李晶　胡凱　巫祎博　漆雪麗　張罡肇

摘 要：由于夜間、雨雪天等環(huán)境下，司機(jī)駕駛時(shí)能見(jiàn)度往往大幅降低，從而對(duì)行車安全問(wèn)題造成極大影響。駕駛員在駕駛中主要依靠車前的大燈識(shí)別路況，但是駕駛員在駕駛過(guò)程中容易忽略遠(yuǎn)近光燈的切換，不僅導(dǎo)致駕駛員無(wú)法了解前方路況，也會(huì)干擾對(duì)方車輛對(duì)路況的判斷。針對(duì)汽車駕駛過(guò)程中由于光線不足或駕駛員對(duì)燈光操作不當(dāng)?shù)纫蛩匾鸬慕煌ㄊ鹿蕟?wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種可自動(dòng)調(diào)節(jié)的遠(yuǎn)近光燈。該設(shè)計(jì)選用測(cè)距傳感器、光線傳感器、車輛速度傳感器、測(cè)線速傳感器和顏色識(shí)別等傳感器，通過(guò)信息采集對(duì)燈光進(jìn)行自動(dòng)控制，可避免駕駛員因主觀判斷失誤和操作不當(dāng)?shù)热藶橐蛩爻霈F(xiàn)燈光切換問(wèn)題，從而引發(fā)的安全事故。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制 遠(yuǎn)近光燈 傳感器 安全

Design and research of automatic adjusting high and low beam lamp

Li Jing Hu Kai Wu Yibo Qi Xueli Zhang Gangzhao

Abstract：Due to the night， rain and snow conditions， the visibility of drivers is often greatly reduced when driving， which has a great impact on driving safety. The driver mainly relies on the headlights in front of the car to identify the road conditions， but the driver tends to ignore the switching of the high and low beams during driving， which not only causes the driver to fail to understand the road conditions ahead， but also interferes with the judgment of the other vehicle's road conditions. Aiming at the problem of traffic accidents caused by factors such as insufficient light or improper operation of the light by the driver during driving， this paper designs an automatically adjustable high and low beam. The design uses sensors such as ranging sensor， light sensor， vehicle speed sensor， line speed sensor and color recognition to automatically control the light through information collection， which can avoid the driver's subjective judgment error and improper operation. problems， resulting in security incidents.

Key words：automatic control; High and low beam lamps; Sensors; security

1 引言

據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，超過(guò)80%的交通事故發(fā)生在惡劣、黑暗的天氣，大約70%車輛事故發(fā)生在夜間，死亡率超過(guò)40%，夜間發(fā)生交通事故的概率要比白天高出1.5倍。致使夜間交通事故發(fā)生的的主要原因有光線差、駕駛員未正確使用前照燈等。因此，提高駕駛員夜間行駛的安全性具有一定的研究?jī)r(jià)值，也有大量學(xué)者對(duì)汽車遠(yuǎn)近光燈的自動(dòng)控制進(jìn)行了研究[1-4]。

樊海紅，鄭志強(qiáng)，林景東[5]通過(guò)信號(hào)采集處理設(shè)計(jì)了前照燈自動(dòng)切換遠(yuǎn)近燈，但未考慮車輛夜間行駛時(shí)遠(yuǎn)光燈照明距離對(duì)駕駛員的影響。呂光輝，張忍[6]應(yīng)用超聲波雷達(dá)測(cè)距儀和速度傳感器為汽車大燈提供了更加完善的設(shè)計(jì)方案。鄒祖軍，馮進(jìn)良，郭奕辰[7]等學(xué)者采用坡路檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)上下坡路進(jìn)行處理，從而控制汽車遠(yuǎn)近光燈，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。楊明俊[8]等以豐田普瑞維亞為研究對(duì)象，建立了AFS前照燈轉(zhuǎn)角數(shù)學(xué)模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，分析了汽車方向盤(pán)的轉(zhuǎn)角變化率、前照燈轉(zhuǎn)角滯后量和汽車車速之間的關(guān)系，以及前照燈轉(zhuǎn)角配合方式和汽車動(dòng)態(tài)配光光型之間的一些數(shù)據(jù)相關(guān)性。顧卜亮[9]首先選用光敏電阻傳感器檢測(cè)了光的強(qiáng)弱，再選用超聲波傳感器將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，最后通過(guò)選用MSP430F5529單片機(jī)對(duì)遠(yuǎn)近燈光切換進(jìn)行自動(dòng)控制。李玖詳[10]總結(jié)分析了各研究者對(duì)汽車自動(dòng)切換遠(yuǎn)近光燈的設(shè)計(jì)，并提出了不足。本研究考慮了駕駛員夜間實(shí)際行駛狀態(tài)對(duì)汽車車燈進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。如：考慮了光線強(qiáng)度條件、會(huì)車條件、超車條件、會(huì)車車速條件、會(huì)車車距條件等。

