面向配光特性的汽車AFS動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)角數(shù)學(xué)模型研究*

李禮夫 楊明俊

（華南理工大學(xué)）

面向配光特性的汽車AFS動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)角數(shù)學(xué)模型研究*

李禮夫 楊明俊

（華南理工大學(xué)）

針對(duì)常用的汽車自適應(yīng)前照燈（AFS）轉(zhuǎn)角數(shù)學(xué)模型存在的問題，對(duì)汽車車身側(cè)傾角與轉(zhuǎn)彎半徑及車速之間關(guān)系進(jìn)行研究，建立面向配光特性的汽車AFS動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)角數(shù)學(xué)模型，通過AFS的二維轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)側(cè)傾后AFS照射方向進(jìn)行修正。結(jié)果表明，與常用的AFS轉(zhuǎn)角數(shù)學(xué)模型相比，AFS動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)角數(shù)學(xué)模型求得的前照燈轉(zhuǎn)角在yz平面上補(bǔ)償角αx(t)最大達(dá)0.7°，占yz平面上設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)角度的28%，解決了側(cè)傾后常用的AFS配光特性難以達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB4599-2007要求的問題。

1 前言

反映汽車車速、轉(zhuǎn)彎半徑、配光性能與前照燈轉(zhuǎn)角之間關(guān)系的汽車自適應(yīng)前照燈（AFS）轉(zhuǎn)角模型是AFS的關(guān)鍵技術(shù)之一。然而，由于未考慮汽車轉(zhuǎn)彎過程中的車身側(cè)傾現(xiàn)象，使其存在AFS配光特性難以達(dá)到前照燈國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB4599-2007[1]要求的問題，特別是側(cè)傾后導(dǎo)致防眩點(diǎn)B50L處的照度值過高。為此，提出面向配光特性的AFS動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)角數(shù)學(xué)模型，以提高汽車夜間行駛安全性。

2 面向配光特性的AFS動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)角數(shù)學(xué)模型

2.1 前照燈近光配光性能要求

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB4599-2007要求，AFS在配光屏幕上的近光配光光型應(yīng)具有如圖1所示特性。

標(biāo)準(zhǔn)汽車前照燈配光性能要求是保證車輛在行駛時(shí)有足夠的道路照明，同時(shí)不能給相對(duì)行駛的車輛駕駛員造成眩目。圖1中B50L點(diǎn)稱為防眩點(diǎn)，用以表示距前照燈50 m處迎面而來的車輛駕駛員眼睛的位置。Ⅲ區(qū)稱為防眩區(qū)，表明前照燈的眩目情況[2]。其中，AFS光源和光學(xué)透鏡主要決定了配光特性的形狀和光照度，車燈左、右光源基準(zhǔn)中心的相互位置關(guān)系影響配光特性的行駛照明空間分布。

2.2 汽車AFS動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)角模型建立

設(shè)汽車AFS坐標(biāo)系為圖2所示的∑oxyz，其中，靜止?fàn)顟B(tài)下的汽車AFS左、右前照燈基準(zhǔn)中心連線的中點(diǎn)為該坐標(biāo)系的原點(diǎn)o，x軸正向設(shè)為平行于地面的駕駛員右側(cè)，y軸正向設(shè)為車輛前進(jìn)方向，z軸垂直地面向上。

圖2中，Cl（-Lc/2，0，0）、Cr（Lc/2，0，0）分別為靜止?fàn)顟B(tài)下左、右前照燈的基準(zhǔn)中心，兩者之間距離為L(zhǎng)c，而L2為包含左、右前照燈基準(zhǔn)中心的xoz平面至配光屏幕的距離。Clp（-Lc/2，L2，0）、Crp（Lc/2，L2，0）分別為靜止?fàn)顟B(tài)下左、右前照燈基準(zhǔn)中心光束在配光屏幕上的對(duì)應(yīng)光斑點(diǎn)。在∑oxyz坐標(biāo)系下，汽車AFS的轉(zhuǎn)彎行駛轉(zhuǎn)角θz（t）數(shù)學(xué)模型為[3]：

由式（1）可知，θz(t)僅與uc(t)和R(t)有關(guān)。然而，由汽車原理[4，5]可知，在曲線行駛時(shí)位于汽車懸架上的車身將發(fā)生側(cè)傾，其側(cè)傾角Φr(t)與R(t)及uc(t)之間關(guān)系可表示為：為前照燈轉(zhuǎn)角；為車速；

依據(jù)有關(guān)規(guī)定，河南省小農(nóng)水項(xiàng)目的獨(dú)立費(fèi)用按不超過中央和省財(cái)政投資1%的比例計(jì)取，不足部分在項(xiàng)目總投資之外自籌解決。獨(dú)立費(fèi)用主要包括建設(shè)管理費(fèi)、生產(chǎn)準(zhǔn)備費(fèi)、勘測(cè)設(shè)計(jì)費(fèi)、建設(shè)和施工場(chǎng)地征用費(fèi)及其他，如果按照市場(chǎng)價(jià)格收費(fèi)，提取的獨(dú)立費(fèi)尚不足以支付勘測(cè)設(shè)計(jì)費(fèi)和監(jiān)理費(fèi)，而多數(shù)縣又很難在總投資外再籌措資金。因此，實(shí)施中每一項(xiàng)支出都受限制，甚至某些該發(fā)生的費(fèi)用（如勘測(cè)費(fèi)）也是能省則省，不僅給建設(shè)管理單位正常的管理工作造成了很大困難，而且給工程建設(shè)質(zhì)量也帶來了不利影響。

