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污染管理設計 確保汽車感測效能穩定可靠
 

【作者: 達梭系統提供】   2021年07月07日 星期三

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對於新興自動駕駛汽車(AV),先進駕駛輔助系統(ADAS)設備成為導航和確保安全的主要手段。ADAS系統需要在所有條件之下,包括正常和極端狀況,皆具備準確的即時感測能力和優異效能。大多汽車公司致力於相關的研究,皆試圖在設計早期階段發現污染問題。


根據Technology Consultancy Invensity研究顯示,在當前環境下,提升先進駕駛輔助系統(ADAS)的整合度和自動化水準已成趨勢,因此汽車產業90%的創新來自電子與軟體。ADAS系統安裝於傳統汽車上以輔佐駕駛,在一般駕駛場景下為駕駛人提供協助。然而它們僅是輔助裝置,駕駛人對操作車輛仍負有主要責任。


對於新興自動駕駛汽車(AV),這些系統設備成為導航和確保安全的主要手段。ADAS系統需要在所有條件之下,包括正常和極端狀況,皆具備準確的即時感測能力和優異效能。


在過去幾十年來,對於省油型汽車的需求越來越普遍。因此,汽車設計更加重視空氣動力學以降低風阻,其主要是透過管理車輛的尾流來實現,同時也導致更多來自車體下方的空氣沖擊車輛後方。


不幸的是,來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面。在ADAS系統尚未普遍時,污染僅會導致影響駕駛人視覺的安全問題,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。


現今隨著ADAS系統(特別是在自動駕駛汽車上)數量的不斷增長,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和自動駕駛汽車(AV)的研究,皆試圖在設計早期階段發現污染問題。


目前相關研究和實驗在全天候風洞(wind tunnel)內進行,這些風洞擁有受控制的表面污染和水管理的條件。然而其屬於人造環境,不能代表真實的道路和氣候條件,而且成本高、耗時長。


因此,產生了以下的問題:


1. 是否有高成本效益的解決方案,能夠防止攝影機和感測器污染?


2. 感測器應怎樣放置才能實現最佳效能?


3. 該如何確保它們都能正常運作?


4. 當遇到的確無法避免污泥或其他污染濺射到攝影機上的情況,能否控制車輛受其影響的位置和方式?


為什麼需要感測器?它們是如何被污染的?

在當今時代,隨著先進技術、自動駕駛、更多的電氣化系統和駕駛輔助系統在現代汽車上的應用,感測器數量不斷增加成為顯著趨勢。自動駕駛汽車面臨著各種狀況,例如車輛需要倒車、過十字路口、檢測碰撞威脅等。


因此,安裝在自動駕駛汽車上的攝影機和感測器,就成為現代汽車的眼睛和耳朵,若沒有它們,自動駕駛也無法實現。攝影機和感測器必須保持乾淨才能正常運作,然而從它們的運作環境來看,這樣的要求實屬奢求。


目前,根據污染來源,自動駕駛用感測器和攝影機的污染方式,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導致自污染。前輪胎濺起物會在車體側面形成從前輪一直延伸到後輪的「沉積區」,而後輪濺起物為後方表面污染的主要來源。


全景攝影機(前視、後視和盲點檢測攝影機)通常直接暴露在不利的環境條件下。在攝影機鏡頭暴露在雨中時,這種情況尤為惡劣,將導致駕駛人能見度下降和攝影機效能降低,造成嚴重的安全隱憂。


解決問題之鑰

道路行駛必然會遇到塵土、水和其他污染物。我們不能阻止這種情況的發生,但可以設計出效能更好的車輛,以降低污染物對車輛的影響。有些方案可以幫助維持感測器和攝影機的清潔。例如用噴射水流清洗和吹氣自動清洗鏡頭,或是在鏡頭上鍍膜。


不過,鍍層並不耐久而且成本高昂,而採用清潔解決方案則會增加重量,進而降低燃油效率、增加運行成本。作為替代方案,可以預測雨水、塵土、蟲子、石塊或其他物質衝擊車身的位置。


