介紹自適應前照燈系統(tǒng)(Adaptive Front-lighting System，AFS) 的產(chǎn)生背景、國內(nèi)外發(fā)展概況;詳細分析AFS 的6 種不同的照明模式:默認照明模式、高速公路照明模式、鄉(xiāng)村照明模式、城市照明模式、彎道照明模式和惡劣天氣照明模式; 就AFS 的以上功能，給出控制電路的硬件構成，系統(tǒng)由傳感器組、傳輸通路、處理單元和執(zhí)行機構4 部分組成。通過對AFS 的理論闡述和實踐分析，為國內(nèi)在AFS技術上的進一步發(fā)展探索提供參考。
引言
汽車前照燈是安全駕駛重要的一環(huán)，人們對前照燈的各方面要求越來越高，然而傳統(tǒng)的前照燈只具有近光和遠光2 種固定照明模式，不能滿足客戶需求。
如汽車在轉(zhuǎn)彎時，由于傳統(tǒng)前照燈的照明角度限制，存在照明暗區(qū)，會影響司機對彎道上障礙物的判斷;雨天行駛時，地面的積水會反射迎面車輛前照燈的光線，造成司機眩目等。由于這些問題的存在，使得夜間發(fā)生車禍的概率是白天的2 倍。為了解決現(xiàn)存的這些問題，一種新的前照燈系統(tǒng)———自適應前照燈系統(tǒng)(AFS) 被提上開發(fā)日程。該系統(tǒng)能夠根據(jù)周邊環(huán)境的變化適時自動地調(diào)整自身的配光方式，提供更適合的照明范圍、照明距離和照明角度，提高駕駛的安全性及舒適度。
AFS 自1992 年起被列為歐共體尤尼卡(EUREKA) 的1403 號項目，歐洲的各大汽車公司和美國、日本的部分公司都參與了此項目。2003 年，意大利瑪涅蒂馬瑞利車燈公司在汽車上安裝了動態(tài)調(diào)節(jié)燈，為AFS 奠定了基礎。法國的VALEO 也開發(fā)了自己的AFS。德國Hella 公司取得了最為豐碩的成果。目前，不少豪華汽車，諸如寶馬W5 系、奔馳E級、奧迪A8、凌志R 系列等，已經(jīng)加裝了部分功能的AFS 系統(tǒng)。國內(nèi)在AFS 上起步較晚，上海小糸車燈有限公司、沈陽北方汽車大燈自動轉(zhuǎn)向器廠和天津歐華汽車研發(fā)中心等一些機構在進行自主研發(fā)，但還沒有批量生產(chǎn)，也缺乏核心知識產(chǎn)權。由于歐美國家沒有考慮到沙塵暴天氣，在奇瑞公司的建議下，我們就沙塵暴天氣情況下的AFS 進行了研究。
1 AFS 的功能
AFS 是一種智能式前照燈系統(tǒng)，它能根據(jù)周圍環(huán)境的變化主動對前照燈做出調(diào)整以適應環(huán)境。下面將針對不同的環(huán)境分6 種照明模式對AFS 的功能進行詳細闡述。
1. 1 默認照明模式
默認模式下，AFS 的前照燈不做任何水平與垂直方向的調(diào)整，但會根據(jù)光敏傳感器感知光線的變化而自動打開或關閉前照燈。如當白天車輛穿過隧道和橋梁或遇到惡劣天氣時，前照燈會自動打開以補充照明。當黃昏時分，光線強度下降到一定大小時，前照燈也會自動打開，似乎可以感知夜晚的即將到來;相反，當黎明到來，光線強度升高到一定大小時，前照燈會自動關閉。
1. 2 高速公路照明模式
當汽車在公路上行駛發(fā)現(xiàn)危險時，司機的第一反應就是制動，司機發(fā)現(xiàn)緊急情況到剎車發(fā)生制動作用的這段時間稱為反應時間，反應時間內(nèi)車輛以初始速度行駛的距離稱為反應距離，從剎車發(fā)生制動作用直至汽車停止這段時間內(nèi)車輛行駛的距離稱為制動距離，反應距離和制動距離都與汽車的初始速度成正比。剎車距離為反應距離與制動距離總和，且剎車距離必須在前照燈的照明區(qū)域內(nèi)才能保證汽車的安全行駛。
