汽车前照大灯应用发展探讨

梁健龙 梁立君,2 陈然 谢奕翔 马海伦 周磊 罗德智 关圳

1天津工业大学电气工程与自动化学院，天津300387

2天津工业大学大功率半导体照明应用系统教育部工程研究中心，天津300387

0 引言

汽车前照大灯一般指安装于汽车头部两侧，用于夜间行车时提供照明的一种装置，可以扩大司机的视野范围，提高驾乘人员以及行人安全。社会的发展与进步对汽车厂商制造的前照大灯提出了更加严苛的设计使用要求，既要有良好的照明范围满足配光要求、避免使迎面来车驾驶员产生眩光，又要安全、节能、可靠。汽车作为高科技融合的一种产物，先进性、智能化程度越来越高，汽车前照大灯的技术水平往往代表着一款汽车的安全性和品质如何提供更加安全可靠、节能舒适的前照大灯系统，是未来业界继续研究的重点。汽车前照大灯一般集成了远光灯、近光灯、转向灯、日行灯、示宽灯、雾灯光源系统中的两种或多种，而设计师对车灯的设计也日趋个性化、一体化，极大地提高了汽车品牌的辨识度。

1 光源的应用与发展

汽车前照大灯使用的光源类型大致历经了白炽钨丝灯、卤素灯、氙气灯、LED灯。白炽钨丝大灯应用最早，由于受当时汽车电气设备系统的制约，直到1925年才在汽车上广泛应用，目前已被淘汰使用。卤素大灯和氙气大灯技术成熟、应用广泛，卤素大灯种类较多，其中H1、H2、H3是汽车主要光源，H8、H9、H11是新型卤钨汽车光源的代表，它们在灯具内定位更精确。氙气大灯发光强度大，相关色温更高，可为驾驶员创造更好的视觉条件。LED光源凭借节能、体积小、寿命长等诸多优点发展迅速，其在中高端汽车上应用较多。继LED大灯后，有学者预测激光灯为前照大灯未来应用的新方向，它拥有LED绝大部分的优点，相比之下体积更小，可大幅度减小汽车大灯的设计尺寸，但目前在汽车大灯上的应用极少。几种光源类型的对比见表1[1-2]。

表1 汽车前照大灯光源类型

传统灯具发热量非常高，但波长和光通量相对稳定，受温度的影响较小；LED大灯目前虽然应用较多，但LED光源受温度影响较大，随着PN结结温的升高，会引起发光效率下降、色温漂移，直接影响汽车大灯的可靠性。汽车前照大灯光源的发展与应用助推了汽车车灯设计的多样化、智能化，这为设计师们提供了更多可能，汽车前脸的设计将产生革命性变化。随着新能源汽车的应用与发展，对大灯的光源选择也提出了更高的要求，需要更加节能环保的光源，以降低汽车能耗，提高续航里程，这也助推了LED前照大灯、激光前照大灯的研究与应用。

2 汽车前照大灯技术的应用与发展

由于道路环境复杂，受自然天气影响较大，特别是大雾、雨雪、沙尘天气，夜晚黑暗环境下高速路段、弯道路段、路口及多路口路段等都需要可靠的汽车照明。现今汽车前照大灯的发展除了满足功能性照明、提高安全降低交通事故率外，已逐步向更加安全舒适、智能可靠、提高驾乘体验方向快速发展。然而，自适应前照灯系统(AdaptiveFrontLightingSystemAFS)是目前在车灯照明上应用较多的一种技术[3-4]，它能够根据不同的天气条件、道路情况、道路几何状态、车流密度等，来改变光照的形状、相对强度以及照射的方向[5-6]。如前照灯弯道自适应技术、矩阵式 LED大灯光束自动调节技术、防炫目前照大灯自动调节技术等。AFS系统的使用不单单是为了实现智能化、方便驾驶，更主要的是出于安全考虑，以便应对复杂的道路交通环境。

2.1 机械式前照灯系统

传统的前照大灯只有一种灯光模式，且只能满足行车时的基本照明要求，由手动开关开启、关闭。随着技术的进步，传统前照大灯逐步发展为机械式前照大灯灯光系统，包含了远光和近光照明，通过手动旋钮、拨片方式可开启并调节远近光灯的变化，但没有自动辅助照明控制系统。目前，市面上大部分汽车的前照灯系统都是手动机械式前照灯系统。

