汽車自適應(yīng)前照燈控制系統(tǒng)的設(shè)計＊

郭 海，聞士碩，董高越，陳佩江

（臨沂大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院，山東 臨沂 276002）

汽車前照燈自適應(yīng)控制系統(tǒng)是現(xiàn)今汽車電子產(chǎn)業(yè)的必然產(chǎn)物，它通過對車速、方向盤轉(zhuǎn)角信號的采集然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而實時調(diào)整兩側(cè)大燈的照射范圍，使得燈光與汽車的前進(jìn)方向始終保持一致，使駕駛員有更為合適的視野范圍，確保了駕駛員在任何時刻都擁有最佳可見度，大大提高了夜間行車的安全[1]。汽車自適應(yīng)照明系統(tǒng)目前正處于迅速發(fā)展時期，國內(nèi)研究尚處于起步階段，基礎(chǔ)理論還不完善，這給研究工作帶來很大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。本項目針對傳統(tǒng)汽車照明系統(tǒng)光型單一、無法進(jìn)行故障預(yù)知、安全系數(shù)不高的現(xiàn)狀，整合了全車燈光系統(tǒng)，設(shè)計了一種自適應(yīng)的照明系統(tǒng)。以最簡單的方式實現(xiàn)了汽車的低成本、智能化照明。

1 汽車自適應(yīng)前照燈控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

汽車自適應(yīng)前照燈控制系統(tǒng)主要由獲取必要汽車行駛信息的各傳感器（包括車速和方向盤轉(zhuǎn)角等）、信號采集處理電路、驅(qū)動電路、執(zhí)行電機(jī)等部分組成[2]，系統(tǒng)主要可分為以下幾個模塊，如圖1 所示。

圖1 自適應(yīng)前照燈控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

前照燈控制模塊主要包括調(diào)整燈光左右隨動的步進(jìn)電機(jī)。AFS 主控制器包括微控制器、信號處理電路、電機(jī)控制電路、指示部分電路及開關(guān)電路。傳感器模塊包括速度傳感器模塊和方向盤轉(zhuǎn)角處理模塊。

1.1 汽車行駛速度測量電路設(shè)計

根據(jù)霍爾傳感器的工作原理，為讓霍爾集成電路起傳感作用，需要用機(jī)械的方法來改變磁感應(yīng)強(qiáng)度。用一個轉(zhuǎn)動的葉輪作為控制磁通量的開關(guān)，當(dāng)葉輪葉片處于磁鐵和霍爾集成電路之間的氣隙中時，磁場偏離集成片，霍爾電壓消失。于是可把霍爾傳感器安裝在汽車的后輪上，以實現(xiàn)對汽車行駛速度的測量。

為了保證汽車車輪轉(zhuǎn)動的圈數(shù)和強(qiáng)磁材料轉(zhuǎn)動的圈數(shù)相同，把霍爾傳感器安裝在汽車車輪中間軸承上不旋轉(zhuǎn)的部分，而在車輪的輪轂上安裝強(qiáng)磁材料。這樣安裝后強(qiáng)磁材料就會隨著汽車車輪一起轉(zhuǎn)動，每當(dāng)強(qiáng)磁材料轉(zhuǎn)過一周后霍爾元件的磁阻就會發(fā)生變化，由于霍爾傳感器的磁阻發(fā)生了變化，就會使霍爾傳感器的信號線輸出也發(fā)生變化。

傳感器無脈沖信號時為低電平輸出，當(dāng)汽車車輪轉(zhuǎn)動一周時傳感器就會產(chǎn)生一個脈沖信號，例如在主控制器的一個計數(shù)周期內(nèi)，通過脈沖信號的數(shù)量進(jìn)而確定車輪轉(zhuǎn)動的的圈數(shù)，若產(chǎn)生N個脈沖信號，則汽車轉(zhuǎn)動的圈數(shù)為N，又已知汽車車輪半徑為R，通過公式可得汽車車輪轉(zhuǎn)動一圈的時候汽車前進(jìn)的距離L0=2πR。所以在一個計數(shù)周期內(nèi)汽車轉(zhuǎn)動N轉(zhuǎn)，則前進(jìn)距離LN=2NπR。根據(jù)以上數(shù)據(jù)即可計算出汽車的輪速V=2NπR/T。

1.2 方向盤轉(zhuǎn)角信號的采集電路

采用電位器模擬轉(zhuǎn)角信號，模擬信號均為0～5 V線形變化電壓信號，這就需要進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)用PCF8591 是一個單片集成、單獨(dú)供電、低功耗、8-bitCMOS 數(shù)據(jù)獲取器件。

PCF8591 具有單電源，工作電源電壓為2.5～6 V，低待機(jī)電流，通過12c 總線串行輸入/輸出，地址由3個硬件地址引腳決定，采樣率由12c 總線速度決定，給出4 個模擬輸入，可編程為單端或差分輸入、可選擇自動遞增通道、模擬電壓范圍從Vss到Vdd、片上跟蹤和保持電路、8 位逐次逼近A/D 轉(zhuǎn)換、一個DAC 模擬輸出的特性信號采集電路圖如圖2 所示。

