基于C-NCAP的室內(nèi)整車(chē)燈光性能評(píng)價(jià)

趙 準(zhǔn),栗晉杰，高世龍

(中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心(天津)有限公司，天津 300000)

引言

近年來(lái)，車(chē)輛道路照明性能對(duì)行車(chē)安全的影響受到了業(yè)內(nèi)和消費(fèi)者的廣泛關(guān)注，2021版C-NCAP(中國(guó)新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程)[1]已于2020年8月25日正式發(fā)布，該評(píng)價(jià)規(guī)程已于2022年1月正式實(shí)施，2021版C-NCAP相較之前版本的一項(xiàng)重要的變化就是加入了關(guān)于車(chē)輛照明安全評(píng)價(jià)的相關(guān)內(nèi)容，這在全球的NCAP評(píng)價(jià)體系內(nèi)尚屬首次，從而在行業(yè)內(nèi)吸引了大量的關(guān)注度。2021版C-NCAP規(guī)程附錄D-《整車(chē)燈光性能試驗(yàn)方法》中明確要求需要對(duì)汽車(chē)前照燈遠(yuǎn)光和近光功能在整車(chē)狀態(tài)下分別進(jìn)行光學(xué)測(cè)量。為滿足測(cè)試條件，且考慮消除天氣、環(huán)境、道路條件對(duì)測(cè)試的影響，需要設(shè)計(jì)一套能夠在室內(nèi)試驗(yàn)室條件下進(jìn)行整車(chē)級(jí)照明性能測(cè)試的測(cè)試系統(tǒng)。

C-NCAP管理規(guī)程及CIE 188和CIE S 021[2,3]中對(duì)整車(chē)燈光性能的測(cè)試方法均有詳細(xì)描述，首先需要分別測(cè)量遠(yuǎn)近光功能的光分布，然后根據(jù)燈具在車(chē)輛上的安裝參數(shù)(一般指安裝間距、安裝高度等)將其分別疊加后通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件程序計(jì)算出路面的照度分布，之后根據(jù)路面的照度分布可以得出前照燈的照明光分布范圍及指定區(qū)域內(nèi)的眩光值，并最終通過(guò)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)其進(jìn)行星級(jí)評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)室方案布局

傳統(tǒng)意義上來(lái)講，獲取車(chē)輛遠(yuǎn)近光空間分布的方法有兩種：a)將光度計(jì)安裝于固定位置，沿方位和俯仰兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)車(chē)輛，并通過(guò)光度計(jì)測(cè)得空間光分布；b)通過(guò)移動(dòng)光度計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)所有測(cè)試點(diǎn)的光分布測(cè)量。方法a)的測(cè)試原理即等同于現(xiàn)有的燈具零部件級(jí)的暗室測(cè)試方法，但如果使用整車(chē)作為測(cè)試對(duì)象，則在使用方法a)的情況下會(huì)改變車(chē)輛的俯仰狀態(tài)，從而導(dǎo)致車(chē)輛底盤(pán)懸掛狀態(tài)的改變，而車(chē)輛懸掛狀態(tài)的改變對(duì)車(chē)輛明暗截止線的影響尤為突出，從而影響了最終測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。而在方法b)中，當(dāng)光度計(jì)與測(cè)試對(duì)象距離設(shè)置為25 m時(shí)，在測(cè)試對(duì)象固定的情況下，光度計(jì)的左右移動(dòng)范圍將達(dá)到近百米左右，為了滿足上述測(cè)試規(guī)定及遠(yuǎn)場(chǎng)條件，需要一個(gè)巨大的建筑才可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)測(cè)試。

為解決上述問(wèn)題，本文采用將上述兩種方法相結(jié)合的方案，即車(chē)輛圍繞方位角旋轉(zhuǎn)，而光度計(jì)沿垂直方向上下移動(dòng)，這樣車(chē)輛的旋轉(zhuǎn)不會(huì)改變車(chē)輛的俯仰狀態(tài)，因此不會(huì)影響車(chē)輛的懸掛狀態(tài)及前照燈的傾斜角度，而且光度計(jì)只沿垂直方向移動(dòng)，也大大縮減了試驗(yàn)室所需的場(chǎng)地寬度。

