前照灯系统

前照灯系统（精选8篇）

前照灯系统 篇1

摘要：自适应前照灯系统又称智能前照灯系统 (Adaptive Front-lighting System, 简称AFS) , 是一种智能灯光调节系统。而这种智能系统能够根据车辆的行驶状况以及天气等诸多因素, 改变其自身的光束状态从而达到优化照明的目的。

关键词：智能前照灯系统,传感器,AFS

上个世纪80年代, 人们在驾车时为了寻求更为稳定和安全的行驶, 对前照灯系统提出了更高的要求, 因此氙气大灯 (HID放电灯) 应运而生。HID放电灯的使用较之以往的卤素车灯, 具有较高的亮度和较远的投射范围。到了上个世纪末, LED作为新型光源被更广泛的应运在车灯上, LED凭借自身的体积小、寿命长、低热量等诸多优点逐渐受到更多人们的喜爱。但是, 不论是氙气灯还是LED光源, 只能工作在一种模式下。然而, 随着驾驶环境的复杂程度以及天气条件的影响, 尤其在夜晚发生交通事故的概率越来越高。所以, 需要一种前照灯, 能够满足随着驾驶环境的改变而改变其光线, 这也就是智能前照灯系统 (AFS) 。

智能前照灯系统 (Adaptive Frontlighting System, 简称AFS) 是一种智能的灯光调节系统。通过感知驾驶员操作、车辆行驶状态、路面变化以及天气环境等信息, AFS自动控制前照灯实时进行上下左右照明角度的调整, 为驾驶员提供最佳道路照明效果。

智能前照灯系统的四大组成部分:传感器组 (车速传感器、车身高度传感器、方向盘转角传感器、雨量传感器、光敏传感器等) 、传输通路 (CAN总线) 、处理单元和执行机构 (步进电机等) 。

智能前照灯系统工作的基本原理是:中央处理器通过传输通路、传感器组采集车速、转向、道路状况等信息 (其实AFS与汽车上的传感器信息共享) , 并进行处理分析, 给执行机构发出指令, 执行机构做出相应动作, 同时反馈电路给中央处理器信息, 进行不断的修正, 达到预期的效果 (如图1) 。

智能前照灯系统能够显著改善各种路况下的照明效果, 提高夜间行车的安全性, 按其系统功能主要分为以下几种情况。

(1) 乡村道路模式 (Class C) :基本光型模式。

(2) 高速公路模式 (Class E) :高速路上照射距离更远, 灯光更汇聚, 亮度更强。

(3) 城市道路模式 (Class V) :在城市道路上, 将左灯光轴向左下方旋转 (车辆靠右行驶) , 提高驾驶员左侧人行道上的照明。

(4) 恶劣天气模式 (Class W) :雨/雪/雾天时, 通过压低、分散前照灯的照明角度, 防止在车前形成聚光, 减小光线通过地面积水反射对迎面车辆造成眩光的效应, 同时提高驾驶员近前方和左右侧的照明, 保证行车安全。

(5) 大灯随动转向 (Bending Mode) :根据车速、方向盘转角以及横摆角速度, 动态调整前照灯旋转角度, 保证弯道安全照明范围。 (如图2)

目前汽车所采用的智能前照灯系统基本采用投射器单元作为光学组件, 并配以HID放电灯做为光源。人们之所以越来越钟爱氙气灯光源, 也正是因为相比之前的卤素光源具有高亮度和更远的照射范围, 这样也就正好符合智能前照灯系统的需求, 在道路条件复杂多变的情况下以及天气条件等诸多因素的影响从而获得更好的照明条件。

随着现代科技的发展, 人们对行车安全重要性备受关注。能源的节省和智能化将成为汽车AFS前照灯的发展趋势。发光二极管光源的AFS系统正逐步作为被研究的对象。

相对于传统的智能前照灯系统, 氙气灯作为光源, 需要十分复杂的驱动电路 (又称电子镇流器) , 用于激发光源。但是LED只需要恒定的电路来进行控制, 降低了驱动成本, 从而降低前照灯整体的制造成本, 并且对于灯具内部空间的设计乃至于灯具整体体积大小的设计上都能起到重要的作用。此外新型的LED光源所具有的长寿命和低功耗的特点是以往光源所不能达到的。

智能前照灯系统作为当代车灯新技术的一项突破, 能够消除各种恶略环境条件对汽车灯具照明带来的负面影响, 给出优化的照明方式, 使驾驶者能够清楚地观测路况信息, 尤其对夜间的弯道行车以及各种复杂路况下的安全行驶起到了保驾护航的作用, 同时也大幅度提升了汽车灯具照明的舒适度。随着更多对LED光源以及智能系统的深入研究, 智能前照灯系统 (AFS) 的实际应用势必更加成熟和人性化。

