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）

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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(wú)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(wèn)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

引言

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(wú)法根據(jù)實(shí)時(shí)路況來(lái)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?wèn)題，出現(xiàn)了一種汽車自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)（AFS），通過(guò)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]。

1、AFS系統(tǒng)組成

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(guò)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(guò)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。

2、汽車彎道自適應(yīng)系統(tǒng)建模

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(lái)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、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(lái)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(guò)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(lái)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(jiàn)度值輸入到ECU，ECU將接收到的能見(jiàn)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(guò)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(guò)CAN總線反饋給車身網(wǎng)絡(luò)[7]。從AFS的控制過(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)脈沖占空比、交流電的相位和直流電壓來(lái)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)。

4、軟件設(shè)計(jì)

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(wú)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(jiàn)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(jiàn)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(guò)光敏傳感器來(lái)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。

5、總結(jié)

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(lái)越高，汽車AFS所實(shí)現(xiàn)的功能也越來(lái)越多，例如借助與GPS，AFS能有效地預(yù)知即將到來(lái)的環(huán)境狀況并能提前做出反應(yīng)，即現(xiàn)有的可預(yù)見(jiàn)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(guó)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.