Датчик дождя и света — сложный, красивый и невидимый

Почему датчик дождя иногда "сходит с ума" и как машина вообще узнаёт, что идёт дождь?

Датчик, который реализует нам режимы "автодождь" и "автосвет", можно увидеть, отогнув салонное зеркло заднего вида вниз:

Это — вид от лобового стекла:

Точнее, это только задняя крышка датчика.
А вот сам датчик увидеть непросто. Если мы посмотрим на то же место снаружи машины, то ничего не увидим. Ну, блестит там какая-то точечка и всё:

И только поработв с выбором подсветки можно увидеть вот это:

Вот он, наш датчик дождя и света крупно

По первости кажется, что все эти шесть треугольников совершенно непрозрачны.
Но давайте совершим чудо: в темноте включим режим "автодождь" и посмотрим на лобовое стекло через камеру смартфона. Вот такую фотку я получил при первом "осмотре"

Дело в том, что камеры практически всех смартфонов имеют недостаток — они "видят" достаточно большую часть инфракрасного диапазона.
В данном случае это превращается в достоинство — мы можем обнаруживать работу ИК-светодиодов, на которых и построен датчик дождя.
Кстати, ловите лайфхак (кто раньше не знал): при помощи камеры смартфона можно проверять исправность любых ИК-источников. Например, не разрядились ли батарейки в пульте телевизора?

Повозившись с фокусировкой, удалось получить вот такие фото:

Красиво, а?

Ну, теперь от красивостей можно перейти к описанию работы. Как же датчик обнаруживает, что стекло грязное?
Вот схема его работы:

Круглое пятно в центре — это фотодатчик
Каждый из светодиодов по очереди включается. Оптическая система датчика устроена так, что лучи света отражаются от внешней поверхности стекла (точнее, от перехода "стекло/воздух") и отражаются обратно, попадая на фотодатчик. Если поверхность стекла сухая, то на фотодатчик приходит весь максимум излучённого света (правый LED на рисунке). Если же в месте отражения света на стекле есть вода, то часть света пройдёт сквозь стекло и уйдёт в каплю (левый LED на рисунке). Фотодиод получит света ощутимо меньше и выдаст сигнал "дождь".
Ну, а чтобы во лбу машины не светилась бы звезда, для датчика дождя выбрали ик-свет, невидимый глазом.
Светодиоды включаются по очереди несколько сот раз в секунду. Таким образом, мы имеем информацию о 6 направлениях, где могут быть капли дождя.
Таким образом, датчик реагирует не на дождь, а на любое загрязнение, которое вызовет отток ик-лучей на себя.
И именно поэтому датчик вполне можно заставить работать бесконтактно — посветите на него фонариком и он заработает, т.к. в спектре фонаря есть и ик-составляющая.
Датчик регирует и на снег тоже, хотя ощутимо слабее, — снег менее плотно прилегает к стеклу. Хотя для мокрого снега всё нормально. Ну, а сухой снег и сам на стекле не задержится.

Вот он датчик дождя отдельно. Для Т27 это "Rain sensor 89941-05030"

Запчасти на фото: 8994105030

Для Т25 это будет "Rain sensor 89941-05020". Внешне они отличаются положением блестящей линзы, расположенной сбоку от "шестицветика", ближе к ножке датчика, — датчику переднего света.
"Rain sensor 89941-05030"

"Rain sensor 89941-05020"

Подробности работы датчика дождя обсудим чуть позже, а пока рассмотрим датчики света.
Да-да, фактически, в этом изделии "Rain sensor 89941-05030" за ~20т.р находится 3 датчика: дождя, окружающего света и направленого света (света чужих и своих фар).

Блестящая линза — это "линзованный" фотодатчик, имеющий диаграмму направленности близкую к линзам фар ближнего света (front light). Он нужен, чтобы в режиме "автосвет" при засветке фарами встречного автомобиля автоматика не вырубила бы наш ближний свет, решив, что уже день.
А датчик рассеянного света (ambient light) нужен, чтобы понимать днём мы едем или ночью. И этим датчиком работает тот же самый фотодатчик в середине "шестилистника" в те моменты, когда на него не светит ни один из 6 датчиков.

Итак, датчик 89941-05030 выдаёт нам три информационных потока: о дожде, рассеянном свете и направленном на машину свете.
Комбинируя данные от обоих датчиков света (возможно, учитываются ещё и данные датчика Солнца) в режиме автосвет машина включает ближний свет когда темно, но не гасит его от фар встречных машин. Между прочим, тоже не совсем простая задача — реализовать такой алгоритм…
И это делает маленький датчик весьма сложным изделием. Возможно, это самый сложный датчик автомобиля.

Вот внутренности нашего датчика (автор фото указан на фото). Два немаленьких контроллерных чипа — и это в размерах небольшого датчика.

Вот структура контроллера обработки сигналов датчика света-дождя (взято из "Mitsubishi Motors Technical Review 2008-N20p99"), но у большинства машин она аналогична, тем более, что датчики производит не сама Тойота.

Для принятия решения о скорости дворников процессор машины кроме информации с датчика дождя учитывает:
— скорость автомобиля — ведь пролёт капель дождя на скорости совсем другой, нежели на остановке…
— температуру окружающей среды (срабатывание на снег — это ещё более сложная задача)
— необходимость блокировки сигнала датчика на время прохождения дворников по нему

Сам датчик рассчитывает:
— направления движения капель
— размер капель
— скорость движения капель

Почему датчик дождя иногда "сходит с ума" и начинает даже при небольшом дожде махать дворникам в полную силу?
По моим наблюдениям, это происходит, когда направление движения капель параллельны стеклу. Контроллер считает, что идёт сильнейший ливень, поскольку вода на датчике есть всегда, сколько не маши дворниками.
Да, наверное, это недостаток программы датчика. Но попробуйте сами придумать алгоритм как определить силу дождя, имея только информацию о 6 дождевых лепестках.

О сложности задачи может дать представление, например, вот эта статья в Fujitsu Ten Tech Jorn 1989 No2 Automatic Wiper Controller Using Optical Rain Sensor

Для тех, кому интересны подробности про наш датчик:
Вот схема нашего контроллера дворников:

Датчик дождя света связан с контроллером всего 3 линиями:
ES — общий
SIG (selectid ignition) — питание
MPX — шина передачи данных по протоколу BEAN (Toyota Body Electronics Area Network). Описание шины можно посмотреть, например, здесь:
Toyota Body Electronics Area Network (BEAN)