對(duì)於新興自動(dòng)駕駛汽車（AV），先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）設(shè)備成為導(dǎo)航和確保安全的主要手段。ADAS系統(tǒng)需要在所有條件之下，包括正常和極端狀況，皆具備準(zhǔn)確的即時(shí)感測(cè)能力和優(yōu)異效能。大多汽車公司致力於相關(guān)的研究，皆試圖在設(shè)計(jì)早期階段發(fā)現(xiàn)污染問題。
根據(jù)Technology Consultancy Invensity研究顯示，在當(dāng)前環(huán)境下，提升先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的整合度和自動(dòng)化水準(zhǔn)已成趨勢(shì)，因此汽車產(chǎn)業(yè)90%的創(chuàng)新來(lái)自電子與軟體。ADAS系統(tǒng)安裝於傳統(tǒng)汽車上以輔佐駕駛，在一般駕駛場(chǎng)景下為駕駛?cè)颂峁﹨f(xié)助。然而它們僅是輔助裝置，駕駛?cè)藢?duì)操作車輛仍負(fù)有主要責(zé)任。
對(duì)於新興自動(dòng)駕駛汽車（AV），這些系統(tǒng)設(shè)備成為導(dǎo)航和確保安全的主要手段。ADAS系統(tǒng)需要在所有條件之下，包括正常和極端狀況，皆具備準(zhǔn)確的即時(shí)感測(cè)能力和優(yōu)異效能。
在過去幾十年來(lái)，對(duì)於省油型汽車的需求越來(lái)越普遍。因此，汽車設(shè)計(jì)更加重視空氣動(dòng)力學(xué)以降低風(fēng)阻，其主要是透過管理車輛的尾流來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也導(dǎo)致更多來(lái)自車體下方的空氣沖擊車輛後方。
不幸的是，來(lái)自車體下方的空氣往往夾雜著塵土和水顆粒，隨空氣一起衝擊車體後方和側(cè)面。在ADAS系統(tǒng)尚未普遍時(shí)，污染僅會(huì)導(dǎo)致影響駕駛?cè)艘曈X的安全問題，主要侷限於玻璃和鏡子表面。車輛其他位置的表面污染則主要影響美觀。
現(xiàn)今隨著ADAS系統(tǒng)（特別是在自動(dòng)駕駛汽車上）數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，車輛其他位置的表面污染也成為乘客和交通安全的隱憂。大多汽車公司致力於ADAS和自動(dòng)駕駛汽車（AV）的研究，皆試圖在設(shè)計(jì)早期階段發(fā)現(xiàn)污染問題。
目前相關(guān)研究和實(shí)驗(yàn)在全天候風(fēng)洞（wind tunnel）內(nèi)進(jìn)行，這些風(fēng)洞擁有受控制的表面污染和水管理的條件。然而其屬於人造環(huán)境，不能代表真實(shí)的道路和氣候條件，而且成本高、耗時(shí)長(zhǎng)。
因此，產(chǎn)生了以下的問題：
1. 是否有高成本效益的解決方案，能夠防止攝影機(jī)和感測(cè)器污染？
2. 感測(cè)器應(yīng)怎樣放置才能實(shí)現(xiàn)最佳效能？
3. 該如何確保它們都能正常運(yùn)作？
4. 當(dāng)遇到的確無(wú)法避免污泥或其他污染濺射到攝影機(jī)上的情況，能否控制車輛受其影響的位置和方式？
為什麼需要感測(cè)器？它們是如何被污染的？
在當(dāng)今時(shí)代，隨著先進(jìn)技術(shù)、自動(dòng)駕駛、更多的電氣化系統(tǒng)和駕駛輔助系統(tǒng)在現(xiàn)代汽車上的應(yīng)用，感測(cè)器數(shù)量不斷增加成為顯著趨勢(shì)。自動(dòng)駕駛汽車面臨著各種狀況，例如車輛需要倒車、過十字路口、檢測(cè)碰撞威脅等。
因此，安裝在自動(dòng)駕駛汽車上的攝影機(jī)和感測(cè)器，就成為現(xiàn)代汽車的眼睛和耳朵，若沒有它們，自動(dòng)駕駛也無(wú)法實(shí)現(xiàn)。攝影機(jī)和感測(cè)器必須保持乾淨(jìng)才能正常運(yùn)作，然而從它們的運(yùn)作環(huán)境來(lái)看，這樣的要求實(shí)屬奢求。
