介紹自適應前照燈系統(tǒng)(Adaptive FrONt-lighting System，AFS) 的產生背景、國內外發(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，已經加裝了部分功能的AFS 系統(tǒng)。國內在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，也缺乏核心知識產權。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。
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。
圖2 車身傾斜對照明產生的影響
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一定角度，以照射到邊緣路面，效果如圖3 所示。
圖3 AFS 鄉(xiāng)村岔路口效果圖
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。前照燈需調整的投射俯仰角度可根據(jù)文獻[5]算出。
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，射向對面駕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角傳感器和車速傳感器或GPS 來判斷。當轉向角超過12°并且車速超過30km / h 時開始工作，當轉向角<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，如果車輛向右轉彎，則右燈向右側旋轉，如果向左轉彎，則左燈向左側旋轉。同時，左右近光燈的最大調節(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)域內才能保證汽車的安全行駛，所以要求前照燈旋轉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生的反射眩光。
圖7 積水反光造成眩目
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，對此范圍內的照度進行限制，從而避免反射眩光對車輛前方60m范圍內的駕駛員造成眩目。
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。
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，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。
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。
(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動，另1 臺用于控制水平方向的轉動。
圖9 AFS 的控制框圖
圖10 CAN 節(jié)點連接圖
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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