高金武 王向陽 賈志桓 付河 梁寶雯

（1.吉林大學(xué)，長(zhǎng)春 130022；2.廣州廣日電氣設(shè)備有限公司，廣州 510000）

主題詞：點(diǎn)陣式LED 遠(yuǎn)光燈 照明光場(chǎng)變換 路面投影 車外交互

1 前言

近年來，汽車保有量逐年遞增，交通出行環(huán)境日益復(fù)雜。據(jù)交管部門統(tǒng)計(jì)，一半以上的交通事故發(fā)生在夜間[1]。目前單一工作模式的汽車前照燈系統(tǒng)已不能滿足需求，因此智能車燈照明系統(tǒng)對(duì)汽車智能化和安全駕駛都具有重要意義。

目前，智能車燈控制系統(tǒng)主要分為隨動(dòng)式前照燈控制系統(tǒng)和矩陣式前照燈分區(qū)控制系統(tǒng)。隨動(dòng)式前照燈控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，但只能實(shí)現(xiàn)基本照明光場(chǎng)的整體水平或垂直方向偏移，當(dāng)對(duì)向有來車或行人時(shí)，無法兼顧安全駕駛的照明需求和對(duì)向來車駕駛員及行人的防眩目需求[2-4]。部分學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了硬件、軟件升級(jí)及算法優(yōu)化，使系統(tǒng)模型具有較好的精度，大幅減小了系統(tǒng)超調(diào)，延長(zhǎng)了前照燈的使用壽命，提高了智能前照燈系統(tǒng)的精度[5-6]。矩陣式前照燈分區(qū)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于多顆LED燈珠按照矩陣的方式排列成行或列，每顆LED燈珠由獨(dú)立的芯片控制，多顆單獨(dú)可控。但受LED燈珠尺寸的限制，且隨著LED燈珠數(shù)量的增加，二次光學(xué)系統(tǒng)與其之間的校準(zhǔn)難度也會(huì)增加，未來像素升級(jí)的空間有限[7-8]。此外，針對(duì)前照明光場(chǎng)調(diào)整控制復(fù)雜的特點(diǎn)，有學(xué)者提出了固定照明模式和照明燈具模式化的方法，但該控制方式較為單一，可變范圍有限，不能很好地適應(yīng)復(fù)雜的交通環(huán)境[9-10]。

針對(duì)以上問題，越來越多的汽車生產(chǎn)企業(yè)開始采用LED 智能前照燈[11-12]。然而，LED 智能前照燈的控制技術(shù)對(duì)我國(guó)仍處于未公開的階段。

為此，本文對(duì)基于點(diǎn)陣式LED 遠(yuǎn)光燈照明的實(shí)現(xiàn)機(jī)制進(jìn)行研究，對(duì)點(diǎn)陣式LED 遠(yuǎn)光燈的物理特征及其照明光場(chǎng)的變換需求進(jìn)行分析，確定點(diǎn)陣式LED 遠(yuǎn)光燈的點(diǎn)亮狀況與汽車前照燈照明光場(chǎng)的映射關(guān)系，并通過試驗(yàn)對(duì)其控制效果加以驗(yàn)證。

2 點(diǎn)陣式LED遠(yuǎn)光燈的照明需求及其特性分析

2.1 LED前照燈的控制策略設(shè)計(jì)

本文著眼于建立點(diǎn)陣式LED 遠(yuǎn)光燈與地面照明區(qū)域的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車前照燈照明光場(chǎng)的變換。點(diǎn)陣式LED遠(yuǎn)光燈的照明過程如圖1 所示。在車燈離地高度和偏轉(zhuǎn)角度一定的情況下，點(diǎn)陣式LED 發(fā)光陣列E在地面上的映射照明范圍見圖1a 中的梯形ABCD區(qū)域，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)車輛配備的各種傳感器（速度傳感器、俯仰傳感器等），以及結(jié)合高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driving Assistance System，ADAS）提供的周圍環(huán)境信息，明確前照燈的照明需求，在梯形ABCD區(qū)域的基礎(chǔ)上，對(duì)照明區(qū)域進(jìn)行分割細(xì)化，實(shí)現(xiàn)夜間駕駛的照明需求（高速、城市、鄉(xiāng)村、交叉路口等照明模式），見圖1b，最終輸出照明效果見圖1c。

圖1 點(diǎn)陣式LED智能前照燈光場(chǎng)調(diào)整示意

本文的關(guān)鍵在于如何將期望的照明需求轉(zhuǎn)化為點(diǎn)陣式LED遠(yuǎn)光燈中每個(gè)LED燈珠的控制命令。即通過求取前照燈控制輸入與照明光場(chǎng)的映射關(guān)系，再依據(jù)前照燈照明需求，確定需要點(diǎn)亮的LED陣列的坐標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車前照燈照明光場(chǎng)的精確控制。

