自適應(yīng)前照燈的功能及實(shí)現(xiàn)

介紹自適應(yīng)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(xì)分析AFS 的6 種不同的照明模式:默認(rèn)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(gòu)成，系統(tǒng)由傳感器組、傳輸通路、處理單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)4 部分組成。通過對AFS 的理論闡述和實(shí)踐分析，為國內(nèi)在AFS技術(shù)上的進(jìn)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(yuǎn)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(shí)，由于傳統(tǒng)前照燈的照明角度限制，存在照明暗區(qū)，會(huì)影響司機(jī)對彎道上障礙物的判斷;雨天行駛時(shí)，地面的積水會(huì)反射迎面車輛前照燈的光線，造成司機(jī)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(yīng)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(shí)自動(dòng)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(xiàng)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(xiàng)目。2003 年，意大利瑪涅蒂馬瑞利車燈公司在汽車上安裝了動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)燈，為AFS 奠定了基礎(chǔ)。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(dòng)轉(zhuǎn)向器廠和天津歐華汽車研發(fā)中心等一些機(jī)構(gòu)在進(jìn)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(quán)。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(jìn)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(dòng)對前照燈做出調(diào)整以適應(yīng)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(jìn)行詳細(xì)闡述。

1. 1 默認(rèn)照明模式

默認(rèn)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(huì)根據(jù)光敏傳感器感知光線的變化而自動(dòng)打開或關(guān)閉前照燈。如當(dāng)白天車輛穿過隧道和橋梁或遇到惡劣天氣時(shí)，前照燈會(huì)自動(dòng)打開以補(bǔ)充照明。當(dāng)黃昏時(shí)分，光線強(qiáng)度下降到一定大小時(shí)，前照燈也會(huì)自動(dòng)打開，似乎可以感知夜晚的即將到來;相反，當(dāng)黎明到來，光線強(qiáng)度升高到一定大小時(shí)，前照燈會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。

1. 2 高速公路照明模式

當(dāng)汽車在公路上行駛發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)，司機(jī)的第一反應(yīng)就是制動(dòng)，司機(jī)發(fā)現(xiàn)緊急情況到剎車發(fā)生制動(dòng)作用的這段時(shí)間稱為反應(yīng)時(shí)間，反應(yīng)時(shí)間內(nèi)車輛以初始速度行駛的距離稱為反應(yīng)距離，從剎車發(fā)生制動(dòng)作用直至汽車停止這段時(shí)間內(nèi)車輛行駛的距離稱為制動(dòng)距離，反應(yīng)距離和制動(dòng)距離都與汽車的初始速度成正比。剎車距離為反應(yīng)距離與制動(dòng)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(shí)，車速很快，車輛密度相對較低且側(cè)向干擾較少，所以要求前照燈照得更遠(yuǎn)、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(dāng)車輛進(jìn)入高速公路且速度> 70km / h時(shí)，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(shí)現(xiàn)。而且隨著車速的加快，近光燈也會(huì)調(diào)得越高，以保證能在安全剎車距離之外發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)。圖1 為進(jìn)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(shí)車輛的照明效果明顯比未工作時(shí)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(shí)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(chǎn)生的影響

是否進(jìn)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(dāng)汽車進(jìn)入鄉(xiāng)村時(shí)，左右近光燈的驅(qū)動(dòng)功率均增大，從而增加亮度以補(bǔ)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。

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(huì)根據(jù)前軸和后軸高度差的變化量來自動(dòng)調(diào)整前照燈的投射俯仰角度，盡量使光軸回復(fù)到原先的水平狀態(tài)，以能達(dá)到良好的照明效果，又不會(huì)對迎面車輛的司機(jī)造成眩目。前照燈需調(diào)整的投射俯仰角度可根據(jù)文獻(xiàn)[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(huì)車時(shí)，射向?qū)γ骜{駛員的光照強(qiáng)度不要超過1 000cd。是否進(jìn)入城市照明模式由光敏傳感器和車速傳感器或GPS 來進(jìn)行判斷。當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到閾值，且車速不超過60km / h時(shí)，城市道路照明模式便自動(dòng)開啟，左右近光燈的驅(qū)動(dòng)功率均減小以降低亮度，且前照燈在垂直方向上會(huì)向下偏轉(zhuǎn)一定角度，從而降低射進(jìn)對面駕駛員眼中的光照強(qiáng)度。下圖4 為進(jìn)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[!--empirenews.page--]

1. 5 彎道照明模式

當(dāng)汽車在彎道上行駛時(shí)，因?yàn)榍罢諢舻墓饩€和車輛的行駛方向一致，所以不可避免會(huì)存在照明暗區(qū)，極易因?yàn)椴荒芗皶r(shí)發(fā)現(xiàn)彎道上的障礙物而引發(fā)交通事故。是否進(jìn)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(dāng)轉(zhuǎn)向角超過12°并且車速超過30km / h 時(shí)開始工作，當(dāng)轉(zhuǎn)向角<9°或車速< 5km / h 時(shí)停止工作。當(dāng)AFS 獲知車輛進(jìn)入彎道時(shí)，前照燈會(huì)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(shí)控制左右近光燈的，如果車輛向右轉(zhuǎn)彎，則右燈向右側(cè)旋轉(zhuǎn)，如果向左轉(zhuǎn)彎，則左燈向左側(cè)旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，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(cè)近光燈變化角度最大為5°，左側(cè)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(yīng)時(shí)間，S 表示制動(dòng)距離，R 表示彎道半徑。

