基于DLP的投影式自適應(yīng)前照燈控制系統(tǒng)

王金磊，徐健，吳杰，豐建芬，朱濤

(常州星宇車燈股份有限公司,江蘇常州 213000)

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，汽車已經(jīng)成為成千上萬家庭的日常代步工具，但是交通事故發(fā)生率也在逐年攀升。據(jù)數(shù)據(jù)分析，夜間的行車量只占總行車量的25%，而發(fā)生在夜間的交通事故數(shù)量卻占總交通事故的47%[1]，其中30%～40%的夜間車禍源于濫用遠(yuǎn)光和照明不良。因此，近年來國內(nèi)外許多車燈廠和研究機(jī)構(gòu)開始致力于汽車主動(dòng)安全技術(shù)的研究。其中，在車燈領(lǐng)域主要涉及帶有AFS(Adaptive Front-lighting System)或ADB(Adaptive Driving Beam)功能的汽車前照燈。

傳統(tǒng)的機(jī)械式自適應(yīng)前照燈調(diào)整精度低，且調(diào)整過程中存在磨損。矩陣式前照燈由于LED(Liquid Crystal Display)光源矩陣的主光源數(shù)量有限，對(duì)光線的角度和暗區(qū)的控制精度低，分辨率較低。文中提出一種基于DLP(Digital Light Processing)的投影式自適應(yīng)前照燈控制系統(tǒng)，它是對(duì)AFS和ADB功能的一個(gè)整合與升級(jí)，可以使遠(yuǎn)光、近光、AFS、ADB等功能由一個(gè)模組實(shí)現(xiàn)，并且具有極高的分辨率。這主要是依托DLP技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。

DLP是投影和顯示信息的一個(gè)革命性的新方法，其核心為一塊反射率極高的DMD(Digital Micromirror Device)微鏡器件。DMD芯片有上百萬個(gè)微鏡片聚集在CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)硅基片上，每個(gè)微鏡片安裝在一個(gè)精密微型鉸鏈上，微型鉸鏈可以由SRAM(Static Random-Access Memory)的數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)鏡片方向和角度來反射光到屏幕上形成投影圖像[2]。通過對(duì)其表面微鏡矩陣中數(shù)百萬顆微鏡角度的控制，改變光線的反射角度，從而能在指定區(qū)域內(nèi)形成暗區(qū)，并且能準(zhǔn)確地控制車燈調(diào)節(jié)光線透射的角度和暗區(qū)的大小，有效地避免炫目的發(fā)生。同時(shí)，它能將最多的光維持在路面上，保證了夜間燈光的最大利用率，有效地提高了夜間行車安全。

LCD、LCoS(Liguid Crystal on Silicon)與DLP 是目前三大主流投影顯示技術(shù)，與前兩種投影顯示技術(shù)相比，DLP 具有以下明顯的優(yōu)勢(shì)：體積小、質(zhì)量輕，便于攜帶；光能利用率高，功耗低；投影亮度和對(duì)比度高；電磁輻射低，可防止信息泄露；對(duì)惡劣環(huán)境忍耐度高[3-4]。

1 基于DLP的投影式自適應(yīng)前照燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

1.1 投影式前照燈控制電路的設(shè)計(jì)要求

基于DLP的投影式自適應(yīng)前照燈控制系統(tǒng)包含四大單元：圖像處理單元、控制單元、執(zhí)行單元和光源驅(qū)動(dòng)單元。

圖像處理單元包含圖像處理器模塊和CAN通信模塊。它將實(shí)時(shí)獲取的前車圖像信息經(jīng)過處理后，通過CAN總線以CAN報(bào)文的形式發(fā)送給控制單元。

控制單元包含MCU處理器模塊和DLP控制模塊。MCU處理器模塊收到CAN總線傳來的報(bào)文信息，進(jìn)行處理后發(fā)送給DLP控制模塊。DLP控制模塊進(jìn)一步計(jì)算控制信息，而后將計(jì)算結(jié)果發(fā)送給執(zhí)行單元進(jìn)行同步執(zhí)行。同時(shí)，MCU處理器模塊還會(huì)發(fā)送PWM調(diào)光信號(hào)給光源驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行光源調(diào)光。

執(zhí)行單元包含DMD芯片模塊和外配透鏡模組。DMD芯片接收到控制單元發(fā)來的計(jì)算結(jié)果，同步開啟或關(guān)閉表面數(shù)百萬顆微鏡的翻轉(zhuǎn)。當(dāng)LED或Laser光源組件發(fā)出的均勻光束打到DMD芯片微鏡矩陣上時(shí)，根據(jù)每個(gè)像素點(diǎn)的翻轉(zhuǎn)角度進(jìn)行對(duì)應(yīng)的反射后，通過外配透鏡射出。

