汽車LED前照燈彎道控制系統設計探討

顧誠甦

（南通農業職業技術學院,江蘇南通,226007）

汽車LED前照燈彎道控制系統設計探討

顧誠甦

（南通農業職業技術學院,江蘇南通,226007）

嶄新的科技拉近了世界各國之間的距離，在各種交通工具要求速度的同時，我們也看到了安全問題的重要性。本文從用戶對汽車智能系統的需求出發，探討了汽車LED前照燈彎道控制系統的設計原理以及軟硬件實現。

彎道；角度；軌跡；電機

0 引言

消費者對于汽車的需求已經不光是行駛動力、內飾舒適，外觀漂亮，更多的消費者將目光轉移到了汽車的智能系統配置上，如何讓行駛更安全、更智能化也是汽車電子系統設計者們追求的目標。本文主要研究的是由單片機ARM S3C2410芯片、傳感器MPU-6000型陀螺儀以及23HS2430步進電機閥共同控制的汽車LED前照燈彎道控制系統。

1 汽車LED前照燈彎道控制系統需求設計

惡劣天氣與夜間行車都離不開燈光。從交通事故發生率來看，由于受到道路狀況的影響以及燈光輻射范圍的誤差而導致駕駛者對車輛操控失誤發生的汽車交通事故約占總交通事故量的20%。近年來汽車智能系統設計技術也考慮到用戶對于駕駛安全的高度需求，不斷地改良技術，創新產品，特別是汽車前照燈控制與檢測技術。由于LED燈能夠節約能源，使用壽命長、燈光亮度高，被廣泛應用在汽車前照燈的設計之中。這樣的研發背景下，特此設計了可以控制彎道燈光轉動角度的汽車LED前照燈彎道控制系統。

2 汽車LED前照燈彎道控制系統設計原理與計算

傳統的汽車前照燈在汽車行駛在彎道時并不能及時轉變照射角度，而是依然發出直線光束，這對于同步運行的車輛已經發生轉彎時就非常危險，前照燈光束并不能夠隨著車輛的位移而進行調整。汽車LED前照燈彎道控制系統是采用了嵌入式模塊系統設計理念，是根據最先進的MCU模塊結合牛頓力學和三角形公式原理計算和設計的。系統要通過MPU-6000陀螺儀來判斷出車輛當前的行駛速度與加速度，MCU智能控制模塊接收到這些數據后，再根據三角形的角度公式以及力學原理計算出車輛在彎道行駛途中下一秒的車輛運行軌跡。預測到車輛的運行軌跡后要根據車輛預計行駛軌跡，由MCU發出指令，控制23HS243系列步進電機閥的開關與閉合角度，以調整車輛左右兩側的前照燈的照射角度。系統設計的關鍵點在于讓LED前照燈轉動角度與車輛在彎道中的下一秒運行軌跡嚴密符合，這樣才能讓駕駛者對路況有較為準確的判斷，保障夜間行車安全。設計中要把握如下計算原理：

2.1 彎道曲率半徑的計算原理

要想獲得車輛左右兩側前照燈適應車輛在彎道行駛的轉動角度就必須要知道行駛路過的彎道曲率半徑R2。根據力學原理曲率半徑的計算公式為R2=(1+KV2)R1,其中，V代表汽車的行駛速度，R1代表在車輪的側面偏轉角度忽略不計的情形下、車輛側方向的加速度幾乎為0，車速趨于極限低且車輛兩個前車輪胎的轉角保持穩定的前提下的轉向半徑。K是一個固定值，每一種車輛的這個固定系數都是不變的。而這個公式當中的轉向半徑R1可以根據弧長與角度公式R1=L/A計算出來。其中L為汽車的軸距，A是方向盤轉角換算出來的前車輪轉動的角度。由以上兩個公式的推導過程，我們可以得到彎道曲率半徑R2。

2.2 LED前照車燈轉角計算原理

根據多位駕駛者多年駕駛經驗來看，駕駛者一旦遇到突發狀

況需要有大約2秒鐘的時間做出反應并轉動調整方向盤角度，那么汽車如果行駛到彎道中我們要判斷其下1秒的運行軌跡，我們設定汽車的LED前照車燈要能夠保持亮度持續3秒鐘。憑借駕駛者的凝視位置由公式：B=VT/2R2就 可以計算出彎道行駛中前照燈需要轉動的角度。其中，V為車輛速度可以由陀螺儀測得并告知MCU模塊，T為固定時間3秒。

