汽車自適應(yīng)前照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

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摘要：主要討論汽車自適應(yīng)前照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究。在對(duì)AFS系統(tǒng)現(xiàn)狀及相關(guān)法規(guī)對(duì)AFS的規(guī)定進(jìn)行分析說(shuō)明的基礎(chǔ)上，闡述了在C、V、E、W幾種不同照明條件下的試驗(yàn)方法以及配光要求，以汽車前照燈照明需求為依據(jù)完成了自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)控制模型的構(gòu)建，并在此基礎(chǔ)上完成了一種自適應(yīng)前照燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明該控制模型具有較高的控制精度，可有效滿足車輛對(duì)自適應(yīng)前照明系統(tǒng)的控制需求。

關(guān)鍵詞：汽車前照燈；照明系統(tǒng)；設(shè)計(jì)分析；控制模型

引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，在人們生活水平逐漸提高的基礎(chǔ)上，汽車的保有量在呈不斷上升的趨勢(shì)，導(dǎo)致交通環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，交通事故頻頻發(fā)生，直接影響到人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。在眾多的交通事故中，夜間行駛汽車很容易由于光線問(wèn)題而發(fā)生交通事故，而光照主要由汽車前照燈所負(fù)責(zé)，在路況比較復(fù)雜的狀態(tài)下，傳統(tǒng)的汽車前照燈設(shè)計(jì)還不能夠完全滿足汽車的安全行駛。如何設(shè)計(jì)并完善汽車前照明系統(tǒng)以提高駕駛的舒適性和安全性仍然是目前研究的重點(diǎn)之一［1］。為此本文主要對(duì)汽車前照燈自適應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

1需求分析

安全是車輛行駛過(guò)程中的首要需求，一個(gè)先進(jìn)、有效的前照燈已經(jīng)成為保證駕駛?cè)巳松戆踩捌嚢踩谋匾疤?，隨著交通環(huán)境的日益復(fù)雜多變，傳統(tǒng)的汽車前照燈必須進(jìn)行優(yōu)化與完善，從而產(chǎn)生了可以對(duì)汽車行駛狀況自動(dòng)匹配的新型前照燈，在現(xiàn)今技術(shù)的支撐下使汽車的安全系數(shù)得到顯著提升。汽車自適應(yīng)前照燈可以根據(jù)車輛運(yùn)行參數(shù)，對(duì)光線進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，滿足駕駛員夜間行駛的安全需求，在確保汽車夜間行車安全方面起到重要作用。汽車自適應(yīng)前照燈相關(guān)研究已經(jīng)取得了一定的成果，根據(jù)模型種類的不同，自適應(yīng)前照燈控制研究可以分為關(guān)系模型，主要以前照燈轉(zhuǎn)角和車輛運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行建立。通過(guò)微型相機(jī)對(duì)路況進(jìn)行分析，對(duì)光照進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整2類；根據(jù)不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為：通過(guò)步進(jìn)／直流電機(jī)對(duì)車燈旋轉(zhuǎn)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)、通過(guò)數(shù)字反光鏡陣列的使用改變光型、通過(guò)LED陣列調(diào)整光型3類。目前的研究主要以汽車自適應(yīng)前照燈控制策略為主，缺少對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的研究及對(duì)應(yīng)的實(shí)際設(shè)計(jì)和驗(yàn)證［1］。在環(huán)境惡劣或夜間行駛的車輛，自適應(yīng)前照燈能夠起到一定的安全保障作用，為此本文從系統(tǒng)整體角度出發(fā)，結(jié)合照明的舒適性以前照燈照明需求為依據(jù)（包括照明范圍與強(qiáng)度），完成了一種自適應(yīng)前照燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（基于車輛運(yùn)動(dòng)參數(shù)），可有效提高控制效果。

2汽車自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)照明模式及配光試驗(yàn)

本次研究的汽車自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)主要由執(zhí)行器、傳感器組、CAN總線和控制單元ECU構(gòu)成，汽車行駛過(guò)程中一旦遇到路面凸凹不平或轉(zhuǎn)彎時(shí)，控制單元ECU會(huì)通過(guò)傳感器對(duì)車輛的車速信息、轉(zhuǎn)角信息、傾斜程度等相關(guān)信息進(jìn)行收集，根據(jù)所收集到的信息來(lái)相應(yīng)的判斷并且進(jìn)入燈光調(diào)試執(zhí)行階段。