光源驅(qū)動(dòng)單元包含LED/激光驅(qū)動(dòng)模塊和光源透鏡組件。光源透鏡組件包括LED/Laser主光源、聚透鏡和修正透鏡。

基于DLP的投影式自適應(yīng)前照燈控制系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 基于DLP的投影式自適應(yīng)前照燈控制系統(tǒng)組成

DMD表面微鏡翻轉(zhuǎn)效果及光路反射效果如圖2所示。

圖2 DMD表面微鏡翻轉(zhuǎn)效果與光路反射效果

1.2 CAN/LIN總線收發(fā)器、MCU、DLP控制芯片及光源驅(qū)動(dòng)芯片的選擇

CAN收發(fā)器采用NXP的TJA1041A。

MCU采用TI的32位單片機(jī)TMS320F28023。F2802x PiccoloTM系列微控制器為C28xTM內(nèi)核供電,擁有1路SCI接口、1路SPI接口、1路I2C接口，多達(dá)22個(gè)復(fù)用通用輸入輸出(GPIO)引腳以及13路ADC采樣口。

DLP控制芯片采用TI的DLPC120，DMD芯片采用TI的DLP3000-Q1，其微鏡整體尺寸為0.762 cm(0.3英寸),表面微鏡損耗率極低。

光源驅(qū)動(dòng)芯片采用TI的TPS92602-Q1，該芯片擁有強(qiáng)大的光源驅(qū)動(dòng)能力，不僅適用于LED光源，也適用于激光光源的應(yīng)用場(chǎng)景。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 DLP投影模組樣件

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，作者開發(fā)了一款基于DLP的投影模組。該模組分為3個(gè)部分，分別是CAN通信部分、LED/Laser驅(qū)動(dòng)部分以及DLP投影控制及透鏡部分。

CAN通信部分通過CAN分析儀同步傳輸圖像數(shù)據(jù)。

LED/Laser驅(qū)動(dòng)部分為光源驅(qū)動(dòng)控制板，光學(xué)參數(shù)選定：歐司朗KW CULNM1.TG_v1，光通量1 400 lm；發(fā)光面積2 mm2；發(fā)光角度120°。

DLP投影控制及透鏡部分將光源、投影透鏡組、DLP控制板、散熱模塊等封裝在一個(gè)密封遮光箱體中，減少光源傳輸過程中雜光和衰減，保證光能量不受過多的發(fā)散損耗。

DLP投影模組樣件如圖3和圖4所示。

圖3 DLP投影模組樣件

圖4 DLP投影模組正視圖、模組內(nèi)部俯視圖

2.2 DLP投影模組高分辨率自適應(yīng)暗區(qū)效果

對(duì)DLP遠(yuǎn)光光型、近光光型和ADB光型進(jìn)行了光學(xué)軟件模擬，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)光、近光和ADB光型；光型展寬為上下±3°，左右±10°；各子像素間無明顯色散；遠(yuǎn)光整體光型無色散；分辨率小于0.1°。

光學(xué)模擬(25 m處)結(jié)果如圖5、圖6和圖7所示(X、Y軸表示光型的長寬大小,單位m)。

對(duì)DLP投影模組樣件投影圖像進(jìn)行功能化設(shè)計(jì)，并成功實(shí)現(xiàn)投射，照度值也達(dá)到了要求。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，整個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多暗區(qū)的投影，能在路面、屏幕上投射各種圖形，自由照亮各種區(qū)域，投影效果較佳。光能量損耗控制在45%左右，整個(gè)系統(tǒng)的散熱情況也良好。

實(shí)際投影效果如圖8和圖9所示。

圖5 DMD遠(yuǎn)光模擬光型圖 圖6 DMD近光模擬光型圖 圖7 DMD ADB模擬光型圖

圖8 ADB高分辨率暗區(qū)效果投影

圖9 道路行車標(biāo)志與警示標(biāo)志投影

3 結(jié)論

提出一種基于DLP的投影式自適應(yīng)前照燈控制系統(tǒng)。通過多項(xiàng)試驗(yàn)以及模擬道路實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求，可以在復(fù)雜路況下根據(jù)前方圖像識(shí)別自由切換光型(遠(yuǎn)光、近光、ADB暗區(qū)光型)，實(shí)現(xiàn)極高分辨的照明暗區(qū)，有效地避免在跟車與會(huì)車時(shí)發(fā)生遠(yuǎn)光炫目，且能最大限度地提高燈光利用率。另外，該系統(tǒng)可以為行人進(jìn)行安全標(biāo)示投射，具有非常好的安全警示作用。