参考文献

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借助“探照灯”颅内治顽疾 篇2

我看他似曾相识，但却一时想不起来。“刘医生，我就是六年前你给我脑子做手术的李民呀！”噢！我一下子想起来了，可站在面前的李民与六年前那个黄瘦黄瘦、目光迟钝的病人判若两人。当时他因癫痫反复发作，药物控制不佳，四处求医无效，十分沮丧，30 多岁的大小伙还打着光棍。后来听说我们医院能治这种病，李民抱着试一试的想法不远千里来到这里。我科采用了脑内镜立体定向手术，彻底解决了困扰他多年的癫痫顽疾。

我关切地询问李民这几年的健康、生活等情况，这下李民的话匣子打开了：“刘医生！自从你给我做了手术，我的老毛病一直未犯。前年我娶了邻村的一位姑娘，今年还添了一个胖小子。今天，我们全家特地来感谢你！”。

“刘医生，你给我用的是什么高级仪器，效果那么好！我们家乡有一个姑娘，最近脑子里也得了病，说是颅咽管肿瘤，不知能不能也用这种方法来治疗。今天也代她来请教您”

“在你入院时，通过CT检查，发现你的左额叶深部有一个钙化点，我们估计可能是因为误吃了米猪肉而患了脑囊虫病，这个囊虫钙化灶就是导致你癫痫反复发作的罪魁祸首。但是这个病灶位于大脑深部，体积又小，施行开颅手术定位难度很大。即使采用较先进的立体定向方法找到病灶，取出病灶又是一个大难题。最后我们采用了脑内镜立体定向手术，帮你解决了问题。”

“刘医生，什么是脑内镜立体定向手术？”见李民一副打破沙锅问到底的样子，我笑了笑说：“脑内镜立体定向手术就是将立体定向技术与脑内镜相结合，即先用影象学（头颅CT或磁共振）定位，然后将脑内镜逐步深入到脑内病变区域，在电视屏幕显示下，将这个病灶（如钙化点）完整地取出来。这种手术创伤很小，只需在头上打一个小眼，就可将脑内病灶切除。”

“用这种脑内镜能看到脑子深部的瘤子，真是太神奇了！而且当时我在医院里只住了4～5天就出院了。”李民说到这里，心中感慨万千。

“对，这种手术不仅定位准，可在肉眼直视下手术，而且手术时间短，对病人损伤小，手术中病人始终清醒，手术后恢复也比较快，一般观察几天就可出院。出院后很快可以像正常人一样生活、工作和学习。你介绍的这位姑娘也可以用这种方法治疗。”

这种疗法还适用于其他棘手的脑内顽症，如脑室内肿瘤、脑深部颅咽管瘤、脑囊肿、脑脓肿、脑积水、脑深部实质性肿瘤、脑内异物、脑内寄生虫等。”

“刘医生，谢谢你，我一定把那位小姑娘介绍到你这儿来。希望她也能像我一样幸运！”

前照灯系统 篇3

近年,随着立体交通、城镇高速以及汽车制造业的快速发展,道路上的汽车数量和汽车的行驶速度都在不断提高。出于对行车安全因素的考虑,对前照灯配光性能的检测越来越受到汽车电子行业的重视,国家也制定了相关的检测标准。前照灯的检测项目主要包括光照度、光轴方向以及光形检测。如何才能精确、快速、高效的得到检测结果进而为汽车的安全性能提供一定的保证已经成为相关技术行业研究的重要课题。

目前,前照灯配光性能的检测方法主要有三类,一类是人工逐点、逐区测试法。此类方法主要由操作工手动测量特定点以及特定区域。由于存在精度低与实时性差的缺点,这种方法是不可取的。另一种方法是灯具旋转法。该方法主要通过两个旋转轴的协调来实现对屏幕上每点的扫描,接着由放置在配光屏HV点处的光探测器进行数据的测量。灯具旋转法的优点是只用一只光探测器在一点上测试可以很好的消除杂散光的影响且精度很高;缺点是所需空间较大,灯具的不断旋转只能保证测试点位于不同的弧线上,并不一定在同一角度的直线上,进而需要复杂的位置校正。而且采用逐点扫描,对于整个屏幕来说所用时间相对较多、速度相对较慢。还有一种方法为全屏幕摄像测试法。这种方法是基于CCD图像传感技术,将采集到的前照灯在25 m外测量屏幕上的照度分布数据通过图像采集卡送入计算机,通过相应的图像处理技术来实现对配光性能的检测。该方法的优点是测量时间较短,能够取得完整的光强分布数据,相对灯具旋转法测量精度、实时性与自动化水平更高。但是缺点是此种方法占地面积大,且光轴与HV点的对正问题会给数据的测量精度带来一定的影响。

