汽車前照燈前束燈光標(biāo)定方法及故障應(yīng)對(duì)策略

李祥兵

（神龍汽車有限公司， 湖北 武漢 430060）

車燈是最重要的功能件之一，前照燈中的近遠(yuǎn)光是汽車主動(dòng)安全的重要部分。燈光在給駕駛員提供充足的路面照明和寬廣的視野時(shí)，還要保證不對(duì)其他道路使用者產(chǎn)生眩目等干擾。通常，當(dāng)一只合格的前照燈裝配到車身上后，理論上，燈光的高度和水平寬度是不用調(diào)整的，但由于裝配工藝、車身尺寸的誤差導(dǎo)致前照燈在整車上會(huì)發(fā)生位置偏移，以及照明距離遠(yuǎn)（法規(guī)規(guī)定10m光屏距離），車身姿態(tài)的微小變化都會(huì)引起燈光光束的較大距離偏差。為確保一只單件合格的前照燈裝配到車身上后，其燈光高度和寬度仍然是合格的，就需要對(duì)前照燈在前束上進(jìn)行燈光檢查調(diào)整，使前照燈在整車下線之后，燈光仍然滿足法規(guī)的要求。對(duì)主機(jī)廠而言，為減少燈光調(diào)節(jié)工作量，通常會(huì)要求供應(yīng)商基于主機(jī)廠標(biāo)定好的燈光樣件自行對(duì)成品前照燈的水平寬度調(diào)整到中值，這樣標(biāo)定之后的前照燈裝配到車上后，理論上不用再次調(diào)整。而在燈光的標(biāo)定和調(diào)整過程中，通常會(huì)出現(xiàn)各種各樣比較復(fù)雜的問題，工程師需要花費(fèi)大量的時(shí)間去調(diào)查根本原因。為走出這種困境，就需要一套完整的標(biāo)定方法及燈光標(biāo)定故障的應(yīng)對(duì)策略，使燈光標(biāo)定更加科學(xué)合理。

1 前束燈光標(biāo)定原理

1.1 垂直三角形調(diào)光原理

前照燈燈光調(diào)節(jié)是通過本身的渦輪和蝸桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。圖1為垂直三角形調(diào)光原理。在設(shè)計(jì)階段，反射鏡的背面設(shè)計(jì)有3個(gè)球頭緊固點(diǎn)，其中，A，C兩點(diǎn)為活動(dòng)結(jié)構(gòu)，B為固定結(jié)構(gòu)。AB構(gòu)成的連線與BC構(gòu)成的連線相互垂直。當(dāng)對(duì)A點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，整個(gè)反射鏡會(huì)圍繞BC軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，則截止線將進(jìn)行水平方向（寬度方向） 的調(diào)節(jié)；當(dāng)對(duì)C點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整時(shí)，整個(gè)反射鏡會(huì)圍繞AB軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，則近光截止線將進(jìn)行垂直方向（高度） 的調(diào)節(jié)。通常，對(duì)于水平方向的調(diào)節(jié)，車燈廠在出廠之前標(biāo)定到中值即可，在整車上不用再次調(diào)節(jié)。垂直方向的調(diào)節(jié)，需要在整車前束臺(tái)上將燈光高度標(biāo)定到0.7～0.9H之間（其中H為前照燈基準(zhǔn)中心高度）。而在實(shí)際的使用過程中，高度的調(diào)節(jié)可以分為手動(dòng)調(diào)節(jié)、靜態(tài)調(diào)節(jié)和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。手動(dòng)調(diào)節(jié)一般是借助專用工具或在駕駛室內(nèi)通過旋轉(zhuǎn)燈光調(diào)節(jié)旋鈕來實(shí)現(xiàn)，而靜態(tài)調(diào)節(jié)和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)是通過車身高度傳感器來實(shí)現(xiàn)。

圖1 垂直三角形調(diào)光原理

1.2 前束檢測(cè)臺(tái)構(gòu)成

前束試驗(yàn)臺(tái)主要由集光箱、龍門框架、行走定位機(jī)構(gòu)、校準(zhǔn)工具構(gòu)成。如圖2所示。集光箱是利用凸透鏡聚焦的原理，把法規(guī)規(guī)定的凸透鏡放在車輛前方，將離前照燈光學(xué)中心10m遠(yuǎn)的光屏上的成像轉(zhuǎn)化為很小距離的光板成像，并利用CCD技術(shù)把成像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。整車廠前束臺(tái)主要標(biāo)定近光高度并保證符合法規(guī)規(guī)定的范圍，測(cè)量近光的寬度，測(cè)量左右前照燈處于遠(yuǎn)光狀態(tài)下的光強(qiáng)，與此同時(shí)，它也對(duì)遠(yuǎn)光的高度、寬度以及前霧燈的高度進(jìn)行標(biāo)定。

