自適應尾燈關(guān)鍵技術(shù)研究

李祥兵

（神龍汽車有限公司，湖北 武漢 430050）

LED的許多優(yōu)勢使其在汽車尾燈開發(fā)中得到廣泛應用，例如反應速度快（＜1 ms）、安全性能高、使用壽命長（大于車輛使用年限）、更高的照明系統(tǒng)可靠性、低功率、體積小、可減小車輛尾燈的體積、可實現(xiàn)自由光學設(shè)計等。車輛的尾部信號系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)向燈、倒車燈、制動燈、高位制動燈、后霧燈等多種信號燈，它們在車輛行駛時提供了非常重要的有關(guān)駕駛行為的信息。為了增加汽車在道路上行駛的安全性，無論是在白天還是夜晚，尾燈的功能信號都應該被清楚地識別，并且要避免產(chǎn)生眩目。許多研究表明尾燈在近距離時更加容易產(chǎn)生眩光，比如在車輛等待紅燈時或者道路擁堵時，因此對自適應尾燈如何進行光照強度調(diào)節(jié)的研究具有重大意義。

本文研究的對象為LED自適應尾燈。查閱歐標法規(guī)，能夠找到關(guān)于尾燈允許的發(fā)光強度范圍的信息，但無法了解到尾燈與其他信號燈應如何關(guān)聯(lián)，同樣也無法找到關(guān)于其他因素對尾燈產(chǎn)生影響的規(guī)定，比如前面提到的距離對尾燈眩光的影響。而目前對自適應尾燈研究的基本方向是通過傳感器測量當前的能見度條件，調(diào)節(jié)尾燈信號功能的強度。本文基于目前現(xiàn)有的技術(shù)和法規(guī)，對自適應尾燈進行初步探討。

1 自適應尾燈的法規(guī)差異

關(guān)于自適應尾燈，目前存在歐標和國標兩種不同的法規(guī)狀態(tài)。根據(jù)即將頒布的國標GB4785—XXXX，其中4.9.2章節(jié)關(guān)于自適應車燈的法規(guī)描述如下。車燈光學特性（照度）允許變化的情況：①隨外界環(huán)境光變化；②隨其他燈具開啟而進行的變化；③當燈具切換為另一個功能。即所有上述光學特性變化應符合燈具相關(guān)的技術(shù)規(guī)定。

GB4785—XXXX 4.26中對后轉(zhuǎn)向燈、后位燈、制動燈（除S4制動燈）以及后霧燈允許可變光強。上述可變光強控制可對下列至少一種外界影響同時產(chǎn)生反應：環(huán)境照明、霧、降雪、降雨、噴霧、沙塵、透光面污染，且應保證其光強關(guān)系在變化過渡期間維持不變。在過渡期間不應出現(xiàn)可察覺的強烈變化。S4類制動燈可以獨立于其他燈具產(chǎn)生光強變化。駕駛員應可將上述燈具的光強調(diào)至其穩(wěn)定光強狀態(tài)，也可將其恢復到自動可變狀態(tài)。這些條款的描述與ECE R48-06§5.26 & 5.9.2基本一致。但是兩者還是存在一些差異，主要是GB4785—XXXX目前仍然處于修訂階段，何時頒布未知。這就導致了后續(xù)在自適應尾燈的照度方案，還有可能因中國客戶實際需求的變化而出現(xiàn)技術(shù)演變導致存在差異。另外，歐洲ECE對自適應尾燈的要求更加明確，規(guī)定了尾燈各個功能在點亮狀態(tài)的實際照度范圍要求。圖1為自適應尾燈的法規(guī)差異。

圖1 自適應尾燈的法規(guī)差異

根據(jù)ECE的最新要求，車燈的信號功能，比如后轉(zhuǎn)向燈、制動燈、位置燈和霧燈等，其亮度能隨著周圍環(huán)境照度的變化而發(fā)生變化，并且對各個功能的亮度變化范圍提供了參照值。開發(fā)出這種自適應尾燈，需要采用新的傳感器來與之匹配。這種自適應尾燈的好處在于能夠為其他道路使用者在不同的天氣條件下提供更好的信號指示，防止眩目（信號功能照度太大）和無法分清（信號功能照度太弱）的問題。

2 自適應尾燈的控制策略

2.1 自適應前照燈和自適應尾燈的差異

自適應前照燈（AFS）與自適應尾燈（ARS）的控制策略有明顯的差異。前者主要是要求前照燈光在車身各種姿態(tài)下能進行調(diào)整，以便提供適應城市道路、鄉(xiāng)村路面、高速路面、交叉路口、彎道等路況下的照明，同時避免給對方來車駕駛員造成眩目，引起交通事故。自適應前照燈控制策略的輸入來自轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、車速傳感器以及車身前后高度傳感器，通過步進電機實現(xiàn)水平和垂直方向的燈光調(diào)節(jié)，使得駕駛員具有更好的視角范圍。

