基于安全視距和PD控制的汽車前照燈隨動控制策略的研究＊

王瓊 李家侃 孫保群 趙晨

（合肥工業大學）

基于安全視距和PD控制的汽車前照燈隨動控制策略的研究＊

王瓊 李家侃 孫保群 趙晨

（合肥工業大學）

針對國內汽車前照燈隨動系統方面以理論研究為主而缺少工程應用開發的問題，對汽車前照燈水平隨動系統的控制策略進行研究。建立數學模型，提出基于安全視距的角度算法，結合法規標準對角度算法進行條件限制，并通過PD算法對角度進行閉環控制，最后依控制策略制作系統樣機并進行算法仿真試驗和實車模擬試驗。試驗結果表明，該控制策略滿足系統對實時性和誤差的要求，并滿足AFS法規的要求。

1 前言

自適應前照燈系統（Adaptive Front-lighting System，AFS）是一種能夠根據路況、環境變化和汽車行駛狀態對汽車前照燈進行水平和垂直方向調整的燈光隨動系統。在水平方向上，其可以使燈光與汽車行駛方向保持一致，提供更合適的照明范圍，使駕駛員能在夜間看清彎道處的路況，從而有效提升夜間行車安全[1]。

AFS技術在國外已日趨成熟，美、歐、日、韓等國多個知名汽車廠商都已經推出了自己的AFS并作為中高檔汽車的標準配置。然而，國內的研究還處于技術引進消化的起步階段，沒有形成具有自主知識產權的核心技術，而且多以理論研究為主，缺少實際工程應用系統的研發，許多理論模型應用到實際中并不能滿足系統要求[2]。

如何建立控制策略始終是汽車電子控制系統的核心技術，同樣，也是實現AFS功能的基礎。AFS系統有兩個問題急需解決：一是AFS動力學模型僅給出了理論模型，其理論算法與實際情況多有不符；二是如果將理論轉角直接作用于步進電機，必定存在誤差而影響系統的穩定性。針對這些問題，本文提出了一種基于安全視距的角度算法和基于比例、微分算法（PD算法）控制的角度控制策略，并在試驗樣車上進行試驗驗證。

2 系統整體實現方案

所設計的AFS由傳感器單元、中央控制單元和執行單元3大部分組成，系統整體結構如圖1所示。

車速傳感器采集的車速信號以及轉向盤轉角傳感器采集的轉向盤轉角信號送入中央處理器中的角度算法模塊中進行處理，得出前照燈目標轉角后通過兩個混合式高速步進電機實現前照燈水平轉動，并通過霍爾式位置傳感器反饋的實際轉角值對角度進行閉環PD算法控制，在減小系統誤差的同時加快了系統的響應時間。

3 系統控制策略

3.1 角度算法

汽車行駛中，駕駛員的操控都是基于個人反應進行的，在做出決策的過程中駕駛員的經驗占很大比例，因此對前照燈水平隨動轉角很難通過建立精確的數學模型進行計算[3]。車輛在彎道行駛時，駕駛員從看到障礙物時起至采取緊急制動使車輛安全停車所需的最短距離稱為最小安全視距。通過引入最小安全視距的概念，建立基本的彎道數學模型，以精確計算保證汽車安全行車的最小前照燈轉角。另外在AFS法規中，為了保證車輛正前方的照明和對面車輛的防炫目等要求，規定了前照燈的最大轉角。由此可以得到保證車輛在彎道安全行駛的前照燈轉角范圍。通過對駕駛員的行為經驗分析，駕駛員理性駕駛時，在彎道駕駛中看到對面車輛或者障礙物時會采取減速避讓的方法，這就要求前照燈隨動后能夠提供安全的照明范圍[4]。

