360 도 비전 센서에 사용될 경우의 센서 세정 유닛을 예시한다.
도 7 은 본 발명의 실시형태에 따른 이동 차량과 관련하여 사용되는 센서 세정 시스템 통합 구성들의 예시이다.
도 8 은 본 발명의 실시형태에 따른 이동 차량과 관련하여 사용되는 센서 세정 시스템의 동작의 개략적 예시이다.
도 9a, 도 9b, 도 9c, 도 9d, 도 9e 및 도 9f 는 본 발명의 실시형태들에 따른 액추에이터를 사용한 물방울 사이즈와 액추에이션 주파수 사이의 의존성을 예시한다.
도 10a, 도 10b, 도 10c, 도 10d 및 도 10e 는 본 발명의 실시형태들에 따른 액추에이터를 사용한 공기 제트들과 다양한 직경들의 물방울들 사이의 상호작용을 예시한다.
도 11 은 본 발명의 실시형태에 따른 광발전 패널과 관련하여 사용된 광발전 세정 시스템의 예시이다.
일반적인 관례에 따르면, 도면들의 다양한 피처들/엘리먼트들은 일정 비율로 그려지지 않을 수도 있음이 강조된다. 반면, 다양한 피처들/엘리먼트들의 치수들은 명료화를 위해 임의적으로 확장되거나 감소될 수도 있다.
처음에 도 1 을 참조하면, 본 발명의 센서 세정 시스템 (100) 의 실시형태를 예시하는 개략적 다이어그램이 도시된다. 센서 세정 시스템 (100) (SCS) 은 전자 전력 공급 유닛 (101) (EPSU), 세정 전자 제어 유닛 (102) (CECU), 및 센서 세정 유닛 (103) (SCU) 으로 구성된다. EPSU (101) 및 CECU (102) 는 비전 센서 (VS) (105) 의 투과 표면 (104) 을 세정하기 위하여 SCU (103) 에 각각 전력 및 신호를 제공한다.
예를 들어, SCS (100) 가 CECU (102) 로부터 투과 표면 (104) 의 세정을 시작할 필요성을 표시하는 입력을 수신하는 바람직한 실시형태에서, EPSU 는 SCU (103) 로 전송할 전력의 양을 조절한다. CECU (102) 는 차량 전자 제어 유닛 (VECU) (도시되지 않음) 또는 VS 전자 제어 유닛 (VSECU) (도시되지 않음) 으로부터 수신하는 입력에 따라 어떤 타입의 신호를 출력할지를 결정한다.
실시형태의 구현을 예시하기 위해, 하나의 예에서, 차량은 폭우 (약 4 mm 직경의 액적 사이즈) 동안 고속도로에서 50 mph 의 속도로 이동하고 있다. 차량의 경로에 장애물이 있는 경우 차량이 제동하는데 충분한 시간을 제공하기 위해, 루프 장착 LiDAR 은 소정의 시야를 가로질러 소정의 검출 거리를 유지한다. 시야, 검출 거리 및 일반적으로 물체들을 검출하는 능력이 (종종 검출되는 물체들 상의 더 적은 포인트들로 트랜슬레이트하는 신호 강도의 감소로 인해) 요구된 임계치 아래로 내려가는 경우, 전자 제어 유닛 (차량의, 비전 센서 또는 세정 시스템) 은 4 mm 액적들을 제거하는데 있어서 가장 효과적인 것으로 테스트 및 발견된 소정의 액추에이션 주파수에서 동작할 것을 액추에이터에 명령한다.
다른 예에서, 더 이상 폭우가 내리지 않을 수도 있지만, 투과 표면은 지나가는 차량들로부터의 스프레이 스플래시 (약 0.01 mm 액적 사이즈) 에 의해 커버될 수 있다. 이전의 강우 이벤트로부터의 액적 사이즈의 변화는 센서에 의해 검출되고 액추에이션 주파수를 더 효과적인 더 작은 액적들인 것으로 발견된 다른 주파수로 변경하라는 명령이 이슈된다.
SCU (103) 에 전력을 제공하기 위해, EPSU (101) 는 배터리 또는 제너레이터와 같은, 차량에 독립적인 전력원으로부터, 또는 차량 배터리로부터 (양자 모두 도시되지 않음) 전력을 수신할 수도 있다. SCU 에 데이터를 제공하기 위해, CECU 는 차량 전자 제어 유닛 (VECU) 또는 VS 전자 제어 유닛 (VSECU) 으로부터 데이터를 수신한다. EPSU 및 CECU 는 도 1 에 도시된 바와 같은 단일 SCU, 또는 동시에 SCU들의 어레이 (도시되지 않음) 를 동작할 수 있다.
도 2 는 SCU (103) 에서 확인된 바와 같은, 센서 세정 유닛을 포함하는 서브시스템들에 대한 상세를 제공한다. SCU 는 EPSU (240) 로부터 전력을, 그리고 CECU (250) 로부터 데이터를 수신한다. SCU 는 액추에이터 (200), 가열 엘리먼트 (210) 및 물 스프레이 유닛 (220) 을 포함한다. 실시형태들에서, 가열 엘리먼트 (210) 는 투과 표면의 디프리징 프로세스를 가속화하기 위하여 액추에이터 외측의 노즐을 통해 방출된 온도를 높이는데 사용된다. 액추에이터 (200) 는 동작하지 않는 동안 액추에이터로 들어간 입자들 (예컨대 물 또는 녹은 얼음) 을 배출하기 위한 배수 개구 (204) 를 포함한다. 노즐 커버 (203) 는 오염물들이 액추에이터에 들어가는 것을 방지하기 위해 동작하지 않을 때 노즐 (201) 을 커버한다.