2.2 LED前照燈特性分析

汽車前照燈以非成像光學(xué)為理論基礎(chǔ)，利用反光杯、透鏡等光學(xué)器件的特性和光學(xué)原理對(duì)前照燈光源發(fā)出的光線進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)，在目標(biāo)平面上形成特定的光線分布。發(fā)光陣列P經(jīng)透鏡組輸出的實(shí)際光路如圖2a所示。

圖2 車燈光場(chǎng)輸出光路示意

無論汽車前照燈內(nèi)部的光學(xué)系統(tǒng)如何復(fù)雜，對(duì)前照燈所需要的照明效果而言，只關(guān)心其最后輸出的照明光場(chǎng)。將圖2a等效為如圖2b所示的點(diǎn)光源o，其輸出的照明光場(chǎng)是線性放大的過程。

為了描述圖2b的等效輸出光場(chǎng)，需獲取點(diǎn)光源o輸出光場(chǎng)的出射角θ及與點(diǎn)光源o的距離為d時(shí)對(duì)應(yīng)輸出光場(chǎng)區(qū)域的邊長(zhǎng)L，見圖2b。且d與L的關(guān)系為：

式中，K為邊長(zhǎng)L隨距離d變化的放大系數(shù)。

根據(jù)式（1），再結(jié)合圖2b 的等效輸出光場(chǎng)，依據(jù)幾何關(guān)系得到θ、d及對(duì)應(yīng)L的關(guān)系，進(jìn)而求得出射角θ：

3 點(diǎn)陣式LED遠(yuǎn)光燈控制功能算法

3.1 映射關(guān)系的建立

點(diǎn)陣式LED 遠(yuǎn)光燈控制系統(tǒng)需要靈活精準(zhǔn)地調(diào)整照明光場(chǎng)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地滿足駕駛員夜間駕駛照明需求。其關(guān)鍵在于，確定發(fā)光陣列中每個(gè)像素點(diǎn)在地面上的映射地址。

本文研究的點(diǎn)陣式遠(yuǎn)光燈的簡(jiǎn)要照明光場(chǎng)如圖3所示，其中，h、β分別為前照燈光源的離地高度和向下偏轉(zhuǎn)的角度。

圖3 點(diǎn)陣式LED遠(yuǎn)光燈的照明光場(chǎng)示意

考慮圖3 中的點(diǎn)陣式LED 遠(yuǎn)光燈控制系統(tǒng)是以離地一定高度和偏轉(zhuǎn)角度投射到地面上，結(jié)合式（1）可知投射到地面的光場(chǎng)為等腰梯形，映射過程如圖4所示。

圖4 LED發(fā)光陣列映射到地面的過程示意

設(shè)點(diǎn)陣式LED遠(yuǎn)光燈控制系統(tǒng)的LED發(fā)光陣列為M行、N列的矩形，即含有數(shù)量為M×N的LED 發(fā)光點(diǎn)。將其按先行展開，再列展開的方法和步驟確定LED 發(fā)光陣列中每個(gè)像素點(diǎn)與地面照明區(qū)域的映射關(guān)系。

按行展開時(shí)，考慮到LED發(fā)光陣列為M行，將出射角θ均分為(M-1)份，如圖5所示。

圖5 空間直角坐標(biāo)系下M行對(duì)應(yīng)的x坐標(biāo)

則各行在地面的坐標(biāo)值xi,i∈[0,M-1]表示為：

接著，再將其按列展開，如圖6 所示。求取xi,i∈[0,M-1]坐標(biāo)值處的照明寬度Li,i∈[0,M-1]，Li隨與車燈點(diǎn)光源距離di,i∈[0,M-1]的大小按一定的規(guī)律變化，可表示為：

圖6 xi坐標(biāo)位置處的照明寬度Li隨距離di的變化

式中，n2∈[0,(M-2)∕2+k]為整數(shù)。

將di代入式（1），得到對(duì)應(yīng)的光段寬度Li為：

此時(shí)xi對(duì)應(yīng)的Yi坐標(biāo)值為：

式中，n3∈[0,N-1]為整數(shù)。

至此，點(diǎn)陣式LED 發(fā)光陣列中每一個(gè)像素點(diǎn)與地面照明區(qū)域的映射關(guān)系已確定。

3.2 照明實(shí)現(xiàn)

結(jié)合上述算法，可以建立LED 發(fā)光陣列中任一發(fā)光點(diǎn)(x,y)與地面照明區(qū)域中的位置地址(X,Y)的映射關(guān)系。首先，將其按行展開，結(jié)合式（3）確定第x行在地面映射照明區(qū)域中的位置坐標(biāo)X，再結(jié)合式（4）和式（5）得到地面照明區(qū)域中第X行處對(duì)應(yīng)輸出光場(chǎng)的照明寬度L。最后，結(jié)合式（6）可以得出發(fā)光點(diǎn)(x,y)在地面第X行處對(duì)應(yīng)的Y坐標(biāo)值。同理，亦可通過上述算法反求出地面照明區(qū)域中任一位置在LED發(fā)光陣列中的映射發(fā)光點(diǎn)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證及分析

