基于汽車自適應前照明系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

韓風

摘 要：主要討論汽車自適應前照明系統(tǒng)設計與研究。在對AFS系統(tǒng)現(xiàn)狀及相關法規(guī)對AFS的規(guī)定進行分析說明的基礎上，闡述了在C、V、E、W幾種不同照明條件下的試驗方法以及配光要求，以汽車前照燈照明需求為依據(jù)完成了自適應前照燈系統(tǒng)控制模型的構(gòu)建，并在此基礎上完成了一種自適應前照燈控制系統(tǒng)的設計，實驗測試結(jié)果表明該控制模型具有較高的控制精度，可有效滿足車輛對自適應前照明系統(tǒng)的控制需求。

關鍵詞： 汽車前照燈; 照明系統(tǒng); 設計分析; 控制模型

中圖分類號： TP 391.9

文獻標志碼： A

Abstract： This paper mainly discusses the auto adaptive front lighting system design and research. Based on the current situation and relevant laws and regulations on AFS， this paper expounds different lighting requirements and test methods under the C， V， E， W conditions. Based on automobile headlamps lighting requirements an adaptive headlamps system control model is built， as well as the design of the control system of the adaptive headlamps. Experimental test results show that the control model has high control accuracy， can effectively meet the vehicle adaptive front lighting system control requirements.

Key words： automobile headlight; lighting system; design analysis; control model

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，在人們生活水平逐漸提高的基礎上，汽車的保有量在呈不斷上升的趨勢，導致交通環(huán)境越來越復雜，交通事故頻頻發(fā)生，直接影響到人們的生命財產(chǎn)安全。在眾多的交通事故中，夜間行駛汽車很容易由于光線問題而發(fā)生交通事故，而光照主要由汽車前照燈所負責，在路況比較復雜的狀態(tài)下，傳統(tǒng)的汽車前照燈設計還不能夠完全滿足汽車的安全行駛。如何設計并完善汽車前照明系統(tǒng)以提高駕駛的舒適性和安全性仍然是目前研究的重點之一[1]。為此本文主要對汽車前照燈自適應系統(tǒng)進行了研究。

1 需求分析

安全是車輛行駛過程中的首要需求，一個先進、有效的前照燈已經(jīng)成為保證駕駛?cè)巳松戆踩捌嚢踩谋匾疤幔S著交通環(huán)境的日益復雜多變，傳統(tǒng)的汽車前照燈必須進行優(yōu)化與完善，從而產(chǎn)生了可以對汽車行駛狀況自動匹配的新型前照燈，在現(xiàn)今技術(shù)的支撐下使汽車的安全系數(shù)得到顯著提升。汽車自適應前照燈可以根據(jù)車輛運行參數(shù)，對光線進行適當調(diào)整，滿足駕駛員夜間行駛的安全需求，在確保汽車夜間行車安全方面起到重要作用。汽車自適應前照燈相關研究已經(jīng)取得了一定的成果，根據(jù)模型種類的不同，自適應前照燈控制研究可以分為關系模型，主要以前照燈轉(zhuǎn)角和車輛運動參數(shù)進行建立。通過微型相機對路況進行分析，對光照進行實時調(diào)整2類;根據(jù)不同的執(zhí)行機構(gòu)可分為：通過步進/直流電機對車燈旋轉(zhuǎn)進行驅(qū)動、通過數(shù)字反光鏡陣列的使用改變光型、通過LED陣列調(diào)整光型3類。目前的研究主要以汽車自適應前照燈控制策略為主，缺少對整個系統(tǒng)的研究及對應的實際設計和驗證[1]。在環(huán)境惡劣或夜間行駛的車輛，自適應前照燈能夠起到一定的安全保障作用，為此本文從系統(tǒng)整體角度出發(fā)，結(jié)合照明的舒適性以前照燈照明需求為依據(jù)（包括照明范圍與強度），完成了一種自適應前照燈控制系統(tǒng)的設計（基于車輛運動參數(shù)），可有效提高控制效果。