如圖1所示，主要的測(cè)量設(shè)備為帶有移動(dòng)光度計(jì)探頭的Ⅲ類(lèi)分布光度計(jì)，該光度計(jì)可以沿著垂直方向進(jìn)行移動(dòng)[4]。在測(cè)試中記錄車(chē)輛旋轉(zhuǎn)的方位角D以及光度計(jì)探頭沿垂直方向移動(dòng)距離S，最后將測(cè)得的照度分布轉(zhuǎn)化為廣泛應(yīng)用的CIE (A，α)球坐標(biāo)。

圖1 帶移動(dòng)照度探頭的Ⅲ類(lèi)測(cè)角光度計(jì)Fig.1 Class III goniophotometer with moving illuminance probe

如圖2所示的整車(chē)燈光試驗(yàn)室的方案布局，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛方位旋轉(zhuǎn)的設(shè)備為一個(gè)高精度的車(chē)輛轉(zhuǎn)臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)承重為3.5 t，旋轉(zhuǎn)角度精度能夠達(dá)到0.01°。成像亮度測(cè)量設(shè)備/成像式亮度計(jì)(ILMD)則安裝于車(chē)輛上方，并位于車(chē)輛縱向?qū)ΨQ(chēng)中心平面上，用來(lái)測(cè)量車(chē)輛前方 25 m 屏幕上的亮度分布。移動(dòng)光度計(jì)則安裝于屏幕右側(cè)的垂直軌道上，垂直移動(dòng)范圍為±3.5 m，能夠完全滿足測(cè)試所需的角度范圍。

圖2 整車(chē)燈光試驗(yàn)室方案布局圖Fig.2 Layout plan of vehicle lighting laboratory

2 車(chē)輛參數(shù)確認(rèn)

與傳統(tǒng)的零部件燈具測(cè)試原理有所不同，車(chē)輛轉(zhuǎn)臺(tái)的中心并不與前照燈基準(zhǔn)中心相重合。因此項(xiàng)目組在研發(fā)階段的早期，進(jìn)行了每個(gè)前照燈在測(cè)量之前是否必須以坐標(biāo)系原點(diǎn)為中心的討論，但研究發(fā)現(xiàn)這將需要一個(gè)極為復(fù)雜的車(chē)輛轉(zhuǎn)臺(tái)及車(chē)輛姿態(tài)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，在理論上比較難以實(shí)現(xiàn)并且實(shí)用性較差。經(jīng)項(xiàng)目組討論，最終采用了通過(guò)確定轉(zhuǎn)臺(tái)上車(chē)輛的位置并根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度及光度計(jì)移動(dòng)距離來(lái)修正光度計(jì)讀數(shù)的方案。

車(chē)輛參數(shù)的確認(rèn)是通過(guò)尖端帶有觸覺(jué)探頭的7軸鉸接式機(jī)械臂來(lái)完成的，如圖3所示。該機(jī)械臂的工作半徑為5 m，車(chē)輛參數(shù)的確認(rèn)基于待測(cè)車(chē)輛的輪轂中心位置進(jìn)行，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的程序精確測(cè)量車(chē)輪位置、角度以及前照燈光學(xué)中心的相對(duì)位置從而完成車(chē)輛燈具安裝參數(shù)、基準(zhǔn)中心的最終確認(rèn)。

圖3 車(chē)輛參數(shù)校準(zhǔn)用機(jī)械臂Fig.3 Robotic arm for vehicle parameter calibration

圖4顯示了一個(gè)典型的車(chē)輛及前照燈安裝參數(shù)位置測(cè)量報(bào)告，其中包含所有必要的數(shù)據(jù)，用以確定車(chē)輛位置、轉(zhuǎn)臺(tái)中心點(diǎn)位置以及照明功能的基準(zhǔn)中心位置。通過(guò)機(jī)械臂測(cè)得的相對(duì)位置參數(shù)，經(jīng)計(jì)算后即可得到修正后的前照燈發(fā)光強(qiáng)度。

