鄭堯剛 張衛(wèi)波

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客車用AFS偏轉(zhuǎn)規(guī)律研究

鄭堯剛 張衛(wèi)波

福州大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院

自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)（AFS）能夠自動改變光線射向以適應(yīng)車輛行駛條件變化，是目前國際上車燈照明領(lǐng)域最新的技術(shù)之一。在這一背景下，本文對自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)規(guī)律進行了深入的研究，結(jié)合在廈門金龍XMQ6117Y3型號客車上的應(yīng)用情況，詳細分析了自適應(yīng)前照燈水平轉(zhuǎn)動和俯仰調(diào)整的規(guī)律，對自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)在客車上的應(yīng)用具有一定的參考價值。

AFS；偏轉(zhuǎn)規(guī)律；客車

自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)（AFS）偏轉(zhuǎn)規(guī)律主要由左右水平轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)規(guī)律和俯仰偏轉(zhuǎn)規(guī)律2部分組成[1]。左右水平轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)規(guī)律為車輛在彎道行駛中前照燈左右偏轉(zhuǎn)角度與前內(nèi)側(cè)輪轉(zhuǎn)角和車速的關(guān)系，前照燈的左右水平偏轉(zhuǎn)有利于增強彎道照明效果，消除視覺“盲區(qū)”；俯仰偏轉(zhuǎn)規(guī)律為車輛在行駛過程中，前照燈傾斜角度與車速、車身俯仰角度和車身跳動的關(guān)系，前照燈的俯仰偏轉(zhuǎn)有利于增加照射距離，提高照射強度或擴大視野，提高汽車行駛的主動安全性。偏轉(zhuǎn)規(guī)律的研究將為后續(xù)前照燈自適應(yīng)控制系統(tǒng)的實現(xiàn)奠定理論基礎(chǔ)[2]。客車與轎車的偏轉(zhuǎn)規(guī)律的最大區(qū)別在于兩者間的前懸和軸距等尺寸的差別，在轎車上前懸相對較小可以忽略，而客車的前懸相對較大，因此客車的前懸在進行AFS系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)規(guī)律分析時不可忽視。

1 AFS左右水平偏轉(zhuǎn)規(guī)律分析及模擬

本文在考慮客車前懸參數(shù)的基礎(chǔ)上，在實現(xiàn)前照燈左右轉(zhuǎn)動時，選擇前輪轉(zhuǎn)角作為輸入信號，并考慮速度信號的影響[3]。這是因為在彎道轉(zhuǎn)彎半徑一定的情況下，由于客車不足轉(zhuǎn)向的影響，導(dǎo)致在轉(zhuǎn)彎半徑一定的條件下，客車行駛速度越大，如果要順利轉(zhuǎn)彎的話，就必然要增加前輪轉(zhuǎn)角，從而速度信號也間接地影響了前照燈的左右偏角，它們的關(guān)系如式（1）所示

左右偏轉(zhuǎn)控制策略為使內(nèi)側(cè)前照燈光軸中心線與前內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)彎半徑相切，如圖1所示，建立前照燈左右轉(zhuǎn)角與前輪轉(zhuǎn)角的數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)前照燈左右偏轉(zhuǎn)控制。外側(cè)前照燈的偏轉(zhuǎn)角度為內(nèi)側(cè)前照燈偏轉(zhuǎn)角度的一半。根據(jù)阿卡曼原理建立前照燈轉(zhuǎn)向數(shù)學(xué)模型，分析內(nèi)外側(cè)前照燈左右水平偏轉(zhuǎn)規(guī)律。

本文選擇廈門金龍的XMQ6117Y3型客車作為分析對象，通過MATLAB模擬前輪轉(zhuǎn)角與前照燈轉(zhuǎn)角的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)角與前照燈的偏轉(zhuǎn)角度幾乎成線性關(guān)系，因此本文假設(shè)前輪轉(zhuǎn)角與前照燈左右偏轉(zhuǎn)角度成線性關(guān)系，簡化上述的數(shù)學(xué)模型，如式（4）所示，再通過MATLAB/simulink分析2種模型的差值，驗證該線性模型的可行性。

通過比較推導(dǎo)模型與簡化模型之間的差值，結(jié)果如圖2所示。

圖2 推導(dǎo)模型與簡化模型的差值

這2種控制策略的差值很小，在前輪轉(zhuǎn)角為5°左右，其差值最大接近0.1°，而0.1°的誤差在前照燈的控制規(guī)律上是很小的，可以忽略不計。因此我們可以將式（4）簡化成關(guān)于前內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)角的一次函數(shù)。通過模擬計算得出對應(yīng)本車型XMQ6117Y3的值，其大小為2.4。在忽略助力轉(zhuǎn)向功能的影響，即前輪與方向盤轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系條件下，本文的前照燈左右控制規(guī)律為

2 AFS俯仰偏轉(zhuǎn)規(guī)律分析及模擬

當(dāng)車輛的運動狀態(tài)改變時，例如：加減速、高低速行駛、后座有乘客乘坐、轉(zhuǎn)彎時都會對前照燈的照明效果產(chǎn)生影響[5]。在保證路前方照明的同時，避免對前方來往車輛造成炫目，這就要求車輛在動態(tài)運動過程中，自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的運動狀態(tài)，自動調(diào)整前照燈的俯仰角度，使其在垂向方向上維持在一定的照射范圍，例如：車輛高速行駛時，為了及時發(fā)現(xiàn)前方路況信息，要求前照燈角度上揚一定角度；后座有乘客或加速時，造成車身上揚，為了避免對來往車輛產(chǎn)生炫目效果要求前照燈角度下傾一定角度。

