汽車(chē)智能LED 前照燈照明系統(tǒng)算法研究

孟昭軍，魏生越，張祥軍，薄化鋼

(1.遼寧科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，遼寧 本溪 117004;2.成都工業(yè)學(xué)院 電氣與電子工程系，四川成都 610031)

0 引言

前照燈作為汽車(chē)的主要照明工具，關(guān)系到駕駛?cè)撕托腥说纳踩?。?shí)際駕駛過(guò)程中，由于道路、環(huán)境以及駕駛?cè)俗陨韱?wèn)題等動(dòng)態(tài)不確定因素，傳統(tǒng)的汽車(chē)前照燈照明系統(tǒng)不能隨車(chē)速、轉(zhuǎn)彎等變化而自動(dòng)調(diào)整照射距離、明暗程度等參數(shù)，嚴(yán)重影響駕駛?cè)藢?duì)外界的判斷，或者給對(duì)向行駛車(chē)輛造成眩光，不利于安全行駛。所以，國(guó)內(nèi)外開(kāi)始研究可以隨外界環(huán)境或車(chē)輛本身變化而自動(dòng)改變照射距離以及自動(dòng)調(diào)整亮度的智能前照燈系統(tǒng)。相對(duì)國(guó)外汽車(chē)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，中國(guó)汽車(chē)智能前照燈系統(tǒng)還有一定差距。

為了解決上述傳統(tǒng)汽車(chē)前大燈所存在的問(wèn)題，要求汽車(chē)智能前照燈系統(tǒng)具備如下基本功能:汽車(chē)在高速行駛時(shí)，能根據(jù)車(chē)速自動(dòng)調(diào)整前大燈前方的照射距離和根據(jù)對(duì)向來(lái)車(chē)自動(dòng)調(diào)整燈光亮度;汽車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)能根據(jù)車(chē)速和轉(zhuǎn)彎角度自動(dòng)調(diào)整前大燈水平照射角度，減少盲區(qū)。因此，汽車(chē)智能前大燈系統(tǒng)的研究涉及車(chē)速、轉(zhuǎn)彎半徑、車(chē)身高度等動(dòng)態(tài)參數(shù)，這些參數(shù)之間相互影響。要使汽車(chē)智能前大燈系統(tǒng)隨外界條件變化而自動(dòng)調(diào)整，首先要確定這些參數(shù)間的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，AFS 控制系統(tǒng)根據(jù)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、車(chē)速等輸入信號(hào)并依據(jù)數(shù)學(xué)模型來(lái)控制前大燈的轉(zhuǎn)角和亮度等，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)前大燈的智能控制。

文章主要以安全剎車(chē)距離為有效照明的判斷依據(jù)，研究汽車(chē)車(chē)速、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、彎道半徑與汽車(chē)前大燈調(diào)整角度之間的關(guān)系，建立了內(nèi)、外前大燈水平調(diào)整和垂直調(diào)整角度計(jì)算公式，并對(duì)公式進(jìn)行了修正。然后在MATLAB/Simulink 平臺(tái)上建立汽車(chē)AFS 仿真模型，并給出仿真結(jié)果。

1 前大燈調(diào)整角度的計(jì)算

汽車(chē)智能型前大燈系統(tǒng)，也可稱汽車(chē)自適應(yīng)前大燈系統(tǒng)，即汽車(chē)AFS(adaptive front-light system)，該系統(tǒng)的車(chē)載傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相關(guān)信息，AFS 控制器實(shí)時(shí)讀取和處理相關(guān)信號(hào)，發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)智能前大燈調(diào)整照射角度并輸出合適光型，汽車(chē)AFS 的組成如圖1 所示。

圖1 汽車(chē)AFS 的組成

1.1 汽車(chē)安全剎車(chē)距離

汽車(chē)安全剎車(chē)距離是從駕駛員踩下制動(dòng)踏板的時(shí)刻到汽車(chē)在制動(dòng)力的作用下完全停止的時(shí)刻，這段時(shí)間內(nèi)汽車(chē)所行駛的路程，由剎車(chē)距離和反應(yīng)距離兩部分組成。遼寧省交通管理局研究的一組實(shí)際剎車(chē)距離數(shù)據(jù)，如表1 所示。

