汽车智能前照灯照明系统算法研究

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􀦶􀦶ＬＥＤ研究

汽车智能ＬＥＤ前照灯照明系统算法研究

孟昭军１，魏生越１，张祥军２，薄化钢１（１．辽宁科技学院电气与信息工程学院，辽宁本溪１１７００４；２．成都工业学院电气与电子工程系，四川成都６１００３１）

收稿日期：２０１４⁃０９⁃１７　基金项目：辽宁省社会科学规划基金项目（Ｌ１３ＢＪＬ０１６）　作者简介：孟昭军（１９７４⁃），男，副教授，博士，从事非线性系统控制，智能控制的研究。摘要：文章主要研究了汽车的行驶速度、转弯半径、车身高度变化与前大灯水平和垂直方向上的函数关系。论文以安全刹车距离为有效照明的判断依据，研究了汽车车速、方向盘转角、弯道半径与汽车前大灯调整角度之间的关系，建立了内、外前大灯水平调整和垂直调整角度计算公式，并对公式进行了修正，然后在ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ平台上建立汽车ＡＦＳ仿真模型，并给出仿真结果。关键词：汽车智能照明；ＬＥＤ前照灯；算法；仿真ＡｌｇｏｒｉｔｈｍＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＬＥＤＨｅａｄｌａｍｐＳｙｓｔｅｍ

ＭＥＮＧＺｈａｏｊｕｎ，ＷＥＩＳｈｅｎｇｙｕｅ，ＺＨＡＮＧＸｉａｎｇｊｕｎ，ＢＯＨｕａｇａｎｇ（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬｉａｏｎｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｎｘｉ１１７００４，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ；２．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｅｎｇｄｕＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００３１，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｍａｉｎｌｙｓｔｕｄｉｅｓｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃａｒ＇ｓｓｐｅｅｄ，ｔｕｒｎｒａｄｉｕｓ，ｂｏｄｙｈｅｉｇｈｔａｎｄｔｈｅｈｅａｄｌｉｇｈｔｓｈｏｒｉｚｏｎｔａｌａｎｄｖｅｒｔｉｃａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｖｅｈｉｃｌｅｓｐｅｅｄ，ｓｔｅｅｒｉｎｇａｎｇｌｅ，ｔｈｅｒａｄｉｕｓｏｆｔｈｅｂｅｎｄａｎｄｔｈｅａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｈｅａｄｌｉｇｈｔａｄｊｕｓｔｍｅｎｔａｎｇｌｅｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｅｃｕｒｉｔｙｂｒａｋｉｎｇｄｉｓｔａｎｃｅｔａｋｅａｓｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｉｇｈｔｉｎｇｊｕｄｇｍｅｎｔｓ，ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｎｇｌｅａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｆｏｒｍｕｌａｏｆｈｅａｄｌｉｇｈｔｓｌｅｖｅｌａｎｄｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ，ａｎｄｍｏｄｉｆｉｅｄｔｈｅｆｏｒｍｕｌａａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅａｃｔｕａｌｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｎａｕｔｏ⁃ｍｏｂｉｌｅＡＦＳｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｏｎｔｈｅＭＡＴＬＡＢ／ｓｉｍｕｌｉｎｋｐｌａｔｆｏｒｍ，ａｎｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｇｉｖｅｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｌｉｇｈｔｉｎｇ；ＬＥＤｈｅａｄｌａｍｐ；ａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

０　引　言

前照灯作为汽车的主要照明工具，关系到驾驶人和行人的生命安全。实际驾驶过程中，由于道路、环境以及驾驶人自身问题等动态不确定因素，传统的汽车前照灯照明系统不能随车速、转弯等变化而自动调整照射距离、明暗程度等参数，严重影响驾驶人对外界的判断，或者给对向行驶车辆造成眩光，不利于安全行驶。所以，国内外开始研究可以随外界环境或车辆本身变化而自动改变照射距离以及自动调整亮度的智能前照灯系统。相对国外汽车工业发达国家，中国汽车智能前照灯系统还有一定差距。为了解决上述传统汽车前大灯所存在的问题，要求汽车智能前照灯系统具备如下基本功能：汽车在高速行驶时，能根据车速自动调整前大灯前方的照射距离和根据对向来车自动调整灯光亮度；汽车转弯时能根据车速和转弯角度自动调整前大灯水平照射角度，减少盲区。因此，汽车智能前大灯系统的研究涉及车