실시형태들에서, SCU 가 계합되는 (engaged) 경우, EPSU (240) 는 비전 센서 (VS) (230) 의 투과 표면 (231) 으로 향한 공기 제트 (202) 를 생성하기 위해 액추에이터 (200) 에 전력공급한다. 공기 제트 (202) 는 투과 표면 (231) 으로부터 입자들을 제거한다. 실시형태들에서, CECU 는 물 스프레이 유닛 (220) 을 활성화하기 위해 신호를 SCU 로 전송한다. 그 시나리오에서, EPSU (240) 는 물 스프레이 (222) 를 생성하기 위해 물 공급 도관 (221) 을 통해 액추에이터 (200) 근처의 개구로 물을 공급하는 물 스프레이 유닛 (220) 에 전력공급한다. 투과 표면 (231) 에 물 스프레이 (222) 를 제공함으로써, SCU 는 공기 제트 (202) 그 자체를 사용하여 효과적으로 씻어내지 못할 수도 있는 먼지, 진흙, 얼음 등과 같은 입자들을 투과 표면 (231) 으로부터 씻어낸다. 물 스프레이 (222) 와 공기 제트 (202) 간을 교번함으로써, SCU 는 기존 차량의 앞유리 와이퍼와 물 스프레이의 결합된 기능 같이, 투과 표면에서 습식 및 건식 입자들을 모두 제거할 수 있다.
실시형태들에서 (도시되지 않음), SCU 는 공기 제트 (202) 및 물 스프레이 (222) 를 생성하기 위해 한 쌍 또는 더 많은 액추에이터들을 포함한다. CECU (250) 는 주파수, 파형, 듀티 사이클, 온/오프, 및 전력 진폭과 같은 액추에이터 (200) 파라미터들을 제어한다. CECU (250) 는 온/오프, 및 플로우 레이트와 같은 물 스프레이 유닛 (220) 파라미터들을 제어한다. 물 스프레이는 물과 공기 제트 (202) 간의 결합이 물 스프레이 (222) 를 생성하는 노즐 (201) 로 물을 가져오는 물 도관 (221) 에 물을 제공한다.
도 2 에서 사용되고 있지 않은 것으로 도시된 어댑터 (260) 는 공기 제트 (202) 의 원래의 아티큘레이션 (articulation) 이 투과 표면 (231) 에 대한 SCU 포지셔닝 제약들로 인해 투과 표면 (231) 상의 입자 제거에 최적이 아닌 실시형태들에서 사용될 수 있다. 그러한 시나리오에서, 어댑터 (260) 는 공기 제트 (202a) 가 입자들을 제거하기 위한 최적의 각도로 (어댑터 (260) 와 함께 사용되고 있는 것으로 도시되지 않은) 투과 표면 (231) 에 도달하기 위하여 어댑터 (260) 를 통해 방향전환 (redirect) 되도록 액추에이터 (200) 에 부착된다. 그러한 실시형태에서, 공기 제트 (202a) 의 각도는 최적의 각도가 얻어질 때까지 어댑터 (260) 를 통한 채널링을 통해 수정될 수도 있다.
다른 경우들에서, 어댑터 (260) 는 투과 표면 (231) 의 더 큰 영역을 커버하기 위해 제트 확산 각도와 같은 공기 제트 (202) 의 다른 파라미터들에 영향을 미치는데 사용된다. 어댑터 (260) 의 사용을 통한 확산 각도는 또한, 최적의 각도에 도달할 때까지 어댑터 (260) 의 채널링의 사용을 통해 유사하게 조정될 수 있다.
어댑터 (260) 로 물 스프레이가 생성되고 있는 실시형태들에서 (도시되지 않음), 물 스프레이 (222a) (개략적으로 도시됨) 는 물을 도관 (221) 을 통해 그 내부 채널을 혼합 챔버로서 사용하여 어댑터로, 또는 노즐 (201) 과 마찬가지로, 그 개구 바로 옆으로 제공하여, 물과 공기 제트 (202a) 를 결합하여 물 스프레이 (222a) 를 생성함으로써 생성된다.
도 3a 로 넘어가면, 센서 세정 유닛이 곡면을 갖는 비전 센서에 사용되는 실시형태가 도시된다. 실시형태들에서, 비전 센서 (320) 의 투과 표면 (321) 은 공기역학, 광학, 환경 또는 다른 목적들을 위해 곡면으로서 형상화된다. 그러한 실시형태에서, 액추에이터 (300) 의 노즐 (301) 은 공기 제트 (310) 가 투과 표면 (321) 을 가로지른 입자 제거를 달성하기 위해 투과 표면 (321) 을 커버하도록 채널링되도록 투과 표면 (321) 에 통합될 수도 있다. 실시형태들에서, 액추에이터 (300) 는 비전 센서 (320) 의 패키징에 통합되고 그 사이즈는 비전 센서 (320) 의 사이징에 의해 제시된 제약들에 의해 좌우될 수도 있다. 실시형태들에서 (도시되지 않음), 액추에이터 (300) 는 독립형 SCU 의 부분일 수도 있고 비전 센서 (320) 에 통합되지 않을 수도 있다. 액추에이터 및 비전 센서가 패키징을 공유하는 실시형태들에서, 액추에이터는 특정 비전 센서에 전용될 가능성이 있다. 그 경우에서, CECU 및 VSECU 는 동일하고 비전 센서는 세정 프로세스의 동작을 직접 제어한다. 다시 말해서, 액추에이터는 비전 센서의 부분이고, 비전 센서는 그 동작을 명령하기 위해 전력 및 데이터를 제공한다.
