汽車LED前照燈智能控制系統(tǒng)

楊阿弟，王少飛，楊黎偉

(1.湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建莆田 351254；2.福建省職業(yè)技術(shù)教育中心，福建福州 350001；3.福建省汽車工業(yè)集團(tuán)云度新能源汽車股份有限公司，福建莆田 351254)

目前,大氣污染已成為全球十大環(huán)境問題之一，世界各國(guó)陸續(xù)宣布停止燃油汽車生產(chǎn)的最后期限，新能源電動(dòng)汽車已初步成為汽車行業(yè)的新星[1-2]。傳統(tǒng)汽車用的前照燈基本上采用鹵素?zé)簟ID燈，LED燈源由于亮度不夠、光源單調(diào)、成本太高等原因不受青睞，隨著這幾年LED制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，將LED燈源應(yīng)用在車用前照燈，特別是電動(dòng)汽車的前照燈已經(jīng)成為常態(tài)。未來隨著LED燈的制造技術(shù)更加成熟，發(fā)光效率進(jìn)一步提升且成本逐漸降低，在對(duì)能源效率使用壽命的權(quán)衡下，將LED車燈普及到普通大眾的車型已經(jīng)是一種趨勢(shì)[2]。

目前中國(guó)汽車的照明功能研究都是以自適應(yīng)前照燈照明為主，其功能為左右轉(zhuǎn)向燈指示，水平調(diào)整前照燈系統(tǒng)，卻沒有將不同氣候環(huán)境下能夠自動(dòng)調(diào)整光的強(qiáng)度與光色度考慮進(jìn)去。一般地,當(dāng)光源比較接近太陽光的色溫時(shí)人的視覺比較清晰,辨識(shí)度也比較好。在駕駛道路視覺不佳等氣候環(huán)境下，接近太陽光的色溫能確保駕駛員自身行車視覺，降低行車時(shí)的危險(xiǎn)性[3-5]。因此，除了能調(diào)整照明角度、車燈光線之處，能自適應(yīng)駕駛環(huán)境、自動(dòng)調(diào)整光強(qiáng)度和光色度也是增加行車安全的重要指標(biāo)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本研究設(shè)計(jì)一種可依據(jù)駕駛道路氣候環(huán)境而自動(dòng)調(diào)整光強(qiáng)度和光色度的LED前照燈控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括主控電路、ZigBee無線傳感器模塊、光照度傳感器、霧氣傳感器、燈光控制器以及LED光源。主控制電路通過USART通信協(xié)議與ZigBee協(xié)調(diào)器建立連接，再與終端設(shè)備建立網(wǎng)絡(luò)連接并進(jìn)行信息溝通，其任務(wù)是接收從ZigBee終端設(shè)備傳回的氣候環(huán)境數(shù)據(jù)，并對(duì)其做分析與處理，以判斷目前車燈所需要的光強(qiáng)度和光色度。主控制電路再通過ZigBee傳指令回送給燈光控制器進(jìn)行調(diào)整來改變LED燈源的光強(qiáng)度和光色度，如此可以免除因駕駛員的操作和降低人為疏忽所帶來的危險(xiǎn)，提高行車的安全性。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)流程如圖2所示,主控制電路的主要功能是對(duì)接收到的各種環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，來判斷目前駕駛員行駛道路的氣候環(huán)境，并傳送所需要的燈源光強(qiáng)度和光色度的值給燈光控制器，以便輸出PMW控制LED光源。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)流程圖

2.1 控制流程設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，主控制電路先發(fā)出“讀取各傳感器數(shù)據(jù)”指令，通過USART通信與ZigBee組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN構(gòu)成車身網(wǎng)絡(luò),將指令傳送給傳感器模塊，傳感器模塊接收到指令后將暫存的檢測(cè)數(shù)據(jù)傳給主控制電路，若傳出的數(shù)據(jù)不正確會(huì)發(fā)出錯(cuò)誤的信息給主控制電路，主控制電路會(huì)再發(fā)送一次指令，直到接收到完整、正確的數(shù)據(jù)信息。主控制電路取得各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)信息后開始分析、處理,并進(jìn)行判斷，將判斷結(jié)果通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN傳給燈光控制器來調(diào)整LED燈的光強(qiáng)度與光色度，最后燈光控制器輸出PWM信號(hào)來控制LED光源。