而自適應尾燈主要與環(huán)境照度有關(guān)，它需要對自身的亮度進行優(yōu)化，以便其他道路使用者能更加清晰地看到該車的工作狀態(tài)。自適應前照燈和自適應尾燈的功能相似點在于都是為了防止給其他道路使用者產(chǎn)生眩目，減少交通事故。

2.2 自適應尾燈的控制原理

通常而言，基礎(chǔ)型自適應尾燈的原理框圖如圖2所示。

圖2 位置燈的自適應照明控制模塊

雨量照度傳感器是自適應尾燈的重要部件，主要感知黎明、黃昏、橋梁和隧道、樹林等情況下的環(huán)境照度，這些信息一般是處于白天狀態(tài)的信息。而近光開啟一般發(fā)生在晚上，近光的開啟一般伴隨著位置燈的開啟。因此近光的狀態(tài)除了提示BSI系統(tǒng)處于夜間工作模式，同時也是為了開啟位置燈。前刮水的狀態(tài)主要有兩層含義：開啟或關(guān)閉狀態(tài)，刮水擋位狀態(tài)。開啟或關(guān)閉狀態(tài)信息主要提醒BSI車輛是否處于雨雪天氣。而擋位狀態(tài)主要是提供雨量大小的信息，BSI根據(jù)這些信息來判斷是否需要將尾燈亮度調(diào)高或調(diào)低，以便讓其他道路使用者能更清楚地識別該車的運行狀態(tài)。

雨量照度傳感器（圖3）的功能之一就是感知亮度。在目前的傳感器中，照度感知一般基于2個方向：垂直向上的照度感知和水平向前的照度感知。前者主要用來判斷天空的照度情況，繼而來判斷是白天還是黑夜時刻。水平向前的照度感知主要用來感知車輛周圍的環(huán)境照度（以向前方向為例），該環(huán)境照度也將作為系統(tǒng)BSI輸入和計算的重要基礎(chǔ)。

圖3 雨量照度傳感器

為保證自適應尾燈能根據(jù)環(huán)境照度來實現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)，在照度的閾值定義方面，一般會將照度分為4個等級：非常亮的白天、中間狀態(tài)（激活狀態(tài)的門檻值）、一般亮度的白天和一般亮度的夜間。如果自適應尾燈的控制信號由車身給定，則這些信號將通過車身控制器處理后直接給尾燈供電。

對于更為先進的自適應尾燈系統(tǒng)，在自適應尾燈激活后的整個過程中，除了根據(jù)環(huán)境照度、駕駛狀態(tài)和前刮水狀態(tài)來設(shè)定特定的尾燈亮度外，還會根據(jù)道路車輛的周圍環(huán)境來進行識別，比如車輛離后方跟隨車輛很遠時、后方車輛逐漸靠近時、離后方跟隨車輛很近時或者后方車輛逐漸超車并遠離時。這4種狀態(tài)時后方駕駛員通常所處的4種狀態(tài)，是一種快速動態(tài)且較為復雜的信息，都需要在先進自適應尾燈上加以考慮。

3 自適應尾燈照度范圍定義

除了上述技術(shù)上的要求，自適應尾燈最重要的是對視覺能見度進行定義，以便既能讓道路使用者能很清晰地看到前方車輛的工作狀態(tài)，同時又不會因眩目而產(chǎn)生不舒適感，導致駕駛疲勞或交通事故。目前的研究缺乏統(tǒng)一有效的評價能見度的光學標準，因此在照度范圍方面的研究一直存在難度。本文通過模擬試驗，進行了試驗研究。

3.1 試驗描述

在如圖4所示室外試車跑道上靜止的兩車相距一定的距離，后面車輛中的被試對前面車輛尾燈的光強進行1～9分的評價。試驗設(shè)置了2個變量：一是前車尾燈的光強，總共設(shè)置了5種光強（最大光強173 cd的3%，11%，28%，57%和100%）；二是兩車的距離，共設(shè)置了4種距離（5 m，20 m，50 m，100 m）。

圖4 測試中車輛的相對位置

該試驗在室外進行，以便能完全模擬真實的駕駛環(huán)境。該試驗將可能影響尾燈亮度的因素降低到最低。 在模擬過程中，道路上沒有其他道路使用者（行人或其他車輛），每條道路的寬度大約為3.75 m. 該試驗主要采用靜態(tài)評價的方式，2臺車之間保持一定的距離，車內(nèi)有駕駛員。

為了調(diào)節(jié)尾燈的亮度，開發(fā)了2個電控單元。其核心控制部分在圖5中有描述。圖5中前一個單元安裝在車輛的前部，通過提供占空比信號給尾燈供電。通過無線電模塊接收到占空比信號后，對尾燈的亮度進行調(diào)節(jié)。第2個模塊放置在車內(nèi)用于測試。這個模塊包含2個部分，分別連接計算機和無線電發(fā)射器。整個測試由操作員通過軟件設(shè)置來完成，該軟件主要用于產(chǎn)生占空比，并通過無線電模塊發(fā)送給其他車輛。采用輸入裝置，將尾燈的亮度進行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)所有的數(shù)據(jù)（包括駕駛員的數(shù)據(jù)、2臺車輛之間的距離以及占空比）都通過軟件來設(shè)置和保存。