目前，根據(jù)污染來(lái)源，自動(dòng)駕駛用感測(cè)器和攝影機(jī)的污染方式，可劃分為直接污染、第三方污染或自污染。雨水會(huì)造成直接污染。第三方污染形成的原因是前方行車和旁邊行車通行時(shí)濺起的污泥、石塊、塵土、水等等。車輛自身輪胎濺起的污染則會(huì)導(dǎo)致自污染。前輪胎濺起物會(huì)在車體側(cè)面形成從前輪一直延伸到後輪的「沉積區(qū)」，而後輪濺起物為後方表面污染的主要來(lái)源。
全景攝影機(jī)（前視、後視和盲點(diǎn)檢測(cè)攝影機(jī)）通常直接暴露在不利的環(huán)境條件下。在攝影機(jī)鏡頭暴露在雨中時(shí)，這種情況尤為惡劣，將導(dǎo)致駕駛?cè)四芤姸认陆岛蛿z影機(jī)效能降低，造成嚴(yán)重的安全隱憂。
解決問題之鑰
道路行駛必然會(huì)遇到塵土、水和其他污染物。我們不能阻止這種情況的發(fā)生，但可以設(shè)計(jì)出效能更好的車輛，以降低污染物對(duì)車輛的影響。有些方案可以幫助維持感測(cè)器和攝影機(jī)的清潔。例如用噴射水流清洗和吹氣自動(dòng)清洗鏡頭，或是在鏡頭上鍍膜。
不過，鍍層並不耐久而且成本高昂，而採(cǎi)用清潔解決方案則會(huì)增加重量，進(jìn)而降低燃油效率、增加運(yùn)行成本。作為替代方案，可以預(yù)測(cè)雨水、塵土、蟲子、石塊或其他物質(zhì)衝擊車身的位置。
接著，可以最佳化感測(cè)器的位置或建議車輛進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整，以盡可能避免攝影機(jī)污染。隨後還可以針對(duì)設(shè)計(jì)調(diào)整或攝影機(jī)安裝位置的變化，會(huì)如何影響車輛的空氣動(dòng)力學(xué)效能進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而提高燃油經(jīng)濟(jì)性。最終目的是開發(fā)出感測(cè)器放在最佳位置的車輛，盡可能避免污染累積以及與水的接觸。
然而，如果仍需要任何外部清潔設(shè)備，那麼這種系統(tǒng)的位置也可以最佳化。在昂貴的表面塗層上投資，還是僅僅移動(dòng)感測(cè)器幾英寸，兩者之間總會(huì)有一個(gè)平衡，而達(dá)梭系統(tǒng)可以對(duì)此提供幫助。
污染和水管理
達(dá)梭系統(tǒng)SIMULIA提供解決方案來(lái)研究各種污染和水管理現(xiàn)象。使用PowerFLOW，開發(fā)人員可以透過詳細(xì)的空氣動(dòng)力學(xué)和粒子流模擬，評(píng)估車輛設(shè)計(jì)目標(biāo)。使用PowerFlOW進(jìn)行模擬，並以PowerVIZ處理結(jié)果。
PowerVIZ可以動(dòng)態(tài)地視覺化粒子釋放到氣流中的過程，並運(yùn)算出粒子在撞擊表面前的運(yùn)動(dòng)軌跡。它允許用戶在模擬中呈現(xiàn)塵土、泥垢、石塊和水，進(jìn)而清晰地理解車輛如何與污染粒子相互作用，讓OEM廠商能夠更完善地管理車輛表面上的污物。
此外，它還能定義表面特性，讓表面反射粒子，創(chuàng)造透過發(fā)動(dòng)機(jī)艙或車身表面的複雜氣流路徑。
著重三大場(chǎng)景
在本項(xiàng)研究中考慮了三種場(chǎng)景，每種場(chǎng)景下攝影機(jī)位於車身上的不同位置。
【場(chǎng)景1】後視攝影機(jī)上灰塵和泥土的堆積
在第一個(gè)場(chǎng)景中，模擬灰塵和泥土在後視攝影機(jī)上的堆積，其主要由汽車自身輪胎（尤其是後輪胎）的濺射導(dǎo)致。
【場(chǎng)景2】盲點(diǎn)偵測(cè)系統(tǒng)（BLIS）側(cè)後視鏡攝影機(jī)上的積水
在第二種場(chǎng)景中，模擬下雨時(shí)盲點(diǎn)偵測(cè)系統(tǒng)（BLIS）側(cè)後視鏡攝影機(jī)上的積水情況。研究人員可以針對(duì)特定的後視鏡設(shè)計(jì)模擬雨水粒子的行為方式及其與攝影機(jī)鏡頭相互作用的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。