2.2 系統(tǒng)判斷機(jī)制

為了避免主控制電路與各傳感器模塊之間數(shù)據(jù)傳輸信息丟失或遺落，當(dāng)接收一組數(shù)據(jù)信息后系統(tǒng)會(huì)檢查其是否正確，若不正確則主控制電路對(duì)數(shù)據(jù)信息不做分析與處理，并重新發(fā)送一條指令再次要求傳輸數(shù)據(jù)信息。

當(dāng)絕對(duì)值小于預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)存儲(chǔ)接收值到存儲(chǔ)器中，即：

(1)

將新接收的數(shù)據(jù)L新存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中。

當(dāng)絕對(duì)值大于或等于預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為此次采集值為干擾信號(hào)，放棄接收且不做任何處理和判斷，若連續(xù)兩次及以上絕對(duì)值都大于預(yù)設(shè)值，則認(rèn)為此次接收到的數(shù)據(jù)正確，系統(tǒng)會(huì)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，即：

(2)

2.3 光照度判斷機(jī)制

由于光照度傳感器容易受到環(huán)境因素的影響，造成主控制電路在接收到光照度所傳回來的數(shù)值不穩(wěn)定，因此需要做進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。濾除數(shù)值變化比較大的數(shù)據(jù)，在主控制器上把接收到的光照度與前幾次(一般3次，n=3)保存起來的值相加取平均值，得到一個(gè)變化比較平穩(wěn)的值，即：

(3)

2.4 霧氣判斷機(jī)制

主控制器在接收到霧氣傳感器所傳回來的數(shù)值之后，用同樣方法做類似處理，把霧氣值與保存起來的值相加取平均值，得到一個(gè)變化比較平穩(wěn)的值，由于環(huán)境中的霧氣值變化幅度比較小，所以只與上一個(gè)數(shù)據(jù)做比較處理就可以了，即：

(4)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 光照度測(cè)試

圖3 模擬不同環(huán)境測(cè)得LED光強(qiáng)度

本實(shí)驗(yàn)采用功率為25 W、燈泡色溫為6500 K的節(jié)能燈作為環(huán)境光源在不同高度進(jìn)行模擬測(cè)試，來驗(yàn)證系統(tǒng)在不同光照度下對(duì)車燈光強(qiáng)度的控制情況。測(cè)試參數(shù)：測(cè)試時(shí)間為160 s，每1 s取樣1次，測(cè)試高度40 cm，光照傳感器從0開始，每4 s增加1 cm。

模擬環(huán)境亮度分別為晴天、陰天、傍晚、晚上四個(gè)階段的光照度，光照度傳感器放置的位置大概為：高度大于40 cm(晴天)、高度在33～36 cm之間(陰天)，高度在22～26 cm之間(黃昏)，高度小于15 cm(晚上)。在這四個(gè)高度下，系統(tǒng)測(cè)得LED燈源隨模擬環(huán)境的變化情況如圖3所示。

3.2 光色度測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室模擬條件下檢測(cè)環(huán)境霧氣傳感器在無霧、小霧、大霧三種情況下電壓的變化情況。在無霧時(shí)，霧氣傳感器測(cè)得電壓值在3.1～3.3 V之間變化；在小霧時(shí)，霧氣傳感器測(cè)得電壓值剛開始緩慢下降，最后電壓穩(wěn)定在2.4 V左右；在濃霧時(shí)，霧氣傳感器測(cè)得電壓值剛開始下降速度比小霧時(shí)要快，最后電壓穩(wěn)定在1.7 V左右。

依據(jù)霧氣傳感器在無霧、小霧、濃霧三種情況下測(cè)得電壓的變化情況來測(cè)試LED光色度的變化情況，具體變化如圖4所示。

圖4 光色度變化情況

4 結(jié)語

本研究在實(shí)驗(yàn)室的模擬測(cè)試環(huán)境下，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的可依據(jù)環(huán)境亮度變化而自動(dòng)調(diào)整LED前照燈亮度和光色度的控制系統(tǒng)，利用光照度傳感器和霧氣傳感器所采集回來的環(huán)境數(shù)據(jù)信息，通過各種判斷機(jī)制，有效判別模擬環(huán)境的狀態(tài)而自動(dòng)調(diào)整LED前照燈的光強(qiáng)度和光色度。利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來建立通信系統(tǒng)，改善汽車在傳感器較多的線路連接與檢修、維護(hù)帶來的不便，簡(jiǎn)化電子設(shè)備安裝、檢測(cè)與維修過程，大大降低線路接觸不良的故障率，提高行車安全系數(shù)。