孟昭軍，魏生越，張祥軍，薄化鋼

(1.遼寧科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，遼寧 本溪 117004;2.成都工業(yè)學(xué)院 電氣與電子工程系，四川成都 610031)

0 引言

前照燈作為汽車的主要照明工具，關(guān)系到駕駛?cè)撕托腥说纳踩?。實際駕駛過程中，由于道路、環(huán)境以及駕駛?cè)俗陨韱栴}等動態(tài)不確定因素，傳統(tǒng)的汽車前照燈照明系統(tǒng)不能隨車速、轉(zhuǎn)彎等變化而自動調(diào)整照射距離、明暗程度等參數(shù)，嚴重影響駕駛?cè)藢ν饨绲呐袛啵蛘呓o對向行駛車輛造成眩光，不利于安全行駛。所以，國內(nèi)外開始研究可以隨外界環(huán)境或車輛本身變化而自動改變照射距離以及自動調(diào)整亮度的智能前照燈系統(tǒng)。相對國外汽車工業(yè)發(fā)達國家，中國汽車智能前照燈系統(tǒng)還有一定差距。

為了解決上述傳統(tǒng)汽車前大燈所存在的問題，要求汽車智能前照燈系統(tǒng)具備如下基本功能:汽車在高速行駛時，能根據(jù)車速自動調(diào)整前大燈前方的照射距離和根據(jù)對向來車自動調(diào)整燈光亮度;汽車轉(zhuǎn)彎時能根據(jù)車速和轉(zhuǎn)彎角度自動調(diào)整前大燈水平照射角度，減少盲區(qū)。因此，汽車智能前大燈系統(tǒng)的研究涉及車速、轉(zhuǎn)彎半徑、車身高度等動態(tài)參數(shù)，這些參數(shù)之間相互影響。要使汽車智能前大燈系統(tǒng)隨外界條件變化而自動調(diào)整，首先要確定這些參數(shù)間的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，AFS 控制系統(tǒng)根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)角、車速等輸入信號并依據(jù)數(shù)學(xué)模型來控制前大燈的轉(zhuǎn)角和亮度等，實現(xiàn)汽車前大燈的智能控制。

文章主要以安全剎車距離為有效照明的判斷依據(jù)，研究汽車車速、方向盤轉(zhuǎn)角、彎道半徑與汽車前大燈調(diào)整角度之間的關(guān)系，建立了內(nèi)、外前大燈水平調(diào)整和垂直調(diào)整角度計算公式，并對公式進行了修正。然后在MATLAB/Simulink 平臺上建立汽車AFS 仿真模型，并給出仿真結(jié)果。

1 前大燈調(diào)整角度的計算

汽車智能型前大燈系統(tǒng)，也可稱汽車自適應(yīng)前大燈系統(tǒng)，即汽車AFS(adaptive front-light system)，該系統(tǒng)的車載傳感器實時監(jiān)測相關(guān)信息，AFS 控制器實時讀取和處理相關(guān)信號，發(fā)出指令，驅(qū)動智能前大燈調(diào)整照射角度并輸出合適光型，汽車AFS 的組成如圖1 所示。

圖1 汽車AFS 的組成

1.1 汽車安全剎車距離

汽車安全剎車距離是從駕駛員踩下制動踏板的時刻到汽車在制動力的作用下完全停止的時刻，這段時間內(nèi)汽車所行駛的路程，由剎車距離和反應(yīng)距離兩部分組成。遼寧省交通管理局研究的一組實際剎車距離數(shù)據(jù)，如表1 所示。

表1 汽車車速與安全剎車距離對應(yīng)

由表1 可知，隨著車速的增加，剎車距離增加，且車速越高，剎車距離的增加幅度越大。在實際駕駛中，車速是連續(xù)變化的，因此需要建立車速和安全剎車距離的連續(xù)函數(shù)關(guān)系式。

將表1 的10 對數(shù)據(jù)進行曲線擬合，即可得到相對應(yīng)的連續(xù)函數(shù)關(guān)系式。利用MATLAB 可實現(xiàn)最小二乘法曲線擬合，二次函數(shù)擬合結(jié)果得到的汽車安全剎車距離計算公式為

式中，v——汽車車速(km/h);

S——安全剎車距離(m)。

1.2 前大燈水平調(diào)整角度

影響前大燈水平調(diào)整角度的因素主要有車速和彎道半徑。根據(jù)轉(zhuǎn)向盤與前輪之間的關(guān)系可以得到前輪轉(zhuǎn)角角度，再根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向幾何原理計算彎道半徑。系統(tǒng)根據(jù)檢測到的轉(zhuǎn)角、車速信號，經(jīng)AFS 控制器發(fā)出相應(yīng)指令至汽車前大燈驅(qū)動系統(tǒng)，驅(qū)動前大燈水平轉(zhuǎn)動，以調(diào)整照射角度。

根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向原理，得到轉(zhuǎn)彎半徑公式:

式中，D——汽車軸間距(m);

R——內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)彎半徑(m);

δ——內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)角(°)。

當汽車進入彎道時，以汽車安全剎車距離作為汽車前大燈有效照明距離判定標準，照明需覆蓋安全剎車距離S。根據(jù)前大燈水平偏轉(zhuǎn)角θ、安全剎車距離S、轉(zhuǎn)彎半徑R之間的幾何關(guān)系可得到前大燈水平轉(zhuǎn)角θ 的計算公式