도 3b 로 넘어가면, 센서 세정 유닛이 편평한 표면을 갖는 비전 센서에 사용되는 실시형태가 도시된다. 이 실시형태에서, 액추에이터 (300) 는 비전 센서 (320) 의 패키징 외부에 로케이트된다. 다른 실시형태들에서 (도시되지 않음), 액추에이터 (300) 는 비전 센서 (320) 의 패키징에 통합될 수도 있다. 액추에이터 (300) 의 동작으로 넘어가면, 액추에이터 (300) 는 비전 센서 (320) 가 차량의 안전을 유지하도록 요구되는 방식으로 물체들을 검출할 수 있도록 입자들이 없는 상태로 투과 표면 (321) 을 유지하기 위하여 공기 제트 (310 및 311) 를 생성한다. 일 실시형태에서, 입자들 (350) 은 투과 표면 (321) 에 접근하고 그 표면에 들러붙는다. 이 경우에서, 액추에이터 (300) 는 입자들 (351) 을 투과 표면에서 멀리 불어날리는 것에 의해 제거하는 노즐 (301) 을 통한 공기 제트 (310) 를 생성한다. 액추에이터 (300) 는 강수, 수성 및 먼지 타입 입자들 및 투과 표면에 야기된 간섭과 같은 다양한 환경 팩터들에 기초하여 SCU 에 의해 계합될 수 있다 (도시되지 않음). 대안적인 실시형태에서, 액추에이터 (300) 는 시간지정된 사이클로, 또는 다른 실시형태에서 연속적인 듀티 사이클로 액추에이팅하도록 프로그래밍될 수 있다.
액추에이터 (300) 가 연속적인 듀티 사이클로 동작하는 대안적인 실시형태에서 (도시되지 않음), 액추에이터 (300) 는 노즐 (301) 을 통해 공기 제트 (311) 를 생성한다. 공기 제트 (311) 는 입자들 (352) 이 투과 표면 (321) 에 도달하지 않도록 입자들 (352) 을 투과 표면 (321) 에 도달하지 않도록 편향시키는 공기 커튼을 생성하기 위해 투과 표면 (321) 으로부터 멀어지게 된다. 이 실시형태에서, 공기 제트 (311) 는 추가적인 액추에이터에 의해 생성된다. 그러한 실시형태에서, 각각의 액추에이터는 상이하게 향하게 될 것이다. 하나의 액추에이터는 투과 표면으로 향하게 될 것이고 두번째 액추에이터는 0-45 도의 각도로 투과 표면으로부터 멀어지게 될 것이다.
도 4a 내지 도 4d 는 본 발명의 실시형태들에 따른 편평한 표면을 갖는 비전 센서에 사용될 경우의 센서 세정 유닛의 공기 및 물 스프레이 구성들의 다양한 구성들을 예시한다.
도 4a 에 도시된 실시형태에서, 물은 노즐 (401a) 을 통해 릴리즈된다. 공기 제트 (404a) 는 노즐 (403a) 을 통해 액추에이터 (400) 에 의해 생성된다. 공기 제트 (404a) 가 노즐 (401a) 을 통한 물과 결합되는 경우, 비전 센서 (410) 의 투과 표면 (411) 을 세정하기 위하여 물 스프레이 (402a) 를 생성한다. 실시형태들에서, 공기 제트 (404a) 는 물 스프레이 (402a) 의 특성들, 예컨대 그의 확산, 거리 및 입자 사이즈를 수정하기 위하여 CECU 에 의해 제어된다.
도 4b 에 도시된 실시형태에서, 물은 공기 제트들 (403b 및 405b) 사이에 로케이트된, 노즐 (401b) 을 통해 릴리즈된다. 공기 제트들 (404b 및 406b) 은 각각 노즐들 (403b 및 405b) 을 통해 액추에이터 (400) 에 의해 생성된다. 공기 제트들 (404b 및 406b) 이 노즐 (401b) 을 통한 물과 결합되는 경우, 비전 센서 (410) 의 투과 표면 (411) 을 세정하기 위하여 물 스프레이 (402b) 를 생성한다. 이 실시형태에서, 공기 제트들 (404b 및 406b) 은 각각의 공기 제트가 교번 방식으로 상이한 시간들에 최대 진폭에 도달하도록 상이한 전압 진폭 및 위상 각도 차이로 동작된다. 실시형태에서, 위상 각도는 0 내지 180 도의 범위이고 전압은 20 내지 200 Vrms 의 범위이다. 바람직한 실시형태에서, 물이 노즐 (401b) 을 통해 릴리즈되는 플로우 레이트는 측방향 모션 컴포넌트가 없는 경우에 비해 입자 제거 능력을 개선시키는 것으로 도시된 측방향 모션 (407b) 을 갖는 물 스프레이 (402b) 를 제공하기 위하여 공기 제트들 (404b 및 406b) 중 일방 또는 양방의 피크 전압 진폭과 동기화된다.
