一種智能化自適應(yīng)前照燈控制系統(tǒng)研究

劉聰聰，杜 彬，任靜媛，同曉雅

（陜西重型車輛有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

車輛的誕生縮短了地域之間的距離，各種功能的提升方便了千家萬戶，同時(shí)，車輛引起的交通事故也日益劇增，其中一部分原因是車輛前照明系統(tǒng)引起的，例如在車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)存在內(nèi)側(cè)盲區(qū)，并且車輛所處環(huán)境或者車輛狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)前照燈照射范圍不能自動(dòng)調(diào)節(jié)，這些問題都會(huì)存在安全隱患且影響駕乘舒適性。為了解決這些問題，本文結(jié)合法規(guī)提出一種智能化的自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)AFS（Adaptive Front-lighting System），可以有效解決上述問題。它能根據(jù)車輛方向盤轉(zhuǎn)角、車姿高度變化量、行駛速度、環(huán)境信號(hào)和車輛其他總線信號(hào)，不斷對(duì)近光燈進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，使近光燈光軸在水平方向上與方向盤轉(zhuǎn)角進(jìn)行左右聯(lián)動(dòng)，在垂直方向上與車身姿態(tài)聯(lián)動(dòng)進(jìn)行上下轉(zhuǎn)動(dòng)的燈光隨動(dòng)補(bǔ)償。

1 智能燈光系統(tǒng)法規(guī)要求與優(yōu)化

法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了車輛前照明系統(tǒng)的技術(shù)要求，本文根據(jù)實(shí)際情況在滿足法規(guī)要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，其中對(duì)AFS功能做了如下要求。

1.1 GB/T30036對(duì)AFS功能要求

法規(guī)規(guī)定AFS系統(tǒng)必須根據(jù)路況、天氣及其它相關(guān)狀況，做出增加駕駛者視野的光束調(diào)整；AFS分為4種模式：基本燈光模式（C）、城鎮(zhèn)照明模式（V）、濕路照明模式（W）、高速公路照明模式（E）。如圖1所示。

圖1 AFS系統(tǒng)光型示意圖

1）基本模式（C）：燈光效果就是普通的近光燈，作為默認(rèn)的基本照明模式。

2）城市道路照明模式（V）：在城市道路上，將左右燈光軸分別向左向右下方旋轉(zhuǎn)，使道路兩側(cè)辨識(shí)度改善。

3）高速公路照明模式（E）：在高速公路上，將左右燈光軸分別向上和向內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)，獲得更遠(yuǎn)更強(qiáng)的照明視野。

4）惡劣天氣照明模式（W）：當(dāng)天氣為雨雪大霧時(shí)，將左右光軸向上和向外側(cè)旋轉(zhuǎn)，用以減小光線可能造成的反射眩目，提高駕駛員前方和兩側(cè)的照明視野。

1.2 基于法規(guī)要求的AFS功能優(yōu)化

在實(shí)車執(zhí)行過程中為了確保功能正常執(zhí)行，需要增加前照燈的上電自檢，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，即上電自檢模式（ST）：車輛上電，前照燈按照算法設(shè)計(jì)動(dòng)作執(zhí)行，確保車輛啟動(dòng)后前照燈能正常運(yùn)行。

除4種模式以外，該AFS功能應(yīng)該在車輛低速行駛中，能根據(jù)道路彎道情況以及方向盤轉(zhuǎn)向角給出相應(yīng)的燈光轉(zhuǎn)向角補(bǔ)償。如圖2所示，這樣能夠及時(shí)補(bǔ)充轉(zhuǎn)彎盲區(qū)的照明視野，保持大范圍的近光燈照明，有效地降低駕駛員的視覺疲勞程度，從而讓駕駛員有充足的時(shí)間來應(yīng)急，保障了夜晚彎道行車的安全性。

圖2 ASF轉(zhuǎn)彎隨動(dòng)示意圖

除此之外，還需要考慮當(dāng)車輛質(zhì)量發(fā)生變化以及車在急制動(dòng)急加速過程中遇到的車身姿態(tài)發(fā)生變化等引起的前照燈照射范圍改變的問題，從而影響駕駛員視野，應(yīng)引入相應(yīng)的補(bǔ)償角來抵消這種角度損失。

2 自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 AFS系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能化自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 智能化自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)示意圖

AFS系統(tǒng)包括獲取車輛信息的車輛通信設(shè)備總線、反映車輛姿態(tài)變化的車身高度傳感器以及智能前照燈控制模塊和左右前照燈的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

AFS控制器通過總線與車載設(shè)備進(jìn)行通信，獲取控制算法所需信號(hào)，如車速信號(hào)、光照強(qiáng)度、傳感器信號(hào)、方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)、雨刮信號(hào)等，用以計(jì)算得出前照燈在不同模式下動(dòng)態(tài)調(diào)整的角度（垂直方向和左右方向）?？刂破魍ㄟ^LIN總線控制2個(gè)調(diào)光步進(jìn)電機(jī)，該調(diào)光步進(jìn)電機(jī)集成在左右2個(gè)前照燈內(nèi)部，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)整前照燈光軸角度。

2.2 AFS功能控制策略

AFS通過主動(dòng)移動(dòng)近光燈光軸，使得近光燈的光束能轉(zhuǎn)向車輛的前進(jìn)方向以確保對(duì)前方道路提供最佳照明，對(duì)駕駛員提供最佳照明視野。車速的大小可以反映路況的復(fù)雜程度，在夜間行駛時(shí)，以車速作為路況的判斷依據(jù)以及霧燈和雨刷的執(zhí)行時(shí)間作為惡劣天氣的判斷依據(jù)，這樣避免了駕駛員誤操作，也節(jié)省了配置視覺系統(tǒng)的成本。AFS控制策略如表1所示。

