基于汽车自适应前照明系统设计与实现

韩风

摘 要：主要讨论汽车自适应前照明系统设计与研究。在对AFS系统现状及相关法规对AFS的规定进行分析说明的基础上，阐述了在C、V、E、W几种不同照明条件下的试验方法以及配光要求，以汽车前照灯照明需求为依据完成了自适应前照灯系统控制模型的构建，并在此基础上完成了一种自适应前照灯控制系统的设计，实验测试结果表明该控制模型具有较高的控制精度，可有效满足车辆对自适应前照明系统的控制需求。

关键词： 汽车前照灯; 照明系统; 设计分析; 控制模型

中图分类号： TP 391.9

文献标志码： A

Abstract： This paper mainly discusses the auto adaptive front lighting system design and research. Based on the current situation and relevant laws and regulations on AFS， this paper expounds different lighting requirements and test methods under the C， V， E， W conditions. Based on automobile headlamps lighting requirements an adaptive headlamps system control model is built， as well as the design of the control system of the adaptive headlamps. Experimental test results show that the control model has high control accuracy， can effectively meet the vehicle adaptive front lighting system control requirements.

Key words： automobile headlight; lighting system; design analysis; control model

0 引言

随着经济社会的快速发展，在人们生活水平逐渐提高的基础上，汽车的保有量在呈不断上升的趋势，导致交通环境越来越复杂，交通事故频频发生，直接影响到人们的生命财产安全。在众多的交通事故中，夜间行驶汽车很容易由于光线问题而发生交通事故，而光照主要由汽车前照灯所负责，在路况比较复杂的状态下，传统的汽车前照灯设计还不能够完全满足汽车的安全行驶。如何设计并完善汽车前照明系统以提高驾驶的舒适性和安全性仍然是目前研究的重点之一[1]。为此本文主要对汽车前照灯自适应系统进行了研究。

1 需求分析

安全是车辆行驶过程中的首要需求，一个先进、有效的前照灯已经成为保证驾驶人人身安全及汽车安全的必要前提，隨着交通环境的日益复杂多变，传统的汽车前照灯必须进行优化与完善，从而产生了可以对汽车行驶状况自动匹配的新型前照灯，在现今技术的支撑下使汽车的安全系数得到显著提升。汽车自适应前照灯可以根据车辆运行参数，对光线进行适当调整，满足驾驶员夜间行驶的安全需求，在确保汽车夜间行车安全方面起到重要作用。汽车自适应前照灯相关研究已经取得了一定的成果，根据模型种类的不同，自适应前照灯控制研究可以分为关系模型，主要以前照灯转角和车辆运动参数进行建立。通过微型相机对路况进行分析，对光照进行实时调整2类;根据不同的执行机构可分为：通过步进/直流电机对车灯旋转进行驱动、通过数字反光镜阵列的使用改变光型、通过LED阵列调整光型3类。目前的研究主要以汽车自适应前照灯控制策略为主，缺少对整个系统的研究及对应的实际设计和验证[1]。在环境恶劣或夜间行驶的车辆，自适应前照灯能够起到一定的安全保障作用，为此本文从系统整体角度出发，结合照明的舒适性以前照灯照明需求为依据（包括照明范围与强度），完成了一种自适应前照灯控制系统的设计（基于车辆运动参数），可有效提高控制效果。

2 汽车自适应前照灯系统照明模式及配光试验

本次研究的汽车自适应前照灯系统主要由执行器、传感器组、CAN总线和控制单元ECU构成，汽车行驶过程中一旦遇到路面凸凹不平或转弯时，控制单元ECU会通过传感器对车辆的车速信息、转角信息、倾斜程度等相关信息进行收集，根据所收集到的信息来相应的判断并且进入灯光调试执行阶段。

2.1 自适应前照灯系统照明模式

（1） 乡村照明模式（C），该类照明模式采用较普遍，在本质上同常见的近光灯类似，该模式常在乡间道路行驶中使用。 （2） 高速公路照明模式（E），由于汽车在告诉上行驶速度比较快，导致驾驶员的反应时间会延长，对前照灯性能的要求较高。而自适应前照灯系统的照明光线具备长远且宽广的优势，所以在高速行驶过程中也不叫适合。 （3） 城市道理照明模式（V），在城市交通中，交通状况比较复杂，相对于乡村道路来讲，城市路面照明更加完善，汽车自适应前照灯系统能够有效满足行车复杂性及限制车速情况下的照明需求，对驾驶员来说，范围广光线足的前照灯可为驾驶员提供足够的视野，同时有效避免了眩光等的影响。（4） 恶劣天气照明模式（W），该模式主要运用于雨雪天气，视线状况不佳的情况或者道路上有雨水沉积，由于路面积水会形成光线反射，所以很容易影响驾驶员视线，难以及时分清路面状况，易引发交通事故，AFS系统能够产生特殊的光针可有效缓解积水反射导致的光眩感。（5） 弯道照明模式（T），AFS的前照灯可根据汽车方向的变动情况发生改变，进而能够有效清除视野盲区，经过弯道时通过传感器收集的数据完成对相关近光灯和其它灯光的控制（如补充执行光线），达到预期照明效果[2]。

