LED自適應(yīng)前照燈的節(jié)能與安全照明

楊才生 吳狀肥 萬(wàn)國(guó)義

摘 要：目前汽車LEDAFS仍存在光能利用率低和實(shí)時(shí)響應(yīng)速度慢等問(wèn)題。研究了目前車用LED前照燈照明系統(tǒng)光能利用率低和彎道照明滯后于駕駛員意圖等問(wèn)題。提供了照明系統(tǒng)合理分配光能量的方法以及基于預(yù)測(cè)控制的前照燈轉(zhuǎn)角控制方法，用來(lái)改進(jìn)照明系統(tǒng)以適應(yīng)各種復(fù)雜工況對(duì)前照燈的要求。

關(guān)鍵詞：LED；自適應(yīng)前照燈；節(jié)能；車燈控制

中圖分類號(hào)：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1671-7988（2018）12-56-04

Abstract： At present， there are still some problems in automobile LEDAFS， such as low utilization of light energy， poor real-time identification of servo control system and slow real-time response speed.The low utilization ratio of light energy and the lag of bend lighting in vehicle LED headlamp lighting system are evaluated.The method of rationally distributing light energy in lighting system and the method of headlamp turning angle control based on predictive control are provided to improve the lighting system to meet the requirements of headlights under various complex working conditions.

Keywords： LED； Adaptive headlamp； energy conservation； Lamp control

CLC NO.： U463.6 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）12-56-04

引言

AFS前照燈主要包括照明光學(xué)系統(tǒng)與照明控制系統(tǒng)。前照燈光線折射方式的組合即照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能影響著前照燈對(duì)于光能的利用率；主動(dòng)照明車燈控制系統(tǒng)的性能影響著車輛彎道照明的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，決定了彎道照明的安全性能。目前，LED自適應(yīng)前照燈仍然存在車燈光能利用率低，彎道照明準(zhǔn)確性和及時(shí)性較差等問(wèn)題。

如圖1所示，對(duì)于照明系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，為了形成AFS所需的各種光型，使前照燈的光照強(qiáng)度度滿足法規(guī)的要求。照明光學(xué)系統(tǒng)需要由多個(gè)LED燈泡組合的多個(gè)照明模塊組成?？梢酝ㄟ^(guò)不同照明模塊與模塊之間的點(diǎn)亮組合，疊加達(dá)到不同的照明效果。

照明光學(xué)系統(tǒng)的性能影響著系統(tǒng)的能耗與安全性。在滿足法規(guī)的硬性條件下，照明光學(xué)系統(tǒng)既要使照明光型符合法規(guī)要求也要保證有較高的光能利用率，因此如何提高照明光學(xué)系統(tǒng)的光能利用率就成了問(wèn)題的關(guān)鍵。

對(duì)于照明控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，為了達(dá)到彎道照明隨動(dòng)的要求，汽車需要根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角為輸入，進(jìn)而通過(guò)控制器和執(zhí)行器的運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)帶動(dòng)部分照明模塊的轉(zhuǎn)動(dòng)以達(dá)到需求的轉(zhuǎn)角。因此彎道照明控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性是主動(dòng)安全照明的關(guān)鍵。

2 汽車LED自適應(yīng)前照燈的節(jié)能照明

投射式結(jié)構(gòu)是當(dāng)前以LED為光源的前照燈主要采取的形式，如圖2所示。

投射式結(jié)構(gòu)主要由LED光源、橢球反射器、光型擋板和透鏡組成，從能量傳播的角度來(lái)看，汽車投射式LED前照燈在形成近光過(guò)程中，在經(jīng)過(guò)橢球反射器和光型擋板時(shí)分別損失了15%和20%的光能，再考慮到LED的發(fā)光效率，投射式LED前照燈對(duì)光能的實(shí)際利用率僅為48%。盡管研究人員對(duì)投射式結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改良，達(dá)到了理論上70%的利用率，但由于設(shè)備的局限性同樣會(huì)造成光能的損耗，難以使LED的光能得到充分的利用。

運(yùn)用逆向設(shè)計(jì)過(guò)程，按照我國(guó)《汽車LED前照燈》標(biāo)準(zhǔn)（GB25991-2010）即根據(jù)已知光源分布于目標(biāo)平面的光照度分布來(lái)設(shè)計(jì)照明光學(xué)系統(tǒng)。重新設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)合理分配光照能量，同時(shí)也兼顧了光能的傳輸效率。非成像光學(xué)與傳統(tǒng)成像光學(xué)只考慮照明的質(zhì)量不同，主要關(guān)注是能量的傳輸與分配，因此從節(jié)能的角度出發(fā)，非成像光學(xué)更加合理。

