王瓊 李家侃 孫保群 趙晨

（合肥工業(yè)大學(xué)）

基于安全視距和PD控制的汽車前照燈隨動(dòng)控制策略的研究＊

王瓊 李家侃 孫保群 趙晨

（合肥工業(yè)大學(xué)）

針對(duì)國內(nèi)汽車前照燈隨動(dòng)系統(tǒng)方面以理論研究為主而缺少工程應(yīng)用開發(fā)的問題，對(duì)汽車前照燈水平隨動(dòng)系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行研究。建立數(shù)學(xué)模型，提出基于安全視距的角度算法，結(jié)合法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)角度算法進(jìn)行條件限制，并通過PD算法對(duì)角度進(jìn)行閉環(huán)控制，最后依控制策略制作系統(tǒng)樣機(jī)并進(jìn)行算法仿真試驗(yàn)和實(shí)車模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制策略滿足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性和誤差的要求，并滿足AFS法規(guī)的要求。

1 前言

自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)（Adaptive Front-lighting System，AFS）是一種能夠根據(jù)路況、環(huán)境變化和汽車行駛狀態(tài)對(duì)汽車前照燈進(jìn)行水平和垂直方向調(diào)整的燈光隨動(dòng)系統(tǒng)。在水平方向上，其可以使燈光與汽車行駛方向保持一致，提供更合適的照明范圍，使駕駛員能在夜間看清彎道處的路況，從而有效提升夜間行車安全[1]。

AFS技術(shù)在國外已日趨成熟，美、歐、日、韓等國多個(gè)知名汽車廠商都已經(jīng)推出了自己的AFS并作為中高檔汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置。然而，國內(nèi)的研究還處于技術(shù)引進(jìn)消化的起步階段，沒有形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，而且多以理論研究為主，缺少實(shí)際工程應(yīng)用系統(tǒng)的研發(fā)，許多理論模型應(yīng)用到實(shí)際中并不能滿足系統(tǒng)要求[2]。

如何建立控制策略始終是汽車電子控制系統(tǒng)的核心技術(shù)，同樣，也是實(shí)現(xiàn)AFS功能的基礎(chǔ)。AFS系統(tǒng)有兩個(gè)問題急需解決：一是AFS動(dòng)力學(xué)模型僅給出了理論模型，其理論算法與實(shí)際情況多有不符；二是如果將理論轉(zhuǎn)角直接作用于步進(jìn)電機(jī)，必定存在誤差而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。針對(duì)這些問題，本文提出了一種基于安全視距的角度算法和基于比例、微分算法（PD算法）控制的角度控制策略，并在試驗(yàn)樣車上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)方案

所設(shè)計(jì)的AFS由傳感器單元、中央控制單元和執(zhí)行單元3大部分組成，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

車速傳感器采集的車速信號(hào)以及轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器采集的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)送入中央處理器中的角度算法模塊中進(jìn)行處理，得出前照燈目標(biāo)轉(zhuǎn)角后通過兩個(gè)混合式高速步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)前照燈水平轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過霍爾式位置傳感器反饋的實(shí)際轉(zhuǎn)角值對(duì)角度進(jìn)行閉環(huán)PD算法控制，在減小系統(tǒng)誤差的同時(shí)加快了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

3 系統(tǒng)控制策略

3.1 角度算法

汽車行駛中，駕駛員的操控都是基于個(gè)人反應(yīng)進(jìn)行的，在做出決策的過程中駕駛員的經(jīng)驗(yàn)占很大比例，因此對(duì)前照燈水平隨動(dòng)轉(zhuǎn)角很難通過建立精確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算[3]。車輛在彎道行駛時(shí)，駕駛員從看到障礙物時(shí)起至采取緊急制動(dòng)使車輛安全停車所需的最短距離稱為最小安全視距。通過引入最小安全視距的概念，建立基本的彎道數(shù)學(xué)模型，以精確計(jì)算保證汽車安全行車的最小前照燈轉(zhuǎn)角。另外在AFS法規(guī)中，為了保證車輛正前方的照明和對(duì)面車輛的防炫目等要求，規(guī)定了前照燈的最大轉(zhuǎn)角。由此可以得到保證車輛在彎道安全行駛的前照燈轉(zhuǎn)角范圍。通過對(duì)駕駛員的行為經(jīng)驗(yàn)分析，駕駛員理性駕駛時(shí)，在彎道駕駛中看到對(duì)面車輛或者障礙物時(shí)會(huì)采取減速避讓的方法，這就要求前照燈隨動(dòng)后能夠提供安全的照明范圍[4]。

3.1.1 最小轉(zhuǎn)角

最小安全視距下前照燈需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度就是保證最小安全視距的角度。不考慮車身長度、輪距和大燈水平安裝位置的影響，車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)前照燈水平方向偏轉(zhuǎn)的簡(jiǎn)化模型如圖2所示。

圖2 中，L表示車輛采取緊急制動(dòng)停車情況下在彎道中行進(jìn)的距離，λ是前照燈原水平投射覆蓋角，γ為車燈偏轉(zhuǎn)后水平投射覆蓋角，θ=γ-λ為前照燈實(shí)際偏轉(zhuǎn)角，R是轉(zhuǎn)彎半徑，由圖2中幾何關(guān)系可得：