도 4c 에 도시된 실시형태에서, 공기 제트 (404c) 는 비전 센서 (410) 의 투과 표면 (411) 으로부터 입자들을 제거하기 위하여 노즐 (403c) 을 통해 액추에이터 (400) 에 의해 생성된다. 실시형태들에서, 액추에이터 (400) 및 그 대응하는 공기 제트 (404c) 는 SCU 를 포함하는 액추에이터들의 더 큰 어레이의 부분일 수 있다.
도 4d 에 도시된 실시형태에서, 물 스프레이 (402d) 는 비전 센서 (410) 의 투과 표면 (411) 으로부터 입자들을 제거하기 위하여 노즐 (401d) 을 통해 액추에이터 (400) 에 의해 생성된다. 이 경우에서, 물은 액추에이터 (400) 의 내부 부분으로 공급되고 (도시되지 않음) 노즐 (401d) 을 통해 방출된 공기와 함께 밀어내진다. 다른 실시형태에서 (도시되지 않음), 물은 노즐 (401d) 에 부착된 어댑터로 공급된다. 다른 실시형태에서 (도시되지 않음), 물은 노즐 (401d) 바로 옆에 공급되어 물 스프레이 (402d) 가 노즐 (401d) 을 통과하는 공기 제트에 의해 생성된다.
도 5a 및 도 5b 로 넘어가면, 본 발명의 실시형태에 따른 자동차들과 관련하여 사용되는 센서 세정 유닛 및 비전 센서의 다양한 패키징 구성들의 실시형태들이 도시된다. 도 5a 에 도시된 실시형태에서, 패키징 인클로저 (530) 는 액추에이터 (500a) 와, 투과 표면 (520a) 을 갖는 비전 센서 (510a) 양자 모두를 포함한다. 액추에이터 노즐 (501a) 은 인클로저 (530) 에 내장된다. 이 실시형태에서, 액추에이터 (500a) 및 비전 센서 (510a) 는 함께 작업하도록 설계되며 여기서 비전 센서 (510a) 는 내비게이션 성능이 소정의 안전 임계치 아래이고 액추에이터 (501a) 의 사용을 통한 투과 표면 (520a) 의 세정이 요구되는 때를 결정하는 그 연관된 제어들 하드웨어 및 소프트웨어를 통해 액추에이터 (500a) 에 명령한다.
도 5b 에 도시된 실시형태에서, 액추에이터 (500b) 및 비전 센서 (510b) 는 패키징 인클로저의 관점에서 서로 독립적이다. 이 실시형태에서, 액추에이터 어댑터 (501b) 는 투과 표면 (520b) 으로부터 입자들을 보다 효과적으로 제거하기 위해 공기 제트 (502b) 를 향하게 하도록 액추에이터 (500b) 에 부착된다.
도 6a 내지 도 6c 는 본 발명의 실시형태들에 따른 360 도 비전 센서에 사용될 경우의 센서 세정 유닛을 예시한다. 도 6a 에 도시된 실시형태에서, 액추에이터 (603a) 는 비전 센서 (600a) 주위를 360 도 확장하는 투과 표면 (610a) 으로부터 입자들을 제거하기 위해 비전 센서 (600a) 상에 또는 하에 장착된다. 이 실시형태에서, 액추에이터 (603a) 는 비전 센서 (600a) 의 전체 둘레 주위에 공기 제트들 (601a) 을 릴리즈하기 위하여 비전 센서 (600a) 의 둘레를 따라 분포된 다중 노즐들 (602a) 로 구성된다.
도 6b 에 도시된 실시형태에서, 액추에이터 (603b) 는 비전 센서 (600b) 주위를 360 도 확장하는 투과 표면 (610b) 으로부터 입자들을 제거하기 위해 비전 센서 (600b) 상에 또는 하에 장착된다. 이 실시형태에서, 액추에이터 스택 (603b) 은 극성 노즐 어레이 (602b) 가 비전 센서 (600b) 의 전체 둘레 주위에 공기 제트들 (601b) 을 릴리즈하는 여러 액추에이터들을 포함한다.
도 6c 에 도시된 실시형태에서, 액추에이터 (603c) 는 비전 센서 (600c) 주위를 360 도 확장하는 투과 표면 (610c) 으로부터 입자들을 제거하기 위하여 전동 플레이트 (604c) 상에 또는 하에 장착된다. 이 실시형태에서, 액추에이터 (603c) 는 투과 표면 (610c) 의 둘레 주위를 회전할 때 노즐 (602c) 을 통해 공기 제트 (601c) 를 생성한다. 회전하는 플레이트 (604c) 는, 실시형태들에서, 투과 표면에 들러붙은 입자들에 의한 비전 차단에 직면하는 투과 표면 (610c) 의 둘레를 가로지른 로케이션들에 공기 제트 (601c) 를 생성하기 위한 노즐 (602c) 을 포지셔닝하기 위하여 CECU, VSECU 또는 VECU 에 의해 제어된다.
