張一西,凌子紅,張星月
(長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院,陜西 西安 710064)
?
汽車自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)的研究
張一西,凌子紅,張星月
(長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院,陜西 西安 710064)
摘 要:針對(duì)傳統(tǒng)汽車照明系統(tǒng)行駛無法調(diào)節(jié)照明角度、在彎道內(nèi)側(cè)易出現(xiàn)盲區(qū)等問題,提出了一種前照燈彎道自適應(yīng)照明系統(tǒng)。以汽車安全剎車距離為有效照明的判斷依據(jù),建立前照燈水平方向偏轉(zhuǎn)的數(shù)學(xué)模型,得到車速、方向盤轉(zhuǎn)角與前照燈水平偏轉(zhuǎn)角度間的關(guān)系,并對(duì)系統(tǒng)硬件部分進(jìn)行了選擇,給出了汽車AFS系統(tǒng)的控制策略。
關(guān)鍵詞:自適應(yīng)前照燈系統(tǒng);軟硬件設(shè)計(jì);控制策略
10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.04.031
CLC NO.: U463.9Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)04-92-03
汽車前照燈系統(tǒng)是汽車上最重要的主動(dòng)安全設(shè)備之一[1],而傳統(tǒng)的前照燈系統(tǒng)存在著照明光光型單一、無法根據(jù)實(shí)時(shí)路況來調(diào)整照明角度、彎道行駛時(shí)彎道內(nèi)側(cè)存在照明盲區(qū)等缺陷?;谏鲜鰡栴},出現(xiàn)了一種汽車自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)(AFS),通過綜合利用各種傳感器技術(shù),采集路面上的各種信息,自動(dòng)控制前照燈進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的光照調(diào)節(jié),顯著提高了行車安全性[2]。
如圖1所示,為汽車AFS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,汽車AFS系統(tǒng)硬件部分主要由AFS控制模塊、傳感器模塊以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。
圖1 汽車AFS結(jié)構(gòu)圖
系統(tǒng)的工作原理為:?jiǎn)⒂肁FS系統(tǒng)后,當(dāng)汽車進(jìn)入彎道或在其他情況下進(jìn)入轉(zhuǎn)彎模式時(shí),通過安裝在汽車上的各種傳感器,實(shí)時(shí)采集車速、方向盤轉(zhuǎn)角、光照信號(hào)等[3-4],輸入系統(tǒng)的控制單元,其通過內(nèi)置的控制算法計(jì)算出此時(shí)前照燈應(yīng)偏轉(zhuǎn)的角度,最后向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出執(zhí)行命令,完成角度偏轉(zhuǎn),滿足彎道自適應(yīng)照明的需求。
汽車安全剎車距離(包括反映距離和制動(dòng)距離)是判斷前照燈有效照明的一個(gè)很重要的指標(biāo),當(dāng)前照燈的有效照明能覆蓋到汽車安全剎車距離的時(shí)候,就認(rèn)為駕駛員有足夠的視野和剎車時(shí)間來使汽車急停而不發(fā)生碰撞[5]。
如圖2所示,為汽車彎道行駛時(shí)水平方向偏轉(zhuǎn)模型,由此得前照燈水平方向偏轉(zhuǎn)角度、轉(zhuǎn)彎半徑、安全剎車距離間的關(guān)系:
圖2 汽車轉(zhuǎn)彎水平方向偏轉(zhuǎn)模型
式中:S為汽車安全剎車距離(m);L為制動(dòng)距離(m);v為車速(km/h);t為反應(yīng)時(shí)間(S);R為轉(zhuǎn)彎半徑(m);α為前照燈水平方向偏轉(zhuǎn)角度(°)。則:
又由圖2,得轉(zhuǎn)彎半徑與車輪轉(zhuǎn)角間有:
式中θ為車輪轉(zhuǎn)角,D為軸距。且方向盤轉(zhuǎn)角與車輪轉(zhuǎn)角之間成一定比例關(guān)系:
δ為方向盤轉(zhuǎn)角,K為比例系數(shù)。由此得前照燈水平方向偏轉(zhuǎn)角度計(jì)算公式為:
3.1 傳感器
汽車AFS系統(tǒng)傳感器模塊主要包括車速傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器和光敏傳感器。
車速傳感器分為電磁式、霍爾式和光電式[6],用來采集當(dāng)前車速信號(hào)。光電式車速傳感器輸出為6~8V的脈沖信號(hào),信號(hào)的頻率與車速呈正相關(guān),通過傳感器自身得到頻率變化信號(hào),直接查表便可得出車速,因此一般選擇光電式車速傳感器。
方向盤轉(zhuǎn)角傳感器分為脈沖式和電壓式[6],用來采集方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)。由于電壓式方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的方向盤轉(zhuǎn)角與輸出電壓成線性比例,確定輸入電壓后,若能得知傳感器輸出信號(hào)的電壓量,便可得出方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。此外,該種傳感器的信號(hào)由控制單元的A/D(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)釆集,測(cè)量范圍較大,因此選擇電壓式的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器。
光敏傳感器測(cè)得車前的能見度值輸入到ECU,ECU將接收到的能見度值與系統(tǒng)預(yù)先存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比,進(jìn)一步確認(rèn)前照燈是否需要被開啟,從而實(shí)現(xiàn)AFS系統(tǒng)的自動(dòng)開啟和關(guān)閉功能。
3.2 控制單元
控制單元是汽車AFS的核心。如圖3所示,為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖,ECU根據(jù)采集的車速信號(hào)、方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)、光敏信號(hào)等,通過內(nèi)置的控制算法計(jì)算出對(duì)應(yīng)的前照燈水平方向偏轉(zhuǎn)角度,驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)車燈。與此同時(shí),ECU還能監(jiān)測(cè)步進(jìn)電機(jī)和傳感器的運(yùn)行狀況,對(duì)步進(jìn)電機(jī)和傳感器進(jìn)行故障診斷,通過CAN總線反饋給車身網(wǎng)絡(luò)[7]。從AFS的控制過程可以看出,AFS控制單元由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電子控制模塊和信號(hào)采集模塊組成,一個(gè)主控制器和兩個(gè)從控制器構(gòu)成了AFS的電子控制模塊。采集來的車速、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和光敏信號(hào)等高速CAN(Controller Area Network,控制器局域網(wǎng)絡(luò))總線信號(hào)輸入給主控制器,經(jīng)過復(fù)雜的控制算法和邏輯運(yùn)算,得到期望的前照燈照射角度,并通過LIN(Local Interconnect Network,串行通訊網(wǎng)絡(luò))總線傳輸給左右兩個(gè)從控制器,由從控制器傳達(dá)給驅(qū)動(dòng)電機(jī),從而實(shí)現(xiàn)照射角度的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化。
