楊才生 吳狀肥 萬國義

摘 要：目前汽車LEDAFS仍存在光能利用率低和實時響應速度慢等問題。研究了目前車用LED前照燈照明系統(tǒng)光能利用率低和彎道照明滯后于駕駛員意圖等問題。提供了照明系統(tǒng)合理分配光能量的方法以及基于預測控制的前照燈轉(zhuǎn)角控制方法，用來改進照明系統(tǒng)以適應各種復雜工況對前照燈的要求。

關(guān)鍵詞：LED；自適應前照燈；節(jié)能；車燈控制

中圖分類號：U463.6 文獻標識碼：B 文章編號：1671-7988（2018）12-56-04

Abstract： At present， there are still some problems in automobile LEDAFS， such as low utilization of light energy， poor real-time identification of servo control system and slow real-time response speed.The low utilization ratio of light energy and the lag of bend lighting in vehicle LED headlamp lighting system are evaluated.The method of rationally distributing light energy in lighting system and the method of headlamp turning angle control based on predictive control are provided to improve the lighting system to meet the requirements of headlights under various complex working conditions.

Keywords： LED； Adaptive headlamp； energy conservation； Lamp control

CLC NO.： U463.6 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）12-56-04

引言

AFS前照燈主要包括照明光學系統(tǒng)與照明控制系統(tǒng)。前照燈光線折射方式的組合即照明光學系統(tǒng)設計性能影響著前照燈對于光能的利用率；主動照明車燈控制系統(tǒng)的性能影響著車輛彎道照明的準確性和及時性，決定了彎道照明的安全性能。目前，LED自適應前照燈仍然存在車燈光能利用率低，彎道照明準確性和及時性較差等問題。

如圖1所示，對于照明系統(tǒng)來說，為了形成AFS所需的各種光型，使前照燈的光照強度度滿足法規(guī)的要求。照明光學系統(tǒng)需要由多個LED燈泡組合的多個照明模塊組成?？梢酝ㄟ^不同照明模塊與模塊之間的點亮組合，疊加達到不同的照明效果。

照明光學系統(tǒng)的性能影響著系統(tǒng)的能耗與安全性。在滿足法規(guī)的硬性條件下，照明光學系統(tǒng)既要使照明光型符合法規(guī)要求也要保證有較高的光能利用率，因此如何提高照明光學系統(tǒng)的光能利用率就成了問題的關(guān)鍵。

對于照明控制系統(tǒng)來說，為了達到彎道照明隨動的要求，汽車需要根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角為輸入，進而通過控制器和執(zhí)行器的運轉(zhuǎn)來帶動部分照明模塊的轉(zhuǎn)動以達到需求的轉(zhuǎn)角。因此彎道照明控制系統(tǒng)的準確性和及時性是主動安全照明的關(guān)鍵。

2 汽車LED自適應前照燈的節(jié)能照明

投射式結(jié)構(gòu)是當前以LED為光源的前照燈主要采取的形式，如圖2所示。

投射式結(jié)構(gòu)主要由LED光源、橢球反射器、光型擋板和透鏡組成，從能量傳播的角度來看，汽車投射式LED前照燈在形成近光過程中，在經(jīng)過橢球反射器和光型擋板時分別損失了15%和20%的光能，再考慮到LED的發(fā)光效率，投射式LED前照燈對光能的實際利用率僅為48%。盡管研究人員對投射式結(jié)構(gòu)進行了改良，達到了理論上70%的利用率，但由于設備的局限性同樣會造成光能的損耗，難以使LED的光能得到充分的利用。

運用逆向設計過程，按照我國《汽車LED前照燈》標準（GB25991-2010）即根據(jù)已知光源分布于目標平面的光照度分布來設計照明光學系統(tǒng)。重新設計的光學系統(tǒng)合理分配光照能量，同時也兼顧了光能的傳輸效率。非成像光學與傳統(tǒng)成像光學只考慮照明的質(zhì)量不同，主要關(guān)注是能量的傳輸與分配，因此從節(jié)能的角度出發(fā)，非成像光學更加合理。