圖5 試驗設(shè)備原理框圖

3.2 測試流程

在測試過程中，2臺車的近光均打開，以便模擬在夜間駕駛的環(huán)境狀態(tài)。主駕駛員和副駕駛員同時進行測試和觀察。在試驗中，2個駕駛員都需要觀察前方的尾燈，其中主駕駛員觀察左尾燈，副駕駛員觀察右尾燈。

整個過程需要完成車距為5 m、20 m、50 m和100 m的測試。在每個測試車距里，需要測試5個照度水平：最大照度（173cd）的3%、11%、28%、57%以及100%。每個照度都要隨機測試3次。5 s后制動燈會自動關(guān)閉，然后測試人員采用9個等級的打分方法給制動燈打分。表1展示了9個等級的打分方法。

表1 9個等級的打分方法

3.3 測試結(jié)果

1）測試對象 總共有22個測試人員參加了持續(xù)11天的評價試驗，其中男性5人，9人戴眼鏡。圖6展示了測試對象的年齡分布。在每個測試開始之前，所有測試人員都知曉如何判斷亮度以及如何操縱設(shè)備。

2）關(guān)于照度的相關(guān)性 評價比值由照度和相對應的距離相比較得到。圖7是基于照度的曲線。很顯然，高位制動燈亮度不僅跟照度有關(guān)，也跟距離有關(guān)。

圖6 試驗對象的年齡分布

圖7 制動燈亮度與照度的關(guān)系

3）與距離的相關(guān)性 評分量表中5分表示最理想的光強，4分和6分表示較理想的光強。圖8中顯示不同距離下，觀測尾燈在最理想光強范圍內(nèi)時實際尾燈光強和車輛距離的關(guān)系。歐標法規(guī)規(guī)定的最小光強值是60 cd，從圖8中可以看到，特別是在車輛距離較小時，理想的尾燈光強是在60 cd的范圍內(nèi)，而這是歐標UNECE所允許的最小值。

對于自適應尾燈而言，希望相關(guān)的因素都能夠通過試驗模擬，并且這些因素對其他的道路使用者的影響是一致的，比如在亮度、可視角度、道路狀況、交通密度、駕駛環(huán)境等發(fā)生變化的情況。通過照度來衡量尾燈所有功能的亮度狀態(tài)是一種很有效的手段，因為在亮度方面的增加將直接被觀察者感知為距離的縮短。人類通過空間感知的規(guī)律將對照度與距離之間的關(guān)系確定提供理論保證。為了確保對尾燈更好的感知，下一步也將著手研究太陽光對駕駛員的感知的影響。

圖8 亮度與距離之間的關(guān)聯(lián)

4 結(jié)論與展望

由上述結(jié)果可以得出結(jié)論：根據(jù)環(huán)境條件進行自動調(diào)節(jié)的自適應尾燈系統(tǒng)非常有必要。在車距較小時，比如紅燈或堵車的情況下，尾燈的發(fā)光強度可以減小至法規(guī)允許的最小發(fā)光強度60cd，這樣既保證了道路中車輛行駛的安全性，能使后方車輛清晰地識別尾燈的信號；同時保證了后方車輛駕駛員的視覺舒適度，不會產(chǎn)生眩光影響正常駕駛。另外，由于光強的降低，能耗也可以相應地減小，計算可得降低光強可降低約66%的能耗。由此可見此項研究的意義和重要性。在進一步的研究中，將在兩車都運動時對光強進行更準確的評價，并且結(jié)合實際天氣、道路狀況進行綜合考慮。由于自適應尾燈需要確保信號的準確傳遞，而光強的增加一般被認為是距離的減少，因此，考慮改變光強傳遞制動等尾燈的功能信號是一種高效傳遞信號的方式，具有非常深遠的實際應用價值。

如梅賽德斯奔馳全新E級所搭載的全新尾燈，不僅造型更為動感，在實用性方面也做出了革命性的提升。全新設(shè)計的尾燈能夠根據(jù)環(huán)境不同自行調(diào)節(jié)亮度。正常狀態(tài)下，尾燈亮度可達100%，而車輛在夜間行駛時可將亮度弱化至80%，若在昏暗環(huán)境下開啟尾燈，其亮度最低可削弱至60%。

［1］ 李禮夫，鄧前.汽車自適應前照燈的夜間轉(zhuǎn)彎特性研究［J］.照明工程學報，2010（4）：32-36，44.

［2］ GB/T30036—2013，汽車用自適應前照燈系統(tǒng)［S］.