汽車自適應(yīng)前照明系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

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摘要：主要討論汽車自適應(yīng)前照明系統(tǒng)設(shè)計與研究。在對AFS系統(tǒng)現(xiàn)狀及相關(guān)法規(guī)對AFS的規(guī)定進行分析說明的基礎(chǔ)上，闡述了在C、V、E、W幾種不同照明條件下的試驗方法以及配光要求，以汽車前照燈照明需求為依據(jù)完成了自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)控制模型的構(gòu)建，并在此基礎(chǔ)上完成了一種自適應(yīng)前照燈控制系統(tǒng)的設(shè)計，實驗測試結(jié)果表明該控制模型具有較高的控制精度，可有效滿足車輛對自適應(yīng)前照明系統(tǒng)的控制需求。

關(guān)鍵詞：汽車前照燈；照明系統(tǒng)；設(shè)計分析；控制模型

引言

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，在人們生活水平逐漸提高的基礎(chǔ)上，汽車的保有量在呈不斷上升的趨勢，導致交通環(huán)境越來越復雜，交通事故頻頻發(fā)生，直接影響到人們的生命財產(chǎn)安全。在眾多的交通事故中，夜間行駛汽車很容易由于光線問題而發(fā)生交通事故，而光照主要由汽車前照燈所負責，在路況比較復雜的狀態(tài)下，傳統(tǒng)的汽車前照燈設(shè)計還不能夠完全滿足汽車的安全行駛。如何設(shè)計并完善汽車前照明系統(tǒng)以提高駕駛的舒適性和安全性仍然是目前研究的重點之一［1］。為此本文主要對汽車前照燈自適應(yīng)系統(tǒng)進行了研究。

1需求分析

安全是車輛行駛過程中的首要需求，一個先進、有效的前照燈已經(jīng)成為保證駕駛?cè)巳松戆踩捌嚢踩谋匾疤幔S著交通環(huán)境的日益復雜多變，傳統(tǒng)的汽車前照燈必須進行優(yōu)化與完善，從而產(chǎn)生了可以對汽車行駛狀況自動匹配的新型前照燈，在現(xiàn)今技術(shù)的支撐下使汽車的安全系數(shù)得到顯著提升。汽車自適應(yīng)前照燈可以根據(jù)車輛運行參數(shù)，對光線進行適當調(diào)整，滿足駕駛員夜間行駛的安全需求，在確保汽車夜間行車安全方面起到重要作用。汽車自適應(yīng)前照燈相關(guān)研究已經(jīng)取得了一定的成果，根據(jù)模型種類的不同，自適應(yīng)前照燈控制研究可以分為關(guān)系模型，主要以前照燈轉(zhuǎn)角和車輛運動參數(shù)進行建立。通過微型相機對路況進行分析，對光照進行實時調(diào)整2類；根據(jù)不同的執(zhí)行機構(gòu)可分為：通過步進／直流電機對車燈旋轉(zhuǎn)進行驅(qū)動、通過數(shù)字反光鏡陣列的使用改變光型、通過LED陣列調(diào)整光型3類。目前的研究主要以汽車自適應(yīng)前照燈控制策略為主，缺少對整個系統(tǒng)的研究及對應(yīng)的實際設(shè)計和驗證［1］。在環(huán)境惡劣或夜間行駛的車輛，自適應(yīng)前照燈能夠起到一定的安全保障作用，為此本文從系統(tǒng)整體角度出發(fā)，結(jié)合照明的舒適性以前照燈照明需求為依據(jù)（包括照明范圍與強度），完成了一種自適應(yīng)前照燈控制系統(tǒng)的設(shè)計（基于車輛運動參數(shù)），可有效提高控制效果。

2汽車自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)照明模式及配光試驗

本次研究的汽車自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)主要由執(zhí)行器、傳感器組、CAN總線和控制單元ECU構(gòu)成，汽車行駛過程中一旦遇到路面凸凹不平或轉(zhuǎn)彎時，控制單元ECU會通過傳感器對車輛的車速信息、轉(zhuǎn)角信息、傾斜程度等相關(guān)信息進行收集，根據(jù)所收集到的信息來相應(yīng)的判斷并且進入燈光調(diào)試執(zhí)行階段。

