劉聰聰，杜 彬，任靜媛，同曉雅

（陜西重型車(chē)輛有限公司汽車(chē)工程研究院，陜西 西安 710200）

車(chē)輛的誕生縮短了地域之間的距離，各種功能的提升方便了千家萬(wàn)戶，同時(shí)，車(chē)輛引起的交通事故也日益劇增，其中一部分原因是車(chē)輛前照明系統(tǒng)引起的，例如在車(chē)輛轉(zhuǎn)彎時(shí)存在內(nèi)側(cè)盲區(qū)，并且車(chē)輛所處環(huán)境或者車(chē)輛狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)前照燈照射范圍不能自動(dòng)調(diào)節(jié)，這些問(wèn)題都會(huì)存在安全隱患且影響駕乘舒適性。為了解決這些問(wèn)題，本文結(jié)合法規(guī)提出一種智能化的自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)AFS（Adaptive Front-lighting System），可以有效解決上述問(wèn)題。它能根據(jù)車(chē)輛方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、車(chē)姿高度變化量、行駛速度、環(huán)境信號(hào)和車(chē)輛其他總線信號(hào)，不斷對(duì)近光燈進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，使近光燈光軸在水平方向上與方向盤(pán)轉(zhuǎn)角進(jìn)行左右聯(lián)動(dòng)，在垂直方向上與車(chē)身姿態(tài)聯(lián)動(dòng)進(jìn)行上下轉(zhuǎn)動(dòng)的燈光隨動(dòng)補(bǔ)償。

1 智能燈光系統(tǒng)法規(guī)要求與優(yōu)化

法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了車(chē)輛前照明系統(tǒng)的技術(shù)要求，本文根據(jù)實(shí)際情況在滿足法規(guī)要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，其中對(duì)AFS功能做了如下要求。

1.1 GB/T30036對(duì)AFS功能要求

法規(guī)規(guī)定AFS系統(tǒng)必須根據(jù)路況、天氣及其它相關(guān)狀況，做出增加駕駛者視野的光束調(diào)整；AFS分為4種模式：基本燈光模式（C）、城鎮(zhèn)照明模式（V）、濕路照明模式（W）、高速公路照明模式（E）。如圖1所示。

圖1 AFS系統(tǒng)光型示意圖

1）基本模式（C）：燈光效果就是普通的近光燈，作為默認(rèn)的基本照明模式。

2）城市道路照明模式（V）：在城市道路上，將左右燈光軸分別向左向右下方旋轉(zhuǎn)，使道路兩側(cè)辨識(shí)度改善。

3）高速公路照明模式（E）：在高速公路上，將左右燈光軸分別向上和向內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)，獲得更遠(yuǎn)更強(qiáng)的照明視野。

4）惡劣天氣照明模式（W）：當(dāng)天氣為雨雪大霧時(shí)，將左右光軸向上和向外側(cè)旋轉(zhuǎn)，用以減小光線可能造成的反射眩目，提高駕駛員前方和兩側(cè)的照明視野。

1.2 基于法規(guī)要求的AFS功能優(yōu)化

在實(shí)車(chē)執(zhí)行過(guò)程中為了確保功能正常執(zhí)行，需要增加前照燈的上電自檢，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，即上電自檢模式（ST）：車(chē)輛上電，前照燈按照算法設(shè)計(jì)動(dòng)作執(zhí)行，確保車(chē)輛啟動(dòng)后前照燈能正常運(yùn)行。

除4種模式以外，該AFS功能應(yīng)該在車(chē)輛低速行駛中，能根據(jù)道路彎道情況以及方向盤(pán)轉(zhuǎn)向角給出相應(yīng)的燈光轉(zhuǎn)向角補(bǔ)償。如圖2所示，這樣能夠及時(shí)補(bǔ)充轉(zhuǎn)彎盲區(qū)的照明視野，保持大范圍的近光燈照明，有效地降低駕駛員的視覺(jué)疲勞程度，從而讓駕駛員有充足的時(shí)間來(lái)應(yīng)急，保障了夜晚彎道行車(chē)的安全性。