本文在研究全屏幕摄像测试法的基础上进行改进,在车灯前150 mm处加入透镜,同时将接收屏幕放置于透镜的焦距处。从物理光学的角度分析,由于透镜系统具有良好的聚光性以及较高的光学效率,整个系统的占地面积被大大缩小,同时也能够真实准确的反应汽车前照灯的照度分布特性。我们通过找到配光屏实际坐标系与前照灯照度分布之间对应的关系,由光学仿真软件LightTools进行整个系统建模来验证设计的正确性,实验结果表明此项改进方法在配光性能检测方面具有非常高的检测精度和检测速度,实用性较强。

1 系统结构设计

本文旨在全屏幕摄像测试法基础上进行改进来达到更好的检测效果。全屏幕摄像测试法的结构图如图1。具体改进的设计步骤如下:

方案1:我们将一个300 mm×400 mm矩形菲涅尔透镜放在前照灯前方L1=150 mm处,透镜的焦距等于600 mm。在透镜的上方放置CCD图像采集设备,在前照灯前方L2=750 mm处,也就是透镜的焦距处,放置一个800 mm×600 mm的幕布。

方案2:将上述菲涅尔透镜换成一个边缘厚度d=10 mm,中心厚度σ=96.8 mm,焦距f=600 mm,半径R1=R2=605.3 mm,弦长L=450 mm的球透镜。其中,光源距离球透镜第一个主面的距离为150 mm,幕布距离第二个主面的距离为600 mm。具体设计结构如图2所示。

系统工作原理如下:打开前照灯的控制电源,车灯产生的光线通过透镜照射进暗箱。由于150 mm的距离远小于透镜的焦距,光线由此在暗箱的屏幕上聚成一个光斑。我们通过暗箱内的CCD摄像头将所采集到的屏幕图像送入计算机进行相应的算法处理。这里采用视觉子系统的主要原因是其能够快速、实时的对屏幕上前照灯光能分布进行采样、存储以及数据处理,而且CCD像面元素的照度和时间的乘积等于曝光时间t,它可以很好的反映CCD接收到的光信号强度。在低照度下(E<100 lx),CCD的输出电压与照度有良好的线性关系。这样经系统采集卡数字化后的CCD面元信号的数字量(也就是灰度值),便可以与检测幕布上的照度值之间建立对应关系。

2 系统建模

根据光度学原理,我们可以推算得到CCD像点面元轴上点照度与屏幕上光源射入微小面积内的照度之间的对应关系。而且由于CCD输出的脉冲调制信号经过低通滤波后就变成在时间上连续的模拟视频信号,图像采集卡对其进行量化编码,最终得到数字图像。在曝光时间固定的情况下,可以得到图像灰度-屏幕照度对应关系:G=cV=c(a Hγ+b)=c[a(Eit)γ+b]。其中:G是待测点的灰度,c是输出信号电压V与图像灰度G的比例系数(c不是一个固定系数,主要由系统参数决定),b是当底片上单位面积在t时间内接收到的曝光量H=0时CCD输出的暗电压,Ei是待测点在CCD上对应的像点的点照度,a是CCD的光响应度,γ是光电转换系数。由以上关系式我们可以利用LightTools来对系统进行建模。建模主要分为光源坐标系统的建立、菲涅尔透镜和球透镜建模、接受屏建模和测试光源建模。本系统中把前照灯光源作为光线追迹的起始点,光源沿Z轴放置,照射方向沿Z轴正向,灯丝中心为坐标原点,长度单位:mm;照度单位:lx,原理图如图3和图4所示,其中透镜L(L′)的光轴位于Z轴上面,透镜面背对光源:

3 系统比对

3.1 菲涅尔透镜照度检测系仿与全屏幕检测系统仿真效果比对

为了验证本系统设计结构的有效性以及精确性,我们分别通过研究这两种透镜对前照灯照度分布的影响以及透镜的光学效率和光能损失等光学特性,由光学软件LightTools进行了整个系统的测试仿真。

试验过程包括:1)分析透镜的照度检测系统的具体照度测试情况以及光斑的变化情况;2)在相同比例的坐标点上,照度值的变化情况以及照度最大值点的位置坐标改变等。

图5∼7为菲涅尔照度检测系统、全屏幕照度检测系统与真实车灯光照系统的照度分布检测比对效果图。虽然菲涅尔透镜的光学效率较高,前照灯照射在上面的光能损失较小,但我们可以从LightTools仿真的照度效果图上很容易看出,菲涅尔透镜的设计结构对光能的分布造成了较大的影响。