圖2 前束測(cè)試臺(tái)構(gòu)成及原理

1.3 截止線的形成原理

對(duì)于單個(gè)模組（投射式或反射式） 形成的近光，其截止線的形成主要有兩種方式：一是依靠遮光板來實(shí)現(xiàn)，即遮光板加工成截止線的形狀，然后通過透鏡成像原理來形成清晰的截止線，投射式前照燈模組一般采用這種方式；另外一種方式通過反射鏡的曲面設(shè)計(jì)來形成截止線，這種方式主要用于反射式前照燈。對(duì)于多個(gè)模組的前照燈，一般依靠幾個(gè)模組的組合來形成截止線，這種組合方式也分為2種：一種是各個(gè)模組均形成各自的截止線，然后重疊在一起，形成總的截止線；另外一種是其中一個(gè)模組形成截止線，其余的模組對(duì)截止線的水平段部分進(jìn)行補(bǔ)光。這兩種方式各有優(yōu)劣，都能形成相對(duì)比較清晰的截止線。

2 燈光標(biāo)定的法規(guī)要求

ECE配光方式有兩種：一種是在配光屏幕上，明暗截止線左側(cè)與水平基準(zhǔn)線h-h重合，明暗截止線右側(cè)與水平基準(zhǔn)線呈15°夾角；另外一種配光方式，燈光在屏幕上投影呈Z字型，明暗截止線左側(cè)部分在水平基準(zhǔn)線以下250mm處，右側(cè)部分則與水平基準(zhǔn)線呈45°夾角。如圖3所示。中國國內(nèi)近光明暗截止線一般采用Z字型樣式。

圖3 明暗截止線原理

根據(jù)GB7258照明系統(tǒng)的要求，在離車輛前照燈近光光源中心位置到車輛前方10m處放置一個(gè)光屏，乘用車前照燈明暗截止線（15°或45°） 拐點(diǎn)位置高度應(yīng)位于0.7H～0.9H之間（其中H為前照燈基準(zhǔn)中心高度）。對(duì)于寬度而言（俗稱燈寬），其明暗截止線的拐點(diǎn)向左偏移不允許超過170mm，向右偏移不允許超過350mm。這個(gè)要求考慮了車身尺寸、工藝波動(dòng)等多個(gè)因素，甚至有時(shí)車身波動(dòng)大于燈的調(diào)節(jié)范圍的情況。對(duì)于燈具廠的車燈而言，一般水平方向規(guī)定：0±0.5%（±0.28°），即要求車燈在出廠時(shí)，截止線拐點(diǎn)盡可能在中值附近，這樣燈裝在整車上后，理論是不用調(diào)整就可以保證燈寬合格。

對(duì)于光強(qiáng)的要求，要求單個(gè)前照燈遠(yuǎn)光（一般為近光加遠(yuǎn)光） 的光強(qiáng)應(yīng)至少大于30000cd，左右遠(yuǎn)光光強(qiáng)之和應(yīng)不大于220000cd。在現(xiàn)有的技術(shù)水平下，一般鹵素?zé)艄鈴?qiáng)在40000～50000cd為正常范圍，LED前照燈為50000～70000cd為正常范圍。表1為乘用車近遠(yuǎn)光法規(guī)要求。

表1 乘用車近遠(yuǎn)光法規(guī)要求

3 燈光捕捉算法研究

主機(jī)廠的調(diào)光設(shè)備雖然型號(hào)各不相同，但截止線捕捉原理基本相似，一般有以下兩種算法。

3.1 最大梯度法

最大梯度法是一種向量（vector） 法，即函數(shù)在該點(diǎn)的方向?qū)?shù)沿該方向得到最大值，函數(shù)在該點(diǎn)沿該方向（梯度方向） 變化最快，變化率為最大值。如圖4所示，y=f（x）為截止線的外輪廓，直線l與截止線輪廓形成2個(gè)交點(diǎn)A，B。通過明暗過渡區(qū)找到明暗截止線，并且以截止線的曲率變化的最大梯度點(diǎn)C作為拐點(diǎn)。