車輛在高速公路上行駛時，車速很快，車輛密度相對較低且側向干擾較少，所以要求前照燈照得更遠、更窄，且要求車速越高，光型越長，這樣才能提前發(fā)現(xiàn)前方障礙物，避免交通事故的發(fā)生。當車輛進入高速公路且速度> 70km / h時，AFS 通過車速傳感器或GPS 獲知此信息，然后通過調(diào)高近光燈的水平高度予以實現(xiàn)。而且隨著車速的加快，近光燈也會調(diào)得越高，以保證能在安全剎車距離之外發(fā)現(xiàn)危險。圖1 為進入高速公路前后的前照燈的燈光光型分布圖，從圖1 中可以看出，AFS 工作時車輛的照明效果明顯比未工作時好。
圖1 AFS 高速公路模式對比圖
圖2 車身傾斜對照明產(chǎn)生的影響
1. 3 鄉(xiāng)村照明模式
鄉(xiāng)村道路岔路口多，且光線較暗，不便及時發(fā)現(xiàn)邊緣障礙物。部分道路還凹凸不平、起伏不定，造成車身傾斜，如圖2 所示，車身傾斜對前照燈照射俯仰角度影響很大。
是否進入鄉(xiāng)村照明模式由光敏傳感器和車身高度傳感器或GPS 來判斷。以右行國家為例，當汽車進入鄉(xiāng)村時，左右近光燈的驅(qū)動功率均增大，從而增加亮度以補充照明，且右燈的燈光要偏轉(zhuǎn)一定角度，以照射到邊緣路面，效果如圖3 所示。
若遇到起伏不平的路況，則AFS 會根據(jù)前軸和后軸高度差的變化量來自動調(diào)整前照燈的投射俯仰角度，盡量使光軸回復到原先的水平狀態(tài)，以能達到良好的照明效果，又不會對迎面車輛的司機造成眩目。前照燈需調(diào)整的投射俯仰角度可根據(jù)文獻［5］算出。
圖3 AFS 鄉(xiāng)村岔路口效果圖
1. 4 城市照明模式
對于城市公路來說，照明條件較好，且車流人流密度都明顯增大，防止眩目就顯得尤為重要。眩光分為直接眩光和反射眩光，這里主要為直接眩光。一般要求，在會車時，射向?qū)γ骜{駛員的光照強度不要超過1 000cd。是否進入城市照明模式由光敏傳感器和車速傳感器或GPS 來進行判斷。當光強達到閾值，且車速不超過60km / h時，城市道路照明模式便自動開啟，左右近光燈的驅(qū)動功率均減小以降低亮度，且前照燈在垂直方向上會向下偏轉(zhuǎn)一定角度，從而降低射進對面駕駛員眼中的光照強度。下圖4 為進入城市前后的照明效果對比圖。
圖4 AFS 城市照明模式對比圖
1. 5 彎道照明模式
當汽車在彎道上行駛時，因為前照燈的光線和車輛的行駛方向一致，所以不可避免會存在照明暗區(qū)，極易因為不能及時發(fā)現(xiàn)彎道上的障礙物而引發(fā)交通事故。是否進入彎道照明模式由汽車的方向盤轉(zhuǎn)角傳感器和車速傳感器或GPS 來判斷。當轉(zhuǎn)向角超過12°并且車速超過30km / h 時開始工作，當轉(zhuǎn)向角<9°或車速< 5km / h 時停止工作。當AFS 獲知車輛進入彎道時，前照燈會旋轉(zhuǎn)一定角度，給彎道以足夠的照明，效果對比圖如圖5 所示。為了正面照明的需要，AFS 并不是同時控制左右近光燈的，如果車輛向右轉(zhuǎn)彎，則右燈向右側旋轉(zhuǎn)，如果向左轉(zhuǎn)彎，則左燈向左側旋轉(zhuǎn)。同時，左右近光燈的最大調(diào)節(jié)角度也是不同的，對于交通法規(guī)規(guī)定靠右行駛的國家，右側近光燈變化角度最大為5°，左側為15°。
