王金磊,徐健,吳杰,豐建芬,朱濤
(常州星宇車燈股份有限公司,江蘇常州 213000)
隨著人們生活水平的不斷提高,汽車已經(jīng)成為成千上萬家庭的日常代步工具,但是交通事故發(fā)生率也在逐年攀升。據(jù)數(shù)據(jù)分析,夜間的行車量只占總行車量的25%,而發(fā)生在夜間的交通事故數(shù)量卻占總交通事故的47%[1],其中30%~40%的夜間車禍源于濫用遠光和照明不良。因此,近年來國內(nèi)外許多車燈廠和研究機構(gòu)開始致力于汽車主動安全技術(shù)的研究。其中,在車燈領(lǐng)域主要涉及帶有AFS(Adaptive Front-lighting System)或ADB(Adaptive Driving Beam)功能的汽車前照燈。
傳統(tǒng)的機械式自適應(yīng)前照燈調(diào)整精度低,且調(diào)整過程中存在磨損。矩陣式前照燈由于LED(Liquid Crystal Display)光源矩陣的主光源數(shù)量有限,對光線的角度和暗區(qū)的控制精度低,分辨率較低。文中提出一種基于DLP(Digital Light Processing)的投影式自適應(yīng)前照燈控制系統(tǒng),它是對AFS和ADB功能的一個整合與升級,可以使遠光、近光、AFS、ADB等功能由一個模組實現(xiàn),并且具有極高的分辨率。這主要是依托DLP技術(shù)來實現(xiàn)的。
DLP是投影和顯示信息的一個革命性的新方法,其核心為一塊反射率極高的DMD(Digital Micromirror Device)微鏡器件。DMD芯片有上百萬個微鏡片聚集在CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)硅基片上,每個微鏡片安裝在一個精密微型鉸鏈上,微型鉸鏈可以由SRAM(Static Random-Access Memory)的數(shù)字信號驅(qū)動調(diào)節(jié)鏡片方向和角度來反射光到屏幕上形成投影圖像[2]。通過對其表面微鏡矩陣中數(shù)百萬顆微鏡角度的控制,改變光線的反射角度,從而能在指定區(qū)域內(nèi)形成暗區(qū),并且能準確地控制車燈調(diào)節(jié)光線透射的角度和暗區(qū)的大小,有效地避免炫目的發(fā)生。同時,它能將最多的光維持在路面上,保證了夜間燈光的最大利用率,有效地提高了夜間行車安全。
LCD、LCoS(Liguid Crystal on Silicon)與DLP 是目前三大主流投影顯示技術(shù),與前兩種投影顯示技術(shù)相比,DLP 具有以下明顯的優(yōu)勢:體積小、質(zhì)量輕,便于攜帶;光能利用率高,功耗低;投影亮度和對比度高;電磁輻射低,可防止信息泄露;對惡劣環(huán)境忍耐度高[3-4]。
基于DLP的投影式自適應(yīng)前照燈控制系統(tǒng)包含四大單元:圖像處理單元、控制單元、執(zhí)行單元和光源驅(qū)動單元。
圖像處理單元包含圖像處理器模塊和CAN通信模塊。它將實時獲取的前車圖像信息經(jīng)過處理后,通過CAN總線以CAN報文的形式發(fā)送給控制單元。
控制單元包含MCU處理器模塊和DLP控制模塊。MCU處理器模塊收到CAN總線傳來的報文信息,進行處理后發(fā)送給DLP控制模塊。DLP控制模塊進一步計算控制信息,而后將計算結(jié)果發(fā)送給執(zhí)行單元進行同步執(zhí)行。同時,MCU處理器模塊還會發(fā)送PWM調(diào)光信號給光源驅(qū)動單元進行光源調(diào)光。
