汽車自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)的研究

張一西，凌子紅，張星月

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

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汽車自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)的研究

張一西，凌子紅，張星月

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

摘 要：針對傳統(tǒng)汽車照明系統(tǒng)行駛無法調(diào)節(jié)照明角度、在彎道內(nèi)側(cè)易出現(xiàn)盲區(qū)等問題，提出了一種前照燈彎道自適應(yīng)照明系統(tǒng)。以汽車安全剎車距離為有效照明的判斷依據(jù)，建立前照燈水平方向偏轉(zhuǎn)的數(shù)學(xué)模型，得到車速、方向盤轉(zhuǎn)角與前照燈水平偏轉(zhuǎn)角度間的關(guān)系，并對系統(tǒng)硬件部分進行了選擇，給出了汽車AFS系統(tǒng)的控制策略。

關(guān)鍵詞：自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)；軟硬件設(shè)計；控制策略

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.04.031

CLC NO.: U463.9Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)04-92-03

引言

汽車前照燈系統(tǒng)是汽車上最重要的主動安全設(shè)備之一[1]，而傳統(tǒng)的前照燈系統(tǒng)存在著照明光光型單一、無法根據(jù)實時路況來調(diào)整照明角度、彎道行駛時彎道內(nèi)側(cè)存在照明盲區(qū)等缺陷?；谏鲜鰡栴}，出現(xiàn)了一種汽車自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)（AFS），通過綜合利用各種傳感器技術(shù)，采集路面上的各種信息，自動控制前照燈進行實時動態(tài)的光照調(diào)節(jié)，顯著提高了行車安全性[2]。

1、AFS系統(tǒng)組成

如圖1所示，為汽車AFS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，汽車AFS系統(tǒng)硬件部分主要由AFS控制模塊、傳感器模塊以及執(zhí)行機構(gòu)等組成。

圖1　汽車AFS結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的工作原理為：啟用AFS系統(tǒng)后，當(dāng)汽車進入彎道或在其他情況下進入轉(zhuǎn)彎模式時，通過安裝在汽車上的各種傳感器，實時采集車速、方向盤轉(zhuǎn)角、光照信號等[3-4]，輸入系統(tǒng)的控制單元，其通過內(nèi)置的控制算法計算出此時前照燈應(yīng)偏轉(zhuǎn)的角度，最后向步進電機發(fā)出執(zhí)行命令，完成角度偏轉(zhuǎn)，滿足彎道自適應(yīng)照明的需求。

2、汽車彎道自適應(yīng)系統(tǒng)建模

汽車安全剎車距離（包括反映距離和制動距離）是判斷前照燈有效照明的一個很重要的指標，當(dāng)前照燈的有效照明能覆蓋到汽車安全剎車距離的時候，就認為駕駛員有足夠的視野和剎車時間來使汽車急停而不發(fā)生碰撞[5]。

如圖2所示，為汽車彎道行駛時水平方向偏轉(zhuǎn)模型，由此得前照燈水平方向偏轉(zhuǎn)角度、轉(zhuǎn)彎半徑、安全剎車距離間的關(guān)系：

圖2　汽車轉(zhuǎn)彎水平方向偏轉(zhuǎn)模型

式中：S為汽車安全剎車距離（m）；L為制動距離（m）；v為車速（km/h）；t為反應(yīng)時間（S）；R為轉(zhuǎn)彎半徑（m）；α為前照燈水平方向偏轉(zhuǎn)角度（°）。則：

又由圖2，得轉(zhuǎn)彎半徑與車輪轉(zhuǎn)角間有：

式中θ為車輪轉(zhuǎn)角，D為軸距。且方向盤轉(zhuǎn)角與車輪轉(zhuǎn)角之間成一定比例關(guān)系：

δ為方向盤轉(zhuǎn)角，K為比例系數(shù)。由此得前照燈水平方向偏轉(zhuǎn)角度計算公式為：

3、系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 傳感器

汽車AFS系統(tǒng)傳感器模塊主要包括車速傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器和光敏傳感器。

車速傳感器分為電磁式、霍爾式和光電式[6]，用來采集當(dāng)前車速信號。光電式車速傳感器輸出為6~8V的脈沖信號，信號的頻率與車速呈正相關(guān)，通過傳感器自身得到頻率變化信號，直接查表便可得出車速，因此一般選擇光電式車速傳感器。

方向盤轉(zhuǎn)角傳感器分為脈沖式和電壓式[6]，用來采集方向盤轉(zhuǎn)角信號。由于電壓式方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的方向盤轉(zhuǎn)角與輸出電壓成線性比例，確定輸入電壓后，若能得知傳感器輸出信號的電壓量，便可得出方向盤轉(zhuǎn)動的角度。此外，該種傳感器的信號由控制單元的A/D（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）釆集，測量范圍較大，因此選擇電壓式的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器。

光敏傳感器測得車前的能見度值輸入到ECU，ECU將接收到的能見度值與系統(tǒng)預(yù)先存儲的標準值進行對比，進一步確認前照燈是否需要被開啟，從而實現(xiàn)AFS系統(tǒng)的自動開啟和關(guān)閉功能。