2 汽車自適應前照燈系統(tǒng)照明模式及配光試驗

本次研究的汽車自適應前照燈系統(tǒng)主要由執(zhí)行器、傳感器組、CAN總線和控制單元ECU構(gòu)成，汽車行駛過程中一旦遇到路面凸凹不平或轉(zhuǎn)彎時，控制單元ECU會通過傳感器對車輛的車速信息、轉(zhuǎn)角信息、傾斜程度等相關信息進行收集，根據(jù)所收集到的信息來相應的判斷并且進入燈光調(diào)試執(zhí)行階段。

2.1 自適應前照燈系統(tǒng)照明模式

（1） 鄉(xiāng)村照明模式（C），該類照明模式采用較普遍，在本質(zhì)上同常見的近光燈類似，該模式常在鄉(xiāng)間道路行駛中使用。 （2） 高速公路照明模式（E），由于汽車在告訴上行駛速度比較快，導致駕駛員的反應時間會延長，對前照燈性能的要求較高。而自適應前照燈系統(tǒng)的照明光線具備長遠且寬廣的優(yōu)勢，所以在高速行駛過程中也不叫適合。 （3） 城市道理照明模式（V），在城市交通中，交通狀況比較復雜，相對于鄉(xiāng)村道路來講，城市路面照明更加完善，汽車自適應前照燈系統(tǒng)能夠有效滿足行車復雜性及限制車速情況下的照明需求，對駕駛員來說，范圍廣光線足的前照燈可為駕駛員提供足夠的視野，同時有效避免了眩光等的影響。（4） 惡劣天氣照明模式（W），該模式主要運用于雨雪天氣，視線狀況不佳的情況或者道路上有雨水沉積，由于路面積水會形成光線反射，所以很容易影響駕駛員視線，難以及時分清路面狀況，易引發(fā)交通事故，AFS系統(tǒng)能夠產(chǎn)生特殊的光針可有效緩解積水反射導致的光眩感。（5） 彎道照明模式（T），AFS的前照燈可根據(jù)汽車方向的變動情況發(fā)生改變，進而能夠有效清除視野盲區(qū)，經(jīng)過彎道時通過傳感器收集的數(shù)據(jù)完成對相關近光燈和其它燈光的控制（如補充執(zhí)行光線），達到預期照明效果[2]。

2.2 配光要求及試驗

針對自適應前照燈系統(tǒng)，本文主要針對不同近光的配光方法及環(huán)節(jié)進行了研究，（1） 配光試驗設備，本文選用了全自動燈具配光分析系統(tǒng)GO-H1400，在對系統(tǒng)測試時可以將燈具放在轉(zhuǎn)臺上，保證監(jiān)測360度無死角，工控機接收到由照度傳感器采集的信息后據(jù)此實現(xiàn)燈具角度、電源等的調(diào)整過程。（2） 配光測試要求，以ECER123/01的配光試驗屏幕圖為例，如圖1所示。

為確保測量范圍的精準，測量點與測量線存在一定的差異。不同級別的近光通常對應不同配光要求：基礎近光（c光），不同于其它的近光如v級近光，該光多出現(xiàn)在城市道路中。車輛多行駛于具有照明設備的區(qū)域道路上，車速通常小于等于60千米/h;對比E級近光，這種近光大多會出現(xiàn)在高速公路上，而且車速會大于70千米/h。對比W級近光，該近光主要適用于雨天，對于75R和Emax要求更嚴格，確保對駕駛?cè)藛T帶來最小的影響。在對不同級別的近光進行調(diào)整時，前照燈主要由步進電機和光學投射單元兩部分構(gòu)成，實現(xiàn)燈具角度的360度旋轉(zhuǎn)[3]。