圖5 AFS 彎道照明模式對比圖
由1. 2 節(jié)高速公路照明模式分析可知，只有剎車距離在前照燈的照明區(qū)域內(nèi)才能保證汽車的安全行駛，所以要求前照燈旋轉(zhuǎn)后能照射到的彎道上的最大直線距離大于或等于剎車距離，由此不難得出前照燈需要旋轉(zhuǎn)的角度φ 。如圖6 所示，不難看出：
其中，x 為安全剎車距離，且x = Vt + S，V 表示初始車速，t 為反應時間，S 表示制動距離，R 表示彎道半徑。
圖6 前照燈旋轉(zhuǎn)角度的計算
1. 6 惡劣天氣照明模式
1. 6. 1 陰雨天氣照明方式
陰雨天氣時，地面的積水會將行駛車輛打在地面上的光線，反射至對面會車司機的眼睛中，使其眩目，如圖7 所示。法國的一項民意調(diào)查表明，83% 的駕駛員認為，夜晚的反射眩光比直接眩光更令人感到不安，所以必須設法降低陰雨天氣產(chǎn)生的反射眩光。
由雨量傳感器獲得的數(shù)據(jù)即可判斷當前是否下雨，并能夠進一步獲知雨量的大小。一般汽車前面距離為5 ～ 25m 的路面可以產(chǎn)生反射眩光，AFS 可根據(jù)雨量大小適當降低前照燈的高度，對此范圍內(nèi)的照度進行限制，從而避免反射眩光對車輛前方60m范圍內(nèi)的駕駛員造成眩目。
1. 6. 2 霧霾天氣照明方式
霧霾天氣時，前照燈光線產(chǎn)生漫射且前照燈上布滿小水珠，使前照燈的亮度和穿透力降低，導致前方景像難以看清，司機的能見度很低，給交通帶來很大不便。由霧傳感器感知霧的大小和光敏傳感器感知光線的強弱從而啟動AFS。AFS 會提高前照燈的驅(qū)動功率和抬高前照燈的垂直高度，而且還會啟動車燈清洗裝置，沖洗前照燈上的小水珠，以增強前照燈光束的亮度和穿透力，從而提高前方道路的能見度與清晰度。
圖7 積水反光造成眩目
1. 6. 3 沙塵暴天氣照明方式
沙塵暴天氣和下霧天氣情況類似，雖然此時不存在小水珠，但是在沙塵暴天氣下會有大風，使前照燈上布滿灰塵，且四周隨時可能刮來不明物體。由風速傳感器、顆粒物傳感器和光敏傳感器判斷是否進入沙塵暴照明模式。這時，AFS 同樣會提高前照燈的驅(qū)動功率和抬高前照燈的垂直高度，同時啟動車燈清洗裝置，洗凈前照燈上的灰塵，此外，其中1 只前照燈會向外側旋轉(zhuǎn)一定角度以及時發(fā)現(xiàn)被風刮來的障礙物。
2 AFS 的實現(xiàn)方案
為了實現(xiàn)AFS 的功能，需要對AFS 的光源部分和控制部分分別進行研究。
2. 1 AFS 光源
傳統(tǒng)的前照燈光源難以實現(xiàn)AFS 的全部功能，相對于傳統(tǒng)AFS 的光源鹵素燈或HID 燈，LED 明顯的優(yōu)勢是體積小、重量輕，從而節(jié)省了非常有限的AFS 燈具內(nèi)部空間，較輕的重量也減小了電機的使用功耗。此外，由于單個LED 功率太小，所以在LED前照燈的設計中，一般將很多個LED 排列起來組成1只前照燈，如圖8 所示。如果對多個LED 進行不同的開關控制和旋轉(zhuǎn)，就可實現(xiàn)AFS 功能模式所要求的不同光型，并且系統(tǒng)更加節(jié)能和可靠。福特公司的一款汽車就采用了基于LED 的AFS。這種基于LED的AFS 通過傳感器采集環(huán)境信息并傳至中央控制單元，中央控制單元將數(shù)據(jù)處理后去控制各個角度LED 的亮度，從而使得駕駛員能夠更精確地掌握前方道路等周邊信息，有效提高了駕駛的安全系數(shù)。
