汽车自适应前照灯控制系统的设计＊

郭 海，闻士硕，董高越，陈佩江

（临沂大学机械与车辆工程学院，山东 临沂 276002）

汽车前照灯自适应控制系统是现今汽车电子产业的必然产物，它通过对车速、方向盘转角信号的采集然后进行数据分析，从而实时调整两侧大灯的照射范围，使得灯光与汽车的前进方向始终保持一致，使驾驶员有更为合适的视野范围，确保了驾驶员在任何时刻都拥有最佳可见度，大大提高了夜间行车的安全[1]。汽车自适应照明系统目前正处于迅速发展时期，国内研究尚处于起步阶段，基础理论还不完善，这给研究工作带来很大的机遇和挑战。本项目针对传统汽车照明系统光型单一、无法进行故障预知、安全系数不高的现状，整合了全车灯光系统，设计了一种自适应的照明系统。以最简单的方式实现了汽车的低成本、智能化照明。

1 汽车自适应前照灯控制系统的总体设计

汽车自适应前照灯控制系统主要由获取必要汽车行驶信息的各传感器（包括车速和方向盘转角等）、信号采集处理电路、驱动电路、执行电机等部分组成[2]，系统主要可分为以下几个模块，如图1 所示。

图1 自适应前照灯控制系统的结构

前照灯控制模块主要包括调整灯光左右随动的步进电机。AFS 主控制器包括微控制器、信号处理电路、电机控制电路、指示部分电路及开关电路。传感器模块包括速度传感器模块和方向盘转角处理模块。

1.1 汽车行驶速度测量电路设计

根据霍尔传感器的工作原理，为让霍尔集成电路起传感作用，需要用机械的方法来改变磁感应强度。用一个转动的叶轮作为控制磁通量的开关，当叶轮叶片处于磁铁和霍尔集成电路之间的气隙中时，磁场偏离集成片，霍尔电压消失。于是可把霍尔传感器安装在汽车的后轮上，以实现对汽车行驶速度的测量。

为了保证汽车车轮转动的圈数和强磁材料转动的圈数相同，把霍尔传感器安装在汽车车轮中间轴承上不旋转的部分，而在车轮的轮毂上安装强磁材料。这样安装后强磁材料就会随着汽车车轮一起转动，每当强磁材料转过一周后霍尔元件的磁阻就会发生变化，由于霍尔传感器的磁阻发生了变化，就会使霍尔传感器的信号线输出也发生变化。

传感器无脉冲信号时为低电平输出，当汽车车轮转动一周时传感器就会产生一个脉冲信号，例如在主控制器的一个计数周期内，通过脉冲信号的数量进而确定车轮转动的的圈数，若产生N个脉冲信号，则汽车转动的圈数为N，又已知汽车车轮半径为R，通过公式可得汽车车轮转动一圈的时候汽车前进的距离L0=2πR。所以在一个计数周期内汽车转动N转，则前进距离LN=2NπR。根据以上数据即可计算出汽车的轮速V=2NπR/T。

1.2 方向盘转角信号的采集电路

采用电位器模拟转角信号，模拟信号均为0～5 V线形变化电压信号，这就需要进行AD 转换，本系统用PCF8591 是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bitCMOS 数据获取器件。

PCF8591 具有单电源，工作电源电压为2.5～6 V，低待机电流，通过12c 总线串行输入/输出，地址由3个硬件地址引脚决定，采样率由12c 总线速度决定，给出4 个模拟输入，可编程为单端或差分输入、可选择自动递增通道、模拟电压范围从Vss到Vdd、片上跟踪和保持电路、8 位逐次逼近A/D 转换、一个DAC 模拟输出的特性信号采集电路图如图2 所示。

图2 方向盘转角信号的采集电路

1.3 控制电路的设计

基于系统架构，设计了电机旋转角度控制系统硬件平台。控制器主要负责控制电机驱动器、CAN 总线以及旋转角度感器，控制芯片为MC9S12XS128，该控制器内部集成了CAN、LⅠN 双总线收发器以及12 位精度ADC 转换器，主频达到90 MHz，完全能够满足系统的需求。为了增强系统的兼容性，降低车身线束复杂程度，旋转角度控制系统的数据传输使用CAN 总线实现。对电机旋转角度测量的采用MURAT 公司的防尘型旋转角度传感器SV01A103。SV01A103 的测量范围为0°～360°，输出信号为0～5 V 模拟量。电机驱动模块采用7TPSM4220 集成微型步进电机驱动器，该步进电机驱动器可同时驱动两路步进电机[3]。

转向自行机构系统电路结构图如图3 所示。

2 自适应前照灯系统的控制策略

自适应前照灯的工作原理是：在车辆经过弯道或变更车道等情况下，需要观察车辆即将经过地区的路况时，MCU 通过采集汽车的行车速度和方向盘转角的变化，判断是否需要对前照灯进行水平调节，并进一步计算出两灯在左右方向上的调节角度，然后转换成各步进电机运动状态控制参数，步进电机按照参数进行运动，从而完成对灯光的调节[4]。

当车辆遇到前方发生事故，前车突然变道或转向等紧急状况时通常需要驾驶员紧急制动来解决，自适应前照灯系统可以采集车辆方向盘旋转角度、汽车速度等一系列车辆数据来计算车辆灯光的偏转角度，使驾驶员可以更好地观察路面情况，从而满足车辆应对紧急状况的需要。

2.1 前照灯转弯水平方向偏转模型设计

前照灯转弯水平方向偏转模型如图4 所示。

由圆弧长公式和前照灯转弯水平方向偏转模型图中的几何关系可得L=2Rφ，其中L为圆弧长[5]。

由转弯时系统的照明要求可得：

式（1）中：V为车速；t为反应时间；S为制动距离。

转弯半径为：

式（2）中：L轴为汽车轴距；β为车轮转过角度。

方向盘和车轮转角的关系为：

式（3）中：K为转向特征系数；α为方向盘转角。

可得φ=sin（Kα）（Vt+S/2L轴）。

此表达式即为计算前照灯转向转角的经验公式，也是前照灯左右随动转角控制策略的重要依据。

2.2 水平转弯模式补偿算法及程序实现

系统检测到汽车的转向盘转动，则判断汽车进入水平转弯模式的时候，此时通过汽车转向盘转动角度和汽车的速度计算出自适应前照灯的补偿角度，随即调整前照灯执行左右转动模式，使得自适应前照灯系统实现弯道内侧水平方向盲区补偿，水平方向角度补偿算法程序流程如图5 所示。

图5 水平方向角度补偿算法程序流程图

3 结束语

本文研究了汽车弯道自适应照明系统的控制原理，建立了AFS 系统的数学模型，并给出了系统的总体设计方案。汽车自适应前照灯对于改善夜间弯道灯光利用效率差、夜间经过弯道存在盲区等问题有着很大作用，对于今后AFS 的研究有着重要意义。

中国的AFS 系统还存在很大的发展空间，有很多方面需要改进。可以从以下2 点进行优化升级：利用LED 灯进行灯光的照射范围调节，以适用于不同道路的灯光要求，如乡间小道、高速公路等；利用GPS 的定位系统完成信息采集，再根据目的地的导航做到全自动自适应前照灯。