黃新，丁志中

(1.蕪湖技師學院，安徽蕪湖 241000；2.合肥工業(yè)大學計算機與信息學院,安徽合肥 230009)

0 引言

文獻[1]中指出，夜間發(fā)生交通事故的概率是白天的1.5倍，其中82%的事故都是源于缺乏充足的照明，所以自適應前照燈系統(tǒng)的研究對于提高交通安全有著重要的意義。相對于傳統(tǒng)的前照燈，自適應前照燈系統(tǒng)能根據(jù)行駛路況和狀態(tài)，由電子控制單元對車速、方向盤轉角和前后軸高度信號進行分析處理，進而驅動步進電機不斷對兩側大燈進行垂直和水平隨動，以提供更合適的照明范圍，確保駕駛員在任何時刻都擁有最佳的可見度。

目前自適應前照燈系統(tǒng)的研究在某些國家已經相對成熟，例如歐洲和日本已經實現(xiàn)了批量生產，并且針對自適應前照燈系統(tǒng)制定了相對完善的ECE R123[2]法規(guī)。而國內起步相對較晚，仍然處于自適應前照燈系統(tǒng)的探究與研發(fā)階段。關于自適應前照燈系統(tǒng)的水平彎道算法，已見較多文獻報道。然而對于自適應前照燈系統(tǒng)的垂直隨動問題，研究報道并不多見。文獻[3]中在研究車輛俯仰角的基礎上,提出了建立垂直隨動下的自適應最小均方濾波制動調光控制方法；文獻[4]中對前照燈水平和垂直方向的偏轉角度進行了簡單的運動學建模；文獻[5]中分析了自適應前照燈系統(tǒng)的垂直隨動對改善高速路況照明的意義；文獻[6]中分析了包括垂直隨動的自適應前照燈系統(tǒng)的功能。然而這些文獻沒有涉及到自適應前照燈系統(tǒng)垂直隨動的算法問題，而角度算法作為自適應前照燈系統(tǒng)的核心技術，對其研究關系著我國能否研發(fā)出具有自主知識產權的自適應前照燈系統(tǒng)。

文中通過建立車身姿態(tài)發(fā)生改變時對應的前照燈垂直隨動的幾何模型，結合四自由度半車振動模型和路面輸入模型，提出了自適應前照燈系統(tǒng)垂直隨動方面的角度算法，給出了角度算法對應的角度調整公式的詳細推導，并對角度算法進行數(shù)值仿真實驗分析其可行性，最后通過搭建簡單的自適應前照燈系統(tǒng)的樣機平臺進一步驗證了算法的有效性。

1 前照燈垂直隨動的幾何模型

路面狀況或者車輛負載的改變，都會導致車身重心移動或者車身俯仰等狀況的出現(xiàn)。這些狀況會導致前照燈光束照射過遠或者過近，從而影響照明效果[7]。

為了提高駕駛的安全性，需要在車身姿態(tài)發(fā)生改變的時候根據(jù)質心位移和車身俯仰角的變化對前照燈照射距離進行調整，從而使前照燈發(fā)出的光型既能夠充分地照亮車輛前方的道路,又不會給對面來車駕駛員造成眩光,提高駕駛的安全性。

假設俯仰中心與車輛重心、車輛質心位于同一點，前照燈旋轉軸線高度與車輛重心、車輛質心同高，同時考慮到車身發(fā)生俯仰運動及跳動時，前照燈照射距離必須滿足車身姿態(tài)未改變時的照射距離，故車身發(fā)生前仰后俯時，對前照燈垂直隨動的幾何建模如圖1所示；當車身發(fā)生前俯后仰時，對前照燈垂直隨動的幾何建模如圖2所示。

圖1 車身前仰時垂直隨動的幾何模型

圖2 車身前俯時垂直隨動的幾何模型

由圖1中的三角函數(shù)關系可得：

(1)

其中：y=H+z+(a+Lh)sinθ；x=Ll+[(a+Lh)-(a+Lh)cosθ]。

分析圖1中的幾何關系有：

φ=θ-(θ1-θ2)