2 主體結(jié)構(gòu)

自動(dòng)調(diào)節(jié)遠(yuǎn)近光燈通過(guò)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)輸出和驅(qū)動(dòng)模塊四部分組成。數(shù)據(jù)采集，主要通過(guò)激光雷達(dá)測(cè)距傳感器、光電三極管模塊、車速傳感器等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)處理，通過(guò)采集后的數(shù)據(jù)輸入主控電路板，進(jìn)行數(shù)據(jù)編譯和處理。數(shù)據(jù)輸出，將主控電路板編譯處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并輸出至驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)模塊將接受到的信號(hào)進(jìn)行實(shí)體化轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)遠(yuǎn)近光燈的功能。主題結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

3 工作原理

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)調(diào)節(jié)遠(yuǎn)近光燈，采用激光雷達(dá)測(cè)距傳感器3，且測(cè)距范圍為0.1m-110m，通過(guò)激光雷達(dá)測(cè)距傳感器對(duì)汽車前方的車輛或行人進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)范圍內(nèi)有車輛或行人時(shí)，自動(dòng)從遠(yuǎn)光燈切換至近光燈；當(dāng)駛過(guò)車輛或行人時(shí)自動(dòng)從近光燈切換至遠(yuǎn)光燈，防止干擾其他車輛或行人的視線，自動(dòng)化程度高，保證車輛和行人的安全。光敏傳感器6采用光電三極管模塊，且光線傳感器4安裝在汽車外，光線傳感器4采集外部環(huán)境的照明情況，判斷外界照明情況是否良好；通過(guò)主控電路板2與汽車的速度傳感器電連接的設(shè)置，能實(shí)時(shí)檢測(cè)車輛速度，并根據(jù)車輛速度來(lái)判斷汽車大燈1的開(kāi)啟狀態(tài)，車輛環(huán)境照明不足且車速大于60km/h時(shí)，主控電路板就會(huì)控制汽車大燈1自動(dòng)打開(kāi)遠(yuǎn)光燈，讓車主獲得更好視野，車輛環(huán)境照明充足；車速小于40km/h時(shí)，系統(tǒng)的遠(yuǎn)光燈就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。通過(guò)光線傳感器4檢測(cè)隧道狀況以及夜間行駛道路路燈狀況數(shù)據(jù)采集，通過(guò)顏色識(shí)別傳感器5采集十字路口等不規(guī)則路口處有無(wú)紅綠指示燈狀況。通過(guò)測(cè)線速傳感器7檢測(cè)對(duì)向來(lái)車時(shí)車輛速度，實(shí)時(shí)檢測(cè)對(duì)向車速，提供數(shù)據(jù)傳輸處理模塊，對(duì)遠(yuǎn)近光切換進(jìn)行判斷處理，預(yù)防因無(wú)法判斷對(duì)方車輛速度，從而造成長(zhǎng)時(shí)間車身燈光使用錯(cuò)誤，無(wú)法提前了解路況。自動(dòng)調(diào)節(jié)遠(yuǎn)近光燈模型如圖2所示，三維建模如圖3所示。