車輛最小安全視距為L對(duì)應(yīng)的弦長，當(dāng)以L替代車輛的最小安全視距時(shí)是偏安全的。L包括反應(yīng)距離和制動(dòng)距離兩部分，其公式為：

式中，v是車速；t是反應(yīng)時(shí)間；vt是反應(yīng)距離；s是車輛實(shí)際制動(dòng)距離。

轉(zhuǎn)彎半徑可根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向原理得到：

式中，β是外側(cè)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)的角度；L軸是汽車軸距。轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與車輪偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系為：

式中，K是車輛轉(zhuǎn)向特征系數(shù)；α是轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角。綜合上述各式可得車燈轉(zhuǎn)角公式為：

在角度算法的實(shí)現(xiàn)中所選擇的試驗(yàn)參數(shù)取自斯柯達(dá)昊銳車型的相關(guān)參數(shù)，取L軸=2.7 m；轉(zhuǎn)向系數(shù)K=30；反應(yīng)時(shí)間t=2 s。不同車速下車燈轉(zhuǎn)角算法的Matlab仿真結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出，在相同的轉(zhuǎn)彎半徑下，汽車行駛速度越快，車燈轉(zhuǎn)角越大；在相同的行駛速度下，汽車轉(zhuǎn)彎半徑越小，車燈轉(zhuǎn)角越大。

3.1.2 最大轉(zhuǎn)角

聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)汽車法規(guī)（ECE）在R123標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，汽車AFS前照燈的光軸與汽車擬行駛軌跡的交點(diǎn)到汽車前端距離的最大值為100倍系統(tǒng)安裝高度[5]，則最大轉(zhuǎn)角公式為：

式中，H代表汽車車燈的安裝高度，本設(shè)計(jì)中取H= 0.68 m。

3.1.3 轉(zhuǎn)角取值方案

結(jié)合ECE法規(guī)要求，對(duì)轉(zhuǎn)彎半徑與車燈轉(zhuǎn)角的關(guān)系進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)車速分別為20 km/h、40 km/h、60 km/h時(shí)，最小轉(zhuǎn)角曲線低于法規(guī)曲線；而當(dāng)速度為80 km/h、100 km/h時(shí)，最小轉(zhuǎn)角曲線高于法規(guī)曲線。

選擇車速60 km/h和77 km/h作為參考，對(duì)該車速下轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和車燈轉(zhuǎn)角的關(guān)系進(jìn)行仿真，見圖5。仿真結(jié)果顯示，當(dāng)車速為77 km/h時(shí)，最小轉(zhuǎn)角曲線與法規(guī)允許的最大轉(zhuǎn)角幾乎重合；當(dāng)車速為60 km/h時(shí)，最小車燈轉(zhuǎn)角與法規(guī)允許的最大轉(zhuǎn)角間有著較大的富裕。

因此，當(dāng)車速小于77 km/h時(shí)，選取兩個(gè)曲線的平均值作為前照燈目標(biāo)轉(zhuǎn)角參考輸出值。當(dāng)車速大于77 hm/h時(shí)，選取法規(guī)曲線作為最終前照燈轉(zhuǎn)角參考輸出值。

確定參考目標(biāo)轉(zhuǎn)角后，本系統(tǒng)在光學(xué)模擬軟件lucidshape平臺(tái)上進(jìn)行配光檢測(cè)，依照AFS法規(guī)的配光標(biāo)準(zhǔn)對(duì)角度進(jìn)行微調(diào)，以滿足彎道隨動(dòng)系統(tǒng)法規(guī)的配光要求。

3.2 PD算法角度控制

汽車在行進(jìn)過程中，由于外界因素（車輛的轉(zhuǎn)向、顛簸）、內(nèi)部因素（步進(jìn)電機(jī)的丟步和越步等）會(huì)對(duì)其前照燈角度的精確控制造成影響。為了達(dá)到較好的角度控制效果，本系統(tǒng)采用比例、積分、微分算法（PID算法）的簡(jiǎn)化算法即PD算法對(duì)前照燈旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，通過合理的設(shè)置控制參數(shù)，在縮小系統(tǒng)誤差的同時(shí)也加快了響應(yīng)時(shí)間。

前照燈隨動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)高實(shí)時(shí)性的動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，要求系統(tǒng)能夠快速輸出響應(yīng)并具有穩(wěn)定性和可靠性。為了提高系統(tǒng)控制精度，設(shè)計(jì)中采用比例調(diào)節(jié)器減少偏差。同時(shí)，車燈轉(zhuǎn)角的偏差還有可能會(huì)受外界因素影響而變化，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，設(shè)計(jì)中引用微分調(diào)節(jié)器可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。由于PID算法中積分調(diào)節(jié)器雖然能消除靜態(tài)誤差，但是會(huì)損失響應(yīng)時(shí)間，而系統(tǒng)角度的控制允許存在一定的誤差，所以設(shè)計(jì)算法中省去了積分調(diào)節(jié)器[6]。PD算法角度控制原理框圖如圖6所示。

