汽车自适应前照灯系统的研究

张一西，凌子红，张星月

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）



汽车自适应前照灯系统的研究

张一西，凌子红，张星月

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

摘 要：针对传统汽车照明系统行驶无法调节照明角度、在弯道内侧易出现盲区等问题，提出了一种前照灯弯道自适应照明系统。以汽车安全刹车距离为有效照明的判断依据，建立前照灯水平方向偏转的数学模型，得到车速、方向盘转角与前照灯水平偏转角度间的关系，并对系统硬件部分进行了选择，给出了汽车AFS系统的控制策略。

关键词：自适应前照灯系统；软硬件设计；控制策略

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.04.031

CLC NO.: U463.9Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)04-92-03

引言

汽车前照灯系统是汽车上最重要的主动安全设备之一[1]，而传统的前照灯系统存在着照明光光型单一、无法根据实时路况来调整照明角度、弯道行驶时弯道内侧存在照明盲区等缺陷。基于上述问题，出现了一种汽车自适应前照灯系统（AFS），通过综合利用各种传感器技术，采集路面上的各种信息，自动控制前照灯进行实时动态的光照调节，显著提高了行车安全性[2]。

1、AFS系统组成

如图1所示，为汽车AFS系统结构图，汽车AFS系统硬件部分主要由AFS控制模块、传感器模块以及执行机构等组成。

图1　汽车AFS结构图

系统的工作原理为：启用AFS系统后，当汽车进入弯道或在其他情况下进入转弯模式时，通过安装在汽车上的各种传感器，实时采集车速、方向盘转角、光照信号等[3-4]，输入系统的控制单元，其通过内置的控制算法计算出此时前照灯应偏转的角度，最后向步进电机发出执行命令，完成角度偏转，满足弯道自适应照明的需求。

2、汽车弯道自适应系统建模

汽车安全刹车距离（包括反映距离和制动距离）是判断前照灯有效照明的一个很重要的指标，当前照灯的有效照明能覆盖到汽车安全刹车距离的时候，就认为驾驶员有足够的视野和刹车时间来使汽车急停而不发生碰撞[5]。

如图2所示，为汽车弯道行驶时水平方向偏转模型，由此得前照灯水平方向偏转角度、转弯半径、安全刹车距离间的关系：

图2　汽车转弯水平方向偏转模型

式中：S为汽车安全刹车距离（m）；L为制动距离（m）；v为车速（km/h）；t为反应时间（S）；R为转弯半径（m）；α为前照灯水平方向偏转角度（°）。则：

又由图2，得转弯半径与车轮转角间有：

式中θ为车轮转角，D为轴距。且方向盘转角与车轮转角之间成一定比例关系：

δ为方向盘转角，K为比例系数。由此得前照灯水平方向偏转角度计算公式为：

3、系统硬件设计

3.1 传感器

汽车AFS系统传感器模块主要包括车速传感器、方向盘转角传感器和光敏传感器。

车速传感器分为电磁式、霍尔式和光电式[6]，用来采集当前车速信号。光电式车速传感器输出为6~8V的脉冲信号，信号的频率与车速呈正相关，通过传感器自身得到频率变化信号，直接查表便可得出车速，因此一般选择光电式车速传感器。

方向盘转角传感器分为脉冲式和电压式[6]，用来采集方向盘转角信号。由于电压式方向盘转角传感器的方向盘转角与输出电压成线性比例，确定输入电压后，若能得知传感器输出信号的电压量，便可得出方向盘转动的角度。此外，该种传感器的信号由控制单元的A/D（模数转换器）釆集，测量范围较大，因此选择电压式的转向盘转角传感器。

光敏传感器测得车前的能见度值输入到ECU，ECU将接收到的能见度值与系统预先存储的标准值进行对比，进一步确认前照灯是否需要被开启，从而实现AFS系统的自动开启和关闭功能。