在非成像光學(xué)的設(shè)計(jì)上，能量網(wǎng)格法相比于微分方程法更加合適，這里就不過(guò)多的解釋二者的區(qū)別了。能量網(wǎng)格法主要是用來(lái)設(shè)計(jì)透鏡的型面，也就是自由曲面。經(jīng)過(guò)算法的推演，在入射光線與出射光線均已確定的前提下，可知自由曲面的求解就變成了自由曲面法向矢量與自由曲面坐標(biāo)點(diǎn)的轉(zhuǎn)化問(wèn)題。根據(jù)非成像光學(xué)基本原理，若入射光的邊緣光線經(jīng)過(guò)折射后與出射光的邊緣光線對(duì)應(yīng)，也就是說(shuō)要保證LED光能分布的邊緣與目標(biāo)照明面邊緣對(duì)應(yīng)才能保證自由曲面具有較高的光能利用率。因此，應(yīng)根據(jù)光源的能量分布劃分出N個(gè)空間立體角微元，然后根據(jù)不同的照明要求，同樣的把目標(biāo)平面分為N個(gè)照明微元，從而建立立體角微元邊緣與目標(biāo)平面微元邊緣一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。根據(jù)邊緣光線理論，若希望立體角微元能夠傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的照明面微元上，則需要確保立體角微元的邊緣光線能夠投到對(duì)應(yīng)的照明面微元邊緣位置。如下圖3所示。綜上所述，利用能量網(wǎng)格法可確定自由曲面表面，從而得到照明系統(tǒng)節(jié)能的設(shè)計(jì)曲面。

3 汽車LED自適應(yīng)前照燈的主動(dòng)安全照明

3.1 傳統(tǒng)應(yīng)前照燈的缺陷使汽車AFS照明系統(tǒng)發(fā)展

汽車在夜間行駛射，裝有傳統(tǒng)前照燈的汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)，前照燈相對(duì)于車燈固定不動(dòng)，則在轉(zhuǎn)彎彎道內(nèi)側(cè)會(huì)形成一個(gè)如圖4所示盲區(qū)，導(dǎo)致駕駛員在夜間不能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)可能存在的障礙物，這是傳統(tǒng)前照燈夜間彎道行駛隱藏風(fēng)險(xiǎn)。

分析裝有傳統(tǒng)前照燈的汽車夜間轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)產(chǎn)生盲區(qū)的原因：

（1）汽車即將進(jìn)入彎道時(shí)，駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)，但由于車身響應(yīng)的滯后性。此時(shí)前輪偏轉(zhuǎn)較大，車身偏轉(zhuǎn)較小或未出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，并且由于車燈相對(duì)于車身位置固定，仍與車身縱軸線方向保持一致，導(dǎo)致車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)存在盲區(qū)。

（2）汽車在較大的彎道上行駛時(shí)，駕駛員以一定的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)，車身縱軸線與前輪行駛方向，由于響應(yīng)時(shí)間滯后的原因始終存在一定的角度差，致使前照燈即將照亮的區(qū)域不能完全覆蓋車輛將要行駛的路段，出現(xiàn)行駛盲區(qū)。

針對(duì)傳統(tǒng)前照燈的缺陷，研制出了AFS前照燈系統(tǒng)：AFS系統(tǒng)能夠根據(jù)行駛路況（如坡道、彎道、高速路段、城鎮(zhèn)路段）和車輛狀態(tài)，自動(dòng)對(duì)前照燈照射區(qū)域進(jìn)行調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，以滿足駕駛員對(duì)前方路況的準(zhǔn)確判斷。

3.2 AFS系統(tǒng)夜間彎道照明的隨動(dòng)系統(tǒng)

當(dāng)汽車已在彎道上行駛時(shí)，AFS系統(tǒng)可根據(jù)車速傳感器、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器提供的輸入信息，經(jīng)過(guò)ECU信息處理可計(jì)算出前照燈在通過(guò)彎道時(shí)應(yīng)偏轉(zhuǎn)的角度，進(jìn)而通過(guò)電機(jī)控制前照燈在轉(zhuǎn)彎時(shí)的偏轉(zhuǎn)，減少汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)前方的盲區(qū)如圖5所示，可以讓駕駛員及早的發(fā)現(xiàn)盲區(qū)處的障礙物和行人，提供駕駛員足夠的時(shí)間采取規(guī)避措施，提高了行車安全性。