2.3 配光測試流程

在進行測量時需要結(jié)合彎道照明模式的類型來確定模式，對最大照度進行測量，如表1所示。

然后與表1進行測量結(jié)果對比，對光的明暗是否符合要求進行判斷。（1） 燈具照準，先將燈具放置在轉(zhuǎn)臺上進行照準，當燈具的基準中心與轉(zhuǎn)臺相對應后在進行固定，為了確保對數(shù)據(jù)進行準確收集，投射是要對準基準部位，當一次信息采集完成之后再進行下一次采集，然后與標準值進行對比，結(jié)束該流程。（2） 近光明暗截止線的照準要求，先將系統(tǒng)設置為c級近光，確保截止線的左側(cè)和右側(cè)分別表現(xiàn)為平直部分和肘扁部分;垂直校準，將H-H固定為下部25 mm，由截止線定位該位置;然后進行水平校準。完成配光校準流程結(jié)后開始對測試程序進行編寫，測試程序主要由范圍、線、點三個配光值構(gòu)成，AFS前照燈測定數(shù)量時按照套進行（即數(shù)量可以為4），測量前照燈時需遵循標準微：分別測量適用該照明功能/模式的全部照明單元，最終測試結(jié)果只需取平均值。軟件測試分為全屏掃描、完全呈現(xiàn)各單元的可照角度兩個環(huán)節(jié)，采用軟件完成各出現(xiàn)點的配光值的計算（結(jié)果通常為擬合值）。檢測系統(tǒng)某個部件光源時需保證兩側(cè)電壓達到12伏，實際測量時不可偏離數(shù)值太多（及時對個別系數(shù)做調(diào)整）。在測量值與標準值存在較大差異的狀況下，需要對燈具進行調(diào)整。對于無法更換的光源需采用標準或規(guī)定電壓[4]。

3 汽車自適應前照明控制系統(tǒng)設計

3.1 汽車自適應前照明系統(tǒng)控制模型

（1） 控制算法

駕駛員在實際交通環(huán)境中需要一定的反應時間（由T0表示，本文T0取值為3 s），以避免意外情況的發(fā)生，即車燈能照亮3 s內(nèi)走過的距離。轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)大燈轉(zhuǎn)向角及轉(zhuǎn)向外側(cè)大燈轉(zhuǎn)向角的表達式分別如下[5]。

（2） 系統(tǒng)開關條件

轉(zhuǎn)動方向盤到某一角度時通常以此位置為中心左右波動，需系統(tǒng)功能的開關具有滯回特性，從而有效克服由方向盤微小波動導致的系統(tǒng)頻繁開關，本文選取的系統(tǒng)開、關條件為：開啟速度>8 Km/h，關閉速度<6 Km/h，開啟方向盤轉(zhuǎn)角大于7°，關閉方向盤轉(zhuǎn)角小于5°，開啟傾角大于0.3，關閉傾角小于0.2，水平方向旋轉(zhuǎn)最小角度大于0.1°，垂直方向旋轉(zhuǎn)最小角度大于0/05°。

3.2 系統(tǒng)設計

3.2.1 硬件設計

系統(tǒng)硬件主要由傳感單元（包括速度、方向盤轉(zhuǎn)角、車身前后軸高度等傳感器）、ECU和執(zhí)行3個單元構(gòu)成，如果采用大功率的點擊驅(qū)動模塊很容易對系統(tǒng)總線造成破壞，因此將驅(qū)動板和主控板分開并使用CAN網(wǎng)絡交換信息，以確保系統(tǒng)總線的安全。控制系統(tǒng)先對參數(shù)進行初始化，根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)（通過主CAN網(wǎng)絡）獲取車輛運行參數(shù)，再由ECU將計算獲取的前照燈轉(zhuǎn)角發(fā)送到次CAN網(wǎng)絡，驅(qū)動控制器會通過閉環(huán)的方式，使前照燈到達指定位置。

