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光电子如何满足智能座舱对安全性、便捷性及美观性的需求

光电子在人机交互中有大量应用,如滚轮和旋钮,压力按键,手势传感器等;在环境光检测的应用包括内外后视镜、HUD/AR-HUD、显示屏和调色玻璃;在雨量传感器模块的应用包括雨量监测、太阳角度检测、环境光亮度检测和防起雾监测;在ADAS的应用场景为疲劳驾驶、乘员监控以及激光雷达Lidar使用;在空气质量检测的应用为PM2.5、紫外线杀菌、温湿度控制等。


(相关资料图)

2023年5月18日-19日,在吉利2023智能汽车技术论坛上,Vishay 光电产品资深市场部技术支持经理陆骁表示,未来将有更多满足智能座舱安全性、便捷性和美观性要求的光电子技术产品不断产生。

以下为演讲内容整理:

如今,车辆就像行走的超级手机,智能座舱相当于控制界面,控制界面需要具备安全性、便捷性和美观性。

Vishay元器件应用产品简介

今天我将为大家介绍Vishay元器件的应用。首先,谈到的是人机交互,包括滚轮、旋钮、压力按键、手势唤醒、触摸、红外遥控。

其二是环境光检测。涉及到的场景有内后视镜、外后视镜、HUD/AR-HUD、显示屏、调色玻璃。

第三个是雨量传感器模块。现在的雨量传感器集成了四大功能,包括雨量检测;太阳角度检测;环境光亮度检测以及防起雾检测。

其次是ADAS。通常会被用来进行疲劳驾驶、乘员监控以及激光雷达的角度检测。

最后会涉及到空气质量检测。包括PM2.5、紫外线杀菌、温湿度控制。

Vishay人机交互方案

接下来我会稍作展开HMI——首先是滚轮、旋钮传感器。现在很多车辆方向盘上的滚轮可以切换到屏幕,使用的就是我们的光电产品。U型器件的一侧是发射管,另一侧有两个窗口是接收管。通过码盘遮挡窗口与否,就形成00、01、10、11,这些变化就可判断旋转方向如温度加1或减1,音量加1或减1。

下图垂直方向的TCUT1630X01就多了一个按键功能,实现上下和旋转的三位判断;我们还有个TCUT1800X01,是四个窗口,相当于2的四次方,即16个挡位,其优势在于安全、便捷、美观。旋钮是非接触的,如果采用电位器,手感会差点,并且伴随着不断的摩擦,会产生可靠性的问题。而非接触式的旋钮,用光的方式去阻挡,旋钮可以用阻尼器实现,手感可根据阻尼器调整,并且又是非接触性的,所以可靠性良好,使用寿命也更长。

图源:Vishay

第二个是压力按键。现在主流的压力按键是用光的方式,大家对车内的工业设计要求越来越高,物理按键旋钮被取代,换成了完全的平面,一般通过电容方式去触发。电容方式比较大的弊端在于响应很快,但车辆安全是重中之重,有些按键不能随意触发,因此产生了压力按键概念。按键是电容按键,但一定要有压力,用力按上去才会被有效触发,从而防止误触发。其原理如下图,手按下传感器后会有形变,形变量就是按压的压力,器件可以检测到最小20 um的形变量。

图源:Vishay

下图横坐标是离开按压的反射面的距离,纵坐标是反射强度。慢慢靠近后,会有一个线性区。如图所示,当从3.2 mm变成3.0 mm时,按压的反射强度会慢慢增加,每增加0.02 mm,就会产生200左右的输出量的变化,这样就可以把压力转化成形变,标定出来,如需要0.05 mm时,其变化值可能是500,通过上述方式去实现。

图源:Vishay

车辆的按键很多,所有部位都可以通过压力按键去实现。比如有四个按键,只需要一颗传感器放在下面,无论按哪个键,用力后传感器获取形变,每个键都可以做个标定,触发它的形变量是多少,不到形变量就不触发,从而实现压力按键要求。

光电压力按键可以解决几个痛点,例如随着温度变化,一些结构件热胀冷缩,还有振动、标定问题,光就可以通过软件方式来解决这些问题。

第三个是手势唤醒。其原理与压力相同,压力是在内部的反射面去反射,手势是在距离15cm左右的水平,通过手去反射,实现手势功能和唤醒功能。通常手势功能可实现七个手势动作,七个手势动作是通过外挂三个红外LED,当手挥过去时,每个灯会发出光碰到手,再反射回去,根据发射时序不同,来判断手势的方向。

图源:Vishay

第四个是触摸开关。开车时开阅读灯很危险,这种情况下,我们就用触摸按键。一定要碰到传感器才会触发。摸上去触发开灯,再摸一次就关灯,大概的位置就行。包括氛围灯或其他的一些简单操控,都可以用该方式实现。为了操纵方便,也是为了安全。