(2)

根據(jù)公式(1)和(2)可得到：

(3)

式中：a為質心到前軸的距離；H為車燈安裝高；Lh為前軸到前照燈的水平距離；θ1為正常情況下前照燈的初始照射角度；Ll為車身姿態(tài)未改變時的前照燈初始照射距離；θ2為車燈修正后與水平方向所成的角度；φ為車燈調整的角度；θ為車身俯仰角；z為車身質心垂直位移。

與圖1分析類似，由圖2有：

(4)

φ=θ+(θ1-θ2)

(5)

式(4)與式(1)不同的是，其中：y=H-z-(a+Lh)sinθ，x=Ll+[(a+Lh)-(a+Lh)cosθ]。

結合式(4)和式(5)，當運動中車身發(fā)生前俯后仰時，對前照燈的調整角度如下：

(6)

其中：ECE R123中規(guī)定車燈安裝高度H為0.68 m；另外式(3)和式(6)中車燈的初始照射角度為θ1，由文獻[8]可知為0.6°，同時為了滿足車輛行駛安全性，初始照射距離至少應該達到安全制動距離，即Ll=s(v)，其中安全制動距離s(v)與車速v的關系如下：

s(v)=0.009 4v2+0.605 7v+3.173 0[9]

(7)

2 車身俯仰角與質心位移的計算模型

通過對前照燈系統(tǒng)垂直隨動幾何模型的分析，可知前照燈的調整角度與車身俯仰角、質心位移有關?？紤]到全車模型結構過于復雜，不易實現(xiàn)，四分之一車輛模型過于簡單，不能表征車身俯仰角和質心位移，下面基于四自由度的半車振動模型建立車身俯仰角與質心位移的計算模型[10]。

如圖3所示，這4個自由度分別是質心垂直位移z、俯仰角θ、前軸垂直位移z1和后軸垂直位移z3。圖中mhb是半車質量，mf、mr分別是前、后輪的質量，F(xiàn)f、Fr分別是前、后懸架力，a、b分別是質心到前、后軸的距離，z2、z4分別是以點1、2為原點的位移，z0是地面的垂直位移，由車輛前、后軸高度傳感器分別得到H1(t)=z2(t)-z1(t)，H2(t)=z4(t)-z3(t)。

圖3 四自由度半車振動模型

由牛頓第二定律和轉動定律建立動力學方程，求解質心位移和車身俯仰角如下：

(8)

(9)

其中俯仰角較小時，以點1、2為原點的位移z2、z4與質心位移z有如下近似關系[11]：

另外：

(10)

(11)

式中：ksf、ksr分別是前、后懸架的彈性系數(shù)；csf、csr分別是前、后懸架的阻尼系數(shù)；ktf、ktr分別是前、后輪的彈性系數(shù)。

粗糙度不同的路面，地面垂向位移也不同，z0(t)可用時域路面輸入模型來描述，為了更真實地反映路面譜在低頻范圍內近似為水平的實際情況，在路面譜模型中引入一個下截止頻率f0[12]。

(12)

式中：G0為路面不平度系數(shù)；w(t)為均值是零的高斯白噪聲。

車輛以不同的速度行駛在粗糙度不同的路面上，車身質心位移和車身俯仰角度也會相應發(fā)生變化。利用路面輸入模型模擬真實的路面，然后基于四自由度半車振動模型求解車身質心位移和車身俯仰角，進而可以利用相應的幾何模型得到車燈的調整角度。

3 仿真結果分析

顛簸路面以及車輛負載導致車身姿態(tài)發(fā)生改變時，由車速傳感器和前后軸高度傳感器得到車速和前后軸高度信號。首先根據(jù)前后軸高度信號判斷車身的俯仰情況，若車身發(fā)生前仰后俯時由公式(3)計算出前照燈在垂直方向對應的調整角度，若車身發(fā)生前俯后仰時由公式(6)計算出前照燈在垂直方向的調整角度，最后通過反向調整前照燈的照射角度以達到最佳照明。