2．1自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)照明模式

（1）鄉(xiāng)村照明模式（C），該類照明模式采用較普遍，在本質(zhì)上同常見的近光燈類似，該模式常在鄉(xiāng)間道路行駛中使用。（2）高速公路照明模式（E），由于汽車在告訴上行駛速度比較快，導致駕駛員的反應(yīng)時間會延長，對前照燈性能的要求較高。而自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)的照明光線具備長遠且寬廣的優(yōu)勢，所以在高速行駛過程中也不叫適合。（3）城市道理照明模式（V），在城市交通中，交通狀況比較復雜，相對于鄉(xiāng)村道路來講，城市路面照明更加完善，汽車自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)能夠有效滿足行車復雜性及限制車速情況下的照明需求，對駕駛員來說，范圍廣光線足的前照燈可為駕駛員提供足夠的視野，同時有效避免了眩光等的影響。（4）惡劣天氣照明模式（W），該模式主要運用于雨雪天氣，視線狀況不佳的情況或者道路上有雨水沉積，由于路面積水會形成光線反射，所以很容易影響駕駛員視線，難以及時分清路面狀況，易引發(fā)交通事故，AFS系統(tǒng)能夠產(chǎn)生特殊的光針可有效緩解積水反射導致的光眩感。（5）彎道照明模式（T），AFS的前照燈可根據(jù)汽車方向的變動情況發(fā)生改變，進而能夠有效清除視野盲區(qū)，經(jīng)過彎道時通過傳感器收集的數(shù)據(jù)完成對相關(guān)近光燈和其它燈光的控制（如補充執(zhí)行光線），達到預期照明效果［2］。

2．2配光要求及試驗

針對自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)，本文主要針對不同近光的配光方法及環(huán)節(jié)進行了研究，（1）配光試驗設(shè)備，本文選用了全自動燈具配光分析系統(tǒng)GO－H1400，在對系統(tǒng)測試時可以將燈具放在轉(zhuǎn)臺上，保證監(jiān)測360度無死角，工控機接收到由照度傳感器采集的信息后據(jù)此實現(xiàn)燈具角度、電源等的調(diào)整過程。（2）配光測試要求，以ECER123／01的配光試驗屏幕圖為例，如圖1所示。圖1近光配光屏幕為確保測量范圍的精準，測量點與測量線存在一定的差異。不同級別的近光通常對應(yīng)不同配光要求：基礎(chǔ)近光（c光），不同于其它的近光如v級近光，該光多出現(xiàn)在城市道路中。車輛多行駛于具有照明設(shè)備的區(qū)域道路上，車速通常小于等于60千米／h；對比E級近光，這種近光大多會出現(xiàn)在高速公路上，而且車速會大于70千米／h。對比W級近光，該近光主要適用于雨天，對于75R和Emax要求更嚴格，確保對駕駛?cè)藛T帶來最小的影響。在對不同級別的近光進行調(diào)整時，前照燈主要由步進電機和光學投射單元兩部分構(gòu)成，實現(xiàn)燈具角度的360度旋轉(zhuǎn)［3］。

