基于角度傳感器感知的靜態(tài)智能隨動(dòng)前照燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬曉晨 張志威 李曉艷 王典

摘 要：對隨動(dòng)轉(zhuǎn)向照明系統(tǒng)（AFS）的概況、系統(tǒng)組成和靜態(tài)智能前照燈系統(tǒng)進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上提出了一種基于角度傳感器感知的靜態(tài)智能隨動(dòng)前照燈系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合了低成本和高質(zhì)量的優(yōu)勢，運(yùn)用汽車總線技術(shù)，掛接傳感器模塊，采集方向盤轉(zhuǎn)角信息作為AFS 系統(tǒng)的輸入，智能控制頭燈里面的具有特殊角度的小燈泡來實(shí)現(xiàn)燈光補(bǔ)償，并對系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：AFS系統(tǒng)；角度傳感器；隨動(dòng)補(bǔ)償

1 AFS概況

隨動(dòng)轉(zhuǎn)向照明系統(tǒng)，亦稱為自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)（adaptive front-lighting system，AFS），智能前照燈照明系統(tǒng)（advanced front- lightingsystems）[1]，是當(dāng)今社會中高端轎車中配備的車輛安全輔助駕駛系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的夜間行駛情況，如方向盤轉(zhuǎn)角、行駛速度、車輛偏轉(zhuǎn)率等因素對大燈進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)當(dāng)前的轉(zhuǎn)向角，從而實(shí)現(xiàn)燈光方向與汽車當(dāng)前行駛方向一致，消除視覺盲區(qū)，增強(qiáng)駕駛員在不利環(huán)境下對環(huán)境的感知能力，輔助駕駛?cè)藛T安全行車。

2 AFS系統(tǒng)的組成輔助照明系統(tǒng)

AFS系統(tǒng)主要由傳感器組件、電控單元（亦稱為大燈照程調(diào)節(jié)控制單元）、執(zhí)行器（動(dòng)態(tài)燈光調(diào)節(jié)電機(jī)等）三大部分組成。（1）傳感器組件：AFS用到的傳感器主要由方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、車身傾斜傳感器、車速傳感器、光敏傳感器等等。（2）電控單元：AFS系統(tǒng)的控制芯片亦稱為大燈照程調(diào)節(jié)控制單元，可分為執(zhí)行算法的主芯片和執(zhí)行控制動(dòng)作的副芯片，主芯片接收來自車載總線中傳遞過來的信號，諸如方向盤轉(zhuǎn)角、車速、車身傾角等等，經(jīng)過算法處理判斷、傳遞執(zhí)行命令至副芯片，副芯片執(zhí)行命令控制執(zhí)行元件如燈光調(diào)節(jié)電機(jī)等等元件做出反應(yīng)動(dòng)作。（3）執(zhí)行器：AFS系統(tǒng)的執(zhí)行器包括燈具總成和相應(yīng)的動(dòng)靜態(tài)執(zhí)行元件。燈具總成包括一個(gè)近光/遠(yuǎn)光隨動(dòng)轉(zhuǎn)向前照燈以及側(cè)向燈光補(bǔ)償前照燈，動(dòng)靜態(tài)執(zhí)行元件包括用于控制水平方向和垂直方向調(diào)節(jié)的點(diǎn)擊電子卡以及電子鎮(zhèn)流器等。

3 靜態(tài)智能前照燈系統(tǒng)

靜態(tài)智能前照燈系統(tǒng)又稱為輔助照明系統(tǒng)，與隨動(dòng)轉(zhuǎn)向的水平和垂直方向的動(dòng)態(tài)調(diào)整不同，靜態(tài)智能前照燈系統(tǒng)并非利用燈具轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)燈光補(bǔ)償，而是通過在前照燈側(cè)向安裝幾個(gè)不同傾角的側(cè)向補(bǔ)償燈具，在方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)到特定的角度范圍來激活側(cè)向補(bǔ)償燈具的開啟，從而實(shí)現(xiàn)側(cè)向燈光來補(bǔ)償轉(zhuǎn)彎過程中存在的視覺盲區(qū)，因此，輔助照明系統(tǒng)主要是通過多個(gè)燈泡實(shí)現(xiàn)不同角度近光燈照明功能[1]。輔助照明對AFS 起到了補(bǔ)充作用，對于輔助照明系統(tǒng)來說，其最大的優(yōu)勢就是低成本，不需要太復(fù)雜的技術(shù)。

4 基于角度傳感器感知的靜態(tài)智能隨動(dòng)前照燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 基于角度傳感器感知的靜態(tài)智能隨動(dòng)前照燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢

基于角度傳感器感知的靜態(tài)智能隨動(dòng)前照燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)是在CAN/LIN車載總線的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，包括系統(tǒng)硬件和軟件兩方面?；诮嵌葌鞲衅鞲兄膬?yōu)點(diǎn)在于，利用角度傳感器進(jìn)行方向盤轉(zhuǎn)角的模擬量測量，在汽車轉(zhuǎn)向的過程中實(shí)時(shí)將所測得的角度模擬量傳遞給控制模塊，控制模塊中的處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并利用算法控制側(cè)向小燈的亮與滅，從而在轉(zhuǎn)向的過程實(shí)現(xiàn)側(cè)向隨動(dòng)燈具的亮滅來實(shí)現(xiàn)燈光的補(bǔ)償，進(jìn)而消除夜間行車過程中存在的視覺盲區(qū)，相比于隨動(dòng)轉(zhuǎn)向的水平和垂直方向的動(dòng)態(tài)調(diào)整而實(shí)現(xiàn)的燈具偏轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)燈光補(bǔ)償而言，靜態(tài)智能隨動(dòng)前照燈系統(tǒng)具有更低的成本，只需要在車載總線中掛接一套角度傳感器模塊作為輸入元件和一套具有一定偏角的補(bǔ)償燈具作為執(zhí)行元件即可實(shí)現(xiàn)燈光補(bǔ)償。