圖4 車(chē)輛及前照燈安裝參數(shù)位置測(cè)量報(bào)告圖示Fig.4 Diagram of vehicle and headlamp installation parameter position measurement report

3 光度計(jì)測(cè)量

傳統(tǒng)光度計(jì)具有出色的動(dòng)態(tài)范圍、光譜適應(yīng)性和高線性度等優(yōu)點(diǎn)，C-NCAP 照明安全測(cè)試中僅使用傳統(tǒng)光度計(jì)測(cè)量關(guān)鍵的眩光區(qū)域。

如圖5所示，被測(cè)前照燈隨轉(zhuǎn)臺(tái)圓形軌跡移動(dòng)(小圓圈)，光度計(jì)的圓柱坐標(biāo)系(大圓柱)跟隨前照燈共同移動(dòng)。

圖5 Ⅲ類(lèi)測(cè)光角度計(jì)偏心測(cè)試幾何模型Fig.5 Class III photometric goniometer eccentricity test geometric model

根據(jù)幾何坐標(biāo)(D，S)，我們可以將其轉(zhuǎn)換為(φ，θ)和(A，α)，反之亦然。在應(yīng)用式(1)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，由于前照燈基準(zhǔn)中心并不位于轉(zhuǎn)臺(tái)中心，即轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心與前照燈基準(zhǔn)中心并不重合，而是存在一個(gè)偏心的關(guān)系，因此需要計(jì)算每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)前照燈和光度計(jì)之間的實(shí)際距離，通過(guò)數(shù)據(jù)糾正獲取正確的光分布數(shù)據(jù)。

(1)

式中：E為在距離d處測(cè)得的照度；

I為發(fā)光強(qiáng)度；

φ,θ為方位角和俯仰角。

由于在整車(chē)測(cè)試時(shí)，車(chē)輛的姿態(tài)、前照燈的安裝位置等因素均會(huì)與零部件級(jí)測(cè)試有一定的差異，為了評(píng)估該算法的準(zhǔn)確性，對(duì)整車(chē)級(jí)前照燈性能測(cè)試結(jié)果與零部件級(jí)前照燈性能測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)是必要且有意義的。

項(xiàng)目組在傳統(tǒng)零部件配光測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)和整車(chē)燈光性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)室分別對(duì)具有較明顯光分布特征的前照燈樣品進(jìn)行了比對(duì)測(cè)試，由于測(cè)試在整車(chē)燈光試驗(yàn)室的研發(fā)階段進(jìn)行，向下角度有限制，因此光分布不會(huì)覆蓋低至-7D的全角度范圍，而是從-1.6D開(kāi)始。如圖6所示，圖(a)為傳統(tǒng)零部件配光測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試結(jié)果，圖(b)為整車(chē)燈光試驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果。比對(duì)結(jié)果表明，除了較小的水平安裝偏移外，所有的光型結(jié)構(gòu)，如明暗截止線、光學(xué)特征點(diǎn)和光強(qiáng)的變化都是完全相同的，這也驗(yàn)證了整車(chē)前照燈靜態(tài)評(píng)價(jià)測(cè)試方法的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

圖6 零部件測(cè)試與整車(chē)前照燈測(cè)試結(jié)果比對(duì)Fig.6 Comparison of component test and vehicle headlight test results

4 成像式亮度計(jì)(ILMD)測(cè)量

在測(cè)量眩光區(qū)域外的光分布時(shí)，采用成像式亮度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，成像式亮度計(jì)與光度計(jì)相結(jié)合進(jìn)行測(cè)量的方法由于其測(cè)試效率、測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)近年來(lái)得到了更多的認(rèn)可[5,6]。成像式亮度計(jì)測(cè)試的原理是根據(jù)屏幕的反射特性，將成像式亮度計(jì)記錄的亮度圖像轉(zhuǎn)換為照度，最終根據(jù)照度值計(jì)算發(fā)光強(qiáng)度的光分布。

