基于壓電換能器的超聲波鏡頭清潔技術(shù)

攝像頭和傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以使用德州儀器（TI）的超聲波鏡頭清潔（ULC）技術(shù)打造面向汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用的可靠且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的小型清潔系統(tǒng)。

過(guò)去，去除攝像頭上的污染物需要通過(guò)手動(dòng)方式進(jìn)行清潔，但是這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)及更高的維護(hù)成本；或者通過(guò)增加機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化清潔，但是這會(huì)造成系統(tǒng)的復(fù)雜性上升和可靠性下降。

超聲波鏡頭清潔系統(tǒng)可以使用高頻機(jī)械振動(dòng)來(lái)快速產(chǎn)熱并將冰融化為水，然后可以通過(guò)自動(dòng)感應(yīng)水滴并通過(guò)振動(dòng)將其霧化，從而持續(xù)清除攝像頭上的雨水。

借助合適的算法和機(jī)械設(shè)計(jì)，這些系統(tǒng)還可以清除灰塵、泥漿，甚至是附著的昆蟲(chóng)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，德州儀器（TI）正式發(fā)布了采用超聲波鏡頭清潔（Ultrasonic Lens Cleaning，ULC）技術(shù)的專(zhuān)用芯片組：ULC1001數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）及配套的DRV2901壓電換能器驅(qū)動(dòng)器，借助德州儀器的集成解決方案可以減小清潔系統(tǒng)尺寸和降低系統(tǒng)復(fù)雜性，并使得攝像頭和傳感器系統(tǒng)能夠快速檢測(cè)并使用微小振動(dòng)去除水、冰和污垢等。

玻璃、硅和聚碳酸酯鏡頭蓋（lens cover）都有各自的固有頻率，而其固有頻率的大小因各自的形狀和厚度而異。

對(duì)鏡頭蓋以其各自的固有頻率施加超聲波激勵(lì)，會(huì)使其產(chǎn)生共振效果。

使用壓電換能器和先進(jìn)的半導(dǎo)體芯片以特殊模式精確地施加超聲波激勵(lì)，可以有效地使鏡頭蓋表面的水、污垢和其他污染物脫落。

高頻電流施加于壓電換能器并使其產(chǎn)生高頻振動(dòng)，進(jìn)而在空氣中激發(fā)出超聲波，以使攝像頭鏡頭蓋在超聲波的激勵(lì)下產(chǎn)生共振，最終達(dá)到清除鏡頭蓋上的污垢、冰和水的目的。

通常，鏡頭蓋振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生約10微米的位移，此動(dòng)畫(huà)中為方便演示，呈現(xiàn)了放大后的效果。

超聲波鏡頭清潔技術(shù)的演示效果

德州儀器的全新超聲波鏡頭清潔芯片組采用一種專(zhuān)有技術(shù)，能夠讓攝像頭可以使用精確控制的振動(dòng)快速自行清除污染物，從而提高系統(tǒng)精度并減少維護(hù)要求。

該芯片組為攝像頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了一種可靠、緊湊且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的方案，以在各種攝像頭應(yīng)用（例如熱成像攝像頭、交通監(jiān)控?cái)z像頭、機(jī)器視覺(jué)攝像頭、無(wú)線安防攝像頭、無(wú)人機(jī)視覺(jué)攝像頭、汽車(chē)激光雷達(dá)，甚至是內(nèi)窺鏡）中使用超聲波鏡頭清潔技術(shù)。

基于超聲波鏡頭清潔技術(shù)的攝像頭設(shè)計(jì)

ULC1001數(shù)字信號(hào)處理器集成了脈寬調(diào)制器、電流和電壓檢測(cè)放大器以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并融合了用于自動(dòng)感應(yīng)、清潔、溫度和故障檢測(cè)的專(zhuān)有算法，使得超聲波鏡頭清潔技術(shù)適應(yīng)性超強(qiáng)，可滿足各種攝像頭的設(shè)計(jì)需求。該芯片組的小巧外形使其有可能改進(jìn)各種應(yīng)用中的機(jī)器視覺(jué)和其它傳感功能。ULC1001采用4.5mm x 4.5mm、32引腳HotRod QFN封裝，現(xiàn)已開(kāi)始量產(chǎn)。

ULC1001數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）

ULC1001功能框圖

DRV2901是一款具有寬電源電壓、用于超聲波清洗的單通道PWM輸入壓電換能器驅(qū)動(dòng)器，其具有一個(gè)片上集成創(chuàng)新保護(hù)系統(tǒng)，可保護(hù)器件免受可能損壞系統(tǒng)的各種故障條件（例如短路保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、欠壓保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)）的影響。DRV2901采用14.0mm x 6.1mm、44引腳HTSSOP封裝，現(xiàn)已量產(chǎn)上市。

DRV2901壓電換能器驅(qū)動(dòng)器

DRV2901功能框圖

ULC1001與配套DRV2901壓電換能器驅(qū)動(dòng)器一起使用，可在印刷電路板尺寸小于25mm x 15mm的緊湊型封裝中實(shí)現(xiàn)超聲波鏡頭清潔技術(shù)，從而減少物料清單，同時(shí)提供比分立式方案更多的功能。

此外，德州儀器還發(fā)布了一款超聲波鏡頭清洗評(píng)估模塊：ULC1001-DRV290XEVM，其中包括ULC1001可配置DSP控制器和DRV2901壓電換能器驅(qū)動(dòng)器的雙芯片解決方案。兩者協(xié)同工作，提供溫度檢測(cè)、鏡頭故障檢測(cè)和污染物檢測(cè)等多種功能，能夠?qū)崿F(xiàn)攝像頭和傳感器系統(tǒng)的自動(dòng)化清潔。該評(píng)估模塊提供了超聲波鏡頭清洗系統(tǒng)的電氣部分，但不包含鏡頭系統(tǒng)。

德州儀器產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)工程師Avi Yashar說(shuō)：“我們的超聲波鏡頭清潔技術(shù)可以讓廣泛的攝像頭和傳感器系統(tǒng)自清潔成為現(xiàn)實(shí)?，F(xiàn)有的自清潔方法成本高昂且不切實(shí)際，需要復(fù)雜的機(jī)械和電子裝置及大量處理工作，以檢測(cè)污染物和執(zhí)行清潔。隨著從汽車(chē)攝像頭到智慧城市和智能制造的各種應(yīng)用不斷發(fā)展，攝像頭數(shù)量也與日俱增，人們迫切需要一種簡(jiǎn)單而經(jīng)濟(jì)高效的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)自清潔攝像頭。”

TechInsights全球汽車(chē)業(yè)務(wù)高級(jí)分析師Edward Sanchez說(shuō)：“隨著高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）變得越來(lái)越復(fù)雜，讓傳感器系統(tǒng)始終保持在正常運(yùn)行狀態(tài)變得比以往更加重要。如果攝像頭上有污垢或異物，這對(duì)于依賴(lài)高度精準(zhǔn)的成像和傳感器數(shù)據(jù)的車(chē)輛來(lái)說(shuō)，則成為至關(guān)重要的功能和安全問(wèn)題。這很快將成為ADAS和自動(dòng)駕駛（AD）領(lǐng)域的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，而德州儀器的超聲波鏡頭清潔技術(shù)將以切實(shí)可行的方法解決該問(wèn)題?！?/p>

審核編輯：劉清