徐健，王劉，鄧婕

常州星宇車燈股份有限公司研究院，江蘇常州 213000

0 引言

汽車作為現(xiàn)代社會重要的交通工具，是衡量一個國家物質(zhì)生活水平高低的重要指標(biāo)。因此，各個發(fā)達(dá)國家對汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展極其重視。中國汽車工業(yè)正在高速增長，據(jù)交管部門統(tǒng)計，70% 的交通事故都發(fā)生在夜間[1-2]。其中，照明條件不良是主要原因。為保證駕駛員在不同道路和不同行駛狀況下都能獲得較好的視場條件，迫切需要前照燈的照射光型及角度的自適應(yīng)變化[3]。因此，汽車自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)的研究和發(fā)展成為改善汽車夜間行駛安全的關(guān)鍵方向。

目前現(xiàn)有技術(shù)中，在前照燈高度調(diào)節(jié)方面普遍應(yīng)用了車身高度傳感器。通過安裝在車輛前左、前右、后左、后右4處車輛懸掛處的車身高度傳感器實(shí)時監(jiān)測車輛的姿態(tài)，并將車輛姿態(tài)信息發(fā)送給前照燈控制器，以實(shí)現(xiàn)最佳的前照燈高度調(diào)節(jié)。由于現(xiàn)有技術(shù)方案使用了較多的傳感器，同時信號傳輸多為模擬信號，即通過不同的電平值以表示車身不同的姿態(tài)[4-5]。因此，現(xiàn)有技術(shù)方案不但系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜、生產(chǎn)成本高，而且抗干擾與可靠性都相對較低。

為了解決上述問題及滿足行業(yè)發(fā)展的需求，提出了一種基于加速度傳感器的車燈控制系統(tǒng)及其控制方法，加速度傳感器的采樣靈敏度高，可以檢測出任意的異常抖動，當(dāng)汽車遭遇顛簸干擾時，加速度傳感器的輸出值高于正常狀態(tài)，因此可以實(shí)時檢測車身姿態(tài)。本文采用一個加速度傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)技術(shù)方案中的4個車身高度傳感器，簡化系統(tǒng)構(gòu)成，提高采樣精度；同時使用數(shù)字信號線代替模擬信號線，有效提升系統(tǒng)信號傳遞的可靠性。

1 車燈控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

本文提出的車燈控制系統(tǒng)包括BCM、G-sensor控制單元、車燈控制單元3個部分。BCM為車身控制模塊，主要提供車輛狀態(tài)信息、前方道路狀態(tài)信息。G-sensor控制單元主要有加速度傳感器、MCU芯片、CAN收發(fā)器和LIN收發(fā)器，加速度傳感器測算當(dāng)前車輛的縱向加速度值(簡稱G值)，并實(shí)時將G值發(fā)送給MCU芯片，MCU芯片根據(jù)接收到的G值，判斷出當(dāng)前車輛的車身姿態(tài)。車燈控制單元主要有MCU芯片、電機(jī)驅(qū)動芯片、LED驅(qū)動芯片、LED矩陣管理芯片及CAN收發(fā)器和LIN收發(fā)器，接收G-sensor控制單元的車身姿態(tài)信號，并根據(jù)預(yù)設(shè)的姿態(tài)調(diào)節(jié)值對前照燈高度進(jìn)行調(diào)節(jié)。BCM與G-sensor控制單元之間通過CAN總線相連，G-sensor控制單元與車燈控制單元通過CAN總線和LIN總線相連，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2 車燈控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

G-sensor控制單元中的MCU芯片硬件原理如圖2所示，加速度傳感器硬件原理如圖3所示。MCU芯片的PTB0腳、PTB1腳、PTB2腳和PTB3腳分別與加速度傳感器芯片的CSB腳、MISO腳、SCK腳和MOSI腳相連。其中，CSB腳為加速度傳感器芯片的片選信號腳，屬于芯片控制信號腳的一種；MISO腳為加速度傳感器芯片的信號輸入腳，用于接收MCU芯片的配置及控制命令；MOSI腳為加速度傳感器芯片的信號輸出腳，用于將其檢測到的信號輸出至MCU芯片；SCK腳為時鐘信號腳，用于向加速度傳感器芯片輸入所需的時鐘信號。

圖2 MCU芯片硬件原理

圖3 加速度傳感器硬件原理

CAN收發(fā)器硬件原理如圖4所示。MCU芯片的PTE5腳和PTE4腳分別與CAN收發(fā)器U2的TXD腳和RXD腳相連，CAN收發(fā)器U2的CANH腳和CANL腳與BCM端相連，用于接收BCM發(fā)送的車輛狀態(tài)和前方道路狀態(tài)等信息，并最終傳送至MCU芯片。

圖4 CAN收發(fā)器硬件原理

LIN收發(fā)器硬件原理如圖5所示。MCU芯片的PTD6腳和PTD7腳與LIN芯片的RXD與TXD腳相連，LIN芯片的LIN腳與左、右車燈控制器端相連。MCU芯片通過LIN信號線向左、右車燈控制單元實(shí)時發(fā)送前照燈高度調(diào)節(jié)指令。MCU芯片的PTC17腳和PTC16腳分別與CAN收發(fā)器U3的TXD和RXD腳相連，CAN收發(fā)器U3的CANH腳和CANL腳與左、右車燈控制單元相連，并通過CAN總線向左、右車燈控制單元實(shí)時發(fā)送燈光的亮/滅，以及燈光亮度控制指令。