L(z,y)→E(z,y)→I(φ,θ)

(2)

式中：L(z,y)為亮度分布；

E(z,y)為照度分布；

I(z,y) 為光強(qiáng)分布。

同理，在通過(guò)成像式亮度計(jì)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于前照燈的中心并不處于轉(zhuǎn)臺(tái)中心，需要計(jì)算前照燈光學(xué)中心與轉(zhuǎn)臺(tái)中心的相對(duì)位置，并對(duì)所得到的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行修正。

如圖7所示，圓形軌跡為車(chē)輛旋轉(zhuǎn)時(shí)前照燈的運(yùn)動(dòng)軌跡，物體系統(tǒng)中的發(fā)光強(qiáng)度在球體上以坎德拉定義，但在平面屏幕上顯示為照度分布。因?yàn)檐?chē)輛旋轉(zhuǎn)角度D以及前照燈與屏幕的距離是已知的，所以屏幕上的每個(gè)點(diǎn)可以對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系中的一個(gè)角度，通過(guò)計(jì)算可以將測(cè)量的亮度值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的發(fā)光強(qiáng)度。

圖7 成像式亮度計(jì)偏心測(cè)試幾何模型Fig.7 ILMD eccentricity test geometric model

圖8說(shuō)明了前照燈安裝位置對(duì)測(cè)試屏幕上捕獲的光分布立體角的影響。兩幅圖顯示了同一前照燈的測(cè)量結(jié)果，第一次將前照燈安裝于車(chē)輛左側(cè)，第二次安裝于車(chē)輛右側(cè)。由于前照燈安裝位置不同，第一次的光分布圖像在 V-V 線右側(cè)覆蓋了更大的區(qū)域，而第二次的光分布在V-V 線左側(cè)包含了更大的立體角。然而屏幕上獲得的光分布角度相對(duì)于車(chē)輛坐標(biāo)系是固定的，與安裝位置無(wú)關(guān)，這也證明了坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換是正確的。

圖8 基于測(cè)量屏幕亮度的光分布左右前照燈結(jié)果對(duì)比Fig.8 Comparison of left and right headlamp results based on light distribution measured on screen brightness

C-NCAP規(guī)程中要求的測(cè)量角度范圍為水平方向 60L 到 60R，垂直方向 7D 到 6U。在測(cè)量時(shí)，需要在不同的旋轉(zhuǎn)角度下通過(guò)成像式亮度計(jì)記錄多幅光分布圖像，最后將多個(gè)光分布圖像進(jìn)行合并和拼接后得到一個(gè)覆蓋所需測(cè)量角度范圍的光分布圖像，這需要專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)處理軟件來(lái)完成，本文不再詳述。此外，由于光度計(jì)的光譜適應(yīng)性較好以及受雜散光影響較小，所以光度計(jì)的測(cè)量不確定度較小，在測(cè)試中可以通過(guò)光度計(jì)對(duì)一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量讀數(shù)，以校正成像式亮度計(jì)的測(cè)量值，從而保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性[7]。

5 可追溯性、測(cè)量不確定度和精度

5.1 可追溯性和不確定度準(zhǔn)則

整車(chē)燈光試驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)的可追溯性基于傳統(tǒng)的幾何和光度校準(zhǔn)程序，并遵循ISO/IEC 17025的各項(xiàng)規(guī)定[8]。測(cè)量不確定度則根據(jù)CIE TC2-67文件《道路車(chē)輛道路照明、光信號(hào)和反光裝置的光度測(cè)定》中的條款確定[6]。

