主從式結(jié)構(gòu)的車輛自適應(yīng)前照燈控制系統(tǒng)設(shè)計*

段海艷，范曉娟，胡坤福，賓洋，羅文廣，朱書善

(1.廣西科技大學 電氣與信息工程學院，柳州545006;2.重慶理工大學機械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心；3.北京理工大學)

主從式結(jié)構(gòu)的車輛自適應(yīng)前照燈控制系統(tǒng)設(shè)計*

段海艷1，范曉娟1，胡坤福1，賓洋2，羅文廣1，朱書善3

(1.廣西科技大學 電氣與信息工程學院，柳州545006;2.重慶理工大學機械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心；3.北京理工大學)

車輛自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)(Adaptive Front-lighting System，AFS)是車輛的一種主動安全系統(tǒng)。本文開發(fā)的AFS采用主控模塊加電機驅(qū)動輔助模塊組成的主從式結(jié)構(gòu)。AFS主控模塊用于采集車身懸架高度、方向盤轉(zhuǎn)角、GPS等傳感器信號，用于進行水平和垂直兩個方向的車燈角度計算，并發(fā)送控制指令信號給步進電機；電機驅(qū)動輔助模塊用于接收主控模塊發(fā)出的控制指令信號，并驅(qū)動步進電機運動，實現(xiàn)車燈隨動轉(zhuǎn)向?，F(xiàn)已開發(fā)出整套軟件算法和硬件原理樣機。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)彎道隨動轉(zhuǎn)向和坡道俯仰調(diào)節(jié)，完成不同速度下光型模式的配置。

自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)；自動控制；信號采集；步進電機驅(qū)動

引 言

車輛自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)AFS(Adaptive Front-lighting System)可按照方向盤轉(zhuǎn)動角度、車速、天氣情況、道路坡度和曲率的變化做出光型、角度的調(diào)整，以滿足不同的照明要求，從而有效地改善夜間行車照明效果、提高安全性[1-2]。有統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：夜間發(fā)生交通事故的次數(shù)大約是白天的3倍，其中有60%是發(fā)生在夜間彎道行駛時照明不良的情況下[3]。據(jù)報道，在同等路況的條件下，應(yīng)用AFS系統(tǒng)時，可見度提升45%。因此，提高汽車大燈對環(huán)境的智能適應(yīng)度，在避免交通事故方面有重要意義。

本文的研究內(nèi)容主要由以下幾個部分組成：AFS主機控制模塊用于實現(xiàn)車身傳感器信號的采集和處理，以及發(fā)送主從通信控制命令；電機驅(qū)動輔助模塊用于接收LIN總線控制命令，驅(qū)動步進電機運動；AFS控制算法實現(xiàn)水平、垂直方向的調(diào)光電機控制。最終完成硬件系統(tǒng)搭建，并進行實驗驗證。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及原理

根據(jù)AFS的控制過程和功能需求，系統(tǒng)主要由AFS主控模塊(Master模塊)和兩套步進電機驅(qū)動模塊(Slaver模塊)組成，兩者之間通過LIN總線進行通信。系統(tǒng)用到的傳感器在車身的分布情況如圖1所示。

圖1 車身傳感器分布圖

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

前照燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。其中，AFS主控制器用于采集車身懸架高度、方向盤角度、GPS模塊的速度信號。方向盤轉(zhuǎn)角θ，用于前照燈的水平方向擺動功能控制，由水平調(diào)光電機R1、L1(見圖3(a))調(diào)節(jié)燈光實現(xiàn)彎道模式；汽車車身前、后軸懸架高度信號h1、h2，用于前照燈垂直方向俯仰功能控制，由垂直調(diào)光電機(見圖3(b))調(diào)節(jié)燈光實現(xiàn)坡道模式；以車速信號V為基準組合出不同的光型模式，實現(xiàn)鄉(xiāng)村、高速、城市和惡劣天氣各種路況下的照明模式[18-19]。

