基于車路協(xié)同的車燈自適應控制數(shù)學模型研究

胡穎，黎曉健

(武漢理工大學能源與動力工程學院，湖北武漢430063)

0 引言

自2003年開始，我國汽車保有量呈明顯上升狀態(tài)，道路上車輛數(shù)量和類型的迅速增加，也帶來了交通事故數(shù)量不斷增加的困擾。尤其在夜間照明不足，存在視野盲區(qū)的路段，更是交通事故的高發(fā)區(qū)域。如果事前對于可能發(fā)生交通事故的路段，將道路信息提前告知車輛，便能在很大程度上提高駕駛的安全系數(shù)。因而車路協(xié)同通訊的技術(shù)，已成為智能交通系統(tǒng)當中備受矚目的發(fā)展趨勢之一。

1 研究背景

車路協(xié)同技術(shù)是目前智能交通領(lǐng)域新興的技術(shù)，它通過通訊技術(shù)和自動化控制技術(shù)實現(xiàn)道路信息在車載裝置和路側(cè)設(shè)備之間的智能協(xié)同和配合，以提高道路交通的安全性。

車路協(xié)同技術(shù)包括2個部分:

(1)將車載終端控制與車輛設(shè)備等連接起來，實現(xiàn)智能化監(jiān)控和管理;

(2)用無線通訊技術(shù)把車載終端與外部網(wǎng)絡連接起來，實現(xiàn)車輛外部設(shè)施之間的信息交換。

2 研究目的

現(xiàn)有汽車自適應前照大燈系統(tǒng)，可以總體分為普通AFS車燈和全功能AFS車燈。普通AFS車燈主要是基于方向盤轉(zhuǎn)角信息控制燈具偏轉(zhuǎn)角度，即車燈控制有駕駛?cè)藛T參與，很難起到預見作用和精確控制。全功能AFS車燈相比之下減少了系統(tǒng)控制過程中的人為因素，更多地依賴于加裝在車輛上的大量傳感器采集的環(huán)境信息，車輛在不同路段和環(huán)境下行駛時，難以保證實時工況與設(shè)計工況相吻合，而傳感器的增加既降低了系統(tǒng)的可靠性又提高裝置的成本。

3 研究方案

基于對車路協(xié)同和自適應車燈控制的討論，我們可以發(fā)現(xiàn)，如果將兩者結(jié)合在一起，即利用車路協(xié)同通訊技術(shù)實時控制前照大燈的偏轉(zhuǎn)，不僅能夠使車燈先于駕駛者動作，為駕駛者贏得了“預警時間”，而且能避免普通AFS車燈控制不精確和全功能AFS價格昂貴可靠性不佳的弊端。

3.1 基本原理

將道路信息預先存儲于路側(cè)設(shè)備中，當車輛行駛至彎道緩沖區(qū)時，車載信息接收模塊采集當前路段實時信息，即建議最佳入彎角度，車載AFS控制模塊運行相應程序控制前照大燈按預定角度動作，如圖1所示。

3.2 原理框圖

車載信息接收模塊根據(jù)路側(cè)設(shè)備發(fā)送的前方彎道信息，提取最佳入彎燈光角度。同時方向盤轉(zhuǎn)角傳感器輸出的脈沖信號，由相應算法可得另一燈光偏轉(zhuǎn)角度。車燈控制單元比較上述兩個角度，將其中的較大值輸出，其信號經(jīng)功率放大器放大以驅(qū)動步進電機實現(xiàn)車燈偏轉(zhuǎn)［1］，如圖2所示。

4 角度控制計算模型

由路側(cè)設(shè)備直接發(fā)送轉(zhuǎn)角信息，車輛只需要依照規(guī)定的程序控制相應部件，不僅使得車載信息接收終端結(jié)構(gòu)簡化，也避免了復雜的程序在車載ECU中執(zhí)行，提高了系統(tǒng)的反應速度。