在保證照明的同時避免造成炫目，本文根據(jù)汽車七自由度模型，如圖3所示，分析車身跳動、俯仰運動、側(cè)傾運動及速度變化對前照燈垂直運動的影響。采用的策略是：使得客車在運動前與運動后前照燈光束照射距離一致，如圖4所示，建立俯仰運動，側(cè)傾運動，車身跳動及速度變化下的前照燈垂直運動數(shù)學(xué)模型。

圖3 七自由度模型

注：a——質(zhì)心到前軸距離；d——前懸長度；Ld——前照燈安全照射水平距離；h1——前照燈安裝高度；h2——心高度; h——前照燈實際變化高度；——車身俯仰角度；——車身水平時對應(yīng)的前照燈照射角度；——俯仰狀態(tài)下對應(yīng)的前照燈照射角度

俯仰運動對應(yīng)的前照燈俯仰調(diào)整角度數(shù)學(xué)模型：

側(cè)傾運動對應(yīng)的前照燈俯仰調(diào)整角度數(shù)學(xué)模型：

車身跳動對應(yīng)的前照燈俯仰調(diào)整角度數(shù)學(xué)模型：

速度變化對應(yīng)的前照燈俯仰調(diào)整角度數(shù)學(xué)模型：

將上述四種工況下的俯仰調(diào)整角度數(shù)學(xué)模型進行線性相加，得出四種運動變化同時作用時對應(yīng)的前照燈俯仰調(diào)整角度數(shù)學(xué)模型：

根據(jù)式（7），式（8），式（9）和式(10)建立MATLAB仿真模型，比較各個控制信號單獨作用時對前照燈俯仰調(diào)整影響的關(guān)系，仿真結(jié)果如圖5所示，為簡化控制模型提供參考。

從圖5可以很明顯地看出，車輛在動態(tài)變化過程中，俯仰運動對前照燈的調(diào)整角度影響最大，速度變化對前照燈的調(diào)整角度影響也比較大，而車身跳動和側(cè)傾運動對前照燈的俯仰角的影響則較小，可以忽略不計。本文假設(shè)車輛在空載情況下，車燈的安裝高度為750mm，初始下傾角為15%（0.86°），分析車身跳動到最大值且側(cè)傾運動到最大值時，即側(cè)傾角為+3°且車身跳動值為200mm的狀況下，其調(diào)整角度約為0.3°。此時的下傾角極限為：

根據(jù)國標(biāo)GB4599-2007關(guān)于下傾度值的規(guī)定[6]：極限：-0.5%～-2.5%，可知：在忽略車身跳動和側(cè)傾運動2個控制信號的影響下，前照燈的下傾角度仍可滿足國標(biāo)要求，因此本文將只探討俯仰運動和速度變化這2個情況下前照燈的俯仰調(diào)整情況，故將前照燈俯仰偏轉(zhuǎn)規(guī)律簡化為

其中，若調(diào)整角度結(jié)果為正時，表明前照燈向下調(diào)整即前照燈的照射方向與水平軸方向的夾角比初始角度增大；若調(diào)整角度結(jié)果為負時，表明前照燈向上調(diào)整即前照燈的照射方向與水平軸方向的夾角比初始角度減少。

3 結(jié)語

本文針對廈門金龍XMQ6117Y3型號客車研究適合客車AFS系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)運動規(guī)律，提出簡化模型，利用MATLAB/simulink進行實車數(shù)據(jù)仿真，仿真結(jié)果表明：前輪轉(zhuǎn)角與前照燈轉(zhuǎn)角的關(guān)系幾乎成線性關(guān)系，推導(dǎo)模型與簡化模型的差值在誤差范圍內(nèi)，可以忽略不計，簡化了控制策略；通過建立7自由度整車模型，分析車輛的俯仰運動，側(cè)傾運動，車身跳動以及速度變化對前照燈照明的影響，分別建立單控制信號下前照燈對應(yīng)調(diào)整角度關(guān)系，利用MATLAB/simulink進行實車數(shù)據(jù)仿真，仿真結(jié)果表明：側(cè)傾運動，車身跳動值這兩個控制信號對前照燈下傾角度調(diào)整影響較小，在忽略的情況下可滿足法規(guī)GB4599-2007的規(guī)定，從而簡化控制信號建立在小角度俯仰狀態(tài)下的前照燈俯仰調(diào)整規(guī)律，為自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)的俯仰調(diào)整規(guī)律提供參考依據(jù)。

[1] AFS專論1·AFS自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)簡介[EB/OL] [2009.4.10]http://hi.baidu.

com/dingshikeji/blog/item/7d9d194a77dcc12508f7ef5a.html

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Research Of the Deflection Law Of AFS In Coach

Zheng Yaogang ,Zhang Weibo

(College of Mechanical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)

Adaptive Front-lighting System（AFS）can change the lighting automatically to adapt the changes in traffic conditions, which is one of the latest technology in lamp lighting in the world. This paper has a intensive research about the rotation deflection law of AFS in the coach in detail, which provides a reference for the application of AFS in the coach.

AFS, the Deflection Law , coach.