圖3 調(diào)光電機實物圖

系統(tǒng)原理如下：首先，Master模塊將采集到的信號進行處理，轉(zhuǎn)換成電機位置信息，通過LIN總線將電機位置信息經(jīng)LIN收發(fā)器發(fā)送。然后，兩個Slaver模塊接收LIN總線信息，并通過電機驅(qū)動芯片TLE4729G，控制左、右兩側(cè)的步進電機。其中，在Master模塊和Slaver模塊的LIN總線通信中，采用的是主從式通信，Master作為主機發(fā)送命令，Slaver模塊作為從機接收命令。最后，系統(tǒng)實現(xiàn)車輛燈光照射范圍和角度的調(diào)節(jié)。

1.1 AFS主機控制模塊

Master模塊CPU選用Infineon公司的16位微處理器XC2234L-60F，該芯片支持CAN(Control Area Network)總線、LIN總線、串行異步通信、A/D轉(zhuǎn)換等，符合系統(tǒng)功能需求[20]。表1列出Master模塊處理的信號類型、所需主芯片支持的功能和對應(yīng)用到的輔助芯片型號。

1.1.1 方向盤轉(zhuǎn)角信號采集

方向盤轉(zhuǎn)角傳感器有6個端口：VBat、CANL、CANH、GND和兩個預留端。CANL和CANH以500 Kbps的波特率輸出角度、角速度等信息，經(jīng)雙絞線連接CAN總線收發(fā)器TLE6251DS，最終進入CAN控制器XC2234L。進入CAN收發(fā)器之前,進行硬件濾波，濾波電路接法如下：CANH和CANL之間連接120 Ω電阻，再分別經(jīng)510 Ω電阻分別接GND和+5 V，實現(xiàn)下拉和上拉的效果。圖4的數(shù)據(jù)結(jié)果是將傳感器右轉(zhuǎn)再回正，計算處理接收到的十六進制數(shù)，經(jīng)單片機串口發(fā)出，在Matlab平臺實時采集數(shù)據(jù)。

表1 AFS主控模塊功能總結(jié)

圖4 方向盤轉(zhuǎn)角信號采集結(jié)果

1.1.2 高度信號采集

高度傳感器的VCC、GND分別與主芯片端口對應(yīng)連接，前、后兩個傳感器的輸出端分別與P5.2、P5.3相連,如圖5所示使用AD0 CH2和CH3實現(xiàn)多通道A/D轉(zhuǎn)換。Dave設(shè)置時，選擇仲裁時隙2中的請求源2，實現(xiàn)四級順序請求源，該請求源可最多產(chǎn)生4路輸入通道的轉(zhuǎn)換請求[21]，使能0、1、2、3四個通道。添加多通道循環(huán)自動掃描初始化程序ADC0_vStartParReqChNum(0x000f)和ADC0_vSetLoadEvent()；ADC中斷中獲取采集2、3通道的數(shù)據(jù)：ADResult[2]=ADC0_uwGetResultData(RESULT_REG_2)。

圖5 高度傳感器接線圖

12位A/D轉(zhuǎn)換的范圍為0～4 096，后軸采集結(jié)果如圖6所示。

圖6 后軸高度信號采集結(jié)果

1.1.3 速度信號采集

歐洲經(jīng)濟委員會(Economic Commission for Europe，ECE)頒布的法規(guī)R123和R48中，AFS系統(tǒng)以車速信號為基準組合出幾種不同的光型[22]。GPS模塊通常以串口形式輸出數(shù)據(jù)，內(nèi)容遵循NMEA-0183協(xié)議，故設(shè)置USIC1 CH1為異步串行通道，P6.0、P6.1為輸入、輸出端，使能初始化、采集數(shù)據(jù)等函數(shù)。GPS模塊得到速度信號具體流程：在初始化函數(shù)U1C1_ASC_vInit()里，接收中斷標志位被置位；U1C1_0INT中斷函數(shù)里包含識別語句頭的判斷；將字符串形式的速度值轉(zhuǎn)化為浮點型，先判斷小數(shù)點的位置，再對小數(shù)點前、后對應(yīng)位的值擴大、縮小10n倍。采集、轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)的結(jié)果如圖7所示。

圖7 速度信號采集結(jié)果

1.2 主從模塊通信

在系統(tǒng)AFS主控模塊和從機模塊中，TLE7259G和MCU的連接說明如下：

① 雖然電路內(nèi)部在BUS引腳與VS引腳集成了上拉電阻和串聯(lián)三極管，但對于主節(jié)點,則必須在外部增加1 kΩ的上拉電阻，并要串聯(lián)一個二極管，防止掉電時TLE7259G通過總線上電；