其中：

式中，a為質(zhì)心至前軸的距離；b為質(zhì)心至后軸的距離；hb為質(zhì)心至側(cè)傾中心線的距離；haf為前軸側(cè)傾中心高度；hao為質(zhì)心對(duì)應(yīng)側(cè)傾中心高度；har為后軸側(cè)傾中心高度；m為汽車總質(zhì)量；mf為前輪非簧載質(zhì)量；mr為后輪非簧載質(zhì)量；mb為車身質(zhì)量；Caf為前輪側(cè)偏剛度；Car為后輪側(cè)偏剛度；K?為懸架的側(cè)傾剛度系數(shù)；g為重力加速度；前輪胎側(cè)向偏移量df≈haf-hao；后輪胎側(cè)向偏移量dr≈har-hao。

由于汽車AFS左、右前照燈位于汽車車身上，其在配光屏幕上的配光特性將發(fā)生變化，可能導(dǎo)致防眩點(diǎn)B50L的照度值不滿足法規(guī)要求，給對(duì)方來車造成眩目[6]。以圖3所示的汽車左轉(zhuǎn)彎時(shí)AFS左、右前照燈配光光型變化原理為例進(jìn)行分析。

當(dāng)汽車車身產(chǎn)生側(cè)傾時(shí)，由圖3可知，左前照燈基準(zhǔn)中心Cl將繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)Φr(t)角變化到點(diǎn)，為側(cè)傾后左前照燈基準(zhǔn)中心，其光束在配光屏幕上的對(duì)應(yīng)光斑點(diǎn)為因此，將引起前照燈基準(zhǔn)中心光束在配光屏幕上對(duì)應(yīng)光斑點(diǎn)產(chǎn)生偏差量，其中，在X向與Z向的偏差值分別為和，其值可以分別表示為：

因此，通過使處于C′l(t)位置的左前照燈轉(zhuǎn)向器繞x軸旋轉(zhuǎn)αx(t)角度和繞z軸旋轉(zhuǎn)βz(t)角度的方法，可使光斑點(diǎn)與光斑點(diǎn)重合，消除偏差量。其中，與在∑oxyz坐標(biāo)系中的幾何關(guān)系可表示為：

結(jié)合常用的AFS轉(zhuǎn)角數(shù)學(xué)模型，可推導(dǎo)出面向配光特性的汽車AFS左前照燈轉(zhuǎn)向器動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)角θl,zx模型，即：

同理，對(duì)于右前照燈轉(zhuǎn)向器而言，面向配光特性的汽車AFS右前照燈轉(zhuǎn)向器動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)角模型為：

3 面向配光特性的AFS轉(zhuǎn)角數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)

3.1 基于Matlab的仿真試驗(yàn)

為了驗(yàn)證面向配光特性的AFS動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)角模型可行性，以福特某款車的前照燈作為研究對(duì)象，運(yùn)用矩陣分析軟件Matlab對(duì)面向配光特性的AFS動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)角模型進(jìn)行求解分析，該車型參數(shù)如表1所示。

表1 福特某款車車型參數(shù)

根據(jù)法規(guī)[7]可知，汽車在轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，車速與最小轉(zhuǎn)彎半徑對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)車速與最小轉(zhuǎn)彎半徑對(duì)應(yīng)關(guān)系

由汽車車身側(cè)傾角Φr(t)與轉(zhuǎn)彎半徑R(t)及車速uc(t)之間關(guān)系，取轉(zhuǎn)彎半徑區(qū)間為（Rmin，500m），可得它們之間的關(guān)系曲線如圖4所示。

由圖4可知，相同轉(zhuǎn)彎半徑下，車速越高車身側(cè)傾角越大，由于最小轉(zhuǎn)彎半徑的限制，最大側(cè)傾角出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速為20 km/h工況下。另外，車身側(cè)傾角Φr(t)影響汽車前照燈的配光特性。

側(cè)傾后的AFS照射位置經(jīng)過動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)角模型修正后，實(shí)際照射位置即修正后前照燈實(shí)際基準(zhǔn)中心光束的光斑點(diǎn)與期望的照射位置即理想基準(zhǔn)中心光束的光斑點(diǎn)Clp(t)偏差隨轉(zhuǎn)彎半徑變化曲線如圖5所示。

由圖5可知，實(shí)際基準(zhǔn)中心光束的光斑點(diǎn)Cl′p(t)與理想基準(zhǔn)中心光束的光斑點(diǎn)Clp(t)偏差隨轉(zhuǎn)彎半徑增大而減小，最大偏差約為0.25 mm，可以忽略，則認(rèn)為該面向配光特性的AFS動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)角模型修正方法可行。

