汽車智能LED 前照燈照明系統算法研究

孟昭軍，魏生越，張祥軍，薄化鋼

(1.遼寧科技學院 電氣與信息工程學院，遼寧 本溪 117004;2.成都工業學院 電氣與電子工程系，四川成都 610031)

0 引言

前照燈作為汽車的主要照明工具，關系到駕駛人和行人的生命安全。實際駕駛過程中，由于道路、環境以及駕駛人自身問題等動態不確定因素，傳統的汽車前照燈照明系統不能隨車速、轉彎等變化而自動調整照射距離、明暗程度等參數，嚴重影響駕駛人對外界的判斷，或者給對向行駛車輛造成眩光，不利于安全行駛。所以，國內外開始研究可以隨外界環境或車輛本身變化而自動改變照射距離以及自動調整亮度的智能前照燈系統。相對國外汽車工業發達國家，中國汽車智能前照燈系統還有一定差距。

為了解決上述傳統汽車前大燈所存在的問題，要求汽車智能前照燈系統具備如下基本功能:汽車在高速行駛時，能根據車速自動調整前大燈前方的照射距離和根據對向來車自動調整燈光亮度;汽車轉彎時能根據車速和轉彎角度自動調整前大燈水平照射角度，減少盲區。因此，汽車智能前大燈系統的研究涉及車速、轉彎半徑、車身高度等動態參數，這些參數之間相互影響。要使汽車智能前大燈系統隨外界條件變化而自動調整，首先要確定這些參數間的數學模型。在此基礎上，AFS 控制系統根據方向盤轉角、車速等輸入信號并依據數學模型來控制前大燈的轉角和亮度等，實現汽車前大燈的智能控制。

文章主要以安全剎車距離為有效照明的判斷依據，研究汽車車速、方向盤轉角、彎道半徑與汽車前大燈調整角度之間的關系，建立了內、外前大燈水平調整和垂直調整角度計算公式，并對公式進行了修正。然后在MATLAB/Simulink 平臺上建立汽車AFS 仿真模型，并給出仿真結果。

1 前大燈調整角度的計算

汽車智能型前大燈系統，也可稱汽車自適應前大燈系統，即汽車AFS(adaptive front-light system)，該系統的車載傳感器實時監測相關信息，AFS 控制器實時讀取和處理相關信號，發出指令，驅動智能前大燈調整照射角度并輸出合適光型，汽車AFS 的組成如圖1 所示。

圖1 汽車AFS 的組成

1.1 汽車安全剎車距離

汽車安全剎車距離是從駕駛員踩下制動踏板的時刻到汽車在制動力的作用下完全停止的時刻，這段時間內汽車所行駛的路程，由剎車距離和反應距離兩部分組成。遼寧省交通管理局研究的一組實際剎車距離數據，如表1 所示。

表1 汽車車速與安全剎車距離對應

由表1 可知，隨著車速的增加，剎車距離增加，且車速越高，剎車距離的增加幅度越大。在實際駕駛中，車速是連續變化的，因此需要建立車速和安全剎車距離的連續函數關系式。

將表1 的10 對數據進行曲線擬合，即可得到相對應的連續函數關系式。利用MATLAB 可實現最小二乘法曲線擬合，二次函數擬合結果得到的汽車安全剎車距離計算公式為

式中，v——汽車車速(km/h);

S——安全剎車距離(m)。

1.2 前大燈水平調整角度

影響前大燈水平調整角度的因素主要有車速和彎道半徑。根據轉向盤與前輪之間的關系可以得到前輪轉角角度，再根據阿克曼轉向幾何原理計算彎道半徑。系統根據檢測到的轉角、車速信號，經AFS 控制器發出相應指令至汽車前大燈驅動系統，驅動前大燈水平轉動，以調整照射角度。

根據阿克曼轉向原理，得到轉彎半徑公式:

式中，D——汽車軸間距(m);

R——內側車輪轉彎半徑(m);

δ——內側車輪轉角(°)。

當汽車進入彎道時，以汽車安全剎車距離作為汽車前大燈有效照明距離判定標準，照明需覆蓋安全剎車距離S。根據前大燈水平偏轉角θ、安全剎車距離S、轉彎半徑R之間的幾何關系可得到前大燈水平轉角θ 的計算公式