表1 汽車(chē)車(chē)速與安全剎車(chē)距離對(duì)應(yīng)

由表1 可知，隨著車(chē)速的增加，剎車(chē)距離增加，且車(chē)速越高，剎車(chē)距離的增加幅度越大。在實(shí)際駕駛中，車(chē)速是連續(xù)變化的，因此需要建立車(chē)速和安全剎車(chē)距離的連續(xù)函數(shù)關(guān)系式。

將表1 的10 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，即可得到相對(duì)應(yīng)的連續(xù)函數(shù)關(guān)系式。利用MATLAB 可實(shí)現(xiàn)最小二乘法曲線擬合，二次函數(shù)擬合結(jié)果得到的汽車(chē)安全剎車(chē)距離計(jì)算公式為

式中，v——汽車(chē)車(chē)速(km/h);

S——安全剎車(chē)距離(m)。

1.2 前大燈水平調(diào)整角度

影響前大燈水平調(diào)整角度的因素主要有車(chē)速和彎道半徑。根據(jù)轉(zhuǎn)向盤(pán)與前輪之間的關(guān)系可以得到前輪轉(zhuǎn)角角度，再根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向幾何原理計(jì)算彎道半徑。系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的轉(zhuǎn)角、車(chē)速信號(hào)，經(jīng)AFS 控制器發(fā)出相應(yīng)指令至汽車(chē)前大燈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)前大燈水平轉(zhuǎn)動(dòng)，以調(diào)整照射角度。

根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向原理，得到轉(zhuǎn)彎半徑公式:

式中，D——汽車(chē)軸間距(m);

R——內(nèi)側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)彎半徑(m);

δ——內(nèi)側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)角(°)。

當(dāng)汽車(chē)進(jìn)入彎道時(shí)，以汽車(chē)安全剎車(chē)距離作為汽車(chē)前大燈有效照明距離判定標(biāo)準(zhǔn)，照明需覆蓋安全剎車(chē)距離S。根據(jù)前大燈水平偏轉(zhuǎn)角θ、安全剎車(chē)距離S、轉(zhuǎn)彎半徑R之間的幾何關(guān)系可得到前大燈水平轉(zhuǎn)角θ 的計(jì)算公式

式中:θ——前大燈水平轉(zhuǎn)角(°);

R——轉(zhuǎn)彎半徑(m);

v——車(chē)速(km/h)。

根據(jù)公式(3)可知，當(dāng)轉(zhuǎn)彎半徑較小時(shí)，前大燈調(diào)整角度θ 將增大，這可能超過(guò)實(shí)際前大燈調(diào)整系統(tǒng)的最大允許角，造成電機(jī)燒毀，所以需要對(duì)公式(3)進(jìn)行修正。為提高前大燈使用壽命，將公式(3)減去10度，修正為

汽車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)，外側(cè)大燈需要提供前方照明，內(nèi)側(cè)減少盲區(qū)，所以外側(cè)前大燈水平轉(zhuǎn)角應(yīng)小于內(nèi)側(cè)前大燈水平轉(zhuǎn)角。一般外側(cè)前大燈水平調(diào)整角度約為內(nèi)側(cè)的1/3。

資料表明，外側(cè)前大燈水平調(diào)整角度最大為5°，內(nèi)側(cè)前大燈水平調(diào)整角度最大為15°。將式(2)代入(4)中，最后得到內(nèi)側(cè)大燈調(diào)整角度為

外側(cè)大燈調(diào)整角度為

1.3 前大燈垂直調(diào)整角度

汽車(chē)在行駛時(shí)，車(chē)速越高要求前大燈照射距離就越遠(yuǎn)，以便給駕駛?cè)俗銐虻姆磻?yīng)時(shí)間。另外，當(dāng)汽車(chē)前后載重量變化或車(chē)輛加減速時(shí)，前照燈的照射方向就會(huì)改變。這些因素的變化都會(huì)產(chǎn)生行車(chē)安全隱患。為使前照燈保持在正確的高度，以避免給對(duì)向來(lái)車(chē)或前車(chē)造成眩光，同時(shí)又確保駕駛?cè)撕蛙?chē)輛的安全，需要對(duì)前大燈俯仰角度進(jìn)行控制。