2．1自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)照明模式

（1）鄉(xiāng)村照明模式（C），該類照明模式采用較普遍，在本質(zhì)上同常見(jiàn)的近光燈類似，該模式常在鄉(xiāng)間道路行駛中使用。（2）高速公路照明模式（E），由于汽車在告訴上行駛速度比較快，導(dǎo)致駕駛員的反應(yīng)時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，對(duì)前照燈性能的要求較高。而自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)的照明光線具備長(zhǎng)遠(yuǎn)且寬廣的優(yōu)勢(shì)，所以在高速行駛過(guò)程中也不叫適合。（3）城市道理照明模式（V），在城市交通中，交通狀況比較復(fù)雜，相對(duì)于鄉(xiāng)村道路來(lái)講，城市路面照明更加完善，汽車自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)能夠有效滿足行車復(fù)雜性及限制車速情況下的照明需求，對(duì)駕駛員來(lái)說(shuō)，范圍廣光線足的前照燈可為駕駛員提供足夠的視野，同時(shí)有效避免了眩光等的影響。（4）惡劣天氣照明模式（W），該模式主要運(yùn)用于雨雪天氣，視線狀況不佳的情況或者道路上有雨水沉積，由于路面積水會(huì)形成光線反射，所以很容易影響駕駛員視線，難以及時(shí)分清路面狀況，易引發(fā)交通事故，AFS系統(tǒng)能夠產(chǎn)生特殊的光針可有效緩解積水反射導(dǎo)致的光眩感。（5）彎道照明模式（T），AFS的前照燈可根據(jù)汽車方向的變動(dòng)情況發(fā)生改變，進(jìn)而能夠有效清除視野盲區(qū)，經(jīng)過(guò)彎道時(shí)通過(guò)傳感器收集的數(shù)據(jù)完成對(duì)相關(guān)近光燈和其它燈光的控制（如補(bǔ)充執(zhí)行光線），達(dá)到預(yù)期照明效果［2］。

2．2配光要求及試驗(yàn)

針對(duì)自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)，本文主要針對(duì)不同近光的配光方法及環(huán)節(jié)進(jìn)行了研究，（1）配光試驗(yàn)設(shè)備，本文選用了全自動(dòng)燈具配光分析系統(tǒng)GO－H1400，在對(duì)系統(tǒng)測(cè)試時(shí)可以將燈具放在轉(zhuǎn)臺(tái)上，保證監(jiān)測(cè)360度無(wú)死角，工控機(jī)接收到由照度傳感器采集的信息后據(jù)此實(shí)現(xiàn)燈具角度、電源等的調(diào)整過(guò)程。（2）配光測(cè)試要求，以ECER123／01的配光試驗(yàn)屏幕圖為例，如圖1所示。圖1近光配光屏幕為確保測(cè)量范圍的精準(zhǔn)，測(cè)量點(diǎn)與測(cè)量線存在一定的差異。不同級(jí)別的近光通常對(duì)應(yīng)不同配光要求：基礎(chǔ)近光（c光），不同于其它的近光如v級(jí)近光，該光多出現(xiàn)在城市道路中。車輛多行駛于具有照明設(shè)備的區(qū)域道路上，車速通常小于等于60千米／h；對(duì)比E級(jí)近光，這種近光大多會(huì)出現(xiàn)在高速公路上，而且車速會(huì)大于70千米／h。對(duì)比W級(jí)近光，該近光主要適用于雨天，對(duì)于75R和Emax要求更嚴(yán)格，確保對(duì)駕駛?cè)藛T帶來(lái)最小的影響。在對(duì)不同級(jí)別的近光進(jìn)行調(diào)整時(shí)，前照燈主要由步進(jìn)電機(jī)和光學(xué)投射單元兩部分構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)燈具角度的360度旋轉(zhuǎn)［3］。