式中:θ——前大燈水平轉角(°);

R——轉彎半徑(m);

v——車速(km/h)。

根據公式(3)可知，當轉彎半徑較小時，前大燈調整角度θ 將增大，這可能超過實際前大燈調整系統的最大允許角，造成電機燒毀，所以需要對公式(3)進行修正。為提高前大燈使用壽命，將公式(3)減去10度，修正為

汽車轉彎時，外側大燈需要提供前方照明，內側減少盲區，所以外側前大燈水平轉角應小于內側前大燈水平轉角。一般外側前大燈水平調整角度約為內側的1/3。

資料表明，外側前大燈水平調整角度最大為5°，內側前大燈水平調整角度最大為15°。將式(2)代入(4)中，最后得到內側大燈調整角度為

外側大燈調整角度為

1.3 前大燈垂直調整角度

汽車在行駛時，車速越高要求前大燈照射距離就越遠，以便給駕駛人足夠的反應時間。另外，當汽車前后載重量變化或車輛加減速時，前照燈的照射方向就會改變。這些因素的變化都會產生行車安全隱患。為使前照燈保持在正確的高度，以避免給對向來車或前車造成眩光，同時又確保駕駛人和車輛的安全，需要對前大燈俯仰角度進行控制。

國家對汽車前大燈配光性能有嚴格的規定，配光性能要符合GB 4599—94。依據GB 4599—94 進行汽車前大燈配光測試時，汽車前大燈與配光屏幕的距離為25 m。過B 點的明暗截止線的水平部分在H-V 線的下面，且垂直距離為25 cm，點A 在H-V 線上方，且垂直距離為25 cm。由圖2 可知，直線BB＇與水平線的夾角為α，直線AB＇與水平線之間的夾角為β。

圖2 汽車前大燈光線

為了確保駕駛員得到充足的照明視野并且考慮到不給對面來車駕駛員造成眩光情況，垂直向上調整角度不能超過角度β，汽車前大燈垂直向下調整角度不能超過角度α。由圖2 可得

所以前大燈垂直轉角上下限為0.6°。

2 汽車AFS 仿真

為了驗證上述數學模型的正確性，筆者在MATLAB/Simulink 環境下建立了汽車AFS 仿真模型。汽車AFS 仿真模型系統如圖3 所示。

圖3 汽車AFS 仿真模型系統

圖3 中，車速、前輪轉角、汽車前后輪高度差為汽車AFS 的信號輸入量，可根據仿真需要設置其相應的波形，在前三個信號輸入后，經過中間的模塊進行運算，最后將結果輸入“Scope”模塊。在該模塊可以觀察到內、外側前大燈理論水平調整角度和理論垂直調整角度的動態輸出波形。

根據第1 節建立的水平和垂直方向的數學模型，利用MATLAB，在Simulink 環境下建立的AFS 仿真模型，通過改變車速、汽車前輪轉角和汽車前后輪高度差輸入信號，經過中間計算，輸出相應轉角波形。由上建立的仿真系統，取v=30 km/h，前車輪轉角δ=30°，車前后輪高度差h=0.1 m，設置相關波形輸入，經過中間模塊進行運算，在“Scope”得到波形如圖4所示。汽車垂直方向、汽車前輪外側轉角、汽車內輪轉角詳細波形分別如圖5～圖7 所示。

圖4 Scope 波形

圖5 汽車垂直方向轉角波形

圖6 汽車前輪外側轉角波形

圖7 汽車內側車輪轉角波形

3 小 結

文章研究了汽車智能前大燈水平和垂直調整角度與車速等因素的數學模型。利用前大燈調整角度數學模型在MATLAB/Simulink 中建立了汽車AFS 仿真模型。從仿真結果來看文中給出的數學模型滿足要求。根據研究的模型，AFS 控制系統可實時檢測汽車轉角、車速、車身高度變化，并按設定程序驅動前大燈進行水平和垂直照射角度的調節，以達到夜間行車安全的目的。

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