圖8 用LED 作光源的AFS
2. 2 AFS 的控制方案及硬件組成
2. 2. 1 AFS 的控制方案
為了實現(xiàn)上述AFS 的各種照明模式，現(xiàn)提出如圖9 所示方案。此方案中，AFS 由4 大部分組成，分別為傳感器組、傳輸通路、處理單元和執(zhí)行機構。此方案的基本思想是:中央處理器為實現(xiàn)汽車前照燈的自適應功能，需要首先通過傳感器組采集光線、車速、轉(zhuǎn)向、道路狀況等信息，再由傳輸通路實時傳輸這些信息至中央處理器，中央處理器經(jīng)過復雜的控制邏輯和算法，將得到的控制命令發(fā)給執(zhí)行單元，再由執(zhí)行單元做出最終反應，從而達到預期效果。
圖9 AFS 的控制框圖
2. 2. 2 AFS 的硬件組成
(1) 傳感器組
傳感器組包括光敏傳感器、車速傳感器、車身高度傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、雨量傳感器、霧傳感器、風速傳感器、顆粒物傳感器、汽車位置傳感器(GPS 信號)。
(2) 傳輸通路
選擇CAN( Controller Area Network) 總線作為傳輸通道，CAN 總線常用于實現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機構間的數(shù)據(jù)通信。通過CAN 總線還可以向其它電子模塊索要本系統(tǒng)需要的相關資源及將本系統(tǒng)當前的一些信息發(fā)送給其他電子模塊，從而簡化系統(tǒng)結構，實現(xiàn)資源共享。對應于2. 2. 1 條提出的AFS 的控制方案，CAN 節(jié)點連接圖如圖10 所示。
圖10 CAN 節(jié)點連接圖
(3) 處理單元及執(zhí)行機構
在原理樣機中，選擇AT89S51 單片機來控制步進電機、車燈功率驅(qū)動芯片和車燈清洗器。圖11 給出了步進電機的控制示意圖，本系統(tǒng)共需4 臺步進電機，左右前照燈每邊各2 臺，其中1 臺步進電機控制垂直方向的轉(zhuǎn)動，另1 臺用于控制水平方向的轉(zhuǎn)動。
圖11 步進電機控制示意圖
3 結論
通過對AFS 的功能分析，提出了沙塵暴天氣下的AFS 的照明功能，給出了可行的硬件實現(xiàn)方案。
當前的AFS 只有當車輛進入某種環(huán)境后才能根據(jù)傳感器采集的相關信息對當前的駕駛環(huán)境做出判斷，且只有當傳感器收集的數(shù)據(jù)值在一定范圍內(nèi)才能做出反應，低于或高于此值AFS 將不予理睬。所以當前AFS 的及時性和可靠性有待進一步改進。本研究系統(tǒng)中預留了GPS 信號，通過對系統(tǒng)的擴展，不但對車輛所處的當前環(huán)境狀況具有正確的判斷，同時能對即將到來的環(huán)境狀況有效地預知并提前做出反應。
它被稱為預見型AFS，即P-AFS( Predictive-AFS)。譬如車輛在進入彎道之前，P-AFS 便能發(fā)現(xiàn)前方道路的狀況，從而能提前開啟彎道照明功能，且比傳統(tǒng)的AFS 能更加準確地照射到彎道的中央。P-AFS 將成為我們下一步研究的主要方向。
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