도 7 은 본 발명의 실시형태에 따른 이동 차량과 관련하여 사용되는 센서 세정 시스템 통합 구성들의 예시이다. 이 실시형태에서, 차량 (700) 은 자율 또는 운전자 지원 차량 중 어느 하나일 수 있다. 실시형태들에서, 차량 (700) 은, 비전 센서들 (710, 720, 730, 740, 750) (VS); 세정 전자 제어 유닛 (705) (CECU); (세정 시스템이 아닌) 차량 시스템의 부분인 차량 전자 제어 유닛 (702) (VECU) 에 센서 세정 목적들을 위한 요구된 입력을 제공하는 것을 맡게 되는 차량 전자 센서 (701) (VES) 를 구비하고 있다. 실시형태들에서, VS (710, 720, 730, 740, 750) 는 레이더, LIDAR, 또는 카메라들과 같은 가시광 스펙트럼과 같은 비전 센싱 기술들을 활용할 수 있다.
실시형태들에서, VS (710, 720, 730, 740, 750) 는 전방 및 후방 범퍼, 도어들, 휠 커버들, 루프 및 후드와 같은 차량 외부 표면들에 통합된다. 대안적인 실시형태에서, VS (710, 720, 703, 740, 750) 는 차량의 하부 또는 루프 랙 상에 설치된 포드와 같은 차체 외부와는 별개의 독립형 설비들로서 설치될 수 있다. 실시형태에서, 소정의 VS 는 차량 외부 표면들에 통합되고 다른 VS 가 독립형 설비들로서 설치된다.
실시형태들에서, 차량 (700) 은 또한, 개별의 VS 를 세정하도록 전용된 센서 세정 유닛 (715, 725, 735, 745, 755) (SCU); 실시형태들에서, SCUS 에 명령하기 위한 CECU 요구된 입력을 제공하는, 센서, 예컨대 카메라, 강수 센서, 기류 센서 등을 포함하는 센서 세정 유닛 센서 (716) (SCUS) 를 구비하고 있다. 실시형태들에서, 차량 (700) 은 또한, 비전 센서 (721) (VSS) 및 비전 센서 전자 제어 유닛 (722) (VSECU) 을 구비하고 있다.
도 7 에 도시된 센서 세정 시스템의 실시형태들은 다양한 구성들로 동작할 수 있다. 일 실시형태 ("독립 시스템 접근법") 에서, 세정 시스템의 제어 권한은 차량 (700) 또는 VS (710, 720, 730, 740, 750) 와 독립적이다. 이 경우에서, CECU (705) 는 SCUS (716) 로부터 세정을 위해 요구된 데이터를 수신한다. SCUS (716) 로부터 수신된 데이터는 투과 표면 상의 입자들에 의해 차단된 영역의 사이즈를 포함한다. CECU (705) 는 데이터를 분석하여 시작/셧오프, 전압 진폭, 액추에이션 주파수, 듀티 사이클, 및 파형 타입과 같은 커맨드들을 차량 (700) 상의 상이한 로케이션들에서의 그들 개별의 비전 센서들과 연관된 SCU들 (715, 725, 735, 745, 755) 의 어레이에 제공한다. 이 실시형태에 따르면, CECU (705) 는 SCU들의 풀 어레이, 그 어레이의 부분 또는 단일 SCU 중 어느 하나에 명령한다. 1 초과의 SCU 를 제어할 경우, CECU (705) 는 맡게 되는 VS 의 타입, 차량 주위의 로케이션, 및 VS 가 노출되는 로컬 기류 컨디션들과 같은 파라미터들에 따라 다양한 SCU들에 동시에 상이한 커맨드들을 제공한다.
일 실시형태 ("Tier 2 접근법") 에서, SCU (715, 725, 735, 745, 755) 는 세정하는 것을 맡게 되는 VS (710, 720, 730, 740, 750) 에 의해 각각 제어된다. 각각의 SCU 는 VSS (721) 및 VSECU (722) 를 포함하는 VS 시스템을 통해 커맨드들을 수신한다. 이 실시형태에 따르면, VSS (721) 또는 VS (720) 는 VSECU (722) 에 세정을 위해 요구된 데이터를 제공한다. VSECU (722) 는 전용 SCU (725) 에 명령한다. SCU (725) 는 세정 액션을 수행하고 일단 VSS (721) 또는 VS (720) 가 VS (720) 와 연관된 요구된 비전 레벨 또는 연관된 성능이 달성되었다는 입력을 VSECU (722) 에 제공하면 중지될 수 있다.
일 실시형태 ("OEM 접근법") 에서, 세정 시스템은 VES (721) 및 VECU (702) 를 포함하는 차량 시스템에 의해 제어된다. VECU (702) 는 VES (721) 로부터 세정 요청들을 수신한다. VECU (702) 는 SCU (715, 725, 735, 745, 755) 의 어레이 또는 SCU (715, 725, 735, 745, 755) 중 하나 이상에 명령한다.
SCU들의 어레이를 제어하기 위한 일 실시형태 ("Hybrid 접근법") 에서, SCU 어레이의 개개 또는 부분은 상기 논의된 접근법들 (예를 들어, 독립 시스템 접근법, Tier 2 접근법, 또는 OEM 접근법) 중 하나에 의해 제어되는 한편, 어레이의 하나 이상의 부분들은 전체 어레이가 제공된 접근법들 중 적어도 2 개에 의해 제어되도록 상기 논의된 다른 접근법들에 의해 동작된다.