【場(chǎng)景3】撞擊前視攝影機(jī)的石屑
在第三種場(chǎng)景中，透過研究了解過往車輛掀起的石屑將如何撞擊車輛的前視攝影機(jī)並影響其能見度和功能。
模擬結(jié)果
車身後部和側(cè)面的污染
後視攝影機(jī)也被稱為倒車攝影機(jī)，目的為幫助汽車或駕駛?cè)擞^察車後區(qū)域，縮小後方盲點(diǎn)視野。這種附加的能見度有助於避免在倒車時(shí)發(fā)生碰撞。在汽車的基線設(shè)計(jì)模型中，後輪胎揚(yáng)起的塵垢粒子會(huì)沉積在後方表面上，模糊後視攝影機(jī)的視野，給乘客帶來(lái)不安全的旅行體驗(yàn)。
在本研究中，建議針對(duì)汽車底部進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整，目的是能夠重新分佈污染物，使其遠(yuǎn)離攝影機(jī)和車牌等車身最敏感的位置。如圖1所示，車底部擴(kuò)散器建議增大曲率。
| 圖1 : 車底擴(kuò)散器。（上）基線設(shè)計(jì)；（下）改良設(shè)計(jì) |
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在汽車的基線設(shè)計(jì)模型中，與後輪尾流有關(guān)的流線會(huì)與尾流渦旋的下部分相互作用。這種相互作用代表一種對(duì)流機(jī)制，可能會(huì)將污染物輸送給後尾流。擴(kuò)散器最佳化後，強(qiáng)化了後尾流環(huán)狀渦旋的下橫向臂，產(chǎn)生更平衡的尾流。
圖2顯示的背面水膜厚度累積圖，就可以定性地對(duì)比基線設(shè)計(jì)和修改後的設(shè)計(jì)。可以看出，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整能夠改善背面的污染物分佈，以及後方擋風(fēng)玻璃上的污染累積水準(zhǔn)。這種效果值得關(guān)注，因?yàn)榫S持背面一些區(qū)域清潔的重要性比其他區(qū)域更大。例如攝影機(jī)、車牌和車門把手，都是需要維持乾淨(jìng)的重要區(qū)域：在設(shè)計(jì)初期階段，透過輕微設(shè)計(jì)修改就能實(shí)現(xiàn)。
| 圖2 : 沉積污垢的膜厚。（左）基線設(shè)計(jì)；（右）改良設(shè)計(jì) |
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這項(xiàng)工作證明，在車輛設(shè)計(jì)中考慮空氣動(dòng)力學(xué)因素，有助於重新分配表面污染物，遠(yuǎn)離最敏感的區(qū)域。然而，由於我們?cè)谘芯康谝徊街形茨茏C明背面污染足夠減少，為達(dá)到預(yù)想效果需要展開進(jìn)一步的系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究和修改。
在許多地區(qū)，擋泥板是一種附加的售後產(chǎn)品。這是因?yàn)樗徽J(rèn)為可以減少車身污染，但調(diào)查顯示情況並非如此。事實(shí)上，它會(huì)增大車身污染的整體高度。當(dāng)污染高度與車門把手的高度齊平時(shí)，可能導(dǎo)致乘客在出入時(shí)因接觸把手弄髒雙手或衣物。
| 圖3 : 沉積污垢的膜厚。（左）沒有擋泥板；（右）車輪後面的擋泥板 |
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雨水導(dǎo)致的污染
盲點(diǎn)偵測(cè)系統(tǒng)（BLIS）攝影機(jī)通常安裝在汽車後視鏡下方，用來(lái)監(jiān)視其他車輛，並幫助自動(dòng)駕駛汽車查看周邊路況，甚至是在盲點(diǎn)上的路況。雨滴在撞擊後視鏡外罩後破碎形成水霧。這種水霧會(huì)受後視鏡尾流方向的影響，使雨滴沉積在後視鏡和攝影機(jī)鏡頭上，進(jìn)而遮擋後視鏡和攝影機(jī)的視野。在基線設(shè)計(jì)中，大量的水沉積在後視鏡和攝影機(jī)鏡頭上會(huì)影響視野。從粒子撞擊後視鏡的時(shí)間歷程來(lái)看，可以看到大部分撞擊後視鏡的粒子來(lái)自於後視鏡臂的底部。因此對(duì)後視鏡臂進(jìn)行改良有助於改變其背後的渦旋，進(jìn)而改善後視鏡和攝影機(jī)鏡頭的污染情況。
