客車用AFS偏轉規律研究

鄭堯剛 張衛波

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客車用AFS偏轉規律研究

鄭堯剛 張衛波

福州大學機械工程及自動化學院

自適應前照燈系統（AFS）能夠自動改變光線射向以適應車輛行駛條件變化，是目前國際上車燈照明領域最新的技術之一。在這一背景下，本文對自適應前照燈系統的偏轉規律進行了深入的研究，結合在廈門金龍XMQ6117Y3型號客車上的應用情況，詳細分析了自適應前照燈水平轉動和俯仰調整的規律，對自適應前照燈系統在客車上的應用具有一定的參考價值。

AFS；偏轉規律；客車

自適應前照燈系統（AFS）偏轉規律主要由左右水平轉角偏轉規律和俯仰偏轉規律2部分組成[1]。左右水平轉角偏轉規律為車輛在彎道行駛中前照燈左右偏轉角度與前內側輪轉角和車速的關系，前照燈的左右水平偏轉有利于增強彎道照明效果，消除視覺“盲區”；俯仰偏轉規律為車輛在行駛過程中，前照燈傾斜角度與車速、車身俯仰角度和車身跳動的關系，前照燈的俯仰偏轉有利于增加照射距離，提高照射強度或擴大視野，提高汽車行駛的主動安全性。偏轉規律的研究將為后續前照燈自適應控制系統的實現奠定理論基礎[2]。客車與轎車的偏轉規律的最大區別在于兩者間的前懸和軸距等尺寸的差別，在轎車上前懸相對較小可以忽略，而客車的前懸相對較大，因此客車的前懸在進行AFS系統偏轉規律分析時不可忽視。

1 AFS左右水平偏轉規律分析及模擬

本文在考慮客車前懸參數的基礎上，在實現前照燈左右轉動時，選擇前輪轉角作為輸入信號，并考慮速度信號的影響[3]。這是因為在彎道轉彎半徑一定的情況下，由于客車不足轉向的影響，導致在轉彎半徑一定的條件下，客車行駛速度越大，如果要順利轉彎的話，就必然要增加前輪轉角，從而速度信號也間接地影響了前照燈的左右偏角，它們的關系如式（1）所示

左右偏轉控制策略為使內側前照燈光軸中心線與前內側車輪轉彎半徑相切，如圖1所示，建立前照燈左右轉角與前輪轉角的數學模型，實現前照燈左右偏轉控制。外側前照燈的偏轉角度為內側前照燈偏轉角度的一半。根據阿卡曼原理建立前照燈轉向數學模型，分析內外側前照燈左右水平偏轉規律。

本文選擇廈門金龍的XMQ6117Y3型客車作為分析對象，通過MATLAB模擬前輪轉角與前照燈轉角的關系，發現前輪轉角與前照燈的偏轉角度幾乎成線性關系，因此本文假設前輪轉角與前照燈左右偏轉角度成線性關系，簡化上述的數學模型，如式（4）所示，再通過MATLAB/simulink分析2種模型的差值，驗證該線性模型的可行性。

通過比較推導模型與簡化模型之間的差值，結果如圖2所示。

圖2 推導模型與簡化模型的差值

這2種控制策略的差值很小，在前輪轉角為5°左右，其差值最大接近0.1°，而0.1°的誤差在前照燈的控制規律上是很小的，可以忽略不計。因此我們可以將式（4）簡化成關于前內側車輪轉角的一次函數。通過模擬計算得出對應本車型XMQ6117Y3的值，其大小為2.4。在忽略助力轉向功能的影響，即前輪與方向盤轉角成線性關系條件下，本文的前照燈左右控制規律為

2 AFS俯仰偏轉規律分析及模擬

當車輛的運動狀態改變時，例如：加減速、高低速行駛、后座有乘客乘坐、轉彎時都會對前照燈的照明效果產生影響[5]。在保證路前方照明的同時，避免對前方來往車輛造成炫目，這就要求車輛在動態運動過程中，自適應前照燈系統能夠根據不同的運動狀態，自動調整前照燈的俯仰角度，使其在垂向方向上維持在一定的照射范圍，例如：車輛高速行駛時，為了及時發現前方路況信息，要求前照燈角度上揚一定角度；后座有乘客或加速時，造成車身上揚，為了避免對來往車輛產生炫目效果要求前照燈角度下傾一定角度。

在保證照明的同時避免造成炫目，本文根據汽車七自由度模型，如圖3所示，分析車身跳動、俯仰運動、側傾運動及速度變化對前照燈垂直運動的影響。采用的策略是：使得客車在運動前與運動后前照燈光束照射距離一致，如圖4所示，建立俯仰運動，側傾運動，車身跳動及速度變化下的前照燈垂直運動數學模型。

