多影響因子下智能前照燈系統(tǒng)建模與仿真*

劉永斌，劉珊中，李金輝

（1.河南科技大學信息工程學院，河南 洛陽 471023；2.河南科技大學車輛與交通工程學院，河南 洛陽 471023）

0 引言

傳統(tǒng)的前照燈只能在近遠光之間進行切換，配光方式簡易且需要手動操作，在行車條件變化的狀況下如雨雪天氣、載重變化等，不能提供充分的夜間行車視野[1]，無法保證行車安全。因此，各汽車制造商致力研究能夠自動適應車輛行駛狀態(tài)的智能前照燈系統(tǒng)（AFS）以滿足汽車安全性能的需要。AFS系統(tǒng)通過傳感器接收車輛行駛狀態(tài)、路況等信息，控制前照燈實時調(diào)整，以保證環(huán)境條件變化后的行車視野，提高汽車的安全性與駕駛的舒適性。

前照燈系統(tǒng)[2-3]的研究在國外已經(jīng)取得了階段性進展，如歐洲VARILIS專利系統(tǒng)和美國偉世通公司結合GPS定位系統(tǒng)的AFS系統(tǒng)較為先進。國內(nèi)對AFS系統(tǒng)的研究更側(cè)重于處理復雜的道路行車模型與優(yōu)化控制算法。左萃[4]通過實際行車制動的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，對車速和制動距離進行最小二乘曲線擬合得到制動距離與車速的關系，建立前照燈智能調(diào)節(jié)模型，并設計模糊控制器對AFS系統(tǒng)進行了仿真研究。王洪佩在汽車二自由度模型基礎上，結合步進電機模型等建立了AFS數(shù)學模型，模型更加接近實際，但均沒有融入更多方面的影響因素。

本文針對前照燈系統(tǒng)照明調(diào)節(jié)偏角受車輛動力系統(tǒng)、駕駛員經(jīng)驗以及路面狀況等多因素影響的問題，建立可以適應路面濕滑狀態(tài)以及車輛載重變化的智能前大燈偏轉(zhuǎn)模型，并設計模糊PID控制器對其控制性能進行優(yōu)化，以增加AFS系統(tǒng)的控制精度并延長汽車前大燈的使用壽命[5]。

1 安全制動距離的計算

智能前照燈的調(diào)節(jié)是以車輛安全制動為基礎，對安全制動距離的影響因素進行分析。駕駛員在接受了緊急制動信號后，車速V隨制動時間t的變化關系曲線如圖1所示：

圖1 車速V隨制動時間t的變化關系曲線

車輛分別在t（1制動延時時間）、t（2制動力增長時間）、t（3持續(xù)制動時間）在內(nèi)行駛距離S1、S2、S3的總和為制動距離S[6-8]。剎車前汽車以速度V0運動，汽車的最大減速度為amax，則：

在t2時間內(nèi)，將汽車減速度的變化簡化為線性增長過程，即：

其中，k為平均減速度系數(shù)，g為重力加速度，μ為路面附著系數(shù)。

其中，V1為汽車達到最大減速度amax時的速度。

求解積分可得：

汽車在t3時間內(nèi)，初速度為V1，末速度為0，汽車完全制動，故：

實際制動過程當中，駕駛員反應延遲時間一般近似為1 s，車輛的減速度增長時間t2一般為0.2 s左右，汽車的最大減速度amax小于10 m/s2，因此，t2的平方項忽略，則汽車的制動距離：

由式（8）可以看出，車輛安全制動距離受剎車前速度以及路面附著系數(shù)影響。

2 前照燈智能調(diào)節(jié)模型

2.1 前照燈水平調(diào)節(jié)模型

內(nèi)側(cè)車燈偏轉(zhuǎn)角度為θ，轉(zhuǎn)彎半徑為R，車輛轉(zhuǎn)彎時，將最小彎道照明距離S作為相應車速時的安全制動距離。三者之間的關系如圖2所示：

圖2 安全制動距離、內(nèi)側(cè)車燈偏角與轉(zhuǎn)彎半徑關系

由圖2可得

式（10）可以看出較小的轉(zhuǎn)彎半徑會導致較大的車燈偏角，進而增加機械負擔。有研究表明，車燈光束中心到車輛轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)大燈的光束散射邊界線1/2位置可以作為有效照明范圍，既滿足照明要求又考慮保證系統(tǒng)工作壽命的情況下，可以修正將偏轉(zhuǎn)角減去 10°[9]，即：

由式（11）可以看出前照燈水平調(diào)節(jié)受轉(zhuǎn)彎半徑與安全制動距離共同影響。有研究得出轉(zhuǎn)彎半徑與車輛系統(tǒng)的相關性：

其中，

式（13）中，δ為前輪偏轉(zhuǎn)角，m為車輛與載重質(zhì)量之和，a、b分別是質(zhì)心到前、后輪軸心的距離，L為車輛軸距，k1、k2分別是前后輪側(cè)偏剛度。

由式（13）可以看出轉(zhuǎn)彎半徑受前輪偏轉(zhuǎn)角、車輛與載重質(zhì)量之和、質(zhì)心到前、后輪軸心的距離、前后輪側(cè)偏剛度以及車輛速度影響。