國(guó)家對(duì)汽車(chē)前大燈配光性能有嚴(yán)格的規(guī)定，配光性能要符合GB 4599—94。依據(jù)GB 4599—94 進(jìn)行汽車(chē)前大燈配光測(cè)試時(shí)，汽車(chē)前大燈與配光屏幕的距離為25 m。過(guò)B 點(diǎn)的明暗截止線的水平部分在H-V 線的下面，且垂直距離為25 cm，點(diǎn)A 在H-V 線上方，且垂直距離為25 cm。由圖2 可知，直線BB＇與水平線的夾角為α，直線AB＇與水平線之間的夾角為β。

圖2 汽車(chē)前大燈光線

為了確保駕駛員得到充足的照明視野并且考慮到不給對(duì)面來(lái)車(chē)駕駛員造成眩光情況，垂直向上調(diào)整角度不能超過(guò)角度β，汽車(chē)前大燈垂直向下調(diào)整角度不能超過(guò)角度α。由圖2 可得

所以前大燈垂直轉(zhuǎn)角上下限為0.6°。

2 汽車(chē)AFS 仿真

為了驗(yàn)證上述數(shù)學(xué)模型的正確性，筆者在MATLAB/Simulink 環(huán)境下建立了汽車(chē)AFS 仿真模型。汽車(chē)AFS 仿真模型系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 汽車(chē)AFS 仿真模型系統(tǒng)

圖3 中，車(chē)速、前輪轉(zhuǎn)角、汽車(chē)前后輪高度差為汽車(chē)AFS 的信號(hào)輸入量，可根據(jù)仿真需要設(shè)置其相應(yīng)的波形，在前三個(gè)信號(hào)輸入后，經(jīng)過(guò)中間的模塊進(jìn)行運(yùn)算，最后將結(jié)果輸入“Scope”模塊。在該模塊可以觀察到內(nèi)、外側(cè)前大燈理論水平調(diào)整角度和理論垂直調(diào)整角度的動(dòng)態(tài)輸出波形。

根據(jù)第1 節(jié)建立的水平和垂直方向的數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB，在Simulink 環(huán)境下建立的AFS 仿真模型，通過(guò)改變車(chē)速、汽車(chē)前輪轉(zhuǎn)角和汽車(chē)前后輪高度差輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)中間計(jì)算，輸出相應(yīng)轉(zhuǎn)角波形。由上建立的仿真系統(tǒng)，取v=30 km/h，前車(chē)輪轉(zhuǎn)角δ=30°，車(chē)前后輪高度差h=0.1 m，設(shè)置相關(guān)波形輸入，經(jīng)過(guò)中間模塊進(jìn)行運(yùn)算，在“Scope”得到波形如圖4所示。汽車(chē)垂直方向、汽車(chē)前輪外側(cè)轉(zhuǎn)角、汽車(chē)內(nèi)輪轉(zhuǎn)角詳細(xì)波形分別如圖5～圖7 所示。

圖4 Scope 波形

圖5 汽車(chē)垂直方向轉(zhuǎn)角波形

圖6 汽車(chē)前輪外側(cè)轉(zhuǎn)角波形

圖7 汽車(chē)內(nèi)側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)角波形

3 小 結(jié)

文章研究了汽車(chē)智能前大燈水平和垂直調(diào)整角度與車(chē)速等因素的數(shù)學(xué)模型。利用前大燈調(diào)整角度數(shù)學(xué)模型在MATLAB/Simulink 中建立了汽車(chē)AFS 仿真模型。從仿真結(jié)果來(lái)看文中給出的數(shù)學(xué)模型滿足要求。根據(jù)研究的模型，AFS 控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)檢測(cè)汽車(chē)轉(zhuǎn)角、車(chē)速、車(chē)身高度變化，并按設(shè)定程序驅(qū)動(dòng)前大燈進(jìn)行水平和垂直照射角度的調(diào)節(jié)，以達(dá)到夜間行車(chē)安全的目的。

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