圖3 七自由度模型

注：a——質心到前軸距離；d——前懸長度；Ld——前照燈安全照射水平距離；h1——前照燈安裝高度；h2——心高度; h——前照燈實際變化高度；——車身俯仰角度；——車身水平時對應的前照燈照射角度；——俯仰狀態下對應的前照燈照射角度

俯仰運動對應的前照燈俯仰調整角度數學模型：

側傾運動對應的前照燈俯仰調整角度數學模型：

車身跳動對應的前照燈俯仰調整角度數學模型：

速度變化對應的前照燈俯仰調整角度數學模型：

將上述四種工況下的俯仰調整角度數學模型進行線性相加，得出四種運動變化同時作用時對應的前照燈俯仰調整角度數學模型：

根據式（7），式（8），式（9）和式(10)建立MATLAB仿真模型，比較各個控制信號單獨作用時對前照燈俯仰調整影響的關系，仿真結果如圖5所示，為簡化控制模型提供參考。

從圖5可以很明顯地看出，車輛在動態變化過程中，俯仰運動對前照燈的調整角度影響最大，速度變化對前照燈的調整角度影響也比較大，而車身跳動和側傾運動對前照燈的俯仰角的影響則較小，可以忽略不計。本文假設車輛在空載情況下，車燈的安裝高度為750mm，初始下傾角為15%（0.86°），分析車身跳動到最大值且側傾運動到最大值時，即側傾角為+3°且車身跳動值為200mm的狀況下，其調整角度約為0.3°。此時的下傾角極限為：

根據國標GB4599-2007關于下傾度值的規定[6]：極限：-0.5%～-2.5%，可知：在忽略車身跳動和側傾運動2個控制信號的影響下，前照燈的下傾角度仍可滿足國標要求，因此本文將只探討俯仰運動和速度變化這2個情況下前照燈的俯仰調整情況，故將前照燈俯仰偏轉規律簡化為

其中，若調整角度結果為正時，表明前照燈向下調整即前照燈的照射方向與水平軸方向的夾角比初始角度增大；若調整角度結果為負時，表明前照燈向上調整即前照燈的照射方向與水平軸方向的夾角比初始角度減少。

3 結語

本文針對廈門金龍XMQ6117Y3型號客車研究適合客車AFS系統的偏轉運動規律，提出簡化模型，利用MATLAB/simulink進行實車數據仿真，仿真結果表明：前輪轉角與前照燈轉角的關系幾乎成線性關系，推導模型與簡化模型的差值在誤差范圍內，可以忽略不計，簡化了控制策略；通過建立7自由度整車模型，分析車輛的俯仰運動，側傾運動，車身跳動以及速度變化對前照燈照明的影響，分別建立單控制信號下前照燈對應調整角度關系，利用MATLAB/simulink進行實車數據仿真，仿真結果表明：側傾運動，車身跳動值這兩個控制信號對前照燈下傾角度調整影響較小，在忽略的情況下可滿足法規GB4599-2007的規定，從而簡化控制信號建立在小角度俯仰狀態下的前照燈俯仰調整規律，為自適應前照燈系統的俯仰調整規律提供參考依據。

[1] AFS專論1·AFS自適應前照燈系統簡介[EB/OL] [2009.4.10]http://hi.baidu.

com/dingshikeji/blog/item/7d9d194a77dcc12508f7ef5a.html

[2] 盛敬,林謀有.智能前照燈系統（AFS）研究現狀綜述[J].拖拉機與農用運輸車,2007（12）：18-19.

[3] 房旭,姚勇. 智能汽車前照燈系統（AFS）研究[J].汽車技術學報，2006（4）：17-20.

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[5] 陳建林,吳青,初秀民,等.汽車AFS系統車燈轉角動態模型研究[J].2008第四屆中國智能交通年會論文集[C] .武漢: 武漢理工大學,2008.

[6] 戎輝,龔進峰,曹鍵.AFS系統關鍵技術研究.汽車電器[J].2008（5）,15-17.

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[8] Yutaka Nakata, Projector-Type Head Lamp for Vehicles [P]. United Stated patent: 4943894 -1990.

Research Of the Deflection Law Of AFS In Coach

Zheng Yaogang ,Zhang Weibo

(College of Mechanical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)

Adaptive Front-lighting System（AFS）can change the lighting automatically to adapt the changes in traffic conditions, which is one of the latest technology in lamp lighting in the world. This paper has a intensive research about the rotation deflection law of AFS in the coach in detail, which provides a reference for the application of AFS in the coach.

AFS, the Deflection Law , coach.