接著,可以最佳化感測器的位置或建議車輛進行設計調整,以盡可能避免攝影機污染。隨後還可以針對設計調整或攝影機安裝位置的變化,會如何影響車輛的空氣動力學效能進行預測,進而提高燃油經濟性。最終目的是開發出感測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備,那麼這種系統的位置也可以最佳化。在昂貴的表面塗層上投資,還是僅僅移動感測器幾英寸,兩者之間總會有一個平衡,而達梭系統可以對此提供幫助。


污染和水管理

達梭系統SIMULIA提供解決方案來研究各種污染和水管理現象。使用PowerFLOW,開發人員可以透過詳細的空氣動力學和粒子流模擬,評估車輛設計目標。使用PowerFlOW進行模擬,並以PowerVIZ處理結果。


PowerVIZ可以動態地視覺化粒子釋放到氣流中的過程,並運算出粒子在撞擊表面前的運動軌跡。它允許用戶在模擬中呈現塵土、泥垢、石塊和水,進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,創造透過發動機艙或車身表面的複雜氣流路徑。


著重三大場景

在本項研究中考慮了三種場景,每種場景下攝影機位於車身上的不同位置。


【場景1】後視攝影機上灰塵和泥土的堆積


在第一個場景中,模擬灰塵和泥土在後視攝影機上的堆積,其主要由汽車自身輪胎(尤其是後輪胎)的濺射導致。


【場景2】盲點偵測系統(BLIS)側後視鏡攝影機上的積水


在第二種場景中,模擬下雨時盲點偵測系統(BLIS)側後視鏡攝影機上的積水情況。研究人員可以針對特定的後視鏡設計模擬雨水粒子的行為方式及其與攝影機鏡頭相互作用的情況進行設計。


【場景3】撞擊前視攝影機的石屑


在第三種場景中,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並影響其能見度和功能。


模擬結果

車身後部和側面的污染


後視攝影機也被稱為倒車攝影機,目的為幫助汽車或駕駛人觀察車後區域,縮小後方盲點視野。這種附加的能見度有助於避免在倒車時發生碰撞。在汽車的基線設計模型中,後輪胎揚起的塵垢粒子會沉積在後方表面上,模糊後視攝影機的視野,給乘客帶來不安全的旅行體驗。


在本研究中,建議針對汽車底部進行設計調整,目的是能夠重新分佈污染物,使其遠離攝影機和車牌等車身最敏感的位置。如圖1所示,車底部擴散器建議增大曲率。



圖1 : 車底擴散器。(上)基線設計;(下)改良設計
圖1 : 車底擴散器。(上)基線設計;(下)改良設計

在汽車的基線設計模型中,與後輪尾流有關的流線會與尾流渦旋的下部分相互作用。這種相互作用代表一種對流機制,可能會將污染物輸送給後尾流。擴散器最佳化後,強化了後尾流環狀渦旋的下橫向臂,產生更平衡的尾流。


圖2顯示的背面水膜厚度累積圖,就可以定性地對比基線設計和修改後的設計。可以看出,對設計進行調整能夠改善背面的污染物分佈,以及後方擋風玻璃上的污染累積水準。這種效果值得關注,因為維持背面一些區域清潔的重要性比其他區域更大。例如攝影機、車牌和車門把手,都是需要維持乾淨的重要區域:在設計初期階段,透過輕微設計修改就能實現。


圖2 : 沉積污垢的膜厚。(左)基線設計;(右)改良設計
圖2 : 沉積污垢的膜厚。(左)基線設計;(右)改良設計

這項工作證明,在車輛設計中考慮空氣動力學因素,有助於重新分配表面污染物,遠離最敏感的區域。然而,由於我們在研究第一步中未能證明背面污染足夠減少,為達到預想效果需要展開進一步的系統設計研究和修改。