圖3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖
3.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)
執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般是由電機(jī)組成,而電機(jī)有三種,即直流電機(jī)、交流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)、交流電機(jī)和直流電機(jī)分別是通過脈沖占空比、交流電的相位和直流電壓來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的。由于步進(jìn)電機(jī)能將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榫€位移,并且具有動(dòng)作平穩(wěn)和工作壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),所以AFS系統(tǒng)執(zhí)行電機(jī)一般選用步進(jìn)電機(jī)。
汽車AFS控制系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。首先系統(tǒng)進(jìn)行故障自檢,若出現(xiàn)故障,則顯示故障,若無故障則光敏傳感器開始采集車前光照信號(hào),
將車前的能見度值輸入到控制單元ECU,ECU將該值與系統(tǒng)預(yù)先存儲(chǔ)的能見度標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比,若大于標(biāo)準(zhǔn)值且前照燈為開啟狀態(tài),則將其關(guān)閉,若小于標(biāo)準(zhǔn)值,則開啟前照燈自適應(yīng)裝置,通過光敏傳感器來實(shí)現(xiàn)前照燈自適應(yīng)裝置的自動(dòng)開啟和關(guān)閉功能。車速傳感器獲取車速信號(hào)后,系統(tǒng)對(duì)車速進(jìn)行判斷,若大于5km/h則需對(duì)前照燈實(shí)施控制,此時(shí)方向盤轉(zhuǎn)角傳感器獲取轉(zhuǎn)角信號(hào),這些信號(hào)都輸入控制單元ECU,根據(jù)預(yù)設(shè)的計(jì)算公式得到此時(shí)前照燈需要在水平方向偏轉(zhuǎn)的角度。ECU向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制指令,驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī),從而控制前照燈偏轉(zhuǎn)一定的角度。
圖4 主控制流程圖
本文就汽車AFS系統(tǒng)的工作原理、前照燈水平方向偏轉(zhuǎn)數(shù)學(xué)模型、硬件選擇等方面進(jìn)行了一定的研究,實(shí)現(xiàn)了汽車彎道行駛時(shí),前照燈的智能調(diào)節(jié),顯著提高了行車安全性,達(dá)到了自適應(yīng)的目的。隨著科技的進(jìn)步和人們對(duì)汽車安全的追求越來越高,汽車AFS所實(shí)現(xiàn)的功能也越來越多,例如借助與GPS,AFS能有效地預(yù)知即將到來的環(huán)境狀況并能提前做出反應(yīng),即現(xiàn)有的可預(yù)見性AFS系統(tǒng)(P-AFS)[8],汽車自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)正朝著更安全、更環(huán)保、更人性化的趨勢(shì)發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
[1] 朱敏慧.法雷奧已經(jīng)或即將實(shí)用化的汽車新技術(shù)[J].汽車與配件,2003,11(22):88-91.
[2] 張獻(xiàn)軍,孫新普,李海方.汽車前照燈光束水平調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分析[J].汽車電器,2009(8):11-15.
[3] 鄭志軍.帶CAN總線的汽車智能前照燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].上海:上海交通大學(xué)出版社, 2007.8:18-22.
[4] 楊召君,朱向冰,許小晴.自適應(yīng)前照燈的控制技術(shù)研究光源與照明[J].2010,6(58):19-23.
[5] 束華明,高明煜,王園園.基于單片機(jī)控制的汽車前照燈自適應(yīng)系統(tǒng)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2008(68):6-12.
[6] 鄭志軍.帶CAN總線的汽車智能前照燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].上海:上海交通大學(xué)出版社, 2007.8:18-22.
[7] 肖紅,王洪佩,高松,郎華.基于單片機(jī)控制的汽車自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2011,8(51):55-60.
[8] 鄭志軍.智能前照燈系統(tǒng)的發(fā)展[J].中國照明電器,2006(6):8-11.
中圖分類號(hào):U463.9
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1671-7988(2016)04-92-03
作者簡(jiǎn)介:張一西,就讀于長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院。
Research on auto adaptive front light system for vehicles
Zhang Yixi, Ling Zihong, Zhang Xingyue
(Chang’an university School of automobile, Shaanxi xi’an 710064)
Abstract:In view of the traditional automotive lighting system can not adjust illumination angels, appear the blind section at the inside of the bend, put forward a headlamp adaptive lighting control system at the curve. Basing on the auto safety brake distance, a mathematical model of adaptive lighting control system was established , research the relationship between the auto speed and steering wheel angel with the lights level angel, and design the hardware of the control system, a control strategy is presented.
Keywords:AFS; design of software and hardware; control strategy.