基于加速度傳感器的車燈控制系統的研究

徐健，王劉，鄧婕

常州星宇車燈股份有限公司研究院，江蘇常州 213000

0 引言

汽車作為現代社會重要的交通工具，是衡量一個國家物質生活水平高低的重要指標。因此，各個發達國家對汽車產業的發展極其重視。中國汽車工業正在高速增長，據交管部門統計，70% 的交通事故都發生在夜間[1-2]。其中，照明條件不良是主要原因。為保證駕駛員在不同道路和不同行駛狀況下都能獲得較好的視場條件，迫切需要前照燈的照射光型及角度的自適應變化[3]。因此，汽車自適應前照燈系統的研究和發展成為改善汽車夜間行駛安全的關鍵方向。

目前現有技術中，在前照燈高度調節方面普遍應用了車身高度傳感器。通過安裝在車輛前左、前右、后左、后右4處車輛懸掛處的車身高度傳感器實時監測車輛的姿態，并將車輛姿態信息發送給前照燈控制器，以實現最佳的前照燈高度調節。由于現有技術方案使用了較多的傳感器，同時信號傳輸多為模擬信號，即通過不同的電平值以表示車身不同的姿態[4-5]。因此，現有技術方案不但系統構成復雜、生產成本高，而且抗干擾與可靠性都相對較低。

為了解決上述問題及滿足行業發展的需求，提出了一種基于加速度傳感器的車燈控制系統及其控制方法，加速度傳感器的采樣靈敏度高，可以檢測出任意的異常抖動，當汽車遭遇顛簸干擾時，加速度傳感器的輸出值高于正常狀態，因此可以實時檢測車身姿態。本文采用一個加速度傳感器代替傳統技術方案中的4個車身高度傳感器，簡化系統構成，提高采樣精度；同時使用數字信號線代替模擬信號線，有效提升系統信號傳遞的可靠性。

1 車燈控制系統的總體設計

本文提出的車燈控制系統包括BCM、G-sensor控制單元、車燈控制單元3個部分。BCM為車身控制模塊，主要提供車輛狀態信息、前方道路狀態信息。G-sensor控制單元主要有加速度傳感器、MCU芯片、CAN收發器和LIN收發器，加速度傳感器測算當前車輛的縱向加速度值(簡稱G值)，并實時將G值發送給MCU芯片，MCU芯片根據接收到的G值，判斷出當前車輛的車身姿態。車燈控制單元主要有MCU芯片、電機驅動芯片、LED驅動芯片、LED矩陣管理芯片及CAN收發器和LIN收發器，接收G-sensor控制單元的車身姿態信號，并根據預設的姿態調節值對前照燈高度進行調節。BCM與G-sensor控制單元之間通過CAN總線相連，G-sensor控制單元與車燈控制單元通過CAN總線和LIN總線相連，其系統架構如圖1所示。

圖1 系統架構

2 車燈控制系統硬件設計

G-sensor控制單元中的MCU芯片硬件原理如圖2所示，加速度傳感器硬件原理如圖3所示。MCU芯片的PTB0腳、PTB1腳、PTB2腳和PTB3腳分別與加速度傳感器芯片的CSB腳、MISO腳、SCK腳和MOSI腳相連。其中，CSB腳為加速度傳感器芯片的片選信號腳，屬于芯片控制信號腳的一種；MISO腳為加速度傳感器芯片的信號輸入腳，用于接收MCU芯片的配置及控制命令；MOSI腳為加速度傳感器芯片的信號輸出腳，用于將其檢測到的信號輸出至MCU芯片；SCK腳為時鐘信號腳，用于向加速度傳感器芯片輸入所需的時鐘信號。

圖2 MCU芯片硬件原理

圖3 加速度傳感器硬件原理

CAN收發器硬件原理如圖4所示。MCU芯片的PTE5腳和PTE4腳分別與CAN收發器U2的TXD腳和RXD腳相連，CAN收發器U2的CANH腳和CANL腳與BCM端相連，用于接收BCM發送的車輛狀態和前方道路狀態等信息，并最終傳送至MCU芯片。