在許多地區,擋泥板是一種附加的售後產品。這是因為它被認為可以減少車身污染,但調查顯示情況並非如此。事實上,它會增大車身污染的整體高度。當污染高度與車門把手的高度齊平時,可能導致乘客在出入時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
圖3 : 沉積污垢的膜厚。(左)沒有擋泥板;(右)車輪後面的擋泥板

雨水導致的污染


盲點偵測系統(BLIS)攝影機通常安裝在汽車後視鏡下方,用來監視其他車輛,並幫助自動駕駛汽車查看周邊路況,甚至是在盲點上的路況。雨滴在撞擊後視鏡外罩後破碎形成水霧。這種水霧會受後視鏡尾流方向的影響,使雨滴沉積在後視鏡和攝影機鏡頭上,進而遮擋後視鏡和攝影機的視野。在基線設計中,大量的水沉積在後視鏡和攝影機鏡頭上會影響視野。從粒子撞擊後視鏡的時間歷程來看,可以看到大部分撞擊後視鏡的粒子來自於後視鏡臂的底部。因此對後視鏡臂進行改良有助於改變其背後的渦旋,進而改善後視鏡和攝影機鏡頭的污染情況。


圖4 : 鏡臂。(左)基線設計;(右)改良設計
圖4 : 鏡臂。(左)基線設計;(右)改良設計

從後視鏡和攝影機上的水膜厚度累積圖可以觀察到,對後視鏡臂的設計調整能夠顯著減少沉積在後視鏡和攝影機鏡頭上的水污染量。


圖5 : 鏡面水膜厚度。(左)基線設計;(右)改良設計
圖5 : 鏡面水膜厚度。(左)基線設計;(右)改良設計

行進車輛揚起的石屑


汽車前視攝影機的設計目的是避免撞擊停車位隔欄、道路邊緣和其他可能導致危險的障礙物。造成前視攝影機受損的最常見原因是來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的位置。我們致力降低攝影機被行駛中的前車輪胎揚起的石子破壞的風險。在基線設計中,前置攝影機被佈置在下通氣柵的頂部。從模擬中可以觀察到,攝影機受揚起的石子的撞擊,容易發生損壞。根據模擬結果製作的碰撞點圖清楚地顯示哪些位置不容易被前方行駛車輛的輪胎揚起的石子擊中,其可以做為該攝影機新的安裝位置。透過比較基線設計和改良設計中攝影機在不同位置下的擊中點,清楚顯示攝影機新的安裝位置更加安全,受損的可能性較低。在設計早期階段展開類似研究,對最佳化攝影機的位置有很大幫助,能夠避免後期修改帶來的不良後果。


圖6 : 車輛表面的碰撞點圖。(左)相機的初始位置;(右)相機更安全的位置
圖6 : 車輛表面的碰撞點圖。(左)相機的初始位置;(右)相機更安全的位置

結論

模擬技術在評估汽車感測器在惡劣天氣和道路狀況的效能方面相當具有發展前景。為了減少車體上的污染累積,同時確保雨滴不會妨礙攝影機視線,各大製造商長期付出大量心血。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起的碎屑導致的車體背面和側面上的污染問題。


這項研究透過檢查汽車上三個不同位置的攝影機得以完成。此外,也針對如何減少攝影機上的污染累積,並維持攝影機清潔提出了設計修改建議。使用本研究工作中採用的流程,可在車輛開發初期階段發揮虛擬測試的優勢,進而消除對物理原型和測試的需求,特別是對於需要大量感測器的先進駕駛輔助系統(ADAS)和自動駕駛汽車(AV)而言。車輛設計改動造成的空氣動力學效能變化超出本研究的研究範圍內,但可能需要在減少外表面污染和增大風阻之間進行平衡。


(本文作者為達梭系統SIMULIA內容創作者Katie Corey、達梭系統SIMULIA航空航太與國防工業成長團隊模擬顧問Deepak Goyal博士)


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