根據曲率半徑公式R2=(1+KV2)R1以及角度公式R1=L/A、轉角公式B=VT/2R2，得到了最終的LED等需要轉動的角度為：3VA/2(1+KV2)L。

3 汽車LED前照燈彎道控制系統設計框架

系統采用子模塊框架設計結構，主要包括了車速控制系統、中央控制系統和角度控制系統三大子系統模塊。系統設計框架圖如圖1所示：

圖1 系統框架結構

3.1 車速控制系統

MPU-6000陀螺儀是一種速度傳感器，車速控制子系統主要就是由三軸的加速度傳感器MPU-6000陀螺儀進行研發設計的。MPU-6000陀螺儀是三軸傳感器，通過它的檢測，可以知道車輛在彎道上的行駛速度。MPU-6000陀螺儀傳感器具有I2C總線與SPI總線結構，極大的方便了與中央處理單元ARM芯片的指令傳輸和程序編譯。其檢測精準度高、噪音低功耗小：角速度傳感器為±250度/秒、±500度/秒、±1000度/秒以及±2000度/秒，加速度傳感器為±2g、±4g、±8g以及±16g。噪音為0.005度/秒/Hz，工作電流不超過5.5mA。

3.2 角度控制系統

角度控制系統主要由23HS243系列步進電機與步進電機驅動器DM860構成。收到中央處理系統的指令后，23HS243系列步進電機能夠驅動車輛前照燈進行角度轉動。本系統采用23HS2430系列步進電機帶通轉臺轉動，其精度控制在1.8+-5%度，并且能夠實現快速響應。步進電機驅動器DM860具有幾乎零噪音、低速運行平穩等特點，定位精度高，供電電壓為24-80V,具有欠壓、低壓、過載保護功能。

4 汽車LED前照燈彎道控制系統的實現

4.1 硬件設計

整個系統的硬件電路設計包括了LIN和CAN總線電路、傳感器傳輸電路、微控制器電路和步進電機驅動電路等四大部分。

系統電源接通以后，整個系統處于上電狀態。這ARM控制器首先要進入到復位程序，步進電機驅動單元也處于復位狀態，在LIN總線的幫助下，準備隨時接收微處理器發出的控制指令。LIN總線可以與MCU模塊的SCI串口連接，是可以實現汽車分布式電子控制的串行通信方式。LIN總線傳輸和接收數據的格式要由報文頭、幀響應空間和響應字節三部分共同組成。報文頭一般由同步間隔場、同步場和標志場構成，幀響應空間一般是3-9個字節場，數據信息（一般為2、4或者8個字節）以及最后一位的校驗和構成。CAN總線則負責控制汽車內部系統與檢測系統間的局域網通信。起始幀、答應場、仲裁場、控制場和數據場以及循環冗余檢查位共同構成了CAN總線的報文。傳感器控制電路中主要是MPU-6000陀螺儀傳感器上電復位后就可以對車速隨時進行采集并將采集到的數據隨時傳遞給MCU模塊。中央控制電路主要是通過ARM S3C2410芯片上電后的I2C總線接收數據，通過E2PROM模塊對數據進行存儲，通過A/D轉換實現對數據精度的轉換。

4.2 軟件設計

本研究系統為方便以后程序編譯修改與系統升級，采用了模塊化的設計思想，即采用由多個子程序構成主程序函數的方式進行程序編寫，方便程序以后進行函數調用、方便系統維護，也便于產品的規格延展和產品的變形，使得一次產品開發設計，得到幾種相關產品及型號的拓展，便于生產的組織和產品的銷售。系統軟件的程序設計思路為：系統上電后先進行復位與初始化程序的編寫，包括ARM芯片的各個端口與各個傳感器、步進電機等器件接線端口的初始化。這時候MCU6000傳感器處于工作狀態，要對車輛的行駛速度隨時進行采集，采集到的數據傳輸給ARM芯片，通過MCU模塊的運算后將LED燈需要轉動的角度數據傳輸給步進電機，并發送讓步進電機轉動的程序指令，通過MCU的控制信號精確調整LED前照燈的照射角度。在ARMS3C2410控制代碼程序編寫時要使用一些固定頭文件,例如#include“2410addr. h”、#include“2410lib.h”等。

5 結語

汽車LED前照燈彎道控制系統設計成功得益于軟硬件的良好設計。汽車電子與自動化技術還在不斷的迎風破浪，繼續遠航，但無論科技發展到什么高超的地步，我們都不能忽視行駛安全。在以后的汽車燈光控制系統設計中我們還要加強對系統安全的精準設計。

[1] 羅峰.汽車CAN總線系統原理、設計與應用[M].電子工業出版社.2010:71

[2] 宋朋朋.汽車前照燈智能控制系統的研究[D].南京林業大學.2012:8-9

Automotive LED headlamps corner control system design

Gu Chengsu
(Nantong Agricultural College,Jiangsu,Nantong,226007)

New technology shortens the distance between the countries in the world,in various transportation requires speed at the same time, we also see the importance of security issues.This article embarks from the user demand for auto intelligent system,this paper discusses the design of the control system of automobile LED headlamps corner principle and the hardware and software implementation.

Curves;Angle;Trajectory;The motor