2．3配光測試流程

在進行測量時需要結(jié)合彎道照明模式的類型來確定模式，對最大照度進行測量，如表1所示。然后與表1進行測量結(jié)果對比，對光的明暗是否符合要求進行判斷。（1）燈具照準，先將燈具放置在轉(zhuǎn)臺上進行照準，當燈具的基準中心與轉(zhuǎn)臺相對應(yīng)后在進行固定，為了確保對數(shù)據(jù)進行準確收集，投射是要對準基準部位，當一次信息采集完成之后再進行下一次采集，然后與標準值進行對比，結(jié)束該流程。（2）近光明暗截止線的照準要求，先將系統(tǒng)設(shè)置為c級近光，確保截止線的左側(cè)和右側(cè)分別表現(xiàn)為平直部分和肘扁部分；垂直校準，將H－H固定為下部25mm，由截止線定位該位置；然后進行水平校準。完成配光校準流程結(jié)后開始對測試程序進行編寫，測試程序主要由范圍、線、點三個配光值構(gòu)成，AFS前照燈測定數(shù)量時按照套進行（即數(shù)量可以為4），測量前照燈時需遵循標準微：分別測量適用該照明功能／模式的全部照明單元，最終測試結(jié)果只需取平均值。軟件測試分為全屏掃描、完全呈現(xiàn)各單元的可照角度兩個環(huán)節(jié)，采用軟件完成各出現(xiàn)點的配光值的計算（結(jié)果通常為擬合值）。檢測系統(tǒng)某個部件光源時需保證兩側(cè)電壓達到12伏，實際測量時不可偏離數(shù)值太多（及時對個別系數(shù)做調(diào)整）。在測量值與標準值存在較大差異的狀況下，需要對燈具進行調(diào)整。對于無法更換的光源需采用標準或規(guī)定電壓［4］。

3汽車自適應(yīng)前照明控制系統(tǒng)設(shè)計

3．1汽車自適應(yīng)前照明系統(tǒng)控制模型

（1）控制算法駕駛員在實際交通環(huán)境中需要一定的反應(yīng)時間（由T0表示，本文T0取值為3s），以避免意外情況的發(fā)生，即車燈能照亮3s內(nèi)走過的距離。轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)大燈轉(zhuǎn)向角及轉(zhuǎn)向外側(cè)大燈轉(zhuǎn)向角的表達式分別如下。假設(shè)，轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)與外側(cè)大燈轉(zhuǎn)向角分別用β、β′表示，車輛前后軸間距離由L表示，f表示偏轉(zhuǎn)系數(shù)，K表示穩(wěn)定性因數(shù)，T0表示提前照明時間，由θ來表示方向盤轉(zhuǎn)角，由h表示轉(zhuǎn)向傳動比，由k1、k2表示前后輪的側(cè)偏剛度，由L1、L2代表質(zhì)心到前后軸的距離，車燈光軸與地面之間的高度用H表示，車輛轉(zhuǎn)彎半徑表達式如下［6］。（2）系統(tǒng)開關(guān)條件轉(zhuǎn)動方向盤到某一角度時通常以此位置為中心左右波動，需系統(tǒng)功能的開關(guān)具有滯回特性，從而有效克服由方向盤微小波動導致的系統(tǒng)頻繁開關(guān)，本文選取的系統(tǒng)開、關(guān)條件為：開啟速度＞8Km／h，關(guān)閉速度＜6Km／h，開啟方向盤轉(zhuǎn)角大于7°，關(guān)閉方向盤轉(zhuǎn)角小于5°，開啟傾角大于0．3，關(guān)閉傾角小于0．2，水平方向旋轉(zhuǎn)最小角度大于0．1°，垂直方向旋轉(zhuǎn)最小角度大于0／05°。

3．2系統(tǒng)設(shè)計

3．2．1硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件主要由傳感單元（包括速度、方向盤轉(zhuǎn)角、車身前后軸高度等傳感器）、ECU和執(zhí)行3個單元構(gòu)成，如果采用大功率的點擊驅(qū)動模塊很容易對系統(tǒng)總線造成破壞，因此將驅(qū)動板和主控板分開并使用CAN網(wǎng)絡(luò)交換信息，以確保系統(tǒng)總線的安全?？刂葡到y(tǒng)先對參數(shù)進行初始化，根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)（通過主CAN網(wǎng)絡(luò)）獲取車輛運行參數(shù)，再由ECU將計算獲取的前照燈轉(zhuǎn)角發(fā)送到次CAN網(wǎng)絡(luò)，驅(qū)動控制器會通過閉環(huán)的方式，使前照燈到達指定位置。（1）ECU模塊設(shè)計，主控板由MCU最小系統(tǒng)、CAN收發(fā)、電源等模塊構(gòu)成，驅(qū)動板主要由步進電機驅(qū)動、MCU最小系統(tǒng)、CAN收發(fā)、電源、系統(tǒng)保護等模塊構(gòu)成。將TLE4270作為電源模塊，CAN收發(fā)采用TJA1050，分別采用MC9S12XET和MC9S08DZ60作為主控板和驅(qū)動板的MCU，選用能實現(xiàn)故障編碼化的L9935作為步進電機驅(qū)動器。（2）系統(tǒng)失效保護電路，在汽車實際工作環(huán)境中，系統(tǒng)電源異常、步進電機產(chǎn)生的異常、采集數(shù)據(jù)失效2類是比較常見的系統(tǒng)失效形式。系統(tǒng)失效保護電路可以對電源反接造成的損害進行阻止，使用能夠檢測異常情況的驅(qū)動芯片L9935可有效解決步進電機過載、過流、過壓、過熱等突發(fā)狀況，L9935可向MCU發(fā)送錯誤編碼（通過SPI總線）。采用反饋方法減小累積誤差［7］。