在非成像光學的設計上，能量網(wǎng)格法相比于微分方程法更加合適，這里就不過多的解釋二者的區(qū)別了。能量網(wǎng)格法主要是用來設計透鏡的型面，也就是自由曲面。經(jīng)過算法的推演，在入射光線與出射光線均已確定的前提下，可知自由曲面的求解就變成了自由曲面法向矢量與自由曲面坐標點的轉(zhuǎn)化問題。根據(jù)非成像光學基本原理，若入射光的邊緣光線經(jīng)過折射后與出射光的邊緣光線對應，也就是說要保證LED光能分布的邊緣與目標照明面邊緣對應才能保證自由曲面具有較高的光能利用率。因此，應根據(jù)光源的能量分布劃分出N個空間立體角微元，然后根據(jù)不同的照明要求，同樣的把目標平面分為N個照明微元，從而建立立體角微元邊緣與目標平面微元邊緣一一對應的關(guān)系。根據(jù)邊緣光線理論，若希望立體角微元能夠傳輸?shù)綄恼彰髅嫖⒃?，則需要確保立體角微元的邊緣光線能夠投到對應的照明面微元邊緣位置。如下圖3所示。綜上所述，利用能量網(wǎng)格法可確定自由曲面表面，從而得到照明系統(tǒng)節(jié)能的設計曲面。

3 汽車LED自適應前照燈的主動安全照明

3.1 傳統(tǒng)應前照燈的缺陷使汽車AFS照明系統(tǒng)發(fā)展

汽車在夜間行駛射，裝有傳統(tǒng)前照燈的汽車轉(zhuǎn)彎時，前照燈相對于車燈固定不動，則在轉(zhuǎn)彎彎道內(nèi)側(cè)會形成一個如圖4所示盲區(qū)，導致駕駛員在夜間不能及時地發(fā)現(xiàn)可能存在的障礙物，這是傳統(tǒng)前照燈夜間彎道行駛隱藏風險。

分析裝有傳統(tǒng)前照燈的汽車夜間轉(zhuǎn)彎行駛時產(chǎn)生盲區(qū)的原因：

（1）汽車即將進入彎道時，駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤，但由于車身響應的滯后性。此時前輪偏轉(zhuǎn)較大，車身偏轉(zhuǎn)較小或未出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，并且由于車燈相對于車身位置固定，仍與車身縱軸線方向保持一致，導致車輛轉(zhuǎn)彎時存在盲區(qū)。

（2）汽車在較大的彎道上行駛時，駕駛員以一定的角速度轉(zhuǎn)動方向盤，車身縱軸線與前輪行駛方向，由于響應時間滯后的原因始終存在一定的角度差，致使前照燈即將照亮的區(qū)域不能完全覆蓋車輛將要行駛的路段，出現(xiàn)行駛盲區(qū)。

針對傳統(tǒng)前照燈的缺陷，研制出了AFS前照燈系統(tǒng)：AFS系統(tǒng)能夠根據(jù)行駛路況（如坡道、彎道、高速路段、城鎮(zhèn)路段）和車輛狀態(tài)，自動對前照燈照射區(qū)域進行調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，以滿足駕駛員對前方路況的準確判斷。

3.2 AFS系統(tǒng)夜間彎道照明的隨動系統(tǒng)

當汽車已在彎道上行駛時，AFS系統(tǒng)可根據(jù)車速傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器提供的輸入信息，經(jīng)過ECU信息處理可計算出前照燈在通過彎道時應偏轉(zhuǎn)的角度，進而通過電機控制前照燈在轉(zhuǎn)彎時的偏轉(zhuǎn)，減少汽車轉(zhuǎn)彎時前方的盲區(qū)如圖5所示，可以讓駕駛員及早的發(fā)現(xiàn)盲區(qū)處的障礙物和行人，提供駕駛員足夠的時間采取規(guī)避措施，提高了行車安全性。