那么，路側(cè)設(shè)備中事先錄入的轉(zhuǎn)動角度值就是關(guān)鍵，由于方向盤控制的車燈轉(zhuǎn)角的數(shù)學模型與現(xiàn)有的AFS系統(tǒng)類似，在此不做闡述。這里只對路側(cè)設(shè)備發(fā)送的車燈轉(zhuǎn)向角數(shù)學模型進行探究。路側(cè)設(shè)備發(fā)送的車燈偏轉(zhuǎn)角數(shù)學模型是基于汽車駕駛安全，結(jié)合傳感器和微控制技術(shù)以及現(xiàn)行的交通法規(guī)和道路勘探設(shè)計基礎(chǔ)而建立的。

4.1 車燈轉(zhuǎn)角模型

根據(jù)汽車車燈工作的基本原理，當汽車在夜間轉(zhuǎn)彎行駛時，從車燈發(fā)射出來的光束與汽車的擬行駛軌跡 (以汽車當前轉(zhuǎn)彎半徑所作的過當前位置點的一段圓弧)相割，為便于討論，將汽車擬行駛軌跡與光軸相割形成的劣弧的長度定義為彎道幾何照明距離［2］。

停車視距是根據(jù)交通道路相關(guān)規(guī)定，按照一定的公路等級給出的安全停車距離，可分解為反應距離和制動距離兩部分。

a為制動減速度，m/s2;

ψ為道路阻力系數(shù);

φ為路面與輪胎間的附著系數(shù)。

為保證行車安全，φ值以潮濕路面計算。

行駛速度v:設(shè)計速度為120～80 km/h時，行駛速度采用設(shè)計速度的85%;60～40 km/h時，行駛速度采用設(shè)計速度的90%;30～20 km/h時，行駛速度采用設(shè)計速度。

4.2 角度確定

由于停車視距大于制動距離，因此，選擇停車視距作為汽車車燈的彎道幾何照明距離，安全性更高。

由圓的弦切角以及弧長與其所對應的圓心角的關(guān)系，可得出在轉(zhuǎn)彎時汽車車燈彎道幾何照明距離與汽車轉(zhuǎn)彎半徑幾何關(guān)系，如圖3所示。

圖中s表示汽車車燈的光軸與汽車擬行駛軌跡的交點到汽車前端的距離，m;s'表示汽車車燈的彎道幾何照明距離，m;R表示汽車轉(zhuǎn)彎半徑，m;θ表示汽車AFS車燈的轉(zhuǎn)角，(°)?？傻玫狡囓嚐舻霓D(zhuǎn)角:

用優(yōu)化距離替代上式中的s'。則各級公路所對應的汽車車燈偏轉(zhuǎn)角如表1所示。

表1 各級公路汽車車燈偏轉(zhuǎn)角

針對各級公路［3］，可以將汽車車燈的偏轉(zhuǎn)角信息儲存到路側(cè)設(shè)備中，當汽車通過道路彎道緩沖區(qū)時路側(cè)設(shè)備將信息發(fā)送給車載信息接收模塊，從而實現(xiàn)汽車車燈的主動偏轉(zhuǎn)，提高夜間彎道交通的安全性。

5 結(jié)束語

通過對基于車路協(xié)同的汽車車燈自適應控制系統(tǒng)中路側(cè)設(shè)備發(fā)送的車燈偏轉(zhuǎn)角進行研究，可以得出，可以利用車路協(xié)同信息改進現(xiàn)有汽車車燈控制系統(tǒng)，提高車燈自適應控制的精度，同時實現(xiàn)車燈智能化控制，保證了行車安全。

【1】李輝，張曉光，高頂.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡在礦井安全監(jiān)測中的應用［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2008(4):33－35.

【2】王維鋒，吳青，呂植勇，初秀民.基于彎道模式的自適應前照燈控制建模及仿真［J］.武漢理工大學學報，2009(9):70－71.

【3】楊少偉.道路勘測設(shè)計［M］.北京:人民交通出版社，2009.