圖2 ASF轉(zhuǎn)彎隨動(dòng)示意圖

除此之外，還需要考慮當(dāng)車(chē)輛質(zhì)量發(fā)生變化以及車(chē)在急制動(dòng)急加速過(guò)程中遇到的車(chē)身姿態(tài)發(fā)生變化等引起的前照燈照射范圍改變的問(wèn)題，從而影響駕駛員視野，應(yīng)引入相應(yīng)的補(bǔ)償角來(lái)抵消這種角度損失。

2 自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 AFS系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能化自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 智能化自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)示意圖

AFS系統(tǒng)包括獲取車(chē)輛信息的車(chē)輛通信設(shè)備總線、反映車(chē)輛姿態(tài)變化的車(chē)身高度傳感器以及智能前照燈控制模塊和左右前照燈的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

AFS控制器通過(guò)總線與車(chē)載設(shè)備進(jìn)行通信，獲取控制算法所需信號(hào)，如車(chē)速信號(hào)、光照強(qiáng)度、傳感器信號(hào)、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)、雨刮信號(hào)等，用以計(jì)算得出前照燈在不同模式下動(dòng)態(tài)調(diào)整的角度（垂直方向和左右方向）?？刂破魍ㄟ^(guò)LIN總線控制2個(gè)調(diào)光步進(jìn)電機(jī)，該調(diào)光步進(jìn)電機(jī)集成在左右2個(gè)前照燈內(nèi)部，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)整前照燈光軸角度。

2.2 AFS功能控制策略

AFS通過(guò)主動(dòng)移動(dòng)近光燈光軸，使得近光燈的光束能轉(zhuǎn)向車(chē)輛的前進(jìn)方向以確保對(duì)前方道路提供最佳照明，對(duì)駕駛員提供最佳照明視野。車(chē)速的大小可以反映路況的復(fù)雜程度，在夜間行駛時(shí)，以車(chē)速作為路況的判斷依據(jù)以及霧燈和雨刷的執(zhí)行時(shí)間作為惡劣天氣的判斷依據(jù)，這樣避免了駕駛員誤操作，也節(jié)省了配置視覺(jué)系統(tǒng)的成本。AFS控制策略如表1所示。

表1 AFS控制策略

AFS控制包含5種基礎(chǔ)工作模式和兩種附加工作模式，車(chē)速的大小決定了疊加哪種附加工作模式，由于高速公路模式路況相比其他路況較單一，追求更高的穩(wěn)定性，可不疊加彎道照明模式。AFS控制流程如圖4所示。

圖4 AFS控制流程圖

AFS流程圖描述了AFS控制過(guò)程邏輯及對(duì)應(yīng)模塊應(yīng)該執(zhí)行的控制模式，基礎(chǔ)C、V、E、W模式可以通過(guò)標(biāo)定的方式實(shí)現(xiàn)，當(dāng)下最重要的是解決轉(zhuǎn)向角計(jì)算問(wèn)題。

3 轉(zhuǎn)向角計(jì)算原理

轉(zhuǎn)向角的計(jì)算分為水平轉(zhuǎn)向角計(jì)算（彎道照明模式控制）和垂直轉(zhuǎn)向角計(jì)算（車(chē)姿控制）。

3.1 基于制動(dòng)距離的前照燈水平轉(zhuǎn)向角計(jì)算

判斷前照燈有效照明范圍的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)是車(chē)輛安全制動(dòng)距離，它包括駕駛員的反應(yīng)距離和有效制動(dòng)距離。如果前照燈的有效照明能夠完全覆蓋住車(chē)輛安全制動(dòng)距離時(shí)，就可以保證駕駛員有充足制動(dòng)時(shí)間和良好的視野使車(chē)輛安全急停。由資料可知制動(dòng)距離與車(chē)速的關(guān)系。