3.2 控制单元

控制单元是汽车AFS的核心。如图3所示，为控制系统设计框图，ECU根据采集的车速信号、方向盘转角信号、光敏信号等，通过内置的控制算法计算出对应的前照灯水平方向偏转角度，驱动步进电机转动车灯。与此同时，ECU还能监测步进电机和传感器的运行状况，对步进电机和传感器进行故障诊断，通过CAN总线反馈给车身网络[7]。从AFS的控制过程可以看出，AFS控制单元由电机驱动模块、电子控制模块和信号采集模块组成，一个主控制器和两个从控制器构成了AFS的电子控制模块。采集来的车速、转向盘转角和光敏信号等高速CAN（Controller Area Network，控制器局域网络)总线信号输入给主控制器，经过复杂的控制算法和逻辑运算，得到期望的前照灯照射角度，并通过LIN(Local Interconnect Network，串行通讯网络)总线传输给左右两个从控制器，由从控制器传达给驱动电机，从而实现照射角度的实时动态变化。

图3　控制系统设计框图

3.3 执行机构

执行机构一般是由电机组成，而电机有三种，即直流电机、交流电机和步进电机。步进电机、交流电机和直流电机分别是通过脉冲占空比、交流电的相位和直流电压来调节转速的。由于步进电机能将电脉冲信号转变为线位移，并且具有动作平稳和工作寿命长等优点，所以AFS系统执行电机一般选用步进电机。

4、软件设计

汽车AFS控制系统主程序流程如图4所示。首先系统进行故障自检，若出现故障，则显示故障，若无故障则光敏传感器开始采集车前光照信号，

将车前的能见度值输入到控制单元ECU，ECU将该值与系统预先存储的能见度标准值进行对比，若大于标准值且前照灯为开启状态，则将其关闭，若小于标准值，则开启前照灯自适应装置，通过光敏传感器来实现前照灯自适应装置的自动开启和关闭功能。车速传感器获取车速信号后，系统对车速进行判断，若大于5km/h则需对前照灯实施控制，此时方向盘转角传感器获取转角信号，这些信号都输入控制单元ECU，根据预设的计算公式得到此时前照灯需要在水平方向偏转的角度。ECU向执行机构发出控制指令，驱动步进电机，从而控制前照灯偏转一定的角度。

5、总结

图4　主控制流程图

本文就汽车AFS系统的工作原理、前照灯水平方向偏转数学模型、硬件选择等方面进行了一定的研究，实现了汽车弯道行驶时，前照灯的智能调节，显著提高了行车安全性，达到了自适应的目的。随着科技的进步和人们对汽车安全的追求越来越高，汽车AFS所实现的功能也越来越多，例如借助与GPS，AFS能有效地预知即将到来的环境状况并能提前做出反应，即现有的可预见性AFS系统（P-AFS）[8]，汽车自适应前照灯系统正朝着更安全、更环保、更人性化的趋势发展。

参考文献

[1] 朱敏慧.法雷奥已经或即将实用化的汽车新技术[J].汽车与配件,2003,11(22)：88-91.

[2] 张献军,孙新普,李海方.汽车前照灯光束水平调节系统的分析[J].汽车电器,2009(8):11-15.

[3] 郑志军.带CAN总线的汽车智能前照灯系统设计[D].上海:上海交通大学出版社, 2007.8:18-22.

[4] 杨召君,朱向冰,许小晴.自适应前照灯的控制技术研究光源与照明[J].2010,6(58):19-23.

[5] 束华明,高明煜,王园园.基于单片机控制的汽车前照灯自适应系统[J].电子测量与仪器学报,2008(68):6-12.

[6] 郑志军.带CAN总线的汽车智能前照灯系统设计[D].上海:上海交通大学出版社, 2007.8:18-22.

[7] 肖红,王洪佩,高松,郎华.基于单片机控制的汽车自适应前照灯系统[J].制造业自动化,2011,8(51)：55-60.

[8] 郑志军.智能前照灯系统的发展[J].中国照明电器,2006(6):8-11.

中图分类号：U463.9

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2016)04-92-03

作者简介：张一西，就读于长安大学汽车学院。

Research on auto adaptive front light system for vehicles

Zhang Yixi, Ling Zihong, Zhang Xingyue
（Chang’an university School of automobile, Shaanxi xi’an 710064）

Abstract:In view of the traditional automotive lighting system can not adjust illumination angels, appear the blind section at the inside of the bend, put forward a headlamp adaptive lighting control system at the curve. Basing on the auto safety brake distance, a mathematical model of adaptive lighting control system was established , research the relationship between the auto speed and steering wheel angel with the lights level angel, and design the hardware of the control system, a control strategy is presented.

Keywords:AFS; design of software and hardware; control strategy.