同時(shí)靜態(tài)智能隨動(dòng)前照燈系統(tǒng)亦能高質(zhì)量的保證燈光補(bǔ)償?shù)男Ч?，靜態(tài)智能隨動(dòng)前照燈系統(tǒng)在主前照燈的側(cè)向安裝有多盞角度不同的補(bǔ)償燈具來實(shí)現(xiàn)在不同轉(zhuǎn)彎情況下的燈光補(bǔ)償。由于在夜間行車過程中，視覺盲區(qū)的大小與汽車轉(zhuǎn)彎半徑成負(fù)相關(guān)關(guān)系，即轉(zhuǎn)彎半徑越大，即轉(zhuǎn)彎越平緩時(shí)視覺盲區(qū)越小，在這種情況下汽車方向盤的轉(zhuǎn)角較小，通過算法處理控制側(cè)向小燈亮的盞數(shù)少即可滿足光線的補(bǔ)償；轉(zhuǎn)彎半徑越小，即轉(zhuǎn)彎越急時(shí)，視覺盲區(qū)越大，在這種情況下汽車方向盤的轉(zhuǎn)角越大，通過算法處理控制側(cè)向燈具亮的盞數(shù)多才可滿足光線的補(bǔ)償。

4.2 汽車前照燈隨動(dòng)轉(zhuǎn)向模型的計(jì)算與確立

汽車前照燈隨動(dòng)轉(zhuǎn)向模型的確立通常情況下考慮兩點(diǎn)因素，一為轉(zhuǎn)彎道路的曲率；二為轉(zhuǎn)彎過程中車輛的行駛車速、曲率大小與盲區(qū)大小成正相關(guān)關(guān)系，曲率較小的情況下照明范圍可以覆蓋盲區(qū)，可以不進(jìn)行隨動(dòng)轉(zhuǎn)向，而當(dāng)曲率較大的情況下，盲區(qū)的范圍會增加，此時(shí)需要隨動(dòng)轉(zhuǎn)向來進(jìn)行燈光補(bǔ)償；速度與隨動(dòng)轉(zhuǎn)向角度成負(fù)相關(guān)關(guān)系，汽車車速越高，隨動(dòng)裝向角度越小，反之則越大。

故而汽車前照燈隨動(dòng)轉(zhuǎn)向模型主要有2自由度、4自由度、7自由度三種自由度情況，其中2自由度忽略轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響，以前輪轉(zhuǎn)角作為輸入，忽略懸架的作用，認(rèn)為汽車車廂只作平行于地面的平面運(yùn)動(dòng)，4自由度考慮方向盤轉(zhuǎn)角、車身側(cè)傾角、質(zhì)心側(cè)偏角、以及航向角，7自由度在4自由度的基礎(chǔ)上還考慮了懸架和車身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等的影響，對于普通情況下，2自由度基本可以滿足基本的精度要求，故文章設(shè)計(jì)的系統(tǒng)以2自由度為主，忽略轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響，認(rèn)為汽車做平行于地面的平面運(yùn)動(dòng)，采集方向盤轉(zhuǎn)角作為系統(tǒng)的輸入。

4.3 硬件設(shè)計(jì)

角度傳感器選擇ADXL345傳感器，ADXL345是一款小而薄的超低功耗3軸加速度計(jì)，分辨率高（13位），測量范圍達(dá)± 16g，可通過SPI（3線或4線）或I2C數(shù)字接口訪問；ADXL345測量方向盤轉(zhuǎn)角，通過總線傳遞到AFS 控制模塊，對于CAN 總線使用總線拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)，通過對數(shù)據(jù)算法處理來實(shí)現(xiàn)對前照燈側(cè)向燈具的控制[3]。

4.4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要是指系統(tǒng)的控制策略，通常情況下，采取模塊化編程的方法，將整個(gè)系統(tǒng)軟件按照一定的規(guī)則和功能分解為單獨(dú)的模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖1為控制算法中主要模塊的代碼及解釋。（見圖1所示）

5 結(jié)束語

對AFS 的發(fā)展概況做了介紹，通過對AFS的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)組成的分析，提出了一種新的基于角度傳感器感知的靜態(tài)智能隨動(dòng)前照燈系統(tǒng)，對硬件構(gòu)成、軟件執(zhí)行和隨動(dòng)轉(zhuǎn)向模型做了分析，由于加入了對方向盤角度參數(shù)的計(jì)算，具有更加智能、安全性更高的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]于曉良.汽車自適應(yīng)照明控制系統(tǒng)的研究[D].大連理工大學(xué)，2009.

[2]黃仁忠.汽車自適應(yīng)照明系統(tǒng)開發(fā)[D].大連理工大學(xué)，2008.

[3]鄭志軍.帶CAN總線的汽車智能前照燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].上海交通大學(xué)，2007.