當(dāng)汽車即將進(jìn)入彎道時(shí)，由于控制系統(tǒng)時(shí)間上的滯后，前照燈的轉(zhuǎn)動(dòng)角度并不能很好的解決彎道行駛時(shí)的盲區(qū)問(wèn)題，始終落后于駕駛員的意圖。為解決這類問(wèn)題，有的學(xué)者提出來(lái)預(yù)測(cè)式前照燈的轉(zhuǎn)角控制系統(tǒng)。目前測(cè)式前照燈的轉(zhuǎn)角控制系統(tǒng)的構(gòu)造都較為復(fù)雜，且通常需要外加設(shè)備來(lái)幫助進(jìn)行彎道判斷，比如運(yùn)用GPS定位、電子地圖和人眼預(yù)瞄檢測(cè)來(lái)判斷未來(lái)車輛的行駛軌跡，進(jìn)而對(duì)前照燈進(jìn)行提前調(diào)整。但由于GPS和電子地圖的精度不高和傳輸滯后，以及人眼預(yù)瞄系統(tǒng)成本過(guò)高等問(wèn)題，使得該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性都較差。

3.2.1 LED自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)的安全照明原理

如下圖6所示，為了便于敘述，我們將汽車在彎道行駛時(shí)，汽車行駛半徑與光軸所截的圓弧長(zhǎng)度定義為彎道照明距離。

由上圖可知，當(dāng)轉(zhuǎn)彎半徑相同的情況下，汽車車速高對(duì)應(yīng)的前照燈轉(zhuǎn)角更大；當(dāng)車速相同的情況下，汽車的轉(zhuǎn)彎半徑小對(duì)應(yīng)的前照燈轉(zhuǎn)角更大。

3.2.2 主動(dòng)安全照明LEDAFS的預(yù)測(cè)控制

利用方向盤(pán)轉(zhuǎn)角與當(dāng)前車速可大致推算出前照燈的轉(zhuǎn)角，但是由于數(shù)據(jù)處理和傳輸上的遲滯、機(jī)械傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)上的誤差，以及轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角和汽車轉(zhuǎn)彎半徑處于動(dòng)態(tài)的變化當(dāng)中，所以按照實(shí)時(shí)測(cè)量出的數(shù)據(jù)，計(jì)算出的前照燈轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)量，實(shí)際上已經(jīng)滯后于實(shí)際所需的偏轉(zhuǎn)量。這種情況就導(dǎo)致了汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)，AFS前照燈轉(zhuǎn)角滯后于駕駛員的意圖了。

導(dǎo)致這種滯后的原因有如下三個(gè)部分：

（1）控制系統(tǒng)時(shí)間上的滯后時(shí)間T1：輸出信號(hào)與輸入信號(hào)滯后的時(shí)間差，這是整個(gè)前照燈控制系統(tǒng)產(chǎn)生滯后的主要原因。

（2）機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)間隙、變形產(chǎn)生的滯后時(shí)間T2：由于自適應(yīng)前照燈傳動(dòng)齒輪大多塑料且多達(dá)4對(duì)，控制車燈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)塑料齒輪會(huì)產(chǎn)生變形，這部分導(dǎo)致的遲滯不容忽視。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們可以直接獲得 T1+T2≈40ms

（3）CAN總線傳輸時(shí)間上的遲滯時(shí)間T3：根據(jù)文獻(xiàn)可查得信息系統(tǒng)的滯后時(shí)間 。

因此整個(gè)系統(tǒng)的總滯后時(shí)間： 。

我們通過(guò)對(duì)駕駛員意圖的判斷進(jìn)行轉(zhuǎn)角滯后量的計(jì)算，從而解決該滯后問(wèn)題。

汽車剛開(kāi)始轉(zhuǎn)彎時(shí)，駕駛員根據(jù)彎道不斷地調(diào)整方向盤(pán)轉(zhuǎn)角，因此方向盤(pán)轉(zhuǎn)角的變化速率體現(xiàn)了駕駛員的意圖。

圖9表示出了，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角不斷增加的情況下，實(shí)際彎道與初始轉(zhuǎn)彎半徑的關(guān)系：

根據(jù)以上模型對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角變化率為180°/S和360°/S進(jìn)行了模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下圖10。

整合以上信息可知，為了能使前照燈轉(zhuǎn)角及時(shí)體現(xiàn)駕駛員意圖，達(dá)到照明安全的目的，可以在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)角計(jì)算方法上加入前照燈轉(zhuǎn)角預(yù)測(cè)量。

4 總結(jié)

隨著LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，LED燈泡的光效將越來(lái)越高，規(guī)?；耐瑫r(shí)制造成本也將逐步降低，普遍應(yīng)用到汽車前照燈上也是水到渠成，因此本文對(duì)LED自適應(yīng)前照燈的節(jié)能和安全照明性能的提高進(jìn)行了研究，提出了LED自適應(yīng)前照燈節(jié)能設(shè)計(jì)方法和增加彎道照明反應(yīng)及時(shí)性的預(yù)測(cè)方法，并完成理論上的證明。將有利于汽車LED自適應(yīng)前照燈的發(fā)展，具有較好的應(yīng)用和發(fā)展前景。

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