當汽車即將進入彎道時，由于控制系統(tǒng)時間上的滯后，前照燈的轉(zhuǎn)動角度并不能很好的解決彎道行駛時的盲區(qū)問題，始終落后于駕駛員的意圖。為解決這類問題，有的學者提出來預測式前照燈的轉(zhuǎn)角控制系統(tǒng)。目前測式前照燈的轉(zhuǎn)角控制系統(tǒng)的構(gòu)造都較為復雜，且通常需要外加設備來幫助進行彎道判斷，比如運用GPS定位、電子地圖和人眼預瞄檢測來判斷未來車輛的行駛軌跡，進而對前照燈進行提前調(diào)整。但由于GPS和電子地圖的精度不高和傳輸滯后，以及人眼預瞄系統(tǒng)成本過高等問題，使得該系統(tǒng)的經(jīng)濟性和穩(wěn)定性都較差。

3.2.1 LED自適應前照燈系統(tǒng)的安全照明原理

如下圖6所示，為了便于敘述，我們將汽車在彎道行駛時，汽車行駛半徑與光軸所截的圓弧長度定義為彎道照明距離。

由上圖可知，當轉(zhuǎn)彎半徑相同的情況下，汽車車速高對應的前照燈轉(zhuǎn)角更大；當車速相同的情況下，汽車的轉(zhuǎn)彎半徑小對應的前照燈轉(zhuǎn)角更大。

3.2.2 主動安全照明LEDAFS的預測控制

利用方向盤轉(zhuǎn)角與當前車速可大致推算出前照燈的轉(zhuǎn)角，但是由于數(shù)據(jù)處理和傳輸上的遲滯、機械傳動裝置的結(jié)構(gòu)上的誤差，以及轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和汽車轉(zhuǎn)彎半徑處于動態(tài)的變化當中，所以按照實時測量出的數(shù)據(jù)，計算出的前照燈轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)量，實際上已經(jīng)滯后于實際所需的偏轉(zhuǎn)量。這種情況就導致了汽車轉(zhuǎn)彎時，AFS前照燈轉(zhuǎn)角滯后于駕駛員的意圖了。

導致這種滯后的原因有如下三個部分：

（1）控制系統(tǒng)時間上的滯后時間T1：輸出信號與輸入信號滯后的時間差，這是整個前照燈控制系統(tǒng)產(chǎn)生滯后的主要原因。

（2）機械傳動系統(tǒng)間隙、變形產(chǎn)生的滯后時間T2：由于自適應前照燈傳動齒輪大多塑料且多達4對，控制車燈轉(zhuǎn)動時塑料齒輪會產(chǎn)生變形，這部分導致的遲滯不容忽視。

通過實驗我們可以直接獲得 T1+T2≈40ms

（3）CAN總線傳輸時間上的遲滯時間T3：根據(jù)文獻可查得信息系統(tǒng)的滯后時間 。

因此整個系統(tǒng)的總滯后時間： 。

我們通過對駕駛員意圖的判斷進行轉(zhuǎn)角滯后量的計算，從而解決該滯后問題。

汽車剛開始轉(zhuǎn)彎時，駕駛員根據(jù)彎道不斷地調(diào)整方向盤轉(zhuǎn)角，因此方向盤轉(zhuǎn)角的變化速率體現(xiàn)了駕駛員的意圖。

圖9表示出了，方向盤轉(zhuǎn)角不斷增加的情況下，實際彎道與初始轉(zhuǎn)彎半徑的關(guān)系：

根據(jù)以上模型對轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角變化率為180°/S和360°/S進行了模擬計算，計算結(jié)果如下圖10。

整合以上信息可知，為了能使前照燈轉(zhuǎn)角及時體現(xiàn)駕駛員意圖，達到照明安全的目的，可以在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)角計算方法上加入前照燈轉(zhuǎn)角預測量。

4 總結(jié)

隨著LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，LED燈泡的光效將越來越高，規(guī)?；耐瑫r制造成本也將逐步降低，普遍應用到汽車前照燈上也是水到渠成，因此本文對LED自適應前照燈的節(jié)能和安全照明性能的提高進行了研究，提出了LED自適應前照燈節(jié)能設計方法和增加彎道照明反應及時性的預測方法，并完成理論上的證明。將有利于汽車LED自適應前照燈的發(fā)展，具有較好的應用和發(fā)展前景。

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