PD算法首先將霍爾位置傳感器測(cè)得的實(shí)際轉(zhuǎn)角值與系統(tǒng)目標(biāo)轉(zhuǎn)角值相減得到角度誤差，然后對(duì)誤差進(jìn)行PD算法控制，最后將控制量輸出給步進(jìn)電機(jī)，完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。

本系統(tǒng)采用數(shù)字PD算法控制，該控制是以連續(xù)系統(tǒng)PD控制規(guī)律為基礎(chǔ)，然后再將其數(shù)字化，寫成差分方程為：是積分系數(shù)；Kp為比例調(diào)節(jié)系數(shù)；Ts為采樣周期；Td為積分時(shí)間；e（k）=x（k）-y（k）為第k時(shí)刻的輸入目標(biāo)轉(zhuǎn)角與輸出實(shí)際轉(zhuǎn)角的差值；u（k）為步進(jìn)電機(jī)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)即驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的PWM脈沖個(gè)數(shù)。

由于步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)和轉(zhuǎn)角的關(guān)系未知，因此需要通過試驗(yàn)合理的設(shè)置參數(shù)Kp、Kd值，以達(dá)到系統(tǒng)對(duì)誤差和響應(yīng)時(shí)間的要求。在參數(shù)整定中采用試驗(yàn)湊試法，具體整定步驟為“先比例，再微分”。系統(tǒng)參數(shù)選取的原則，是在保正系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下盡可能增加比例參數(shù)以減小響應(yīng)時(shí)間。經(jīng)過試驗(yàn)湊試，最終確定的參數(shù)值為Kp=20，Kd=0.8。

確立參數(shù)Kp、Kd后，將PD調(diào)節(jié)算法用C語言程序?qū)崿F(xiàn)，PD算法程序流程圖如圖7所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)控制策略設(shè)計(jì)制作前照燈隨動(dòng)系統(tǒng)的樣機(jī)，并設(shè)計(jì)編寫角度算法和PD控制算法的程序，在樣機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)車模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)

在上述參數(shù)限定下，選取汽車進(jìn)入左彎道的情況作為試驗(yàn)條件，選取幾組特定的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和車速值作為系統(tǒng)輸入，得到前照燈系統(tǒng)角度控制算法的仿真試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

前照燈系統(tǒng)角度控制算法樣機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所列。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，前照燈轉(zhuǎn)角的最大誤差為0.6°，系統(tǒng)角度相應(yīng)時(shí)間為40 ms，滿足系統(tǒng)的誤差和響應(yīng)時(shí)間的要求，符合AFS的使用標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)束語

夜間彎道隨動(dòng)功能是AFS最重要的功能，通過對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)控制策略的研究，確定系統(tǒng)的角度算法和PD算法角度控制的解決方案。理論分析及樣機(jī)試驗(yàn)表明，所建立的控制策略能夠滿足系統(tǒng)要求，能夠有效提高駕駛員的可視范圍。

1崔惠中，關(guān)志偉.智能前照燈系統(tǒng)（AFS）研究現(xiàn)狀綜述.天津工程師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（3）：47～50.

2鄭志軍.智能前照燈系統(tǒng)的發(fā)展.中國照明電器,2006（6）: 8～11.

3李禮夫，鄧前.汽車自適應(yīng)前照燈的夜間轉(zhuǎn)彎特性的研究.照明工程學(xué)報(bào)，2010（4）:32～36.

4戎輝,龔進(jìn)峰，曹健.自適應(yīng)前照燈運(yùn)動(dòng)學(xué)建模及系統(tǒng)開發(fā).汽車工程，2008（30）：35～39.

5ECE R123 Revision 1.Uniform Provisions Concerning The Approval OfAdaptive Front-Lighting Systems（AFS）For Motor Vehicles.2007.

6左萃.汽車智能前大燈系統(tǒng)控制策略及仿真研究:[學(xué)位論文].長沙:長沙理工大學(xué),2012.

（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2013年12月1日。

Research of Follow-up Control Strategy of Automotive AFS Based on Safety Sight Distance and PD Control

Wang Qiong,Li Jiakan,Sun Baoqun,Zhao Chen
（Hefei University of Technology）

In China,the automakers mainly focus on theoretical research in automotive AFS follow-up system, which lacks engineering application development.To solve this problem,this paper studies control strategy of the automotive AFS follow-up system.We build a mathematical model,and present angle algorithm based on the safety sight distance,and combine with regulations and standards to restrict angle algorithm conditions,and use PD algorithm to close-loop control angle.Finally we build a system prototype in accordance with this control strategy for algorithm simulation test and vehicle simulation test.Test results show that this control strategy meets real-time and error requirement of this system,and satisfies requirement of AFS regulations.

Headlamp,Follow-up strategy,Safety sight distance,PD control

前照燈隨動(dòng)控制策略安全視距PD控制；

U463.65+1

A

：1000-3703（2014）03-0059-04

國家自然科學(xué)基金，項(xiàng)目編號(hào)：51205101。