圖4 CAN收發器硬件原理

LIN收發器硬件原理如圖5所示。MCU芯片的PTD6腳和PTD7腳與LIN芯片的RXD與TXD腳相連，LIN芯片的LIN腳與左、右車燈控制器端相連。MCU芯片通過LIN信號線向左、右車燈控制單元實時發送前照燈高度調節指令。MCU芯片的PTC17腳和PTC16腳分別與CAN收發器U3的TXD和RXD腳相連，CAN收發器U3的CANH腳和CANL腳與左、右車燈控制單元相連，并通過CAN總線向左、右車燈控制單元實時發送燈光的亮/滅，以及燈光亮度控制指令。

圖5 LIN收發器硬件原理

作為優選，本文所述的G-sensor控制單元中的MCU采用NXP公司的S32K144-64芯片，加速度傳感器采用村田公司的SCA3300-D01芯片，CAN收發器U2采用NXP公司的UJA1169芯片，CAN收發器U3采用德州儀器公司的TCAN1042，LIN收發器采用NXP公司的TJA1021T芯片。進一步，G-sensor控制單元安裝于車輛中軸線上，并置于車輛前部。作為優選，本文所述的G-sensor控制單元安裝于駕駛艙內的前擋風玻璃下方，車機的后部區域；或者安裝于發動機艙內的前防撞橫梁上。

3 車燈控制系統算法設計

3.1 算法流程

在完成硬件電路圖設計后，本文還設計了一種包含角度過濾器的算法，可直接過濾顛簸干擾，提高角度計算準確性。該算法包含加速度傳感器、角度直接計算單元、角度過濾單元、角度輸出單元和控制單元，算法流程如圖6 所示。

圖6 算法流程

在系統上電后，加速度傳感器周期性測算當前車輛的加速度G值，并實時將G值發送到角度直接計算單元，計算車輛瞬時俯仰角θT，角度過濾單元進行車身穩定性判斷，并過濾波動期間的瞬時角度，角度輸出單元計算車身真實角度θA，并輸出給控制單元進行光軸調節。

3.2 算法工況驗證

控制器會周期性地采集G-sensor的輸出值，實時判斷車輛角度的有效性。采樣周期內采集的車輛瞬時角度的最大角度與最小角度的差值為ΔθAB，角度過濾閾值為θC，當角度采樣周期內ΔθAB值小于θC時，判定此時車輛為穩定狀態，設置此采樣周期內的角度為有效角度，并將此周期內的瞬時角度發送至角度計算單元，然后輸出車輛實際俯仰角，最終控制光軸。當角度采樣周期內ΔθAB值大于θC時，判定此采樣周期內車輛為顛簸狀態，設置此采樣周期內的角度為無效角度，直接過濾此采樣周期的瞬時角度，并保持當前的光軸位置，如圖7所示。

圖7 算法過濾信息

經過角度過濾后，角度計算單元采樣到的角度均為有效角度，可以減少車輛劇烈的晃動對最終車輛真實俯仰角的影響，增加了光軸位置計算的準確性。

如圖8和圖9所示，坐標軸t為時間軸，分為靜態、負載變化、負載穩定3個時間段。坐標軸θT表示車輛瞬時角度，每個采樣周期內瞬時角度的上下閾值分別用θmax、θmin表示。靜態和負載穩定時間段內瞬時角度變化ΔθAB小于濾波閾值θC，此時判斷車輛瞬時角度為有效角度，采集該時間段的瞬時角度。負載變化區間內，則可以瞬時角度變化ΔθAB大于濾波閾值θC，此時判斷車輛瞬時角度為無效角度，直接過濾此時間段的瞬時角度。

圖8 負載增加時角度信息采集

圖9 瞬時顛簸時角度信息采集

4 結論

本文針對現有車燈技術中系統結構復雜、成本高及抗干擾與可靠性偏低等問題，提出了一種基于加速度傳感器的車燈控制系統及其控制方法，可實現采用加速度傳感器替代現有車燈技術中的前后車身高度傳感器，進而實現對車身姿態的實時監測，是對現有車燈ALS功能的一次技術升級。與傳統技術方案相比，本文所提出的方法具有以下兩點優勢：

(1)系統構成簡化，成本降低。通過本文所述的技術方案，作為前照燈高度調節的傳感器由現有技術方案中的4個減少為1個加速度傳感器。有效降低了線束成本、硬件成本及生產安裝調試成本。

(2)系統可靠性提升。通過本文所述的技術方案，將現有方案中的模擬信號線替換為數字信號線，通過數字信號本身的抗干擾優勢，有效提升了系統信號傳遞的可靠性。