3.1.1 最小轉角

最小安全視距下前照燈需要轉動的角度就是保證最小安全視距的角度。不考慮車身長度、輪距和大燈水平安裝位置的影響，車輛轉彎時前照燈水平方向偏轉的簡化模型如圖2所示。

圖2 中，L表示車輛采取緊急制動停車情況下在彎道中行進的距離，λ是前照燈原水平投射覆蓋角，γ為車燈偏轉后水平投射覆蓋角，θ=γ-λ為前照燈實際偏轉角，R是轉彎半徑，由圖2中幾何關系可得：

車輛最小安全視距為L對應的弦長，當以L替代車輛的最小安全視距時是偏安全的。L包括反應距離和制動距離兩部分，其公式為：

式中，v是車速；t是反應時間；vt是反應距離；s是車輛實際制動距離。

轉彎半徑可根據阿克曼轉向原理得到：

式中，β是外側轉向輪偏轉的角度；L軸是汽車軸距。轉向盤轉角與車輪偏轉角的關系為：

式中，K是車輛轉向特征系數；α是轉向盤轉角。綜合上述各式可得車燈轉角公式為：

在角度算法的實現中所選擇的試驗參數取自斯柯達昊銳車型的相關參數，取L軸=2.7 m；轉向系數K=30；反應時間t=2 s。不同車速下車燈轉角算法的Matlab仿真結果如圖3所示。

從圖3中可以看出，在相同的轉彎半徑下，汽車行駛速度越快，車燈轉角越大；在相同的行駛速度下，汽車轉彎半徑越小，車燈轉角越大。

3.1.2 最大轉角

聯合國歐洲經濟委員會汽車法規（ECE）在R123標準中規定，汽車AFS前照燈的光軸與汽車擬行駛軌跡的交點到汽車前端距離的最大值為100倍系統安裝高度[5]，則最大轉角公式為：

式中，H代表汽車車燈的安裝高度，本設計中取H= 0.68 m。

3.1.3 轉角取值方案

結合ECE法規要求，對轉彎半徑與車燈轉角的關系進行仿真，仿真結果如圖4所示。由圖4可知，當車速分別為20 km/h、40 km/h、60 km/h時，最小轉角曲線低于法規曲線；而當速度為80 km/h、100 km/h時，最小轉角曲線高于法規曲線。

選擇車速60 km/h和77 km/h作為參考，對該車速下轉向盤轉角和車燈轉角的關系進行仿真，見圖5。仿真結果顯示，當車速為77 km/h時，最小轉角曲線與法規允許的最大轉角幾乎重合；當車速為60 km/h時，最小車燈轉角與法規允許的最大轉角間有著較大的富裕。

因此，當車速小于77 km/h時，選取兩個曲線的平均值作為前照燈目標轉角參考輸出值。當車速大于77 hm/h時，選取法規曲線作為最終前照燈轉角參考輸出值。

確定參考目標轉角后，本系統在光學模擬軟件lucidshape平臺上進行配光檢測，依照AFS法規的配光標準對角度進行微調，以滿足彎道隨動系統法規的配光要求。

3.2 PD算法角度控制

汽車在行進過程中，由于外界因素（車輛的轉向、顛簸）、內部因素（步進電機的丟步和越步等）會對其前照燈角度的精確控制造成影響。為了達到較好的角度控制效果，本系統采用比例、積分、微分算法（PID算法）的簡化算法即PD算法對前照燈旋轉角度進行調節控制，通過合理的設置控制參數，在縮小系統誤差的同時也加快了響應時間。

前照燈隨動系統是一個高實時性的動態控制系統，要求系統能夠快速輸出響應并具有穩定性和可靠性。為了提高系統控制精度，設計中采用比例調節器減少偏差。同時，車燈轉角的偏差還有可能會受外界因素影響而變化，導致系統不穩定，設計中引用微分調節器可以改善系統的動態性能。由于PID算法中積分調節器雖然能消除靜態誤差，但是會損失響應時間，而系統角度的控制允許存在一定的誤差，所以設計算法中省去了積分調節器[6]。PD算法角度控制原理框圖如圖6所示。