·０３·２０１５年３月灯与照明第３９卷第１期速、转弯半径、车身高度等动态参数，这些参数之间相互影响。要使汽车智能前大灯系统随外界条件变化而自动调整，首先要确定这些参数间的数学模型。在此基础上，ＡＦＳ控制系统根据方向盘转角、车速等输入信号并依据数学模型来控制前大灯的转角和亮度等，实现汽车前大灯的智能控制。文章主要以安全刹车距离为有效照明的判断依据，研究汽车车速、方向盘转角、弯道半径与汽车前大灯调整角度之间的关系，建立了内、外前大灯水平调整和垂直调整角度计算公式，并对公式进行了修正。然后在ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ平台上建立汽车ＡＦＳ仿真模型，并给出仿真结果。１　前大灯调整角度的计算

汽车智能型前大灯系统，也可称汽车自适应前大灯系统，即汽车ＡＦＳ（ａｄａｐｔｉｖｅｆｒｏｎｔ－ｌｉｇｈｔｓｙｓｔｅｍ），该系统的车载传感器实时监测相关信息，ＡＦＳ控制器实时读取和处理相关信号，发出指令，驱动智能前大灯调整照射角度并输出合适光型，汽车ＡＦＳ的组成如图１所示。

图１　汽车ＡＦＳ的组成１．１　汽车安全刹车距离汽车安全刹车距离是从驾驶员踩下制动踏板的时刻到汽车在制动力的作用下完全停止的时刻，这段时间内汽车所行驶的路程，由刹车距离和反应距离两部分组成。辽宁省交通管理局研究的一组实际刹车距离数据，如表１所示。表１　汽车车速与安全刹车距离对应车速（ｋｍ／ｈ）１０２０３０４０５０６０７０８０９０１００１１０刹车距离（ｍ）３．５８．５１５２３３２４２５５６８８３９９１１７ 由表１可知，随着车速的增加，刹车距离增加，且车速越高，刹车距离的增加幅度越大。在实际驾驶中，车速是连续变化的，因此需要建立车速和安全刹车距离的连续函数关系式。将表１的１０对数据进行曲线拟合，即可得到相对应的连续函数关系式。利用ＭＡＴＬＡＢ可实现最小二乘法曲线拟合，二次函数拟合结果得到的汽车安全刹车距离计算公式为Ｓ＝０．００７１ｖ２＋０．２８６３ｖ－０．００６１（１）式中，ｖ———汽车车速（ｋｍ／ｈ）；Ｓ———安全刹车距离（ｍ）。１．２　前大灯水平调整角度影响前大灯水平调整角度的因素主要有车速和弯道半径。根据转向盘与前轮之间的关系可以得到前轮转角角度，再根据阿克曼转向几何原理计算弯道半径。系统根据检测到的转角、车速信号，经ＡＦＳ控制器发出相应指令至汽车前大灯驱动系统，驱动前大灯水平转动，以调整照射角度。根据阿克曼转向原理，得到转弯半径公式：Ｒ＝Ｄｓｉｎδ（２）式中，Ｄ———汽车轴间距（ｍ）；Ｒ———内侧车轮转弯半径（ｍ）；δ———内侧车轮转角（°）。当汽车进入弯道时，以汽车安全刹车距离作为汽车前大灯有效照明距离判定标准，照明需覆盖安全刹车距离Ｓ。根据前大灯水平偏转角θ、安全刹车距离Ｓ、转弯半径Ｒ之间的几何关系可得到前大灯水平转角θ的计算公式θ＝ａｒｃｓｉｎ１２Ｒ（０．００７１ｖ２＋０．２８６３ｖ－０．００６１）éëêêùûúú（３）式中：θ———前大灯水平转角（°）；Ｒ———转弯半径（ｍ）；ｖ———车速（ｋｍ／ｈ）。根据公式（３）可知，当转弯半径较小时，前大灯调整角度θ将增大，这可能超过实际前大灯调整系统的最大允许角，造成电机烧毁，所以需要对公式（３）进行修正。为提高前大灯使用寿命，将公式（３）减去１０度，修正为θ＝ａｒｃｓｉｎ１２Ｒ（０．００７１ｖ２＋０．２８６３ｖ－０．００６１）éëêêùûúú－１０（４） 汽车转弯时，外侧大灯需要提供前方照明，内侧减少盲区，所以外侧前大灯水平转角应小于内侧前大·１３·２０１５年３月灯与照明第３９卷第１期灯水平转角。一般外侧前大灯水平调整角度约为内侧的１／３。资料表明，外侧前大灯水平调整角度最大为５°，内侧前大灯水平调整角度最大为１５°。将式（２）代入（４）中，最后得到内侧大灯调整角度为θ内＝ａｒｃｓｉｎｓｉｎδ２Ｄ（０．００７１ｖ×ｖ＋０．２８６３ｖ－０．００６１）éëêêùûúú－１０（０≤θ内≤１５°）（５） 外侧大灯调整角度为