② 需將TLE7259芯片的Vs端和VBat短接，為LIN芯片正常工作供電。系統(tǒng)中1個主節(jié)點2個從節(jié)點，主節(jié)點將控制命令以圖8的形式發(fā)送給從節(jié)點。其中，間隔場由多于13個顯性位和1個隱性位組成，發(fā)送間隔場時用變波特率法，即先以9.6 kbps發(fā)送間隔場0x80，再以19.2 kbps發(fā)送其余部分；校驗和場對數(shù)據(jù)場的內(nèi)容進行校驗時，遵循LIN總線翻轉(zhuǎn)8位和方法校驗。

圖8 LIN總線數(shù)據(jù)波形

1.3 電機驅(qū)動輔助模塊

Slaver模塊選用TLE4729G[23]步進電機驅(qū)動芯片，通過控制端口輸出不同頻率的脈沖，實現(xiàn)電機不同運動模式控制。圖9為Tasking調(diào)試界面(左)和U2any軟件界面(右)。其中，顯示出主機給從機發(fā)送電機位置信息，幀ID為30，幀數(shù)據(jù)長度為8字節(jié)，數(shù)據(jù)內(nèi)容為A5 00 A6 00 4C 01 00 00，A5為垂直調(diào)光電機位置低8位，A6為左側(cè)水平調(diào)光電機位置低8位，4C和01為右側(cè)水平調(diào)光電機位置低8位和高8位。為避免總線數(shù)據(jù)漏包，使電機完成復位

運行，要進行一定的軟件延時。

2 AFS控制算法

基于速度信號，系統(tǒng)由路口、鄉(xiāng)村、城市、高速和惡劣天氣5種模式組成，彎道和俯仰模式由傳感器實時采集數(shù)據(jù)控制，光型由水平、垂直方向的步進電機運動組合而成。

圖9 Tasking程序內(nèi)容和U2any界面中LIN數(shù)據(jù)發(fā)送

2.1 步進電機控制

將步進電機滿量程等分成不同的步數(shù)，常態(tài)位置值固定不變，系統(tǒng)初始化先將電機位置復位歸零，再回到常態(tài)位置?；魻杺鞲衅鳈z測電機位置信息，誤差累積>10步，電機被復位到正確位置，以保證系統(tǒng)的精度。在此基礎(chǔ)上，對角度和位置值進行劃分，列出了電機位置與車燈角度調(diào)整的對應(yīng)關(guān)系,見表2。

表2 步進電機位置信息和車燈角度調(diào)整

2.1.1 水平方向控制

方向盤轉(zhuǎn)角傳感器自身存在如下特性：

(1)

圖10 電機控制流程圖

式中，Y為實際轉(zhuǎn)角度數(shù)；X為CAN數(shù)據(jù)值。根據(jù)式(1)得出，方向盤左、右轉(zhuǎn)時傳感器輸出數(shù)據(jù)分別在[0，14 400]、[51 135，65 535]區(qū)間內(nèi)，其測量范圍為±900°，設(shè)定系統(tǒng)將有效調(diào)整范圍為±540°。在Dave里配置相應(yīng)的CAN模式，生成CANGetMeg()函數(shù)，配置函數(shù)的參數(shù)。軟件部分流程圖如圖10所示。

2.1.2 垂直方向控制

實驗測得前后軸高度傳感器A/D轉(zhuǎn)換值的上、下限，根據(jù)式(2)～(4)可得出電機位置值。最終的電機位置在常態(tài)位置的基礎(chǔ)上做調(diào)整，前軸高度大于后軸時車燈上仰，式(4)取加，反之取減。

(2)

(3)

(4)

圖11 高度傳感器擺臂擺角

式中，adcResult、adcResult1為前、后軸高度傳感器A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，Differ為高度傳感器A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果之差如圖11所示，Max、Min分別為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果之差的最大值、最小值，Ver_Differ為電機步數(shù)調(diào)整量，Horizontal_Ver為最終垂直方向的電機位置值。為防止車燈在顛簸路面頻繁調(diào)整以及電機自身抖動，對電機位置值進行了中位值濾波。