2．3配光測(cè)試流程

在進(jìn)行測(cè)量時(shí)需要結(jié)合彎道照明模式的類型來(lái)確定模式，對(duì)最大照度進(jìn)行測(cè)量，如表1所示。然后與表1進(jìn)行測(cè)量結(jié)果對(duì)比，對(duì)光的明暗是否符合要求進(jìn)行判斷。（1）燈具照準(zhǔn)，先將燈具放置在轉(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行照準(zhǔn)，當(dāng)燈具的基準(zhǔn)中心與轉(zhuǎn)臺(tái)相對(duì)應(yīng)后在進(jìn)行固定，為了確保對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確收集，投射是要對(duì)準(zhǔn)基準(zhǔn)部位，當(dāng)一次信息采集完成之后再進(jìn)行下一次采集，然后與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)束該流程。（2）近光明暗截止線的照準(zhǔn)要求，先將系統(tǒng)設(shè)置為c級(jí)近光，確保截止線的左側(cè)和右側(cè)分別表現(xiàn)為平直部分和肘扁部分；垂直校準(zhǔn)，將H－H固定為下部25mm，由截止線定位該位置；然后進(jìn)行水平校準(zhǔn)。完成配光校準(zhǔn)流程結(jié)后開(kāi)始對(duì)測(cè)試程序進(jìn)行編寫(xiě)，測(cè)試程序主要由范圍、線、點(diǎn)三個(gè)配光值構(gòu)成，AFS前照燈測(cè)定數(shù)量時(shí)按照套進(jìn)行（即數(shù)量可以為4），測(cè)量前照燈時(shí)需遵循標(biāo)準(zhǔn)微：分別測(cè)量適用該照明功能／模式的全部照明單元，最終測(cè)試結(jié)果只需取平均值。軟件測(cè)試分為全屏掃描、完全呈現(xiàn)各單元的可照角度兩個(gè)環(huán)節(jié)，采用軟件完成各出現(xiàn)點(diǎn)的配光值的計(jì)算（結(jié)果通常為擬合值）。檢測(cè)系統(tǒng)某個(gè)部件光源時(shí)需保證兩側(cè)電壓達(dá)到12伏，實(shí)際測(cè)量時(shí)不可偏離數(shù)值太多（及時(shí)對(duì)個(gè)別系數(shù)做調(diào)整）。在測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值存在較大差異的狀況下，需要對(duì)燈具進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于無(wú)法更換的光源需采用標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)定電壓［4］。

3汽車自適應(yīng)前照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3．1汽車自適應(yīng)前照明系統(tǒng)控制模型

（1）控制算法駕駛員在實(shí)際交通環(huán)境中需要一定的反應(yīng)時(shí)間（由T0表示，本文T0取值為3s），以避免意外情況的發(fā)生，即車燈能照亮3s內(nèi)走過(guò)的距離。轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)大燈轉(zhuǎn)向角及轉(zhuǎn)向外側(cè)大燈轉(zhuǎn)向角的表達(dá)式分別如下。假設(shè)，轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)與外側(cè)大燈轉(zhuǎn)向角分別用β、β′表示，車輛前后軸間距離由L表示，f表示偏轉(zhuǎn)系數(shù)，K表示穩(wěn)定性因數(shù)，T0表示提前照明時(shí)間，由θ來(lái)表示方向盤(pán)轉(zhuǎn)角，由h表示轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比，由k1、k2表示前后輪的側(cè)偏剛度，由L1、L2代表質(zhì)心到前后軸的距離，車燈光軸與地面之間的高度用H表示，車輛轉(zhuǎn)彎半徑表達(dá)式如下［6］。（2）系統(tǒng)開(kāi)關(guān)條件轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)到某一角度時(shí)通常以此位置為中心左右波動(dòng)，需系統(tǒng)功能的開(kāi)關(guān)具有滯回特性，從而有效克服由方向盤(pán)微小波動(dòng)導(dǎo)致的系統(tǒng)頻繁開(kāi)關(guān)，本文選取的系統(tǒng)開(kāi)、關(guān)條件為：開(kāi)啟速度＞8Km／h，關(guān)閉速度＜6Km／h，開(kāi)啟方向盤(pán)轉(zhuǎn)角大于7°，關(guān)閉方向盤(pán)轉(zhuǎn)角小于5°，開(kāi)啟傾角大于0．3，關(guān)閉傾角小于0．2，水平方向旋轉(zhuǎn)最小角度大于0．1°，垂直方向旋轉(zhuǎn)最小角度大于0／05°。