2.2 配光要求及试验

针对自适应前照灯系统，本文主要针对不同近光的配光方法及环节进行了研究，（1） 配光试验设备，本文选用了全自动灯具配光分析系统GO-H1400，在对系统测试时可以将灯具放在转台上，保证监测360度无死角，工控机接收到由照度传感器采集的信息后据此实现灯具角度、电源等的调整过程。（2） 配光测试要求，以ECER123/01的配光试验屏幕图为例，如图1所示。

为确保测量范围的精准，测量点与测量线存在一定的差异。不同级别的近光通常对应不同配光要求：基础近光（c光），不同于其它的近光如v级近光，该光多出现在城市道路中。车辆多行驶于具有照明设备的区域道路上，车速通常小于等于60千米/h;对比E级近光，这种近光大多会出现在高速公路上，而且车速会大于70千米/h。对比W级近光，该近光主要适用于雨天，对于75R和Emax要求更严格，确保对驾驶人员带来最小的影响。在对不同级别的近光进行调整时，前照灯主要由步进电机和光学投射单元两部分构成，实现灯具角度的360度旋转[3]。

2.3 配光测试流程

在进行测量时需要结合弯道照明模式的类型来确定模式，对最大照度进行测量，如表1所示。

然后与表1进行测量结果对比，对光的明暗是否符合要求进行判断。（1） 灯具照准，先将灯具放置在转台上进行照准，当灯具的基准中心与转台相对应后在进行固定，为了确保对数据进行准确收集，投射是要对准基准部位，当一次信息采集完成之后再进行下一次采集，然后与标准值进行对比，结束该流程。（2） 近光明暗截止线的照准要求，先将系统设置为c级近光，确保截止线的左侧和右侧分别表现为平直部分和肘扁部分;垂直校准，将H-H固定为下部25 mm，由截止线定位该位置;然后进行水平校准。完成配光校准流程结后开始对测试程序进行编写，测试程序主要由范围、线、点三个配光值构成，AFS前照灯测定数量时按照套进行（即数量可以为4），测量前照灯时需遵循标准微：分别测量适用该照明功能/模式的全部照明单元，最终测试结果只需取平均值。软件测试分为全屏扫描、完全呈现各单元的可照角度两个环节，采用軟件完成各出现点的配光值的计算（结果通常为拟合值）。检测系统某个部件光源时需保证两侧电压达到12伏，实际测量时不可偏离数值太多（及时对个别系数做调整）。在测量值与标准值存在较大差异的状况下，需要对灯具进行调整。对于无法更换的光源需采用标准或规定电压[4]。

3 汽车自适应前照明控制系统设计

3.1 汽车自适应前照明系统控制模型

（1） 控制算法

驾驶员在实际交通环境中需要一定的反应时间（由T0表示，本文T0取值为3 s），以避免意外情况的发生，即车灯能照亮3 s内走过的距离。转向内侧大灯转向角及转向外侧大灯转向角的表达式分别如下[5]。

（2） 系统开关条件

转动方向盘到某一角度时通常以此位置为中心左右波动，需系统功能的开关具有滞回特性，从而有效克服由方向盘微小波动导致的系统频繁开关，本文选取的系统开、关条件为：开启速度>8 Km/h，关闭速度<6 Km/h，开启方向盘转角大于7°，关闭方向盘转角小于5°，开启倾角大于0.3，关闭倾角小于0.2，水平方向旋转最小角度大于0.1°，垂直方向旋转最小角度大于0/05°。

3.2 系统设计

3.2.1 硬件设计

系统硬件主要由传感单元（包括速度、方向盘转角、车身前后轴高度等传感器）、ECU和执行3个单元构成，如果采用大功率的点击驱动模块很容易对系统总线造成破坏，因此将驱动板和主控板分开并使用CAN网络交换信息，以确保系统总线的安全。控制系统先对参数进行初始化，根据传感器采集的数据（通过主CAN网络）获取车辆运行参数，再由ECU将计算获取的前照灯转角发送到次CAN网络，驱动控制器会通过闭环的方式，使前照灯到达指定位置。