式中:θ——前大燈水平轉(zhuǎn)角(°);

R——轉(zhuǎn)彎半徑(m);

v——車速(km/h)。

根據(jù)公式(3)可知，當轉(zhuǎn)彎半徑較小時，前大燈調(diào)整角度θ 將增大，這可能超過實際前大燈調(diào)整系統(tǒng)的最大允許角，造成電機燒毀，所以需要對公式(3)進行修正。為提高前大燈使用壽命，將公式(3)減去10度，修正為

汽車轉(zhuǎn)彎時，外側(cè)大燈需要提供前方照明，內(nèi)側(cè)減少盲區(qū)，所以外側(cè)前大燈水平轉(zhuǎn)角應(yīng)小于內(nèi)側(cè)前大燈水平轉(zhuǎn)角。一般外側(cè)前大燈水平調(diào)整角度約為內(nèi)側(cè)的1/3。

資料表明，外側(cè)前大燈水平調(diào)整角度最大為5°，內(nèi)側(cè)前大燈水平調(diào)整角度最大為15°。將式(2)代入(4)中，最后得到內(nèi)側(cè)大燈調(diào)整角度為

外側(cè)大燈調(diào)整角度為

1.3 前大燈垂直調(diào)整角度

汽車在行駛時，車速越高要求前大燈照射距離就越遠，以便給駕駛?cè)俗銐虻姆磻?yīng)時間。另外，當汽車前后載重量變化或車輛加減速時，前照燈的照射方向就會改變。這些因素的變化都會產(chǎn)生行車安全隱患。為使前照燈保持在正確的高度，以避免給對向來車或前車造成眩光，同時又確保駕駛?cè)撕蛙囕v的安全，需要對前大燈俯仰角度進行控制。

國家對汽車前大燈配光性能有嚴格的規(guī)定，配光性能要符合GB 4599—94。依據(jù)GB 4599—94 進行汽車前大燈配光測試時，汽車前大燈與配光屏幕的距離為25 m。過B 點的明暗截止線的水平部分在H-V 線的下面，且垂直距離為25 cm，點A 在H-V 線上方，且垂直距離為25 cm。由圖2 可知，直線BB＇與水平線的夾角為α，直線AB＇與水平線之間的夾角為β。

圖2 汽車前大燈光線

為了確保駕駛員得到充足的照明視野并且考慮到不給對面來車駕駛員造成眩光情況，垂直向上調(diào)整角度不能超過角度β，汽車前大燈垂直向下調(diào)整角度不能超過角度α。由圖2 可得

所以前大燈垂直轉(zhuǎn)角上下限為0.6°。

2 汽車AFS 仿真

為了驗證上述數(shù)學(xué)模型的正確性，筆者在MATLAB/Simulink 環(huán)境下建立了汽車AFS 仿真模型。汽車AFS 仿真模型系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 汽車AFS 仿真模型系統(tǒng)

圖3 中，車速、前輪轉(zhuǎn)角、汽車前后輪高度差為汽車AFS 的信號輸入量，可根據(jù)仿真需要設(shè)置其相應(yīng)的波形，在前三個信號輸入后，經(jīng)過中間的模塊進行運算，最后將結(jié)果輸入“Scope”模塊。在該模塊可以觀察到內(nèi)、外側(cè)前大燈理論水平調(diào)整角度和理論垂直調(diào)整角度的動態(tài)輸出波形。

根據(jù)第1 節(jié)建立的水平和垂直方向的數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB，在Simulink 環(huán)境下建立的AFS 仿真模型，通過改變車速、汽車前輪轉(zhuǎn)角和汽車前后輪高度差輸入信號，經(jīng)過中間計算，輸出相應(yīng)轉(zhuǎn)角波形。由上建立的仿真系統(tǒng)，取v=30 km/h，前車輪轉(zhuǎn)角δ=30°，車前后輪高度差h=0.1 m，設(shè)置相關(guān)波形輸入，經(jīng)過中間模塊進行運算，在“Scope”得到波形如圖4所示。汽車垂直方向、汽車前輪外側(cè)轉(zhuǎn)角、汽車內(nèi)輪轉(zhuǎn)角詳細波形分別如圖5～圖7 所示。

圖4 Scope 波形

圖5 汽車垂直方向轉(zhuǎn)角波形

圖6 汽車前輪外側(cè)轉(zhuǎn)角波形

圖7 汽車內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)角波形

3 小 結(jié)

文章研究了汽車智能前大燈水平和垂直調(diào)整角度與車速等因素的數(shù)學(xué)模型。利用前大燈調(diào)整角度數(shù)學(xué)模型在MATLAB/Simulink 中建立了汽車AFS 仿真模型。從仿真結(jié)果來看文中給出的數(shù)學(xué)模型滿足要求。根據(jù)研究的模型，AFS 控制系統(tǒng)可實時檢測汽車轉(zhuǎn)角、車速、車身高度變化，并按設(shè)定程序驅(qū)動前大燈進行水平和垂直照射角度的調(diào)節(jié)，以達到夜間行車安全的目的。

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