PD算法首先將霍爾位置傳感器測得的實際轉角值與系統目標轉角值相減得到角度誤差，然后對誤差進行PD算法控制，最后將控制量輸出給步進電機，完成對步進電機的控制。

本系統采用數字PD算法控制，該控制是以連續系統PD控制規律為基礎，然后再將其數字化，寫成差分方程為：是積分系數；Kp為比例調節系數；Ts為采樣周期；Td為積分時間；e（k）=x（k）-y（k）為第k時刻的輸入目標轉角與輸出實際轉角的差值；u（k）為步進電機需要轉動的步數即驅動步進電機的PWM脈沖個數。

由于步進電機的步數和轉角的關系未知，因此需要通過試驗合理的設置參數Kp、Kd值，以達到系統對誤差和響應時間的要求。在參數整定中采用試驗湊試法，具體整定步驟為“先比例，再微分”。系統參數選取的原則，是在保正系統穩定的前提下盡可能增加比例參數以減小響應時間。經過試驗湊試，最終確定的參數值為Kp=20，Kd=0.8。

確立參數Kp、Kd后，將PD調節算法用C語言程序實現，PD算法程序流程圖如圖7所示。

4 試驗結果及分析

根據控制策略設計制作前照燈隨動系統的樣機，并設計編寫角度算法和PD控制算法的程序，在樣機平臺上進行實車模擬試驗。試驗技術參數見表1。

表1 試驗技術參數

在上述參數限定下，選取汽車進入左彎道的情況作為試驗條件，選取幾組特定的轉向盤轉角和車速值作為系統輸入，得到前照燈系統角度控制算法的仿真試驗結果如圖8所示。

前照燈系統角度控制算法樣機運行試驗數據如表2所列。

根據試驗結果可知，前照燈轉角的最大誤差為0.6°，系統角度相應時間為40 ms，滿足系統的誤差和響應時間的要求，符合AFS的使用標準。

5 結束語

夜間彎道隨動功能是AFS最重要的功能，通過對隨動系統控制策略的研究，確定系統的角度算法和PD算法角度控制的解決方案。理論分析及樣機試驗表明，所建立的控制策略能夠滿足系統要求，能夠有效提高駕駛員的可視范圍。

1崔惠中，關志偉.智能前照燈系統（AFS）研究現狀綜述.天津工程師范學院學報，2008（3）：47～50.

2鄭志軍.智能前照燈系統的發展.中國照明電器,2006（6）: 8～11.

3李禮夫，鄧前.汽車自適應前照燈的夜間轉彎特性的研究.照明工程學報，2010（4）:32～36.

4戎輝,龔進峰，曹健.自適應前照燈運動學建模及系統開發.汽車工程，2008（30）：35～39.

5ECE R123 Revision 1.Uniform Provisions Concerning The Approval OfAdaptive Front-Lighting Systems（AFS）For Motor Vehicles.2007.

6左萃.汽車智能前大燈系統控制策略及仿真研究:[學位論文].長沙:長沙理工大學,2012.

（責任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2013年12月1日。

Research of Follow-up Control Strategy of Automotive AFS Based on Safety Sight Distance and PD Control

Wang Qiong,Li Jiakan,Sun Baoqun,Zhao Chen
（Hefei University of Technology）

In China,the automakers mainly focus on theoretical research in automotive AFS follow-up system, which lacks engineering application development.To solve this problem,this paper studies control strategy of the automotive AFS follow-up system.We build a mathematical model,and present angle algorithm based on the safety sight distance,and combine with regulations and standards to restrict angle algorithm conditions,and use PD algorithm to close-loop control angle.Finally we build a system prototype in accordance with this control strategy for algorithm simulation test and vehicle simulation test.Test results show that this control strategy meets real-time and error requirement of this system,and satisfies requirement of AFS regulations.

Headlamp,Follow-up strategy,Safety sight distance,PD control

前照燈隨動控制策略安全視距PD控制；

U463.65+1

A

：1000-3703（2014）03-0059-04

國家自然科學基金，項目編號：51205101。