我们还有一些红外遥控,坐在后排操作前排的功能,避免驾驶员操作造成安全问题。

Vishay光传感器方案

现在,车辆使用场景越来越多,内后视镜要防眩。例如夜晚开车时,大灯一照会很难受。现在,有了传感器后,会根据后面的光进行调整,通常是前面装一个传感器,后面装一个传感器,通过两颗传感器的差分来实现防眩功能。

外后视镜一方面会有盲区,另一方面风阻很高,我国国家标准号为GB15084-2022《机动车辆 间接视野装置 性能和安装要求》将于2023年7月实施,允许玻璃的后视镜换成电子后视镜(摄像头+监视器的组合)。如此一来,我们都会用到环境光传感器,太阳光下需要屏幕亮点,晚上需要暗点,这种变化需要传感器自动调整。

AR-HUD与环境是沉浸的,环境的颜色和亮度会覆盖它的显示,所以我们通常还会用RGB传感器,RGB发光时会有传感器去检测它的亮度。HUD是个显示,前面隐含着一个投影仪,有时候稍不注意,投影仪上放个物体在显示屏上就会显示一个黑斑,我们也会有一些传感器去检测投影仪上面是否有异物。包括调色玻璃,现在全景玻璃越来越多,玻璃也会显示颜色,太阳光大时自动变色,太阳光小时再调回来,通过环境光传感器去实现。

环境光传感器与我们人眼几乎完全吻合,如下图有两条线,一条线是人眼,之所是“红”“绿”灯,是因为这种光的波长是人眼识别力最强的。700 nm以上的红外和400 nm以下的紫外人眼都看不到。这颗传感器与人眼完全一样,优势在于现在路上很多红外监控灯,人眼看不到,传感器也看不到。

图源:Vishay

另外的一些功能包括灵敏度、温度补偿、动态调整等。动态调整就是根据环境光的亮度去调整响应的分辨率和范围。RGB除了环境亮度外,可以读到环境光的颜色、色温,还可以读到环境的光源特色,如自然光、LED灯、荧光灯、白炽灯等各种不同的灯。各种不同的灯光的色彩不同,所以我们拿到数据后,可以通过这些数据做些算法,去调整屏幕的显示。

Vishay雨量传感器模块与ADAS

雨量传感器的原理是:雨滴的大小会根据光反射到挡风玻璃,通常的放置位置位于后视镜挡风玻璃的位置,雨滴数量的不同会带来不同的反射量,根据反射量可以判断雨量大小,从而调整雨刷速度,这是通过光的方案。

同样太阳光角度检测,太阳光中有红外,普通光源红外较少。一般会用两颗或四颗传感器,通过感光大小来判断太阳光的角度,从而自动调整,驾驶位和副驾驶位的空调温度和风量。

还有亮度传感器方面,像大灯、仪表盘进入隧道时,会自动亮起,且根据环境光亮度自动调节显示器的亮度。

另一个功能是防起雾,现已应用于高端车。驾驶过程中,玻璃起雾会影响驾驶视野,存在安全隐患,防起雾功能可通过算法实现。温湿度传感器安装于雨量传感器模块上,智能算出挡风玻璃上是否有起雾,并进行除雾。

ADAS的疲劳驾驶原理是红外灯反射,摄像头到晚上时需要补光,红外补光既不干扰驾驶员,又可以捕捉到较好的场景。另外激光雷达用的也是反射型传感器,虽然只是元器件,但它检测的角度可精确到0.01度。

Vishay空气质量检测

空气质量检测主要应用在空调中。车辆空调有内循环和外循环,通常是自动切换,有了这颗器件后,即可监测车内PM2.5。原理和雨量模块相同,当出风口有灰尘、有颗粒时就会反射,通过发射反射去判断颗粒多少,以便切换内循环和外循环,如果外面环境较差,就内循环,否反之就外循环。若需要换滤芯也会及时通知用户。

此外我们还有非常实用的紫外线杀菌。由于空调滤芯潮湿,开空调后车内也是潮湿的,容易滋生细菌,再装一个紫外线就可以实现杀菌,调整温湿度。

在此,我只是简单的列举了一些案例。结合工程师们丰富的创造力和想象力,一定能开发出更多满足智能座舱便捷、安全、美观要求的产品。

(以上内容来自Vishay 光电产品资深市场部技术支持经理陆骁于2023年5月18日-19日在吉利2023智能汽车技术论坛发表的《光电子如何满足智能座舱对于安全性、操作便捷性以及美观性的需求》主题演讲。)

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