4 元器件選用

4.1 Arduino模塊

Arduino通過(guò)傳感器感知環(huán)境，控制燈光等裝置來(lái)反饋、影響環(huán)境。Arduino的編程是通過(guò)Arduino編程語(yǔ)言（基于Wiring）和Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境（基于Processing）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

4.2 激光雷達(dá)測(cè)距傳感器

激光雷達(dá)測(cè)距傳感器以激光作為信號(hào)源，由激光器發(fā)射出的脈沖激光，打到對(duì)向車輛上引起散射，一部分光波會(huì)反射到激光雷達(dá)的接收器上，根據(jù)激光測(cè)距原理計(jì)算，得到激光雷達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的距離。目前，廣泛用于汽車的激光雷達(dá)傳感器為新型毫米波雷達(dá)設(shè)備，具有更高的精度，該程序能跟蹤行人，監(jiān)測(cè)行人動(dòng)向，更好地解決夜間道路行人問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換功能。

4.3 光線傳感器

光線傳感器主要是用來(lái)感應(yīng)光的強(qiáng)度反饋的核心元件，通常由投光器和受光器組成。在投光器和受光器之間，光線受到遮蔽后會(huì)獲得信號(hào)反饋，從而進(jìn)行自動(dòng)控制，達(dá)到自動(dòng)切換遠(yuǎn)近光燈。本設(shè)計(jì)中主要應(yīng)用于進(jìn)入隧道、天氣光線條件較差和夜間行駛中道路是否有路燈照明等情況下進(jìn)行遠(yuǎn)近光自動(dòng)切換。

4.4 車速傳感器

車速傳感器廣泛應(yīng)用電磁式和光電式，其主要作用是測(cè)試車輛車速，控制發(fā)動(dòng)機(jī)變速器，變扭器鎖止。速度傳感器將速度數(shù)據(jù)傳輸給核心元件Arduino模塊，經(jīng)過(guò)核心元件編譯處理后，將數(shù)據(jù)傳輸給驅(qū)動(dòng)，從而進(jìn)行遠(yuǎn)近光燈切換時(shí)長(zhǎng)判斷。

4.5 顏色識(shí)別傳感器

顏色識(shí)別傳感器設(shè)置在汽車前擋風(fēng)玻璃工作臺(tái)處，識(shí)別通過(guò)路口時(shí)前方是否有交通信號(hào)燈，避免違反交通信號(hào)燈規(guī)則。根據(jù)交通管理規(guī)定，通過(guò)有無(wú)信號(hào)燈路口處，燈光正確使用。

4.6 測(cè)線速傳感器

該傳感器具有高精度的優(yōu)點(diǎn)，可測(cè)量物體運(yùn)行速度以及運(yùn)行方向?；诳煽康目臻g濾波方法原理，通過(guò)光穿過(guò)的光柵的移動(dòng)物體來(lái)實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)選取此傳感器是為了檢測(cè)對(duì)向來(lái)車車輛速度，配合本車輛速度傳感器檢測(cè)后對(duì)自動(dòng)切換燈光的速度以及時(shí)間長(zhǎng)度的把控，從而達(dá)到本設(shè)計(jì)自動(dòng)切換燈光目的。

5 切換分析

在夜間行駛時(shí)，采用自動(dòng)切換模式和手動(dòng)模式。自動(dòng)切換模式為點(diǎn)火啟動(dòng)和選擇切換，手動(dòng)模式為強(qiáng)制手動(dòng)切換，其切換過(guò)程中會(huì)采取切換電路保護(hù)燈光，該切換主要由駕駛員自主判斷。在自動(dòng)模式情況下，核心元件會(huì)根據(jù)光線條件、會(huì)車車速、車距、路口紅綠燈狀況、行人以及夜間道路是否有路燈照明及照明狀況數(shù)據(jù)信號(hào)為條件進(jìn)行遠(yuǎn)近光燈自動(dòng)調(diào)節(jié)。實(shí)際狀況切換條件如圖5所示。