表1 AFS控制策略

AFS控制包含5種基礎(chǔ)工作模式和兩種附加工作模式，車速的大小決定了疊加哪種附加工作模式，由于高速公路模式路況相比其他路況較單一，追求更高的穩(wěn)定性，可不疊加彎道照明模式。AFS控制流程如圖4所示。

圖4 AFS控制流程圖

AFS流程圖描述了AFS控制過程邏輯及對(duì)應(yīng)模塊應(yīng)該執(zhí)行的控制模式，基礎(chǔ)C、V、E、W模式可以通過標(biāo)定的方式實(shí)現(xiàn)，當(dāng)下最重要的是解決轉(zhuǎn)向角計(jì)算問題。

3 轉(zhuǎn)向角計(jì)算原理

轉(zhuǎn)向角的計(jì)算分為水平轉(zhuǎn)向角計(jì)算（彎道照明模式控制）和垂直轉(zhuǎn)向角計(jì)算（車姿控制）。

3.1 基于制動(dòng)距離的前照燈水平轉(zhuǎn)向角計(jì)算

判斷前照燈有效照明范圍的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)是車輛安全制動(dòng)距離，它包括駕駛員的反應(yīng)距離和有效制動(dòng)距離。如果前照燈的有效照明能夠完全覆蓋住車輛安全制動(dòng)距離時(shí)，就可以保證駕駛員有充足制動(dòng)時(shí)間和良好的視野使車輛安全急停。由資料可知制動(dòng)距離與車速的關(guān)系。

式中：——車速；——制動(dòng)距離。

當(dāng)車輛行駛?cè)霃澋罆r(shí)，以安全制動(dòng)距離作為車輛前照燈有效照明距離判定標(biāo)準(zhǔn)，車輛前照燈照明需完全覆蓋安全制動(dòng)距離。如圖5所示，描述了車輛轉(zhuǎn)彎半徑、安全制動(dòng)距離與車燈轉(zhuǎn)角的幾何關(guān)系。

由圖5分析可得：

圖5 車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)的幾何關(guān)系圖

從而可知車燈轉(zhuǎn)角為：

根據(jù)圖5可得到前照燈水平轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式：

由圖6可知，AFS偏轉(zhuǎn)角隨著車速的增加而增大，隨著轉(zhuǎn)彎半徑的增加而減少。已知車速和轉(zhuǎn)彎半徑可計(jì)算得到前照燈的轉(zhuǎn)向角。

圖6 AFS水平方向轉(zhuǎn)角與車速、轉(zhuǎn)彎半徑的關(guān)系圖

3.2 前照燈垂直轉(zhuǎn)向角計(jì)算

AFS垂直方向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立主要考慮AFS垂直方向的俯仰角與當(dāng)前傳感器獲取到的車身俯仰角的關(guān)系。車輛在急加速、急制動(dòng)，以及載重不同或者行駛在顛簸路面時(shí)，都會(huì)造成車身前后俯仰，從而引起前后傾角發(fā)生變化，此時(shí)，固定式的前照燈也會(huì)隨著車身傾角發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致照明位置發(fā)生變化，縮短或者影響來向車輛視野，示意圖如圖7所示。

圖7 車輛縱傾燈光照射示意圖

AFS車輛前照燈垂直方向的隨動(dòng)俯仰，正好可以部分抵消這種負(fù)面影響。如圖8所示，依據(jù)GB/T30036—2013進(jìn)行車輛前照燈配光測(cè)試時(shí)，車輛前照燈與配光屏幕的距離為。當(dāng)燈光以光線中軸變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的變化角度為：

圖8 車輛縱傾燈光分析圖

式中：——車輛前照燈與配光屏幕的距離；——燈光下移的距離。

車輛狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)前照燈燈光光束也會(huì)發(fā)生變化。如圖9所示，例如當(dāng)車重載時(shí)，為車身后部高度傳感器獲得的下降值，為車軸距離，相對(duì)應(yīng)的燈光光束會(huì)上仰，需要轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度來保持光束的正常。

圖9 重載時(shí)車姿變化示意圖

這樣，與之間的關(guān)系為：

當(dāng)車的軸距固定時(shí)，可通過車身后部高度傳感器得到h與前照燈轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系，如圖10所示。

由圖10可知前照燈垂直轉(zhuǎn)角與車身高度傳感器的變化量成正比，當(dāng)已知車身高速位置變化量時(shí)就可以計(jì)算得出需要補(bǔ)償?shù)拇怪狈较虻霓D(zhuǎn)角。

圖10 車身高度傳感器變化量與前照燈垂直轉(zhuǎn)角關(guān)系圖

4 總結(jié)

本文介紹了智能化自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)的法規(guī)技術(shù)要求及功能優(yōu)化項(xiàng)，闡述了整個(gè)AFS系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想及控制策略，重點(diǎn)研究了車輛智能化前照燈的水平轉(zhuǎn)向控制與垂直轉(zhuǎn)向控制原理及計(jì)算方法。從仿真結(jié)果看，數(shù)學(xué)模型可以滿足需求，可以給實(shí)際實(shí)車驗(yàn)證提供有效理論依據(jù)及實(shí)現(xiàn)方法。