3．2．2系統(tǒng)軟件設(shè)計主控板軟件主要由CAN總線自檢、系統(tǒng)初始化、傳感器信號采集、轉(zhuǎn)角計算和發(fā)送幾個模塊構(gòu)成，先檢測系統(tǒng)及CAN總線，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障情況下向儀表盤發(fā)送故障代碼，系統(tǒng)正常工作情況下對系統(tǒng)進行初始化處理后進入信號采集狀態(tài)，方向盤轉(zhuǎn)角、車輛前后軸高度、速度的采集過程一致，通過對傳感器數(shù)據(jù)采集時間的限制能夠有效避免數(shù)據(jù)采集失敗造成的系統(tǒng)持續(xù)等待問題；通過控制模型根據(jù)采集到的經(jīng)驗證無誤的傳感器數(shù)據(jù)，對前照燈轉(zhuǎn)動角度進行計算，然后通過CAN總線發(fā)送到驅(qū)動板，同時接收驅(qū)動板反饋信號，驅(qū)動板驅(qū)動前照燈到指定位置。

3．3系統(tǒng)驗證與評估

本文采用基于虛擬場景的驗證平臺對自適應(yīng)前照燈控制系統(tǒng)的控制策略進行驗證和評估，通過測試系統(tǒng)轉(zhuǎn)角的理論值和實際值間的誤差評估控制精度，由虛擬交通場景系統(tǒng)和信號輸入系統(tǒng)構(gòu)成控制策略評估平臺，虛擬車輛以輸入的信號為依據(jù)在虛擬道路上進行行駛，由外部控制器輸出對虛擬車輛的燈光偏轉(zhuǎn)進行控制；對比系統(tǒng)轉(zhuǎn)角的理論值和實際值間的誤差同系統(tǒng)性能指標要求間的差距測試汽車隨動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)精度。水平方向轉(zhuǎn)角試驗結(jié)果（左轉(zhuǎn)彎時左燈的測試數(shù)據(jù)），如表2所示。測試結(jié)果表明系統(tǒng)最大轉(zhuǎn)向誤差不超過0．15°，實際轉(zhuǎn)角同理論轉(zhuǎn)角基本相符，符合技術(shù)參數(shù)要求［8］。

4總結(jié)

隨著汽車前照燈相關(guān)技術(shù)研究的深入，汽車自適應(yīng)前照明技術(shù)逐漸發(fā)展完善起來，本文在介紹了不同照明條件下的試驗方法以及配光要求的基礎(chǔ)上，主要完成了自適應(yīng)照明系統(tǒng)的設(shè)計，建立起車輛運動參數(shù)同前照燈轉(zhuǎn)角間的關(guān)系，給出了一種針對前照燈自適應(yīng)控制策略的評估平臺（基于虛擬場景），并通過所設(shè)計的系統(tǒng)控制精度驗證平臺驗證了該自適應(yīng)前照燈控制系統(tǒng)的實用性，可有效滿足汽車在光照不足情況下的安全行駛需求。

參考文獻

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［8］曹晴晴，丁志中．基于二自由度的車輛AFS系統(tǒng)建模與仿真［J］．電子測量與儀器學報，2018（4）：447－453．

作者：韓風 單位：青海交通職業(yè)技術(shù)學院