4.1 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

本文搭建的試驗(yàn)系統(tǒng)硬件實(shí)物如圖7所示，主要包括集成高分辨率LED 光源（EVIYOS）、LRS-350W 開關(guān)電源、USBCAN II FD調(diào)試分析儀、計(jì)算機(jī)。

圖7 試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

首先，LRS-350W 開關(guān)電源將220 V 交流電轉(zhuǎn)化為24 V 和12 V 直流電分別為集成高分辨率LED 光源和USBCAN II FD 調(diào)試分析儀供電，并計(jì)算機(jī)中將車載傳感器獲取到的路況信息結(jié)合ADAS 對(duì)信號(hào)進(jìn)行綜合分析和評(píng)價(jià)，確定夜間駕駛的照明需求。然后，結(jié)合式（3）～式（6），確定LED發(fā)光陣列在地面上的映射照明區(qū)域，然后動(dòng)態(tài)調(diào)整照明光場(chǎng)，輸出滿足夜間駕駛照明需求的光場(chǎng)；USBCAN II FD 調(diào)試分析儀將計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的光場(chǎng)照明需求以CAN 信號(hào)的形式傳送至車燈控制端；集成高分辨率LED光源輸出照明光場(chǎng)。

本文試驗(yàn)中選取的LED 點(diǎn)陣式發(fā)光陣列為歐司朗，它包括1 個(gè)EVIYOS 芯片和3 個(gè)透鏡組成的透鏡組。每個(gè)EVIYOS 芯片有1 024 個(gè)獨(dú)立的可尋址芯片，共有1 024（32×32）個(gè)像素點(diǎn)，如圖8所示。它是一款可配置的多像素光源，由微結(jié)構(gòu)自適應(yīng)前照明光場(chǎng)系統(tǒng)智能硅襯板組成，為高分辨率有源矩陣LED 陣列。采用表面組裝技術(shù)（Surface Mount Technology，SMT），無機(jī)械活動(dòng)部件，輸出光場(chǎng)的調(diào)整依靠LED 像素陣列的開關(guān)完成。

圖8 車燈結(jié)構(gòu)示意

4.2 系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)

本文試驗(yàn)臺(tái)架離地高度h=76 cm，車燈向下偏轉(zhuǎn)角度β=π∕12，基于此，求取LED 照明陣列在地面的映射照明區(qū)域。

首先，采集試驗(yàn)臺(tái)架與車燈發(fā)光源的距離d，以及對(duì)應(yīng)輸出光場(chǎng)區(qū)域邊長(zhǎng)L的數(shù)據(jù)，對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并借助MATLAB數(shù)學(xué)工具進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，求取邊長(zhǎng)L隨距離d的放大系數(shù)k，如圖9所示，擬合后數(shù)學(xué)關(guān)系為：

圖9 數(shù)據(jù)擬合的函數(shù)圖像

基于式（1），考慮到實(shí)際工程測(cè)量中的誤差，分析得出式（7）中的-0.166 7 為測(cè)量過程產(chǎn)生的誤差擾動(dòng)量，將誤差擾動(dòng)量消除后得到對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系表達(dá)式為：

式中，L為對(duì)應(yīng)輸出光場(chǎng)區(qū)域邊長(zhǎng)；d為距車燈發(fā)光源的距離。

再結(jié)合式（2）和式（3）可以求解出LED 發(fā)光陣列的出射角θ：

4.3 點(diǎn)陣式LED遠(yuǎn)光燈控制策略的實(shí)現(xiàn)及仿真研究

4.3.1 點(diǎn)陣式LED遠(yuǎn)光燈控制策略

首先對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)，求取車燈照明區(qū)域隨距離的放大倍數(shù)。然后由車燈所在的實(shí)際高度和偏轉(zhuǎn)角度，結(jié)合本文的點(diǎn)陣式控制算法，確定點(diǎn)陣式LED遠(yuǎn)光燈的點(diǎn)亮狀況與照明光場(chǎng)的映射關(guān)系。最后，在試驗(yàn)環(huán)境下搭建相應(yīng)的試驗(yàn)系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)中基于VC++建立上位機(jī)界面，依據(jù)映射關(guān)系對(duì)集成高分辨率LED 光源（EVIYOS）中LED 燈珠的亮滅狀況進(jìn)行控制，借助USBCAN II FD 調(diào)試分析儀，將計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的控制命令以CAN 信號(hào)的形式傳送至車燈控制端；LED 光源（EVIYOS）輸出照明光場(chǎng)。所提出的控制策略流程如圖10所示。