行人檢測(cè)問(wèn)題。激光雷達(dá)測(cè)距傳感器具有跟蹤行人、監(jiān)測(cè)行人動(dòng)向的作用，因此道路中有橫穿道路的行人時(shí)，經(jīng)檢測(cè)自動(dòng)切換近光，防止遠(yuǎn)光燈對(duì)行人造成目眩。

夜間行駛道路是否有路燈照明問(wèn)題。光線傳感器安裝于車頂天窗部位，有路燈照明時(shí)車輛會(huì)根據(jù)光線傳感器信號(hào)，檢測(cè)路燈照明情況，使車輛自動(dòng)調(diào)節(jié)為近光燈。無(wú)路燈照明時(shí)開(kāi)啟遠(yuǎn)光燈。其余傳感器保持工作狀態(tài)。

路口有無(wú)交通信號(hào)燈問(wèn)題。按駕駛要求，在無(wú)交通信號(hào)燈路口，遠(yuǎn)近燈光交替使用，根據(jù)對(duì)路口相關(guān)交通指示牌進(jìn)行信息收集，從而達(dá)到無(wú)交通信號(hào)燈路口進(jìn)行自動(dòng)遠(yuǎn)近光交替使用；在有交通信號(hào)燈控制路口，通過(guò)顏色識(shí)別器進(jìn)行識(shí)別，自動(dòng)調(diào)節(jié)為近光燈。

6 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種可自動(dòng)調(diào)節(jié)的遠(yuǎn)近光燈。該設(shè)計(jì)選用測(cè)距傳感器、光線傳感器、車輛速度傳感器、測(cè)線速傳感器和顏色識(shí)別等傳感器，通過(guò)信息采集對(duì)燈光進(jìn)行自動(dòng)控制，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，自動(dòng)化程度高，提高了車輛行駛的安全性。

2021大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（DC2111807CX888）——一種可自動(dòng)調(diào)節(jié)遠(yuǎn)近光燈的研究；

2022年甘肅省高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（LGYCXG-22-02）——基于“專創(chuàng)融合”的材料力學(xué)課程教學(xué)改革研究；

2022年甘肅省高等學(xué)校創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2022A-167）——雙吸式離心泵在輸送含沙水流下的流動(dòng)及磨損特性。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚文俊，楊加?xùn)|.基于STM32的汽車安全及燈光系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].南方農(nóng)機(jī)，2020，51（05）：154-156.

[2]楊冬英，賀江鵬.基于單片機(jī)汽車自動(dòng)照明燈遠(yuǎn)近光設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].山西電子技術(shù)，2019（06）：36-38+42.

[3]王琮德.復(fù)雜環(huán)境下汽車遠(yuǎn)近燈光智能切換系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技資訊，2019，17（18）：68-69.

[4]蔣攀，姚嘉祺，羊雨丹，郭永義.基于熱成像原理的汽車遠(yuǎn)近燈光自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)[J].科技與創(chuàng)新，2019（01）：130-131.

[5]樊海紅，鄭志強(qiáng)，林景東.汽車前照燈遠(yuǎn)近光自動(dòng)切換的研究[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018，（24）：108-109

[6]呂光輝，張忍.基于單片機(jī)技術(shù)的汽車遠(yuǎn)近光自動(dòng)切換裝置的研究[J].汽車與配件，2013，（35）：46-47.

[7]鄒祖軍，馮進(jìn)良，郭奕辰，葛明達(dá).汽車大燈遠(yuǎn)近光自動(dòng)切換系統(tǒng)[J].儀器儀表用戶，2011，18（03）：20-22.

[9]楊明俊. 面向動(dòng)態(tài)配光光型的汽車AFS前照燈轉(zhuǎn)角控制方法研究[D].華南理工大學(xué)，2015.

[10]顧卜亮.智能汽車遠(yuǎn)近光燈自適應(yīng)系統(tǒng)[J].電子測(cè)試，2022，36（06）：14-15+20.

[10]李玖詳.汽車遠(yuǎn)近光燈自動(dòng)切換技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].農(nóng)機(jī)使用與維修，2020，（07）：43.