2.2 传感器前照灯系统

系统主要由不同传感器组件、ECU (大灯照程调节控制单元)、执行器 (灯光调节电机)三部分组成。传感器包括车速传感器、车身高度传感器、方向盘转角传感器、雨量传感器、光敏传感器等，系统根据行车数据、外界天气变化等信息自动调整，车辆传感器会监控这些变化并启动灯光自动控制，将前照灯的灯光调整成远光、近光或者适合转弯时的灯光[7]，提高照明范围，扩大司机视野。

2.3 车载红外前照灯系统

系统通过车载红外夜视仪，将夜间汽车前方道路上的目标与背景相应地转化为灰度图像信息，由灰度值的大小反映视觉场的信息。根据热成像技术获得同一时间和空间的目标，以及背景在图像坐标系中的相对位置，并通过检测与识别技术对道路中的行人和动物进行识别[8]，进而调节前照大灯照射范围，实现灯光变换或为司机提供提前预判、警告行驶过程中存在的潜在危险等。系统还可辅助使用导航系统、GPS定位信息提前识别行驶路线，提前优化照明角度进而有效扩大照明范围，扩大驾驶员夜间的视野，提高安全指数。

2.4 毫米波雷达与车载相机前照灯系统

系统融合了毫米波雷达和图像的联合识别策略，可实现不同天气、光线条件下的多目标识别，提升智能前照大灯系统对夜间前方行车、路牌、车道线的识别率，提高智能前照大灯系统的实时性、可靠性。系统总体分为三个部分：输入模块、处理控制模块、执行模块。输入模块包括毫米波雷达、相机，用来获取原始数据；处理控制模块包括ARM平台的CPU、GPU，以及FPGA模块；执行模块主要包括前照大灯系统。系统采用 CAN总线完成毫米波雷达与系统之间的通信、千兆以太网将图像数据传送给处理系统，车载相机获取外界行车环境信息，雷达获取前方车辆、物体的位置与信息，来自动控制汽车前照大灯灯光系统以实现安全驾驶。雷达和图像识别的联合判别策略，可实现在夜晚模式的远距离识别，系统可单独或同时开启毫米波识别和视觉识别，来提高系统的识别速率，通过对目标的有效识别和跟踪，完成前照大灯远近光的调节、光型以及光线照射方向的变化。

2.5 矩阵式激光前照灯系统

系统设计思路来源于矩阵式LED大灯，由激光二极管和数字微反射镜装置 (Digital Micromirror Device DMD)构成矩阵式激光大灯。该装置有百万个微反射镜，且每一个可进行单独寻址[9]。融合了多种传感器技术的矩阵式激光大灯，当传感器检测到外界环境的变化时将采集到的信息转化为数字电压信号，利用数字电压信号寻址控制微型反射镜执行机械转动，实现对光线的控制，最终输出最适合的照明光型方案。从技术层面来看，在应对复杂多变的道路环境时，DMD技术可以让矩阵式激光大灯拥有无限种可能的光型输出方案，是一种空间光调制技术，未来应用潜力巨大。

3 改善方向

目前，汽车前照大灯光源和AFS技术仍存在许多不足之处，针对突出问题提出两点改善方向：

（1）LED汽车大灯虽然目前应用广泛，但故障率较高，结构、工艺，特别是散热问题亟待解决；

（2）会车时如何有效解决前照大灯产生的眩光问题是智能辅助系统应进一步研究的重点。

4 总结与展望

前照大灯远近光的切换、灯光照射角度的调节、转弯时辅助光源系统的启用、远近光光型的变换都是汽车前照大灯智能化的体现。LED技术的发展极大地推动了智能化功能在汽车前照大灯系统上的实施应用。随着国内大数据、先进传感器的应用，以及5G的发展与普及，万物将实现物联，车与车之间、车与灯杆之间、车与监控之间将实现信息的共享与交换，更好地了解交通、天气、路况信息。到时汽车前照大灯系统将集成各种先进传感器、灯光系统、控制系统，创新性地实现照明与光型的自适应控制输出，适应复杂多变的驾驶环境，将汽车前照大灯照明带入数字化照明时代。