5.2 幾何精度

整車(chē)燈光試驗(yàn)室的所有測(cè)量都旨在預(yù)測(cè)和評(píng)估道路照明質(zhì)量，如照明距離和照明寬度等。因此對(duì)測(cè)試過(guò)程中的幾何精度要求較高，對(duì)基準(zhǔn)平面即車(chē)輛的轉(zhuǎn)盤(pán)平面要求尤其高。除此之外照度計(jì)和成像式亮度計(jì)位置、屏幕幾何位置以及所有距離和測(cè)角儀角度精度均使用高精度經(jīng)緯儀確定，測(cè)量距離的精度小于1 mm，角度的確定精度小于0.002°。

另外，如第2節(jié)所述，轉(zhuǎn)臺(tái)上的待測(cè)車(chē)輛參數(shù)的確認(rèn)是基于鉸接式測(cè)量機(jī)械臂來(lái)完成的，其測(cè)量精度同樣小于1 mm。

5.3 光度測(cè)試精度

而使用成像式亮度計(jì)和屏幕組合獲取光分布測(cè)試方法的校準(zhǔn)則取決于屏幕的反射特性，該反射特性可以使用現(xiàn)有L類(lèi)光度計(jì)的進(jìn)行校準(zhǔn)而確定。需要注意的是,屏幕的反射特性受灰塵、溫濕度、通風(fēng)條件等影響較大，因此整車(chē)燈光試驗(yàn)室的環(huán)境條件要求相對(duì)較高，試驗(yàn)室內(nèi)需要設(shè)置恒溫恒濕條件，且需保持較為干凈的試驗(yàn)測(cè)試環(huán)境。

此外，對(duì)于測(cè)試車(chē)輛照明功能的每次測(cè)試，都可使用照度計(jì)用以檢查或校準(zhǔn)其光分布。

5.4 數(shù)據(jù)后處理精度

如上文所述，整車(chē)燈光試驗(yàn)測(cè)試獲得的原始數(shù)據(jù)實(shí)際上就是前照燈近光和遠(yuǎn)光功能的光分布數(shù)據(jù)，為了進(jìn)行車(chē)輛道路照明性能(如照明距離、照明寬度)的評(píng)估，還需要對(duì)獲取的光分布進(jìn)行處理從而獲取最終的道路光分布和測(cè)試指標(biāo)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的處理過(guò)程涉及一些空間幾何模型的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)插值計(jì)算方法的選擇，不同的運(yùn)算模型或計(jì)算軟件可能導(dǎo)致最終的評(píng)價(jià)結(jié)果存在一定的差異。數(shù)據(jù)后處理的精度影響了最終的評(píng)分結(jié)果，因此需要對(duì)該處理過(guò)程進(jìn)行規(guī)范和統(tǒng)一，目前該項(xiàng)研究仍在進(jìn)行過(guò)程中，初步研究顯示，不同軟件或計(jì)算方法的數(shù)據(jù)精度差異較小，項(xiàng)目組將另外撰寫(xiě)論文進(jìn)行詳細(xì)分析，本文不再詳述。

6 總結(jié)與展望

本文論述了基于C-NCAP的整車(chē)燈光性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)室的方案設(shè)計(jì)及測(cè)試原理，試驗(yàn)方案符合C-NCAP的測(cè)試要求。在受控條件下的室內(nèi)試驗(yàn)室中測(cè)量車(chē)輛前照燈照明性能具有重復(fù)性好、不受道路以及環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)，此外由于測(cè)試方案選用了25 m的測(cè)試距離，可以更好地將整車(chē)級(jí)前照燈性能測(cè)試結(jié)果與零部件級(jí)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較和關(guān)聯(lián)。

雖然當(dāng)前的整車(chē)燈光試驗(yàn)室是針對(duì)靜態(tài)光分布進(jìn)行測(cè)試，但在未來(lái)的試驗(yàn)室擴(kuò)展中可能會(huì)通過(guò)使用快速光度計(jì)或者相機(jī)快速讀出模式等技術(shù)手段增加動(dòng)態(tài)光分布測(cè)試功能，從更多角度和狀態(tài)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛照明的測(cè)試，助力燈具行業(yè)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步。