도 8 은 본 발명의 실시형태에 따른 이동 차량과 관련하여 사용되는 센서 세정 시스템의 동작의 개략적 예시이다. 이 실시형태에서, 센서 세정 시스템은 동적 차량 컨디션들에 세정 성능을 적응시킨다. 이 실시형태에서, 액적 사이즈 (840), 주행 속도 (845), 겉보기 바람 방향 속도 (850), 및 투과 표면 (800) 의 물체 검출 상태 (855) 와 같은 일련의 외부 환경, 동작, 기계적 입력들이 세정 전자 제어 유닛 (835) (CECU) 에 제공된다.
CECU (835) 는 짧은 상승 및 긴 하강을 갖는 소정의 주파수의 사다리꼴 파형 (810), 저 주파수의 사인 파형 (820), 및 고 주파수의 사인 파형 (830) 과 같은 입력을 제공하고, 또한 비전 센서 성능을 위한 상이한 중요성의 투과 표면 (804, 805, 806) 을 가로지른 다양한 장소들에 로케이트되는 상이한 치수들, 콘택 각도, 및 밀도의 액적들과 같은 입자들 (801, 802, 또는 803) 을 제거하도록 하나 이상의 센서 세정 유닛 액추에이터들 (815) 을 제어하기 위하여 변조 주파수 및 듀티 사이클과 같은 추가적인 신호 컨디셔닝 파라미터들을 포함할 수 있다.
세정 성능이 액추에이션 주파수 및 파형과 같은 액추에이션 파라미터들의 함수인 것이 밝혀졌다. 따라서, 제어 시스템이 소정의 사이즈의 입자들을 센싱할 때의 실시형태에서, 그 후 그 시스템은 짧은 상승 및 하강을 갖는 사다리꼴 파형을 위한 명령들을 송신한다. 파형의 형상 - 전압 없음으로부터 피크 전압으로의 갑작스런 증가 - 은 액추에이터에 의해 이슈된 갑작스런 공기 제트로 변환한다. 공기 제트가 매우 짧은 시간 주기에 고속으로 투과 표면에 부딪히는 경우, 공기 제트에 의해 부딪힌 영역 부근에 로케이트된 액적들은 평형을 벗어나 여기되고 이웃하는 액적들과 합체하여 더 큰 습윤 영역들을 형성한다.
공기 제트는 훨씬 더 작은 액적들에 비해 더 긴 거리 동안 투과 표면을 가로질러 이들 합체된 습윤 영역들을 수송하는데 있어서 더 효과적이라는 것이 밝혀졌다. 순수 사인 파와 같은 동일한 파형의 상이한 액추에이션 주파수들이 투과 표면을 가로질러 더 나은 상이한 액적 사이즈들을 수송하는 것이 또한 밝혀졌다. 바람직한 실시형태에서, 사전 설계된 신호들이 사용된다. 이들 사전 설계된 신호들은 소정의 시나리오를 위해 커스텀화될 주파수 범위의 특정 주파수에서의 파형들의 시퀀스를 포함하도록 구성된다. 예를 들어, 사전 설계된 신호는 액추에이터에 의해 소비된 전력을 감소시키면서 투과 표면을 가로질러 액적들을 수송하기 위하여 액적들을 분리 및 합체하기 위한 다수의 사다리꼴 파들에 의해 시작하고, 이어서 저 주파수 사인 파 사이클들이 후속될 수도 있다. 일단 액적들이 표면으로부터 제거되면, 신호는 유지 모드로서 25% 의 듀티 사이클을 갖는 펄스 폭 변조로 변경될 수도 있는데, 이는 입자들을 완전히 제거하지 않지만 그들의 축적을 지연시키는 저 전력 소비 공기 제트를 의미한다.
표 1 은 세정 사이클을 적용할 때의 투과 표면 상에서 보이는 것을 예시하는 실험 데이터를 제시한다. Y 축은 투과 표면의 방해 레벨 평가를 나타낸다. 다시 말해서, 세정 시스템은 얼마나 많은 투과 표면이 물방울들에 의해 차단되는지를 (그 센서를 통해) 레코딩한다. X 축은 시간이다. 왼쪽에서 오른쪽으로 시작하여, 물방울들이 표면에 착지할 때까지 투과 표면 상에는 방해물이 없다. 일단 액추에이터가 적용되면, 방해 레벨은 떨어지는데, 액추에이터가 액적들의 일부를 제거하고 있고 표면의 부분들을 세정함을 의미한다. 곡선들은 투과 표면 상의 액적들이 상이한 사이즈인 경우들을 나타낸다. 표 1 에 의해 예시된 바와 같이, 액추에이터는 상이한 사이즈들의 액적들에 대해 상이한 영향을 미친다.
Figure pct00001
도 9a, 도 9b, 도 9c, 도 9d, 도 9e 및 도 9f 는 본 발명의 실시형태들에 따른 액추에이터를 사용한 물 액적 사이즈와 액추에이션 주파수 사이의 의존성을 예시한다. 도 9a, 도 9b 및 도 9c 는 투과 표면으로부터 각각 4 mm, 0.1 mm, 0.01 mm 직경들의 물방울들을 제거하는 고 주파수 (1040 Hz) 액추에이터를 예시한다. 도 9d, 도 9e 및 도 9f 는 투과 표면으로부터 각각 4 mm, 0.1 mm, 0.01 mm 직경들의 물방울들을 제거하는 저 주파수 (360 Hz) 액추에이터를 예시한다.