圖4 最大梯度法

采用該方式，光型的品質(zhì)對(duì)捕捉結(jié)果影響很大，例如，在截止線中出現(xiàn)光斑或是光型缺失，會(huì)導(dǎo)致截止線變化最大點(diǎn)發(fā)生在光型較差的區(qū)域，從而影響拐點(diǎn)的選取。

3.2 圖形特征法

如圖5所示，圖形特征匹配需要先在一幅圖像中確定出特征，然后再在待匹配圖像中利用約束條件在一定范圍內(nèi)搜索相似特征。該方法主要包含3個(gè)過程：①特征檢測(cè)；②特征相似性度量；③搜索策略。

圖5 明暗截止線檢測(cè)及識(shí)別算法流程圖

在實(shí)時(shí)匹配這類運(yùn)用中，主要從3方面來提升匹配的可靠性：①盡量減小基準(zhǔn)圖大小，并通過分區(qū)約束等方法減少匹配搜索范圍；②盡可能選擇特征明顯、不受外界影響的圖形作為基準(zhǔn)圖形；③選擇具有魯棒特征的提取方法。在近光明暗截止線的獲取上，通常以暗區(qū)至亮區(qū)變化點(diǎn)作為截止線，得到截止線后，用截止線的圖形特征進(jìn)行自動(dòng)拐點(diǎn)搜索并計(jì)算匹配得到。

4 基于某項(xiàng)目前照燈項(xiàng)目的燈光標(biāo)定

某項(xiàng)目采用矩陣反射式LED前照燈設(shè)計(jì)，近光采用2個(gè)反射鏡結(jié)構(gòu)且呈水平方向布置，靠近車輛縱中軸面的反射鏡用于形成15°截止線，靠近車輛外側(cè)的反射鏡主要用于給截止線下側(cè)區(qū)域補(bǔ)光。

4.1 燈光標(biāo)定前的準(zhǔn)備工作

在設(shè)計(jì)階段，要求遠(yuǎn)光燈垂直方向HV點(diǎn)高度不能超過近光燈拐點(diǎn)0.2H（H為近光光學(xué)中心離地高度）。反射鏡注塑和鍍鋁品質(zhì)穩(wěn)定，截止線要光順，配光室截止線水平度和清晰度測(cè)量均符合要求（其中水平度＜0.2，清晰度0.2～0.45）。確認(rèn)近光截止線計(jì)算方法，一般采用優(yōu)選圖形特征法更加精確。保證在線光檢設(shè)備能對(duì)近光燈特殊點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控（25L、25R、50L、50R、75R，第4區(qū)），測(cè)試電壓為13.2V時(shí)，75R≥25lx，50R≥20lx，50V≥6lx，25R≥5lx，25L≥5lx，Ⅳ≥5lx。燈具廠在線近光拐點(diǎn)中值的設(shè)置，由主機(jī)廠車身上標(biāo)定的近光拐點(diǎn)位置確定。如果設(shè)備為自動(dòng)調(diào)光，則近光拐點(diǎn)中值控制公差為±0.5%；如果設(shè)備為手動(dòng)調(diào)光，中值控制公差為±0.8%。所有光檢合格的前燈，燈殼上有光檢合格標(biāo)識(shí)。

4.2 燈光標(biāo)定

1） 確認(rèn)車身尺寸是否穩(wěn)定。與主機(jī)廠總裝工藝確認(rèn)前照燈近光截止線類型（15°截止線或45°截止線）。如果是模組，明確該模組沿用的相關(guān)車型，確認(rèn)前束臺(tái)燈光捕捉算法。然后對(duì)前束臺(tái)光檢參數(shù)（遠(yuǎn)光光學(xué)中心離地高度、中心點(diǎn)距離、近光光學(xué)中心離地高度、中心點(diǎn)距離） 進(jìn)行設(shè)置，并確認(rèn)與理論光學(xué)中心坐標(biāo)一致。當(dāng)車身尺寸和工藝參數(shù)確認(rèn)后，使用穩(wěn)定的車身進(jìn)行前照燈的燈寬標(biāo)定。