θ外＝ａｒｃｓｉｎｓｉｎδ２Ｄ（０．００７１ｖ×ｖ＋０．２８６３ｖ－０．００６１）éëêêùûúú－１０３（０≤θ外≤５°）（６）１．３　前大灯垂直调整角度汽车在行驶时，车速越高要求前大灯照射距离就越远，以便给驾驶人足够的反应时间。另外，当汽车前后载重量变化或车辆加减速时，前照灯的照射方向就会改变。这些因素的变化都会产生行车安全隐患。为使前照灯保持在正确的高度，以避免给对向来车或前车造成眩光，同时又确保驾驶人和车辆的安全，需要对前大灯俯仰角度进行控制。国家对汽车前大灯配光性能有严格的规定，配光性能要符合ＧＢ４５９９—９４。依据ＧＢ４５９９—９４进行汽车前大灯配光测试时，汽车前大灯与配光屏幕的距离为２５ｍ。过Ｂ点的明暗截止线的水平部分在Ｈ⁃Ｖ线的下面，且垂直距离为２５ｃｍ，点Ａ在Ｈ⁃Ｖ线上方，且垂直距离为２５ｃｍ。由图２可知，直线ＢＢ′与水平线的夹角为α，直线ＡＢ′与水平线之间的夹角为β。

图２　汽车前大灯光线为了确保驾驶员得到充足的照明视野并且考虑到不给对面来车驾驶员造成眩光情况，垂直向上调整角度不能超过角度β，汽车前大灯垂直向下调整角度不能超过角度α。由图２可得α＝β＝ａｒｃｔａｎ（２５／２５００）＝０．６°（７）所以前大灯垂直转角上下限为０．６°。２　汽车ＡＦＳ仿真

为了验证上述数学模型的正确性，笔者在ＭＡＴ⁃ＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下建立了汽车ＡＦＳ仿真模型。汽车ＡＦＳ仿真模型系统如图３所示。

图３　汽车ＡＦＳ仿真模型系统 图３中，车速、前轮转角、汽车前后轮高度差为汽车ＡＦＳ的信号输入量，可根据仿真需要设置其相应的波形，在前三个信号输入后，经过中间的模块进行运算，最后将结果输入“Ｓｃｏｐｅ”模块。在该模块可以观察到内、外侧前大灯理论水平调整角度和理论垂直调整角度的动态输出波形。根据第１节建立的水平和垂直方向的数学模型，利用ＭＡＴＬＡＢ，在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下建立的ＡＦＳ仿真模型，通过改变车速、汽车前轮转角和汽车前后轮高度差输入信号，经过中间计算，输出相应转角波形。由·２３·２０１５年３月灯与照明第３９卷第１期上建立的仿真系统，取ｖ＝３０ｋｍ／ｈ，前车轮转角δ＝３０°，车前后轮高度差ｈ＝０．１ｍ，设置相关波形输入，经过中间模块进行运算，在“Ｓｃｏｐｅ”得到波形如图４所示。汽车垂直方向、汽车前轮外侧转角、汽车内轮转角详细波形分别如图５～图７所示。

图４　Ｓｃｏｐｅ波形

图５　汽车垂直方向转角波形

图６　汽车前轮外侧转角波形

图７　汽车内侧车轮转角波形３　小　结

文章研究了汽车智能前大灯水平和垂直调整角度与车速等因素的数学模型。利用前大灯调整角度数学模型在ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中建立了汽车ＡＦＳ仿真模型。从仿真结果来看文中给出的数学模型满足要求。根据研究的模型，ＡＦＳ控制系统可实时检测汽车转角、车速、车身高度变化，并按设定程序驱动前大灯进行水平和垂直照射角度的调节，以达到夜间行车安全的目的。

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