2.2 模式控制

系統(tǒng)以速度為基準劃分為不同的模式[24]，根據(jù)視覺反應(yīng)時間、車速和安全停車視距的關(guān)系，以及ECE123&48的近光配光規(guī)定，系統(tǒng)各模式近光配光控制策略如表3所列。

表3 各模式近光配光及轉(zhuǎn)動角度實驗數(shù)據(jù)

注：V為車速，單位為km/h；字母L、R、U、D分別代表向左、右、上、下調(diào)整；電機位置中左、右分別代表左燈、右燈。

路口模式主要用于路口等信號燈時，照亮人行道上的行人，故左燈左轉(zhuǎn)4.5°、右燈右轉(zhuǎn)4.5°，形成散開狀；鄉(xiāng)村模式作為基礎(chǔ)近光，其他模式在鄉(xiāng)村模式的基礎(chǔ)上作調(diào)整；城市模式為防炫目向下調(diào)整0.73°；高速模式向上調(diào)整0.34°，實現(xiàn)更遠照射；惡劣天氣模式車燈向上調(diào)整0.34°，同時左燈向左1.5°、右燈向右1.5°，在中間形成小片暗影，可防止地面積水反光。

轉(zhuǎn)角傳感器、高度傳感器與光型配置之間的優(yōu)先級關(guān)系：傳感器數(shù)據(jù)不變的情況下，系統(tǒng)按照表3進行配光，傳感器數(shù)據(jù)發(fā)生變化且超過設(shè)定的閾值時，實時采集傳感器數(shù)據(jù)，控制電機旋轉(zhuǎn)，分別實現(xiàn)彎道模式和坡道模式。

3 實驗結(jié)果及分析

實驗測試了車速在0～120 km/h下車燈的自適應(yīng)調(diào)節(jié)情況，分別實現(xiàn)路口、鄉(xiāng)村、城市、高速4種模式。

其中，θL、θR分別為水平方向左、右車燈水平方向，θH為車燈垂直方向調(diào)整角度；θL為正表示左燈向左，θR為負表示右燈向右，θH為正、負分別表示向上、下；低速時進入路口模式，左右車燈分別向外4.5°，鄉(xiāng)村模式屬于車燈常態(tài)模式，城市模式車燈下俯實現(xiàn)防眩目，高速模式車燈上仰照射更遠。由圖12可以看出，按照表3的配光標準，誤差可實現(xiàn)水平方向小于±0.8°、垂直方向小于±0.2°。

圖12 各模式下前照燈調(diào)節(jié)情況

結(jié) 語

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段海艷(碩士)，主要研究方向為汽車電子、車載網(wǎng)絡(luò)、單片機和車用傳感器；賓洋(碩士研究生導師)，主要研究方向為非線性系統(tǒng)分析與建模、最優(yōu)化控制、車輛動力學控制、電動汽車控制及動力電池系統(tǒng)管理等領(lǐng)域的科學研究及工程應(yīng)用工作。

Vehicle Adaptive Front-lighting Control System of Master-slave Structure

Duan Haiyan1,Fan Xiaojuan1,Hu Kunfu1,Bin Yang2,Luo Wenguang1,Zhu Shushan3

(1.College of Electrical and Information Engineering,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006,China; 2. Chongqing University of Technology;3.Beijing Institute of Technology)

Vehicle Adaptive Front-lighting System(AFS) is an active safety system.In the paper,the AFS is constructed by a master-slaver structure,which is consisted by a AFS master module and a motor driven slaver module.At first,the AFS master module is used to collect the signals of the suspension height sensor,the steering wheel angle and the GPS sensor signals,in order to calculate the light angle of horizontal and vertical directions,and then transfers the command signals to stepping motors.Then,the stepping motor is used to receive the control command signals from the main control module,and drives a stepper motor movement to realize the headlights servo steering.Finally,a software algorithm and a hardware prototype are developed.The experiment results demonstrate that the system can realize the adaptive front-lighting turning according to the curved lane and pitch adjusting according to road slope,and it can achieve the management of lighting patterns according to different velocities.

adaptive front-lighting system;automatic control;signal acquisition;stepping motor drive

廣西汽車零部件與整車技術(shù)重點實驗室開放基金項目(項目編號：2013KFZD03)。

TP274+.2

A

?迪娜

2017-02-20)