補(bǔ)償角αx(t)、βz(t)與轉(zhuǎn)彎半徑R(t)及車速uc(t)的關(guān)系曲線如圖6所示。

由圖6可知，考慮側(cè)傾影響時(shí)，若車速一定，則汽車前照燈補(bǔ)償角αx(t)與βz(t)隨著轉(zhuǎn)彎半徑的減小而增加；若轉(zhuǎn)彎半徑一定，αx(t)與βz(t)隨車速的增加而增加；由于文獻(xiàn)[3]中3個(gè)條件的限制，最大補(bǔ)償角αx(t)與βz(t)在車速uc(t)為20 km/h時(shí)出現(xiàn)。其中補(bǔ)償角最大值αzmax(t)約為0.7°，而前照燈轉(zhuǎn)角在yoz平面上設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)角度為2.5°，故該增量調(diào)整比例占28%，不可忽略；另外轉(zhuǎn)彎半徑大于350m時(shí)，汽車側(cè)傾運(yùn)動(dòng)特性對(duì)αx(t)影響很小，可不作考慮；而βzmax(t)值為0.11°，在xoy平面上占設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)角度的2%，可忽略其影響。

3.2 基于Tracepro的仿真

為了驗(yàn)證面向配光特性的轉(zhuǎn)角數(shù)學(xué)模型對(duì)側(cè)傾后配光光型的調(diào)整效果，進(jìn)行基于Tracepro的仿真分析。圖7、圖8分別表示汽車發(fā)生側(cè)傾后的配光特性和按面向配光特性的轉(zhuǎn)角數(shù)學(xué)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)角調(diào)整之后得到的配光特性與標(biāo)準(zhǔn)配光特性對(duì)比，可知修正后的配光特性中B50L點(diǎn)處照度值為0.289 lux，小于法規(guī)規(guī)定的0.3 lux，滿足法規(guī)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的汽車車身側(cè)傾3自由度操縱模型，對(duì)汽車車身側(cè)傾角Φr(t)與轉(zhuǎn)彎半徑R(t)及車速uc(t)之間關(guān)系進(jìn)行了研究，分析了側(cè)傾角Φr(t)與AFS車燈配光性能相互作用機(jī)理，提出面向配光特性的汽車AFS動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)角數(shù)學(xué)模型，解決了常用的AFS轉(zhuǎn)角數(shù)學(xué)模型存在的配光性能難以達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的難題，提高了汽車夜間行駛安全性。面向配光特性的AFS動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)角模型需要考慮側(cè)傾的速度區(qū)間為（0～60 km/h）；當(dāng)車速越大、轉(zhuǎn)彎半徑越小時(shí)，側(cè)傾對(duì)前照燈的影響越明顯；前照燈補(bǔ)償角αx(t)最大約達(dá)0.7°，而前照燈轉(zhuǎn)角在yoz平面上設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)角度為2.5°，故該補(bǔ)償角調(diào)整比例占28%，不可忽略。

1 GB/T 4599-2007，汽車用燈絲燈泡前照燈.北京：國(guó)家計(jì)量出版社，1992：1～15．

2 魏飛雄，曹琛.汽車用前照燈產(chǎn)品的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)解析．汽車零部件，2013（10）：80～90．

3 李禮夫，鄧前.汽車自適應(yīng)前照燈轉(zhuǎn)彎模式的數(shù)學(xué)模型研究.汽車技術(shù)，2010（10）：43～46．

4 余志生.汽車?yán)碚?北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：130～200．

5 喻凡，林逸.汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：220～240．

6 王華.自適應(yīng)前照明系統(tǒng)（AFS）眩目性評(píng)估.汽車零部件，2011（7）：73～80．

7 JTGB01-2003.公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).北京：人民交通出版社，2004．

8 房旭，姚勇，劉軍，等.智能汽車前照燈照明系統(tǒng)（AFS）研究.天津汽車，2006（4）：17～24．

（責(zé)任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2014年11月1日。

Research on Mathematical Model of Dynamic Bending Mode of Vehicle Adaptive Front Lighting System For Light Distribution Property

Li Lifu,Yang Mingjun
（South China University of Technology）

To solve the deficiencies existing in the commonly used AFS mathematical model,we analyze the relationship between the body roll angle,turning radius and vehicle speed，and build the mathematical model of dynamic bending mode of vehicle adaptive front-lighting system for light distribution property,and revise the lighting direction of AFS after side roll by AFS 2D turning.The results show that,compared with commonly used mathematical model of AFS, the turning angle of headlamp obtained with mathematical model of AFS dynamic bending mode has a offset angleof up to 0.7°on planeyz,which accounts for 28%of the designed rotation angle on plane,which enables the AFS light distribution property commonly used in side roll to comply with requirement of GB4599-2007.

Vehicle,AFS,Mathematical model,Light distribution property

汽車 AFS 轉(zhuǎn)角數(shù)學(xué)模型 配光特性

U463.68

A

1000-3703（2015）01-0044-04

廣東省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)資金LED產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目：陶瓷基LED模組化結(jié)構(gòu)光源和一體化照明系統(tǒng)集成及產(chǎn)業(yè)化（2012A080304015）。