2） 前束臺(tái)一致性確認(rèn)。通常，在主機(jī)廠總裝前束臺(tái)區(qū)域，一般至少有3個(gè)前束通道。其中一個(gè)通道主要用來標(biāo)定前束臺(tái)本身。這個(gè)標(biāo)定工作分為兩部分：①將燈箱的HV捕捉位置標(biāo)定到理論位置；②采用樣架進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一般每周監(jiān)測(cè)一次捕捉位置，確認(rèn)是否仍然在理論位置。另外2個(gè)通道用于生產(chǎn)線車輛燈光的標(biāo)定和檢測(cè)。項(xiàng)目某個(gè)階段對(duì)前照燈進(jìn)行燈光標(biāo)定時(shí)，要確保同一臺(tái)車在3個(gè)通道的燈寬值和燈光高度值不能大于0.5%，否則會(huì)因?yàn)榍笆_(tái)設(shè)備的因素導(dǎo)致燈光的標(biāo)定結(jié)果存在很大差異。

3） 車燈的狀態(tài)。在對(duì)前照燈標(biāo)定前，車燈的尺寸狀態(tài)必須穩(wěn)定，車燈在車燈廠出廠前的燈寬和燈高數(shù)據(jù)合格且穩(wěn)定。對(duì)于燈寬，由于主機(jī)廠一般不會(huì)在整車上對(duì)燈寬進(jìn)行調(diào)整，車燈廠需要保證截止線拐點(diǎn)的水平位置必須盡可能在中值0.8%（國標(biāo)對(duì)水平方向要求的范圍為-1.7%～+3.5%）。

4） 更換前照燈（要求各個(gè)功能正常）。將車輛在顛簸路面上行駛，然后去總裝前束臺(tái)進(jìn)行燈光標(biāo)定。標(biāo)定方法為：首先將近光燈寬值調(diào)至+0.9%，同時(shí)調(diào)燈高至合格范圍，再調(diào)整燈寬至+0.9%，調(diào)整燈高至-1%。然后再進(jìn)行顛簸路面的路試，重新上檢測(cè)臺(tái)，檢測(cè)燈寬位置，如果燈寬不處于+0.9%位置，則調(diào)到+0.9%，燈高調(diào)到要求范圍后再向下調(diào)整兩圈螺紋。按照相同的操作步驟標(biāo)定第2套前照燈，每套前照燈要用油漆筆將車輛信息、標(biāo)定日期、近光高度和寬度參數(shù)標(biāo)注在燈殼上，用膠水將所有的調(diào)光接口固定，完成標(biāo)定樣燈制作。如圖6所示。

圖6 燈光標(biāo)定流程

如果標(biāo)定后在主機(jī)廠出現(xiàn)燈寬不合格問題，則首先用封樣前照燈裝在故障車上在前束臺(tái)進(jìn)行裝車檢查。如果檢測(cè)值與標(biāo)定值相差±0.2%，則認(rèn)為車身沒有變化，需要車燈廠分析原因。如果檢測(cè)值在合格的極限或者不合格，則按照上述步驟，重新進(jìn)行燈光標(biāo)定。

5 車燈標(biāo)定中的常見問題

5.1 截止線拐點(diǎn)跳動(dòng)

在整車前束臺(tái)燈光標(biāo)定中，前束屏幕上的十字光標(biāo)來回跳動(dòng)，光檢臺(tái)無法捕捉到正確的拐點(diǎn)。通常情況下，出現(xiàn)這種問題的原因?yàn)椋航鈺r(shí)，正常狀態(tài)的截止線只有一個(gè)最亮點(diǎn)A，并位于HV點(diǎn)下端；如果在截止線水平段下部的其他區(qū)域還存在其它最亮點(diǎn)B，且該最亮點(diǎn)位于設(shè)備的掃描范圍內(nèi)，則設(shè)備在捕捉最亮點(diǎn)過程中，設(shè)備無法識(shí)別出哪個(gè)是正確的最亮點(diǎn)，就會(huì)在A，B之間來回捕捉。在這種情況下，一般從兩個(gè)方面優(yōu)化：對(duì)于前照燈而言，找到出現(xiàn)2個(gè)最亮點(diǎn)的原因，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)光型來解決。對(duì)于鍍鋁反射碗，優(yōu)化鍍鋁工藝，從而消除不合適的最亮點(diǎn)B。另一方面，在前束屏幕上觀察最亮點(diǎn)出現(xiàn)捕捉區(qū)域，通過優(yōu)化設(shè)備的捕捉范圍，將最亮點(diǎn)B的位置置于捕捉范圍之外，即可以消除截止線捕捉抖動(dòng)的問題。

5.2 無法發(fā)現(xiàn)拐點(diǎn)