도 9a 내지 도 9f 에서 알 수 있는 바와 같이, 고 주파수 액추에이터는 더 높은 속도를 갖지만, 액추에이션 주파수는 상이한 사이즈들의 액적들을 제거하는데 더 큰 영향을 미친다. 따라서, 고 주파수 액추에이터는 큰 액적들을 제거하는데 있어서 매우 효과적이고 더 작은 액적들의 경우에는 덜 효과적인 한편, 저 주파수 액추에이터는 반대로 작용한다. 따라서, 실시형태들에서, 고 주파수는 액추에이터가 더 큰 사이즈 (예를 들어, 약 4 mm) 의 액적들을 제거하는데 사용되는 한편 저 주파수는 더 작은 사이즈 (예를 들어, 약 0.01 mm) 의 액적들을 제거하는데 사용된다. 실시형태들에서, 중간 주파수들은 중간 사이즈 (예를 들어, 약 0.01 mm 내지 약 4 mm) 의 액적들을 제거하도록 선택된다.
도 10a, 도 10b, 도 10c, 도 10d 및 도 10e 는 본 발명의 실시형태들에 따른 액추에이터를 사용한 공기 제트들과 다양한 직경들의 물방울들 사이의 상호작용을 예시한다. 구체적으로, 도 10a, 도 10b, 도 10c, 도 10d, 및 도 10e 는 투과 표면을 커버하는 4 mm 액적들과 공기 제트 사이의 상호작용을 예시한다. 공기 제트의 초기 영향은 인근의 액적들이 그들 부근의 다른 액적들과 합체하게 한다.
또한, 도 10 에 예시된 바와 같이, 특정 파형들을 사용하면, 공기 제트가 초기에 광학 표면에 부딪치는 곳에서 합체를 생성한다. 도 10a 내지 도 10e 는 짧은 시간량에 걸친 액추에이션을 예시한다. 도 10a 는 0.7 초의 액추에이션을 갖는 투과 표면을 도시한다. 도 10b 는 0.95 초의 액추에이션을 갖는 투과 표면을 도시한다. 도 10c 는 1.24 초의 액추에이션을 갖는 투과 표면을 도시한다. 도 10d 는 1.4 초의 액추에이션을 갖는 투과 표면을 도시한다. 도 10e 는 4.51 초의 액추에이션을 갖는 투과 표면을 도시한다. 도 10e 에서 알 수 있는 바와 같이, 4.51 초 후에, 액적들은 합체하였고 표면을 세정했다.
도 11 은 광발전 패널 (1100) 과 함께 사용되는 합성 제트 액추에이터들을 사용하는 센서 세정 유닛을 예시한다. 실시형태들에서, 액추에이터들 (1110) 은 광발전 태양광 패널 (1100) 의 주변 에지에 장착된다. 일 실시형태에서, 세정 전자 제어 유닛 (도시되지 않음) 은 광발전 패널들 (1100) 의 표면 (1111) 의 방해를 표시하는 전기 생성 효율 데이터를 수신하도록 구성된다. 방해 레벨이 소정의 임계치에 도달하는 경우, 액추에이터들 (1110) 이 개시되어 광발전 패널 (1100) 의 표면 (1111) 을 가로질러 향하게 되는 제트 (1115) 를 생성하여 표면 (1111) 으로부터 먼지, 꽃가루 등과 같은 방해물을 세정한다.

Claims (18)

  1. 차량 비전 센서의 표면을 세정하기 위한 시스템으로서,
    차량에 장착되고, 상기 차량 비전 센서로 유체 제트를 향하게 하도록 구성된 적어도 하나의 액추에이터를 갖는 센서 세정 유닛;
    상기 차량에 장착되고, 상기 차량에 근접한 환경 센서 데이터를 캡처하도록 구성된 적어도 하나의 환경 센서를 갖는 센서 세정 유닛 센서;
    상기 센서 세정 유닛 센서로부터 상기 환경 센서 데이터를 수신하고 수신된 상기 환경 데이터에 기초하여, 상기 센서 세정 유닛의 적어도 하나의 액추에이터를 제어하기 위한 구동 주파수 및 구동 진폭 중 적어도 하나를 결정하도록 구성된 세정 전자 제어 유닛을 포함하는, 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 환경 센서는 겉보기 풍속 및 풍향을 결정하도록 구성된 기류 센서 또는 강수 센서 중 적어도 하나를 포함하는, 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 강수 센서는 강수 이벤트 동안 빗방울 사이즈들의 직경을 결정하도록 구성되는, 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 세정 제어 유닛은 0.01 mm 의 빗방울 직경 사이즈들에 대한 360 Hz 내지 4 mm 의 빗방울 직경 사이즈들에 대한 1040 Hz 의 범위의 구동 주파수를 설정하는, 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 액추에이터는 펄스 파 변조를 사용하여 동작하는, 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 센서 세정 유닛에 연결된 수원 (water source) 을 더 포함하고,
    상기 세정 전자 제어 유닛은 수신된 상기 환경 데이터에 기초하여, 상기 센서 세정 유닛의 상기 액추에이터에 사용하기 위한 상기 수원으로부터의 물 또는 외기 중 하나를 사용하기로 선택하도록 추가로 구성되는, 시스템.