3．2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3．2．1硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件主要由傳感單元（包括速度、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、車身前后軸高度等傳感器）、ECU和執(zhí)行3個(gè)單元構(gòu)成，如果采用大功率的點(diǎn)擊驅(qū)動(dòng)模塊很容易對(duì)系統(tǒng)總線造成破壞，因此將驅(qū)動(dòng)板和主控板分開(kāi)并使用CAN網(wǎng)絡(luò)交換信息，以確保系統(tǒng)總線的安全?？刂葡到y(tǒng)先對(duì)參數(shù)進(jìn)行初始化，根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)（通過(guò)主CAN網(wǎng)絡(luò)）獲取車輛運(yùn)行參數(shù)，再由ECU將計(jì)算獲取的前照燈轉(zhuǎn)角發(fā)送到次CAN網(wǎng)絡(luò)，驅(qū)動(dòng)控制器會(huì)通過(guò)閉環(huán)的方式，使前照燈到達(dá)指定位置。（1）ECU模塊設(shè)計(jì)，主控板由MCU最小系統(tǒng)、CAN收發(fā)、電源等模塊構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)板主要由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、MCU最小系統(tǒng)、CAN收發(fā)、電源、系統(tǒng)保護(hù)等模塊構(gòu)成。將TLE4270作為電源模塊，CAN收發(fā)采用TJA1050，分別采用MC9S12XET和MC9S08DZ60作為主控板和驅(qū)動(dòng)板的MCU，選用能實(shí)現(xiàn)故障編碼化的L9935作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。（2）系統(tǒng)失效保護(hù)電路，在汽車實(shí)際工作環(huán)境中，系統(tǒng)電源異常、步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的異常、采集數(shù)據(jù)失效2類是比較常見(jiàn)的系統(tǒng)失效形式。系統(tǒng)失效保護(hù)電路可以對(duì)電源反接造成的損害進(jìn)行阻止，使用能夠檢測(cè)異常情況的驅(qū)動(dòng)芯片L9935可有效解決步進(jìn)電機(jī)過(guò)載、過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱等突發(fā)狀況，L9935可向MCU發(fā)送錯(cuò)誤編碼（通過(guò)SPI總線）。采用反饋方法減小累積誤差［7］。

3．2．2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主控板軟件主要由CAN總線自檢、系統(tǒng)初始化、傳感器信號(hào)采集、轉(zhuǎn)角計(jì)算和發(fā)送幾個(gè)模塊構(gòu)成，先檢測(cè)系統(tǒng)及CAN總線，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障情況下向儀表盤(pán)發(fā)送故障代碼，系統(tǒng)正常工作情況下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化處理后進(jìn)入信號(hào)采集狀態(tài)，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、車輛前后軸高度、速度的采集過(guò)程一致，通過(guò)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)采集時(shí)間的限制能夠有效避免數(shù)據(jù)采集失敗造成的系統(tǒng)持續(xù)等待問(wèn)題；通過(guò)控制模型根據(jù)采集到的經(jīng)驗(yàn)證無(wú)誤的傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)前照燈轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行計(jì)算，然后通過(guò)CAN總線發(fā)送到驅(qū)動(dòng)板，同時(shí)接收驅(qū)動(dòng)板反饋信號(hào)，驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)前照燈到指定位置。

3．3系統(tǒng)驗(yàn)證與評(píng)估

本文采用基于虛擬場(chǎng)景的驗(yàn)證平臺(tái)對(duì)自適應(yīng)前照燈控制系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估，通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)轉(zhuǎn)角的理論值和實(shí)際值間的誤差評(píng)估控制精度，由虛擬交通場(chǎng)景系統(tǒng)和信號(hào)輸入系統(tǒng)構(gòu)成控制策略評(píng)估平臺(tái)，虛擬車輛以輸入的信號(hào)為依據(jù)在虛擬道路上進(jìn)行行駛，由外部控制器輸出對(duì)虛擬車輛的燈光偏轉(zhuǎn)進(jìn)行控制；對(duì)比系統(tǒng)轉(zhuǎn)角的理論值和實(shí)際值間的誤差同系統(tǒng)性能指標(biāo)要求間的差距測(cè)試汽車隨動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)精度。水平方向轉(zhuǎn)角試驗(yàn)結(jié)果（左轉(zhuǎn)彎時(shí)左燈的測(cè)試數(shù)據(jù)），如表2所示。測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)最大轉(zhuǎn)向誤差不超過(guò)0．15°，實(shí)際轉(zhuǎn)角同理論轉(zhuǎn)角基本相符，符合技術(shù)參數(shù)要求［8］。

4總結(jié)

隨著汽車前照燈相關(guān)技術(shù)研究的深入，汽車自適應(yīng)前照明技術(shù)逐漸發(fā)展完善起來(lái)，本文在介紹了不同照明條件下的試驗(yàn)方法以及配光要求的基礎(chǔ)上，主要完成了自適應(yīng)照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，建立起車輛運(yùn)動(dòng)參數(shù)同前照燈轉(zhuǎn)角間的關(guān)系，給出了一種針對(duì)前照燈自適應(yīng)控制策略的評(píng)估平臺(tái)（基于虛擬場(chǎng)景），并通過(guò)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)控制精度驗(yàn)證平臺(tái)驗(yàn)證了該自適應(yīng)前照燈控制系統(tǒng)的實(shí)用性，可有效滿足汽車在光照不足情況下的安全行駛需求。

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作者：韓風(fēng) 單位：青海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院