| 圖4 : 鏡臂。（左）基線設(shè)計(jì)；（右）改良設(shè)計(jì) |
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從後視鏡和攝影機(jī)上的水膜厚度累積圖可以觀察到，對(duì)後視鏡臂的設(shè)計(jì)調(diào)整能夠顯著減少沉積在後視鏡和攝影機(jī)鏡頭上的水污染量。
| 圖5 : 鏡面水膜厚度。（左）基線設(shè)計(jì)；（右）改良設(shè)計(jì) |
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行進(jìn)車輛揚(yáng)起的石屑
汽車前視攝影機(jī)的設(shè)計(jì)目的是避免撞擊停車位隔欄、道路邊緣和其他可能導(dǎo)致危險(xiǎn)的障礙物。造成前視攝影機(jī)受損的最常見原因是來(lái)自其他車輛引起的碎片，比如石屑、石頭、礫石和卵石。這些微小的硬質(zhì)顆粒以高速飛行，可能破壞車流中其他行駛車輛的敏感元件。此外，它也是汽車底部腐蝕的重要原因，將影響美觀。
在本研究中，研究人員透過模擬最佳化前置攝影機(jī)的位置。我們致力降低攝影機(jī)被行駛中的前車輪胎揚(yáng)起的石子破壞的風(fēng)險(xiǎn)。在基線設(shè)計(jì)中，前置攝影機(jī)被佈置在下通氣柵的頂部。從模擬中可以觀察到，攝影機(jī)受揚(yáng)起的石子的撞擊，容易發(fā)生損壞。根據(jù)模擬結(jié)果製作的碰撞點(diǎn)圖清楚地顯示哪些位置不容易被前方行駛車輛的輪胎揚(yáng)起的石子擊中，其可以做為該攝影機(jī)新的安裝位置。透過比較基線設(shè)計(jì)和改良設(shè)計(jì)中攝影機(jī)在不同位置下的擊中點(diǎn)，清楚顯示攝影機(jī)新的安裝位置更加安全，受損的可能性較低。在設(shè)計(jì)早期階段展開類似研究，對(duì)最佳化攝影機(jī)的位置有很大幫助，能夠避免後期修改帶來(lái)的不良後果。
| 圖6 : 車輛表面的碰撞點(diǎn)圖。（左）相機(jī)的初始位置；（右）相機(jī)更安全的位置 |
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結(jié)論
模擬技術(shù)在評(píng)估汽車感測(cè)器在惡劣天氣和道路狀況的效能方面相當(dāng)具有發(fā)展前景。為了減少車體上的污染累積，同時(shí)確保雨滴不會(huì)妨礙攝影機(jī)視線，各大製造商長(zhǎng)期付出大量心血。此研究提出模擬方法，用於研究塵土、雨水和行駛中車輛輪胎揚(yáng)起的碎屑導(dǎo)致的車體背面和側(cè)面上的污染問題。
這項(xiàng)研究透過檢查汽車上三個(gè)不同位置的攝影機(jī)得以完成。此外，也針對(duì)如何減少攝影機(jī)上的污染累積，並維持?jǐn)z影機(jī)清潔提出了設(shè)計(jì)修改建議。使用本研究工作中採(cǎi)用的流程，可在車輛開發(fā)初期階段發(fā)揮虛擬測(cè)試的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而消除對(duì)物理原型和測(cè)試的需求，特別是對(duì)於需要大量感測(cè)器的先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）和自動(dòng)駕駛汽車（AV）而言。車輛設(shè)計(jì)改動(dòng)造成的空氣動(dòng)力學(xué)效能變化超出本研究的研究範(fàn)圍內(nèi)，但可能需要在減少外表面污染和增大風(fēng)阻之間進(jìn)行平衡。
（本文作者為達(dá)梭系統(tǒng)SIMULIA內(nèi)容創(chuàng)作者Katie Corey、達(dá)梭系統(tǒng)SIMULIA航空航太與國(guó)防工業(yè)成長(zhǎng)團(tuán)隊(duì)模擬顧問Deepak Goyal博士）