2.2 前大燈垂直調(diào)節(jié)模型

按照GB4599-94標準[10]，車輛在正常車況下前照燈垂直角度的配置調(diào)整，如圖3所示。汽車前照燈O點與配光屏的距離為25 m，B點為明暗截止點，C為對方車輛駕駛員眼睛點，A為配光屏坐標軸中心點，B點與C點都位于距離A中心點25 cm處，光線OC與水平線的夾角為α，光線OB與水平線的夾角為β。

圖3 垂直方向配光圖

由圖3幾何關系可得：

即前照燈垂直方向上下調(diào)整角度上限為0.6°，當車燈向下偏轉(zhuǎn)0.6°時，可滿足正常車況下行車的視野需要[11]。當車輛載重增加時，車前照燈距離地面的高度h會隨之增高，為保證原有的安全的視野，因此，前照燈垂直方向偏轉(zhuǎn)角需要向上偏轉(zhuǎn)，如圖4所示：

圖4 垂直方向調(diào)節(jié)示意圖

由圖4幾何關系可得：

由式（15）可以看出前照燈垂直調(diào)節(jié)受車身高度以及安全制動距離影響。

2.3 模型仿真與分析

綜合以上對于影響前照燈偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)的多種因素的分析，結合步進電機的數(shù)學模型并設定參數(shù)模擬路況進行仿真。其中步進電機的數(shù)學模型為：

式（16）中，理論步進電機轉(zhuǎn)動角θ1為輸入，實際轉(zhuǎn)角θ2為輸出，Ia為A相的電流；L為繞組電感；J為轉(zhuǎn)動慣量；B為粘滯阻尼系數(shù)；Nr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。

2.3.1 垂直方向測試與仿真

設定車輛為定速巡航狀態(tài)（80 km/h），以路面附著系數(shù)的變化模擬雨雪天氣變化，以車身高度變化模擬車輛載重變化。模擬行駛路況變化為干燥混凝土路面到潮濕混凝土路面到開始下雨路面到雨水蒸發(fā)后路面最后到干燥路面，設定路面附著系數(shù)變化為 0 s～2 s內(nèi) 0.7，2 s～4 s內(nèi) 0.4，4 s～6 s內(nèi) 0.3，6 s～8 s內(nèi) 0.5，8 s～10 s內(nèi) 0.6；設定在 6 s時車輛載重加大，車燈距離地面高度由0.67 m降至0.5 m。

前照燈垂直方向偏角調(diào)節(jié)變化如圖5所示：

圖5 前照燈垂直方向理論與實際偏角

2.3.2 水平方向測試與仿真

設定轉(zhuǎn)彎車速為20 km/h，前輪轉(zhuǎn)角為10°，路面附著系數(shù)為0.7到0.5變化。前照燈水平方向內(nèi)側(cè)偏角調(diào)節(jié)變化如圖6所示：

圖6 前照燈水平方向理論與實際偏角

由圖5和圖6可知，前照燈偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)的實際值相比于理論值超調(diào)過大，影響調(diào)節(jié)精度和系統(tǒng)使用壽命，需優(yōu)化控制。

3 模糊PID算法實現(xiàn)

選取前照燈理論轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)角的偏差e與偏差變化率ec作為控制器的輸入，經(jīng)模糊推理后的解模糊輸出 PID 參數(shù)的增量分別為 ΔKp、ΔKi、ΔKd，各量的模糊集合均為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，車燈轉(zhuǎn)角偏差論域為[-3，+3]，轉(zhuǎn)角偏差變化率的論域為[-3，+3]，ΔKp的論域為[-3，+3]，ΔKi的論域為[-0.6，+0.6]，ΔKd的論域為[-1.5，+1.5]。

誤差和誤差變化率的隸屬度函數(shù)采用高斯函數(shù)，ΔKp、ΔKi、ΔKd的隸屬度函數(shù)采用分辨率極強的三角形分布的隸屬函數(shù)。模糊控制規(guī)則如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則

4 控制仿真研究結果

構造AFS閉環(huán)控制系統(tǒng)對其控制性能進行仿真研究，系統(tǒng)結構圖如圖7所示。

圖7 AFS控制系統(tǒng)結構圖

圖8 AFS垂直方向偏角

由圖8和圖9可以看出，AFS系統(tǒng)加入模糊PID控制器后，車燈偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)存在的尖峰問題得到了良好的解決，這有利于提高系統(tǒng)的控制精度，延長系統(tǒng)使用壽命。

圖9 AFS水平方向偏角

5 結論

引入路面附著系數(shù)模擬雨雪天氣道路濕滑的路面狀況，引入車身高度變化量模擬車輛載重變化。通過對直線與轉(zhuǎn)彎兩種路段的理論與仿真分析，得到如下結論：

1）針對濕滑路面以及車載變化條件下前照燈調(diào)節(jié)的需要，實現(xiàn)了前照燈光軸水平與垂直方向的智能調(diào)節(jié)功能。

2）加入模糊PID控制策略后的AFS系統(tǒng)，能夠大大減少系統(tǒng)超調(diào)，增加系統(tǒng)的控制精度，延長系統(tǒng)使用壽命，使AFS系統(tǒng)性能得到優(yōu)化。