執(zhí)行單元包含DMD芯片模塊和外配透鏡模組。DMD芯片接收到控制單元發(fā)來的計算結(jié)果,同步開啟或關(guān)閉表面數(shù)百萬顆微鏡的翻轉(zhuǎn)。當LED或Laser光源組件發(fā)出的均勻光束打到DMD芯片微鏡矩陣上時,根據(jù)每個像素點的翻轉(zhuǎn)角度進行對應(yīng)的反射后,通過外配透鏡射出。
光源驅(qū)動單元包含LED/激光驅(qū)動模塊和光源透鏡組件。光源透鏡組件包括LED/Laser主光源、聚透鏡和修正透鏡。
基于DLP的投影式自適應(yīng)前照燈控制系統(tǒng)組成如圖1所示。
圖1 基于DLP的投影式自適應(yīng)前照燈控制系統(tǒng)組成
DMD表面微鏡翻轉(zhuǎn)效果及光路反射效果如圖2所示。
圖2 DMD表面微鏡翻轉(zhuǎn)效果與光路反射效果
CAN收發(fā)器采用NXP的TJA1041A。
MCU采用TI的32位單片機TMS320F28023。F2802x PiccoloTM系列微控制器為C28xTM內(nèi)核供電,擁有1路SCI接口、1路SPI接口、1路I2C接口,多達22個復用通用輸入輸出(GPIO)引腳以及13路ADC采樣口。
DLP控制芯片采用TI的DLPC120,DMD芯片采用TI的DLP3000-Q1,其微鏡整體尺寸為0.762 cm(0.3英寸),表面微鏡損耗率極低。
光源驅(qū)動芯片采用TI的TPS92602-Q1,該芯片擁有強大的光源驅(qū)動能力,不僅適用于LED光源,也適用于激光光源的應(yīng)用場景。
根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計原理,作者開發(fā)了一款基于DLP的投影模組。該模組分為3個部分,分別是CAN通信部分、LED/Laser驅(qū)動部分以及DLP投影控制及透鏡部分。
CAN通信部分通過CAN分析儀同步傳輸圖像數(shù)據(jù)。
LED/Laser驅(qū)動部分為光源驅(qū)動控制板,光學參數(shù)選定:歐司朗KW CULNM1.TG_v1,光通量1 400 lm;發(fā)光面積2 mm2;發(fā)光角度120°。
DLP投影控制及透鏡部分將光源、投影透鏡組、DLP控制板、散熱模塊等封裝在一個密封遮光箱體中,減少光源傳輸過程中雜光和衰減,保證光能量不受過多的發(fā)散損耗。
DLP投影模組樣件如圖3和圖4所示。
圖3 DLP投影模組樣件
圖4 DLP投影模組正視圖、模組內(nèi)部俯視圖
對DLP遠光光型、近光光型和ADB光型進行了光學軟件模擬,可實現(xiàn)遠光、近光和ADB光型;光型展寬為上下±3°,左右±10°;各子像素間無明顯色散;遠光整體光型無色散;分辨率小于0.1°。
光學模擬(25 m處)結(jié)果如圖5、圖6和圖7所示(X、Y軸表示光型的長寬大小,單位m)。
對DLP投影模組樣件投影圖像進行功能化設(shè)計,并成功實現(xiàn)投射,照度值也達到了要求。經(jīng)過實驗驗證,整個系統(tǒng)可以實現(xiàn)多暗區(qū)的投影,能在路面、屏幕上投射各種圖形,自由照亮各種區(qū)域,投影效果較佳。光能量損耗控制在45%左右,整個系統(tǒng)的散熱情況也良好。
實際投影效果如圖8和圖9所示。
圖5 DMD遠光模擬光型圖 圖6 DMD近光模擬光型圖 圖7 DMD ADB模擬光型圖
圖8 ADB高分辨率暗區(qū)效果投影
圖9 道路行車標志與警示標志投影
提出一種基于DLP的投影式自適應(yīng)前照燈控制系統(tǒng)。通過多項試驗以及模擬道路實驗證實,該設(shè)計滿足設(shè)計要求,可以在復雜路況下根據(jù)前方圖像識別自由切換光型(遠光、近光、ADB暗區(qū)光型),實現(xiàn)極高分辨的照明暗區(qū),有效地避免在跟車與會車時發(fā)生遠光炫目,且能最大限度地提高燈光利用率。另外,該系統(tǒng)可以為行人進行安全標示投射,具有非常好的安全警示作用。