圖10 點(diǎn)陣式LED遠(yuǎn)光燈控制策略流程

4.3.2 仿真研究

選用MATLAB 作為仿真工具，編寫M文件，將本文算法轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的代碼進(jìn)行仿真。

將點(diǎn)陣式LED 遠(yuǎn)光燈控制算法確定的照明區(qū)域中的發(fā)光點(diǎn)打印輸出，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的光場(chǎng)變換，輸出斑馬線和數(shù)字-3，輸出的仿真結(jié)果如圖11、圖12所示。

圖11 斑馬線的輸出仿真效果

圖12 數(shù)字的輸出仿真效果

如圖11a 和圖12a 所示，投影至墻壁上的光場(chǎng)具有非線性畸變的特點(diǎn)，而通過本文的控制算法輸出控制命令至控制器，投影輸出至地面的光場(chǎng)如圖11b 和圖12b所示，該仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制算法的有效性。

4.4 驗(yàn)證結(jié)果分析

在上述試驗(yàn)環(huán)境下，采用本文控制算法，分別針對(duì)不同情況下的點(diǎn)陣式LED 遠(yuǎn)光燈進(jìn)行測(cè)試：包括路面投射高清警告∕交互標(biāo)志（斑馬線、駕駛艙內(nèi)溫度）、照明光場(chǎng)的調(diào)整和防眩目交通場(chǎng)景的應(yīng)用驗(yàn)證。

4.4.1 路面投影交通警告∕交互標(biāo)志

針對(duì)夜間車輛行駛經(jīng)過無交通燈路口，需禮讓行人的情況，在路面投射出斑馬線，已知LED發(fā)光陣列離地高度h和偏轉(zhuǎn)角度β的情況下，計(jì)算獲得的斑馬線輸出效果如圖13所示。

圖13 投射斑馬線輸出仿真效果

由圖13a可知，垂直投射到墻壁時(shí)圖像存在一定畸變，短且傾斜；由圖13b 可知，投射到地面時(shí)，圖像線性度較好，無明顯失真和畸變現(xiàn)象。

針對(duì)車前照明光場(chǎng)的靈活調(diào)整，投射出簡(jiǎn)單的數(shù)字，計(jì)算獲得的數(shù)字輸出效果如圖14所示。

圖14 投射簡(jiǎn)單數(shù)字輸出仿真效果

由圖14 可知，投射到地面的效果圖無明顯失真和畸變現(xiàn)象。

4.4.2 照明光場(chǎng)的調(diào)整和防眩目交通場(chǎng)景的應(yīng)用驗(yàn)證

針對(duì)當(dāng)前車輛夜間照明形式單一，行駛過程中遠(yuǎn)光燈產(chǎn)生炫目，易引發(fā)交通事故的情況。計(jì)算機(jī)模擬ADAS 系統(tǒng)，感知周圍環(huán)境，獲取對(duì)向行人和駕駛員的位置信息，再由計(jì)算機(jī)按照上述控制算法動(dòng)態(tài)調(diào)整照明光場(chǎng)，輸出滿足夜間駕駛照明需求的光場(chǎng)，并通過USBCAN II FD調(diào)試分析儀將光場(chǎng)照明需求以CAN信號(hào)的形式傳送至車燈。用鏡子代表夜間駕駛時(shí)對(duì)向行人及駕駛員面部所在位置，試驗(yàn)結(jié)果如圖15 所示。由圖15可知，夜間光場(chǎng)調(diào)整后，處于對(duì)向行人及駕駛員面部位置的燈光被消除掉，表明采用本文的控制方法能夠使對(duì)向行人和駕駛員避免直接面部照射，實(shí)現(xiàn)了防炫目的需求。

圖15 防眩目光場(chǎng)調(diào)整示意

在上述防眩目交通場(chǎng)景的應(yīng)用的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整照明光場(chǎng)，輸出規(guī)則圖形，如圖16所示。

圖16 車前光場(chǎng)調(diào)整示意

由圖16 可知，本文的控制算法可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整車前照明光場(chǎng)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)防炫目的需求。

5 結(jié)語

本文針對(duì)點(diǎn)陣式LED 遠(yuǎn)光燈，提出了基于不同路況和周圍環(huán)境的點(diǎn)陣式LED 遠(yuǎn)光燈像素級(jí)控制策略，在保證點(diǎn)陣式LED 遠(yuǎn)光燈正常照明的前提下，通過對(duì)輸出光場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整與控制，實(shí)現(xiàn)了在路面上投射常見的高清警告∕交互標(biāo)志，并對(duì)防眩目交通場(chǎng)景進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。結(jié)果表明，該算法可精確調(diào)整車前照明光場(chǎng)，提高了夜間駕駛的安全性，改善了夜間駕駛的環(huán)境舒適度。