圖6 前照燈旋轉(zhuǎn)角度的計(jì)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(shí)，地面的積水會(huì)將行駛車輛打在地面上的光線，反射至對面會(huì)車司機(jī)的眼睛中，使其眩目，如圖7 所示。法國的一項(xiàng)民意調(diào)查表明，83% 的駕駛員認(rèn)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(shè)法降低陰雨天氣產(chǎn)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(dāng)前是否下雨，并能夠進(jìn)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(dāng)降低前照燈的高度，對此范圍內(nèi)的照度進(jìn)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(shí)，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(dǎo)致前方景像難以看清，司機(jī)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(qiáng)弱從而啟動(dòng)AFS。AFS 會(huì)提高前照燈的驅(qū)動(dòng)功率和抬高前照燈的垂直高度，而且還會(huì)啟動(dòng)車燈清洗裝置，沖洗前照燈上的小水珠，以增強(qiáng)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(shí)不存在小水珠，但是在沙塵暴天氣下會(huì)有大風(fēng)，使前照燈上布滿灰塵，且四周隨時(shí)可能刮來不明物體。由風(fēng)速傳感器、顆粒物傳感器和光敏傳感器判斷是否進(jìn)入沙塵暴照明模式。這時(shí)，AFS 同樣會(huì)提高前照燈的驅(qū)動(dòng)功率和抬高前照燈的垂直高度，同時(shí)啟動(dòng)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(huì)向外側(cè)旋轉(zhuǎn)一定角度以及時(shí)發(fā)現(xiàn)被風(fēng)刮來的障礙物。

2 AFS 的實(shí)現(xiàn)方案

為了實(shí)現(xiàn)AFS 的功能，需要對AFS 的光源部分和控制部分分別進(jìn)行研究。

2. 1 AFS 光源

傳統(tǒng)的前照燈光源難以實(shí)現(xiàn)AFS 的全部功能，相對于傳統(tǒng)AFS 的光源鹵素?zé)艋騂ID 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(jī)的使用功耗。此外，由于單個(gè)LED 功率太小，所以在LED前照燈的設(shè)計(jì)中，一般將很多個(gè)LED 排列起來組成1只前照燈，如圖8 所示。如果對多個(gè)LED 進(jìn)行不同的開關(guān)控制和旋轉(zhuǎn)，就可實(shí)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(gè)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(shí)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(jī)構(gòu)。此方案的基本思想是:中央處理器為實(shí)現(xiàn)汽車前照燈的自適應(yīng)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(shí)時(shí)傳輸這些信息至中央處理器，中央處理器經(jīng)過復(fù)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(yīng)，從而達(dá)到預(yù)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(zhuǎn)角傳感器、雨量傳感器、霧傳感器、風(fēng)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(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(guān)資源及將本系統(tǒng)當(dāng)前的一些信息發(fā)送給其他電子模塊，從而簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)資源共享。對應(yīng)于2. 2. 1 條提出的AFS 的控制方案，CAN 節(jié)點(diǎn)連接圖如圖10 所示。[!--empirenews.page--]

(3) 處理單元及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

在原理樣機(jī)中，選擇AT89S51 單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)、車燈功率驅(qū)動(dòng)芯片和車燈清洗器。圖11 給出了步進(jìn)電機(jī)的控制示意圖，本系統(tǒng)共需4 臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，左右前照燈每邊各2 臺(tái)，其中1 臺(tái)步進(jìn)電機(jī)控制垂直方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，另1 臺(tái)用于控制水平方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖9 AFS 的控制框圖

圖10 CAN 節(jié)點(diǎn)連接圖

圖11 步進(jìn)電機(jī)控制示意圖

3 結(jié)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(shí)現(xiàn)方案。

當(dāng)前的AFS 只有當(dāng)車輛進(jìn)入某種環(huán)境后才能根據(jù)傳感器采集的相關(guān)信息對當(dāng)前的駕駛環(huán)境做出判斷，且只有當(dāng)傳感器收集的數(shù)據(jù)值在一定范圍內(nèi)才能做出反應(yīng)，低于或高于此值A(chǔ)FS 將不予理睬。所以當(dāng)前AFS 的及時(shí)性和可靠性有待進(jìn)一步改進(jìn)。本研究系統(tǒng)中預(yù)留了GPS 信號，通過對系統(tǒng)的擴(kuò)展，不但對車輛所處的當(dāng)前環(huán)境狀況具有正確的判斷，同時(shí)能對即將到來的環(huán)境狀況有效地預(yù)知并提前做出反應(yīng)。

它被稱為預(yù)見型AFS，即P-AFS( Predictive-AFS)。譬如車輛在進(jìn)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(zhǔn)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。