圖5 LIN收發(fā)器硬件原理

作為優(yōu)選，本文所述的G-sensor控制單元中的MCU采用NXP公司的S32K144-64芯片，加速度傳感器采用村田公司的SCA3300-D01芯片，CAN收發(fā)器U2采用NXP公司的UJA1169芯片，CAN收發(fā)器U3采用德州儀器公司的TCAN1042，LIN收發(fā)器采用NXP公司的TJA1021T芯片。進(jìn)一步，G-sensor控制單元安裝于車輛中軸線上，并置于車輛前部。作為優(yōu)選，本文所述的G-sensor控制單元安裝于駕駛艙內(nèi)的前擋風(fēng)玻璃下方，車機(jī)的后部區(qū)域；或者安裝于發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的前防撞橫梁上。

3 車燈控制系統(tǒng)算法設(shè)計

3.1 算法流程

在完成硬件電路圖設(shè)計后，本文還設(shè)計了一種包含角度過濾器的算法，可直接過濾顛簸干擾，提高角度計算準(zhǔn)確性。該算法包含加速度傳感器、角度直接計算單元、角度過濾單元、角度輸出單元和控制單元，算法流程如圖6 所示。

圖6 算法流程

在系統(tǒng)上電后，加速度傳感器周期性測算當(dāng)前車輛的加速度G值，并實(shí)時將G值發(fā)送到角度直接計算單元，計算車輛瞬時俯仰角θT，角度過濾單元進(jìn)行車身穩(wěn)定性判斷，并過濾波動期間的瞬時角度，角度輸出單元計算車身真實(shí)角度θA，并輸出給控制單元進(jìn)行光軸調(diào)節(jié)。

3.2 算法工況驗(yàn)證

控制器會周期性地采集G-sensor的輸出值，實(shí)時判斷車輛角度的有效性。采樣周期內(nèi)采集的車輛瞬時角度的最大角度與最小角度的差值為ΔθAB，角度過濾閾值為θC，當(dāng)角度采樣周期內(nèi)ΔθAB值小于θC時，判定此時車輛為穩(wěn)定狀態(tài)，設(shè)置此采樣周期內(nèi)的角度為有效角度，并將此周期內(nèi)的瞬時角度發(fā)送至角度計算單元，然后輸出車輛實(shí)際俯仰角，最終控制光軸。當(dāng)角度采樣周期內(nèi)ΔθAB值大于θC時，判定此采樣周期內(nèi)車輛為顛簸狀態(tài)，設(shè)置此采樣周期內(nèi)的角度為無效角度，直接過濾此采樣周期的瞬時角度，并保持當(dāng)前的光軸位置，如圖7所示。

圖7 算法過濾信息

經(jīng)過角度過濾后，角度計算單元采樣到的角度均為有效角度，可以減少車輛劇烈的晃動對最終車輛真實(shí)俯仰角的影響，增加了光軸位置計算的準(zhǔn)確性。

如圖8和圖9所示，坐標(biāo)軸t為時間軸，分為靜態(tài)、負(fù)載變化、負(fù)載穩(wěn)定3個時間段。坐標(biāo)軸θT表示車輛瞬時角度，每個采樣周期內(nèi)瞬時角度的上下閾值分別用θmax、θmin表示。靜態(tài)和負(fù)載穩(wěn)定時間段內(nèi)瞬時角度變化ΔθAB小于濾波閾值θC，此時判斷車輛瞬時角度為有效角度，采集該時間段的瞬時角度。負(fù)載變化區(qū)間內(nèi)，則可以瞬時角度變化ΔθAB大于濾波閾值θC，此時判斷車輛瞬時角度為無效角度，直接過濾此時間段的瞬時角度。

圖8 負(fù)載增加時角度信息采集

圖9 瞬時顛簸時角度信息采集

4 結(jié)論

本文針對現(xiàn)有車燈技術(shù)中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高及抗干擾與可靠性偏低等問題，提出了一種基于加速度傳感器的車燈控制系統(tǒng)及其控制方法，可實(shí)現(xiàn)采用加速度傳感器替代現(xiàn)有車燈技術(shù)中的前后車身高度傳感器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對車身姿態(tài)的實(shí)時監(jiān)測，是對現(xiàn)有車燈ALS功能的一次技術(shù)升級。與傳統(tǒng)技術(shù)方案相比，本文所提出的方法具有以下兩點(diǎn)優(yōu)勢：

(1)系統(tǒng)構(gòu)成簡化，成本降低。通過本文所述的技術(shù)方案，作為前照燈高度調(diào)節(jié)的傳感器由現(xiàn)有技術(shù)方案中的4個減少為1個加速度傳感器。有效降低了線束成本、硬件成本及生產(chǎn)安裝調(diào)試成本。

(2)系統(tǒng)可靠性提升。通過本文所述的技術(shù)方案，將現(xiàn)有方案中的模擬信號線替換為數(shù)字信號線，通過數(shù)字信號本身的抗干擾優(yōu)勢，有效提升了系統(tǒng)信號傳遞的可靠性。