（1） ECU模块设计，主控板由MCU最小系统、CAN收发、电源等模块构成，驱动板主要由步进电机驱动、MCU最小系统、CAN收发、电源、系统保护等模块构成。将TLE4270作为电源模块，CAN收发采用TJA1050，分别采用MC9S12XET 和MC9S08DZ60作为主控板和驱动板的MCU，选用能实现故障编码化的L9935作为步进电机驱动器。（2） 系统失效保护电路，在汽车实际工作环境中，系统电源异常、步进电机产生的异常、采集数据失效2类是比较常见的系统失效形式。系统失效保护电路可以对电源反接造成的损害进行阻止，使用能够检测异常情况的驱动芯片L9935可有效解决步进电机过载、过流、过压、过热等突发状况，L9935可向MCU发送错误编码（通过SPI总线）。采用反馈方法减小累积误差 [7]。

3.2.2 系统软件设计

主控板软件主要由CAN总线自检、系统初始化、传感器信号采集、转角计算和发送几个模块构成，先检测系统及CAN总线，在系统出现故障情况下向仪表盘发送故障代码，系统正常工作情况下对系统进行初始化处理后进入信号采集状态，方向盘转角、车辆前后轴高度、速度的采集过程一致，通过对传感器数据采集时间的限制能够有效避免数据采集失败造成的系统持续等待问题;通过控制模型根据采集到的经验证无误的传感器数据，对前照灯转动角度进行计算，然后通过CAN总线发送到驱动板，同时接收驱动板反馈信号，驱动板驱动前照灯到指定位置。

3.3 系统验证与评估

本文采用基于虚拟场景的验证平台对自适应前照灯控制系统的控制策略进行验证和评估，通过测试系统转角的理论值和实际值间的误差评估控制精度，由虚拟交通场景系统和信号输入系统构成控制策略评估平台，虚拟车辆以输入的信号为依据在虚拟道路上进行行驶，由外部控制器输出对虚拟车辆的灯光偏转进行控制;对比系统转角的理论值和实际值间的误差同系统性能指标要求间的差距测试汽车随动转向控制系统精度。水平方向转角试验结果（左转弯时左灯的测试数据），如表2所示。

测试结果表明系统最大转向误差不超过0.15°，实际转角同理论转角基本相符，符合技术参数要求[8]。

4 总结

随着汽车前照灯相关技术研究的深入，汽车自适应前照明技术逐渐发展完善起来，本文在介绍了不同照明条件下的试验方法以及配光要求的基础上，主要完成了自适应照明系统的设计，建立起车辆运动参数同前照灯转角间的关系，给出了一种针对前照灯自适应控制策略的评估平台（基于虚拟场景），并通过所设计的系统控制精度验证平台验证了该自适应前照灯控制系统的实用性，可有效满足汽车在光照不足情况下的安全行驶需求。

参考文献

[1] 罗德智，牛萍娟，郭云雷，等. 汽车前照大灯智能化的现状与发展[J]. 照明工程学报， 2017（5）：72-78.

[2] 孙晓娜，武华堂，陈萍，等.汽车用自适应前照明系统标准解读与分析[J].光源与照明，2019（3）：39-43.

[3] 王琼，李家侃，孙保群，等. 基于安全视距和PD控制的汽车前照灯随动控制策略的研究[J]. 汽车技术， 2016（3）：59-63.

[4] 孟昭军，魏生越，张祥军，等. 汽车智能LED前照灯照明系统算法研究[J]. 灯与照明， 2015（1）：30-33.

[5] Liu Junfeng， Cheng Ke， Zeng Jun. A novel multi-sensors fusion framework based on Kalman Filter and neural network for AFS application[J]. Transactions of the Institute of Measurement， 2016（9）：1049-1059.

[6] Zhenhai Gao， Yang Li， Hamid Reza Karimi. A Study of Bending Mode Algorithm of Adaptive Front-Lighting System Based on Driver Preview Behavior[J]. Mathematical Problems in Engineering， 2016（8）：136-149.

[7] 王志洪，邵毅明，曹初. 一種汽车自适应前大灯控制系统的控制方法[J]. 科学技术与工程， 2017（34）：1036-1039.

[8] 曹晴晴，丁志中. 基于二自由度的车辆AFS系统建模与仿真[J]. 电子测量与仪器学报， 2018（4）：447-453.

（收稿日期： 2019.08.24）