（1） ECU模塊設計，主控板由MCU最小系統(tǒng)、CAN收發(fā)、電源等模塊構(gòu)成，驅(qū)動板主要由步進電機驅(qū)動、MCU最小系統(tǒng)、CAN收發(fā)、電源、系統(tǒng)保護等模塊構(gòu)成。將TLE4270作為電源模塊，CAN收發(fā)采用TJA1050，分別采用MC9S12XET 和MC9S08DZ60作為主控板和驅(qū)動板的MCU，選用能實現(xiàn)故障編碼化的L9935作為步進電機驅(qū)動器。（2） 系統(tǒng)失效保護電路，在汽車實際工作環(huán)境中，系統(tǒng)電源異常、步進電機產(chǎn)生的異常、采集數(shù)據(jù)失效2類是比較常見的系統(tǒng)失效形式。系統(tǒng)失效保護電路可以對電源反接造成的損害進行阻止，使用能夠檢測異常情況的驅(qū)動芯片L9935可有效解決步進電機過載、過流、過壓、過熱等突發(fā)狀況，L9935可向MCU發(fā)送錯誤編碼（通過SPI總線）。采用反饋方法減小累積誤差 [7]。

3.2.2 系統(tǒng)軟件設計

主控板軟件主要由CAN總線自檢、系統(tǒng)初始化、傳感器信號采集、轉(zhuǎn)角計算和發(fā)送幾個模塊構(gòu)成，先檢測系統(tǒng)及CAN總線，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障情況下向儀表盤發(fā)送故障代碼，系統(tǒng)正常工作情況下對系統(tǒng)進行初始化處理后進入信號采集狀態(tài)，方向盤轉(zhuǎn)角、車輛前后軸高度、速度的采集過程一致，通過對傳感器數(shù)據(jù)采集時間的限制能夠有效避免數(shù)據(jù)采集失敗造成的系統(tǒng)持續(xù)等待問題;通過控制模型根據(jù)采集到的經(jīng)驗證無誤的傳感器數(shù)據(jù)，對前照燈轉(zhuǎn)動角度進行計算，然后通過CAN總線發(fā)送到驅(qū)動板，同時接收驅(qū)動板反饋信號，驅(qū)動板驅(qū)動前照燈到指定位置。

3.3 系統(tǒng)驗證與評估

本文采用基于虛擬場景的驗證平臺對自適應前照燈控制系統(tǒng)的控制策略進行驗證和評估，通過測試系統(tǒng)轉(zhuǎn)角的理論值和實際值間的誤差評估控制精度，由虛擬交通場景系統(tǒng)和信號輸入系統(tǒng)構(gòu)成控制策略評估平臺，虛擬車輛以輸入的信號為依據(jù)在虛擬道路上進行行駛，由外部控制器輸出對虛擬車輛的燈光偏轉(zhuǎn)進行控制;對比系統(tǒng)轉(zhuǎn)角的理論值和實際值間的誤差同系統(tǒng)性能指標要求間的差距測試汽車隨動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)精度。水平方向轉(zhuǎn)角試驗結(jié)果（左轉(zhuǎn)彎時左燈的測試數(shù)據(jù)），如表2所示。

測試結(jié)果表明系統(tǒng)最大轉(zhuǎn)向誤差不超過0.15°，實際轉(zhuǎn)角同理論轉(zhuǎn)角基本相符，符合技術(shù)參數(shù)要求[8]。

4 總結(jié)

隨著汽車前照燈相關技術(shù)研究的深入，汽車自適應前照明技術(shù)逐漸發(fā)展完善起來，本文在介紹了不同照明條件下的試驗方法以及配光要求的基礎上，主要完成了自適應照明系統(tǒng)的設計，建立起車輛運動參數(shù)同前照燈轉(zhuǎn)角間的關系，給出了一種針對前照燈自適應控制策略的評估平臺（基于虛擬場景），并通過所設計的系統(tǒng)控制精度驗證平臺驗證了該自適應前照燈控制系統(tǒng)的實用性，可有效滿足汽車在光照不足情況下的安全行駛需求。

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（收稿日期： 2019.08.24）