式中：——車(chē)速；——制動(dòng)距離。

當(dāng)車(chē)輛行駛?cè)霃澋罆r(shí)，以安全制動(dòng)距離作為車(chē)輛前照燈有效照明距離判定標(biāo)準(zhǔn)，車(chē)輛前照燈照明需完全覆蓋安全制動(dòng)距離。如圖5所示，描述了車(chē)輛轉(zhuǎn)彎半徑、安全制動(dòng)距離與車(chē)燈轉(zhuǎn)角的幾何關(guān)系。

由圖5分析可得：

圖5 車(chē)輛轉(zhuǎn)彎時(shí)的幾何關(guān)系圖

從而可知車(chē)燈轉(zhuǎn)角為：

根據(jù)圖5可得到前照燈水平轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式：

由圖6可知，AFS偏轉(zhuǎn)角隨著車(chē)速的增加而增大，隨著轉(zhuǎn)彎半徑的增加而減少。已知車(chē)速和轉(zhuǎn)彎半徑可計(jì)算得到前照燈的轉(zhuǎn)向角。

圖6 AFS水平方向轉(zhuǎn)角與車(chē)速、轉(zhuǎn)彎半徑的關(guān)系圖

3.2 前照燈垂直轉(zhuǎn)向角計(jì)算

AFS垂直方向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立主要考慮AFS垂直方向的俯仰角與當(dāng)前傳感器獲取到的車(chē)身俯仰角的關(guān)系。車(chē)輛在急加速、急制動(dòng)，以及載重不同或者行駛在顛簸路面時(shí)，都會(huì)造成車(chē)身前后俯仰，從而引起前后傾角發(fā)生變化，此時(shí)，固定式的前照燈也會(huì)隨著車(chē)身傾角發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致照明位置發(fā)生變化，縮短或者影響來(lái)向車(chē)輛視野，示意圖如圖7所示。

圖7 車(chē)輛縱傾燈光照射示意圖

AFS車(chē)輛前照燈垂直方向的隨動(dòng)俯仰，正好可以部分抵消這種負(fù)面影響。如圖8所示，依據(jù)GB/T30036—2013進(jìn)行車(chē)輛前照燈配光測(cè)試時(shí)，車(chē)輛前照燈與配光屏幕的距離為。當(dāng)燈光以光線中軸變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的變化角度為：

圖8 車(chē)輛縱傾燈光分析圖

式中：——車(chē)輛前照燈與配光屏幕的距離；——燈光下移的距離。

車(chē)輛狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)前照燈燈光光束也會(huì)發(fā)生變化。如圖9所示，例如當(dāng)車(chē)重載時(shí)，為車(chē)身后部高度傳感器獲得的下降值，為車(chē)軸距離，相對(duì)應(yīng)的燈光光束會(huì)上仰，需要轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度來(lái)保持光束的正常。

圖9 重載時(shí)車(chē)姿變化示意圖

這樣，與之間的關(guān)系為：

當(dāng)車(chē)的軸距固定時(shí)，可通過(guò)車(chē)身后部高度傳感器得到h與前照燈轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系，如圖10所示。

由圖10可知前照燈垂直轉(zhuǎn)角與車(chē)身高度傳感器的變化量成正比，當(dāng)已知車(chē)身高速位置變化量時(shí)就可以計(jì)算得出需要補(bǔ)償?shù)拇怪狈较虻霓D(zhuǎn)角。

圖10 車(chē)身高度傳感器變化量與前照燈垂直轉(zhuǎn)角關(guān)系圖

4 總結(jié)

本文介紹了智能化自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)的法規(guī)技術(shù)要求及功能優(yōu)化項(xiàng)，闡述了整個(gè)AFS系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想及控制策略，重點(diǎn)研究了車(chē)輛智能化前照燈的水平轉(zhuǎn)向控制與垂直轉(zhuǎn)向控制原理及計(jì)算方法。從仿真結(jié)果看，數(shù)學(xué)模型可以滿足需求，可以給實(shí)際實(shí)車(chē)驗(yàn)證提供有效理論依據(jù)及實(shí)現(xiàn)方法。