3.2 控制單元

控制單元是汽車AFS的核心。如圖3所示，為控制系統(tǒng)設(shè)計框圖，ECU根據(jù)采集的車速信號、方向盤轉(zhuǎn)角信號、光敏信號等，通過內(nèi)置的控制算法計算出對應(yīng)的前照燈水平方向偏轉(zhuǎn)角度，驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動車燈。與此同時，ECU還能監(jiān)測步進電機和傳感器的運行狀況，對步進電機和傳感器進行故障診斷，通過CAN總線反饋給車身網(wǎng)絡(luò)[7]。從AFS的控制過程可以看出，AFS控制單元由電機驅(qū)動模塊、電子控制模塊和信號采集模塊組成，一個主控制器和兩個從控制器構(gòu)成了AFS的電子控制模塊。采集來的車速、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和光敏信號等高速CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò))總線信號輸入給主控制器，經(jīng)過復(fù)雜的控制算法和邏輯運算，得到期望的前照燈照射角度，并通過LIN(Local Interconnect Network，串行通訊網(wǎng)絡(luò))總線傳輸給左右兩個從控制器，由從控制器傳達給驅(qū)動電機，從而實現(xiàn)照射角度的實時動態(tài)變化。

圖3　控制系統(tǒng)設(shè)計框圖

3.3 執(zhí)行機構(gòu)

執(zhí)行機構(gòu)一般是由電機組成，而電機有三種，即直流電機、交流電機和步進電機。步進電機、交流電機和直流電機分別是通過脈沖占空比、交流電的相位和直流電壓來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的。由于步進電機能將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榫€位移，并且具有動作平穩(wěn)和工作壽命長等優(yōu)點，所以AFS系統(tǒng)執(zhí)行電機一般選用步進電機。

4、軟件設(shè)計

汽車AFS控制系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。首先系統(tǒng)進行故障自檢，若出現(xiàn)故障，則顯示故障，若無故障則光敏傳感器開始采集車前光照信號，

將車前的能見度值輸入到控制單元ECU，ECU將該值與系統(tǒng)預(yù)先存儲的能見度標準值進行對比，若大于標準值且前照燈為開啟狀態(tài)，則將其關(guān)閉，若小于標準值，則開啟前照燈自適應(yīng)裝置，通過光敏傳感器來實現(xiàn)前照燈自適應(yīng)裝置的自動開啟和關(guān)閉功能。車速傳感器獲取車速信號后，系統(tǒng)對車速進行判斷，若大于5km/h則需對前照燈實施控制，此時方向盤轉(zhuǎn)角傳感器獲取轉(zhuǎn)角信號，這些信號都輸入控制單元ECU，根據(jù)預(yù)設(shè)的計算公式得到此時前照燈需要在水平方向偏轉(zhuǎn)的角度。ECU向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制指令，驅(qū)動步進電機，從而控制前照燈偏轉(zhuǎn)一定的角度。

5、總結(jié)

圖4　主控制流程圖

本文就汽車AFS系統(tǒng)的工作原理、前照燈水平方向偏轉(zhuǎn)數(shù)學(xué)模型、硬件選擇等方面進行了一定的研究，實現(xiàn)了汽車彎道行駛時，前照燈的智能調(diào)節(jié)，顯著提高了行車安全性，達到了自適應(yīng)的目的。隨著科技的進步和人們對汽車安全的追求越來越高，汽車AFS所實現(xiàn)的功能也越來越多，例如借助與GPS，AFS能有效地預(yù)知即將到來的環(huán)境狀況并能提前做出反應(yīng)，即現(xiàn)有的可預(yù)見性AFS系統(tǒng)（P-AFS）[8]，汽車自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)正朝著更安全、更環(huán)保、更人性化的趨勢發(fā)展。

參考文獻

[1] 朱敏慧.法雷奧已經(jīng)或即將實用化的汽車新技術(shù)[J].汽車與配件,2003,11(22)：88-91.

[2] 張獻軍,孫新普,李海方.汽車前照燈光束水平調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分析[J].汽車電器,2009(8):11-15.

[3] 鄭志軍.帶CAN總線的汽車智能前照燈系統(tǒng)設(shè)計[D].上海:上海交通大學(xué)出版社, 2007.8:18-22.

[4] 楊召君,朱向冰,許小晴.自適應(yīng)前照燈的控制技術(shù)研究光源與照明[J].2010,6(58):19-23.

[5] 束華明,高明煜,王園園.基于單片機控制的汽車前照燈自適應(yīng)系統(tǒng)[J].電子測量與儀器學(xué)報,2008(68):6-12.

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[7] 肖紅,王洪佩,高松,郎華.基于單片機控制的汽車自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動化,2011,8(51)：55-60.

[8] 鄭志軍.智能前照燈系統(tǒng)的發(fā)展[J].中國照明電器,2006(6):8-11.

中圖分類號：U463.9

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)04-92-03

作者簡介：張一西，就讀于長安大學(xué)汽車學(xué)院。

Research on auto adaptive front light system for vehicles

Zhang Yixi, Ling Zihong, Zhang Xingyue
（Chang’an university School of automobile, Shaanxi xi’an 710064）

Abstract:In view of the traditional automotive lighting system can not adjust illumination angels, appear the blind section at the inside of the bend, put forward a headlamp adaptive lighting control system at the curve. Basing on the auto safety brake distance, a mathematical model of adaptive lighting control system was established , research the relationship between the auto speed and steering wheel angel with the lights level angel, and design the hardware of the control system, a control strategy is presented.

Keywords:AFS; design of software and hardware; control strategy.