圖2 方向盤轉(zhuǎn)角信號的采集電路

1.3 控制電路的設(shè)計

基于系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計了電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度控制系統(tǒng)硬件平臺?？刂破髦饕?fù)責(zé)控制電機(jī)驅(qū)動器、CAN 總線以及旋轉(zhuǎn)角度感器，控制芯片為MC9S12XS128，該控制器內(nèi)部集成了CAN、LⅠN 雙總線收發(fā)器以及12 位精度ADC 轉(zhuǎn)換器，主頻達(dá)到90 MHz，完全能夠滿足系統(tǒng)的需求。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的兼容性，降低車身線束復(fù)雜程度，旋轉(zhuǎn)角度控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸使用CAN 總線實現(xiàn)。對電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度測量的采用MURAT 公司的防塵型旋轉(zhuǎn)角度傳感器SV01A103。SV01A103 的測量范圍為0°～360°，輸出信號為0～5 V 模擬量。電機(jī)驅(qū)動模塊采用7TPSM4220 集成微型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，該步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器可同時驅(qū)動兩路步進(jìn)電機(jī)[3]。

轉(zhuǎn)向自行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

2 自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)的控制策略

自適應(yīng)前照燈的工作原理是：在車輛經(jīng)過彎道或變更車道等情況下，需要觀察車輛即將經(jīng)過地區(qū)的路況時，MCU 通過采集汽車的行車速度和方向盤轉(zhuǎn)角的變化，判斷是否需要對前照燈進(jìn)行水平調(diào)節(jié)，并進(jìn)一步計算出兩燈在左右方向上的調(diào)節(jié)角度，然后轉(zhuǎn)換成各步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動狀態(tài)控制參數(shù)，步進(jìn)電機(jī)按照參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動，從而完成對燈光的調(diào)節(jié)[4]。

當(dāng)車輛遇到前方發(fā)生事故，前車突然變道或轉(zhuǎn)向等緊急狀況時通常需要駕駛員緊急制動來解決，自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)可以采集車輛方向盤旋轉(zhuǎn)角度、汽車速度等一系列車輛數(shù)據(jù)來計算車輛燈光的偏轉(zhuǎn)角度，使駕駛員可以更好地觀察路面情況，從而滿足車輛應(yīng)對緊急狀況的需要。

2.1 前照燈轉(zhuǎn)彎水平方向偏轉(zhuǎn)模型設(shè)計

前照燈轉(zhuǎn)彎水平方向偏轉(zhuǎn)模型如圖4 所示。

由圓弧長公式和前照燈轉(zhuǎn)彎水平方向偏轉(zhuǎn)模型圖中的幾何關(guān)系可得L=2Rφ，其中L為圓弧長[5]。

由轉(zhuǎn)彎時系統(tǒng)的照明要求可得：

式（1）中：V為車速；t為反應(yīng)時間；S為制動距離。

轉(zhuǎn)彎半徑為：

式（2）中：L軸為汽車軸距；β為車輪轉(zhuǎn)過角度。

方向盤和車輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系為：

式（3）中：K為轉(zhuǎn)向特征系數(shù)；α為方向盤轉(zhuǎn)角。

可得φ=sin（Kα）（Vt+S/2L軸）。

此表達(dá)式即為計算前照燈轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)角的經(jīng)驗公式，也是前照燈左右隨動轉(zhuǎn)角控制策略的重要依據(jù)。

2.2 水平轉(zhuǎn)彎模式補(bǔ)償算法及程序?qū)崿F(xiàn)

系統(tǒng)檢測到汽車的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動，則判斷汽車進(jìn)入水平轉(zhuǎn)彎模式的時候，此時通過汽車轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動角度和汽車的速度計算出自適應(yīng)前照燈的補(bǔ)償角度，隨即調(diào)整前照燈執(zhí)行左右轉(zhuǎn)動模式，使得自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)實現(xiàn)彎道內(nèi)側(cè)水平方向盲區(qū)補(bǔ)償，水平方向角度補(bǔ)償算法程序流程如圖5 所示。

圖5 水平方向角度補(bǔ)償算法程序流程圖

3 結(jié)束語

本文研究了汽車彎道自適應(yīng)照明系統(tǒng)的控制原理，建立了AFS 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并給出了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。汽車自適應(yīng)前照燈對于改善夜間彎道燈光利用效率差、夜間經(jīng)過彎道存在盲區(qū)等問題有著很大作用，對于今后AFS 的研究有著重要意義。

中國的AFS 系統(tǒng)還存在很大的發(fā)展空間，有很多方面需要改進(jìn)?？梢詮囊韵? 點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化升級：利用LED 燈進(jìn)行燈光的照射范圍調(diào)節(jié)，以適用于不同道路的燈光要求，如鄉(xiāng)間小道、高速公路等；利用GPS 的定位系統(tǒng)完成信息采集，再根據(jù)目的地的導(dǎo)航做到全自動自適應(yīng)前照燈。