前照燈無拐點(diǎn)，投到屏幕上后，截止線在拐點(diǎn)區(qū)域無明顯拐點(diǎn)或表現(xiàn)為一段圓弧，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正確捕捉。現(xiàn)場(chǎng)四輪定位調(diào)光時(shí)，前照燈零件與SGM設(shè)備匹配差異較大，拐點(diǎn)超出或處于調(diào)光界面極限，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整過度或調(diào)整無方向，容易造成過度調(diào)整。在這種情況下，首先要優(yōu)化前照燈的光型，讓明暗截止線更加清晰，同時(shí)保證15°或45°截止線角度能更清晰地顯示出來。

有時(shí)，曝光度不足也是拐點(diǎn)無法捕捉的根本原因。曝光度是攝影技術(shù)的一個(gè)術(shù)語，指設(shè)備感受到光亮的強(qiáng)弱及時(shí)間的長(zhǎng)短。所拍攝的物體越亮，相機(jī)的快門速度相應(yīng)提高，光圈縮小，光圈和速度要互相配合，單一調(diào)整哪一個(gè)都不一定能拍出一張曝光準(zhǔn)確的相片。反之所要拍攝的物體很暗，那么就要減慢速度，放大光圈才行。在前束上，對(duì)于不同技術(shù)的車燈，比如LED前照燈、鹵素?zé)?，由于LED前照燈的亮度普遍高于鹵素?zé)?，因此它所需的曝光度一般要小于鹵素?zé)襞荨?/p>

5.3 拐點(diǎn)不動(dòng)

當(dāng)截止線調(diào)節(jié)到一定位置時(shí)，發(fā)現(xiàn)拐點(diǎn)無法移動(dòng)。在這種情況下，要檢查車燈內(nèi)部手動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是否出現(xiàn)調(diào)節(jié)故障，導(dǎo)致無法傳遞機(jī)械動(dòng)力，拐點(diǎn)無法調(diào)節(jié)。在這種情況下，最常見的是前照燈內(nèi)部出現(xiàn)調(diào)節(jié)螺桿斷裂、滑絲等故障。出現(xiàn)這種情況的原因比較多，從車身角度，要調(diào)研車身在近期是否有尺寸波動(dòng)，導(dǎo)致在前束調(diào)節(jié)時(shí)，即使車燈調(diào)到極限位置，燈寬依然無法合格。從車燈的角度分析，要檢查車燈內(nèi)部在反射碗的運(yùn)動(dòng)過程中，是否存在干涉問題，導(dǎo)致手動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)無法調(diào)節(jié)。

5.4 遠(yuǎn)光光強(qiáng)不合格

在當(dāng)前技術(shù)條件下，單遠(yuǎn)光一般很難完全滿足路面照度的要求，因此，遠(yuǎn)光一般是近光和遠(yuǎn)光的合成。遠(yuǎn)光的照度一般在30000 ～220000cd 之間，如果遠(yuǎn)光光強(qiáng)低于30000cd，則說明遠(yuǎn)光光強(qiáng)出現(xiàn)問題。在這種情況下，一般先比較同一臺(tái)車上左右前照燈光型的差異，如果有很大差異，就需要對(duì)遠(yuǎn)光的反射鏡進(jìn)行優(yōu)化，使得左右光型完全一致。如果左右前照燈光型一致，則檢查故障燈的偏轉(zhuǎn)角度是否偏得非常厲害，如果偏得很厲害，就需要從車身的尺寸方面進(jìn)行優(yōu)化。

6 結(jié)論及展望

由于車燈在整車上的燈光狀態(tài)必須符合法規(guī)要求，因此燈光標(biāo)定是主機(jī)廠總裝車輛下線的重要工作。由于受到多個(gè)因素影響，燈光標(biāo)定一直是比較繁雜的工作?；诜ㄒ?guī)的要求及前束臺(tái)燈光捕捉原理，本文重點(diǎn)論述了車燈燈光標(biāo)定的方法以及標(biāo)定過程中常見問題的應(yīng)對(duì)策略。從標(biāo)定流程和常見故障問題來看，前照燈的工藝狀態(tài)、車身的尺寸狀態(tài)以及前束測(cè)試臺(tái)的參數(shù)設(shè)置是影響車燈燈光是否合規(guī)的重要因素。在設(shè)計(jì)的故障分析中，也要逐一分析三者的工藝穩(wěn)定性，比如對(duì)于前束測(cè)試臺(tái)，如果有好幾個(gè)測(cè)試通道，要保證同一臺(tái)車在各個(gè)通道上的測(cè)試結(jié)果誤差在0.5%以內(nèi)，否則，測(cè)試設(shè)備的誤差將無法鎖定故障的根本原因。