  7. 차량 비전 센서의 표면을 세정하기 위한 시스템으로서,
    차량에 장착되고, 상기 차량 비전 센서로 유체 제트를 향하게 하도록 구성된 적어도 하나의 액추에이터를 갖는 센서 세정 유닛을 포함하는, 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 차량 비전 센서의 투과 표면을 통한 투과 신호의 방해의 양을 표시하는 비전 센서 투과 표면 방해 레벨 데이터를 상기 차량 비전 센서로부터 수신하도록 구성된 세정 전자 제어 유닛을 더 포함하고,
    상기 세정 전자 제어 유닛은, 상기 투과 신호의 상기 방해의 양이 미리결정된 임계치를 초과하는 경우, 상기 센서 세정 유닛의 적어도 하나의 액추에이터를 제어하기 위한 구동 주파수 및 구동 진폭 중 적어도 하나를 결정하는, 시스템.
  9. 차량 비전 센서의 표면을 세정하기 위한 방법으로서,
    차량에 장착된 센서 세정 유닛 센서로부터 상기 차량에 근접한 환경 센서 데이터를 캡처하는 단계;
    세정 전자 제어 유닛에 의해, 상기 차량에 장착된 센서 세정 유닛의 적어도 하나의 액추에이터를 제어하기 위한 구동 주파수 및 구동 진폭 중 적어도 하나를 결정하는 단계,
    상기 차량 비전 센서의 표면을 세정하기 위해 상기 센서 세정 유닛의 상기 적어도 하나의 액추에이터에 의해 유체 제트를 생성하는 단계를 포함하는, 차량 비전 센서의 표면을 세정하기 위한 방법.
  10. 광발전 태양광 패널의 표면을 세정하기 위한 시스템으로서,
    상기 광발전 태양광 패널의 주변 에지에 장착되고, 상기 광발전 태양광 패널로 유체 제트를 향하게 하도록 구성된 적어도 하나의 액추에이터를 갖는 센서 세정 유닛;
    상기 광발전 태양광 패널과, 또는 세정 시스템과 연관된 에너지 저장 측정 디바이스와 연관된 제어 유닛으로부터 광발전 패널들의 방해를 표시하는 전기 생성 효율 데이터를 수신하도록 구성된 세정 전자 제어 유닛을 포함하고,
    상기 세정 전자 제어 유닛은, 생성 효율의 양이 미리결정된 임계치 아래로 내려가는 경우, 상기 센서 세정 유닛의 상기 적어도 하나의 액추에이터를 제어하기 위한 구동 주파수 및 구동 진폭 중 적어도 하나를 결정하는, 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 액추에이터는 상기 유체 제트의 온도를 제어하기 위하여 적어도 하나의 가열 엘리먼트를 포함하는, 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 액추에이터는 배수시설 (drainage) 및 사용되지 않을 때 상기 액추에이터에 오염물들이 들어가는 것을 방지하기 위해 노즐을 개방 또는 차단하기 위한 전기 제어식 노즐 커버를 포함하는, 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 액추에이터에는, 상기 유체 제트와 결합될 경우, 물 스프레이를 생성하는 물이 공급되는, 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 액추에이터는 차량 장착 비전 센서 주위를 360 도 감싸는 투과 표면으로부터 입자들을 제거하기 위하여 전동 플레이트 상에 또는 하에 장착되고 또한
    상기 액추에이터는 투과 표면의 둘레 주위를 회전할 때 유체 제트를 생성하고;
    회전하는 상기 플레이트는 상기 투과 표면에 들러붙은 입자들에 의한 비전 차단에 직면하는 상기 투과 표면의 둘레를 가로지른 로케이션들에 상기 유체 제트를 포지셔닝하기 위하여 상기 비전 센서, 세정 시스템 또는 차량 시스템 중 하나 이상과 연관된 전자 제어 유닛에 의해 제어되는, 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 액추에이터는 비전 센서와 통합되고 상기 유체 제트는 공기역학, 광학, 환경 또는 다른 목적을 위해 비전 센서를 커버하기 위해 곡면으로서 형상화되는 투과 표면을 통해 채널링되는, 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 세정 유닛은 2 개의 유체 제트 노즐들을 더 포함하고,
    하나의 물 노즐이 물의 릴리즈를 위해 상기 2 개의 유체 제트 노즐들 사이에 로케이트되어, 상기 유체 제트 노즐들로부터 분배된 상기 유체 제트들이 상기 물 노즐로부터의 물과 결합되어 물 스프레이를 생성하도록 구성되는, 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 2 개의 유체 제트들은 각각 상이한 전압 진폭으로 동작되어 각각의 공기 제트가 교번 방식으로 상이한 시간에 최대 진폭에 도달하는, 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    물이 상기 물 노즐을 통해 릴리즈되는 플로우 레이트는 측방향 모션을 갖는 물 스프레이를 생성하기 위하여 상기 2 개의 유체 제트들의 피크 전압 진폭과 동기화되는, 시스템.
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