下面對自適應前照燈系統(tǒng)的垂直調光算法進行仿真實驗，首先用濾波白噪聲積分法生成隨機路面，然后用Simulink對公式(8)—(12)進行建模求解，得到車身俯仰角和質心位移，再分別根據(jù)公式(3)和(6)對調整角度進行仿真實驗，求解過程中涉及到的參數(shù)見表1[3]。

表1 半車模型參數(shù)

為了保證時域路面輸入位移與實際譜一致，下截止頻率f0取0.062 8 Hz。另外在路面等級中C級表示路面基本沒有坑洞，D級以下代表的是粗糙的路面，由于車身姿態(tài)改變引起的垂直隨動主要是針對崎嶇路面，故G0分別取C、D、E級路面振動對應的功率譜密度256×10-6、1 024×10-6、4 096×10-6m-1進行仿真。

路面級數(shù)不同，車身前后軸高度傳感器采集的數(shù)值就不同，此時設車輛行駛速度v=20 km/h，圖4、圖5分別是在C、D、E級路面下仿真出的前照燈垂直向下和向上的調整角度。

圖4 不同路面對應的向下調整角度

圖5 不同路面對應的向上調整角度

圖4是車輛在行駛過程中當車身發(fā)生前仰后俯時，根據(jù)公式(3)計算出來的前照燈調整角度的仿真曲線，可以看出調整角度為負數(shù)，即需要向下調整對應的角度，且路面級數(shù)越高調整幅度越大，對于相對平坦的C級路面，調整角度在0.55°左右小幅波動，對于比較粗糙的E級路面，對應的調整角度在0.32°～0.76°之間有相對較大幅度的波動；圖5則是當車身發(fā)生前俯后仰時，根據(jù)公式(6)計算出來的前照燈調整角度的仿真曲線，同樣路面級數(shù)越高所需調整幅度越大，對于E級路面前照燈最大調整角度為0.73°。

前照燈垂直調整角度與前后軸高度、車速有關。前后軸高度可以通過設置不同的路面級數(shù)反映出來，以上分析了在不同路面級數(shù)以同一車速運動時前照燈的垂直調整角度?，F(xiàn)在G0取E級路面振動的功率譜密度4 096×10-6m-1，分析車輛分別以速度v=20、40、60 km/h行駛時，對應的前照燈垂直向下和向上的調整角度分別如圖6和圖7所示。

圖6 不同車速對應的向下調整角度

圖7 不同車速對應的向上調整角度

圖6是車輛以不同速度行駛時，根據(jù)公式(3)計算出來的前照燈調整角度的仿真曲線。圖7是根據(jù)公式(6)計算出來的前照燈調整角度的仿真曲線。其中調整角度為負時，代表前照燈需要向下調整對應的角度。車速越大時，調整角度對前照燈照明的影響越大，故車速較大時調整幅度不易過大。由圖6和圖7可以看出，車速越大時，前照燈調整幅度相應變小，符合駕駛安全性的規(guī)律。同時前照燈向下調整的角度最大為0.76°，向上調整的角度最大為0.73°。

以上基于MATLAB/Simulink的仿真實驗證明了垂直調光算法的合理性，進一步在實驗室搭建一個簡單的AFS系統(tǒng)樣機實驗平臺，在樣機平臺上對自適應前照燈系統(tǒng)的垂直調光算法進行驗證，實驗平臺如圖8所示。

圖8 自適應前照燈系統(tǒng)樣機平臺

該系統(tǒng)的前照燈采用的是上海大眾斯柯達昊銳SK-98760型前照燈，核心控制部分采用臺灣民生單片機CS8959芯片，前后軸高度傳感器信號和車速信號分別采用電位器和波形發(fā)生器進行模擬，通過設置不同的前后軸高度值和車速值查看車燈的調整角度。車燈調整角度主要通過覆蓋在車燈上的量角器測得，經測試角度旋轉范圍為-1°～1°，跟仿真角度基本吻合。

4 結束語