各仿真模型在X轴和Y上的照度数据如图8所示。图8分别显示了全屏幕照度检测系统和菲涅尔透镜照度检测系统在LightTools上设定仿真光线为60万根时,分别在X轴和Y轴上的照度数据比对。由于透镜的聚光特性,上述仿真系统图的坐标轴是通过对应坐标一定的拉伸比得到的。假设25 m全屏幕照度测试系统照度接收屏上的坐标为X和Y,菲涅尔透镜检测系统坐标为X′和Y′。则对应的关系表达式可以表述为:X′=8.58X,Y′=7.71Y。通过在Matlab上进行的逐行高斯曲线拟合,我们可以计算得出菲涅尔透镜照度系统到全屏幕照度系统的平均反演误差达到了60.01%,这在工业上是不允许的。

3.2 球透镜照度检测系仿与菲涅尔透镜检测系统仿真效果比对

为了解决上述菲涅尔透镜对车灯光照能量分布所造成的较大影响,我们设计了球透镜照度检测系统模型,照度分布效果图如9所示。根据光学研究,我们知道球透镜也具有非常高的光学效率,由此前照灯照射在透镜上也损失较少的能量。从LightTools仿真的照度效果图9我们可以很清楚的看出,球透镜的照度仿真效果与前照灯真实的照度分布图形非常接近。与菲涅尔透镜系统的研究方法相同,首先选择球透镜照度分布图上的特定区域,将其各个坐标点上的照度值反演到25 m测试屏上相应坐标区内。在图8中X轴和Y检测系统仿真模型上,X轴和Y轴上的照度数据小如图10、如图11所示。

从图10∼11中我们可以看出,球透镜测试系统很好的再现了全屏幕的照度曲线,尤其是两个峰值的再现程度非常明显,这一点是明显优于菲涅尔透镜的。

根据上述菲涅尔透镜系统比对条件,我们假设25 m全屏幕照度测试系统照度接收屏上的坐标为X和Y,球透镜对应的坐标为X″和Y″。则球透镜对应的坐标表达式为:X″=0.175X,Y″=0.097Y。根据各坐标轴照度曲线图可知,球透镜相对于菲涅尔透镜在全屏幕照度测试改进系统中的运用有更高的精度。通过在Matlab上进行的逐行高斯曲线拟合,球透镜照度检测系统的平均反演误差只有4.75%。对于球透镜来说,无论从光斑形状还是照度分布情况上来看,都能够较好的反应25 m全屏幕照度检测系统的照度分布图。因此,球透镜作为汽车前照灯照度分布CCD检测系统的透镜系统,其照度检测效果是比较理想的。

4 系统验证

通过对球透镜照度检测系统的研究分析,我们得出该系统相对全屏幕测试系统的优越性。现在我们就来对系统的可行性进行实验验证。图12为GB 4599—94汽车前照灯配光性能国家标准光照分布图。GB4599—94标准中规定,前照灯的配光要求其近光有足够的照明和不炫目,远光具有良好的照明。图中HV为过灯具基准中心的水平线与配光屏幕的垂足。

本次系统照度检测验证主要基于对近光区域照度的测量验证,采用白炽灯前照灯作为光源。根据图2的系统改进设计,我们通过试验验证得到真实数据与测量数据之间的比对,如表1所示。

我们通过高精度照度计分点、分区域测量出待测前照灯的真实光照数值,在通过由球透镜和CCD组建的光照检测系统对前照灯近光进行照度检测。从表格数据可以看出,通过真实值与测量数据的比较,采用球透镜改进后的前照灯近光照度检测系统具有非常高的精度,平均误差不超过7.5%,完全符合GB4599—94汽车前照灯配光性能国家标准检测要求,具有很强的实用性和创新性。

5 结论

在通过对全屏幕摄像测试法的改进以及运用不同透镜对测量照度的影响分析基础上,本文利用照明光学系统仿真软件LightTools建立前照灯照度分布CCD检测系统模型。分别研究了采用菲涅尔透镜和球透镜的照度分布测试效果。作为评价标准,在认真研究汽车前照灯配光性能国家标准的基础上建立了25 m全屏幕照度分布检测系统的仿真模型。并且通过Matlab仿真软件研究了两种透镜系统照度检测结果反演到25 m全屏幕照度检测照度值的反演误差。在一定精度范围内认为菲涅尔透镜不能很好的反映国家标准中照度分布情况的测量,但球透镜的照度检测结果比较理想。根据光学理论,光在球透镜系统中传播时,一定会发生能量的损失。这些损失方式包括:光在折射面上的反射损失、穿过介质时的吸收损失以及介质透射损失。另外,球透镜在加工过程中产生的内部气泡、杂质和局部的浑浊物都将导致光的散射;球透镜表面粗糙不平还会带来光的漫反射与漫折射。但根据理论分析和计算,这些光能损失在对前照灯的照度检测不会带来较大的影响。此外,根据光学成像规律,球透镜照度检测系统还解决了占地面积过大、测量精度不够的问题。利用CCD的空间采样特性,将照射在测试屏幕上的照度图像通过图像采集卡对其进行量化,将各像元的数字量反演成各点的照度值,提高了系统的实时性,节约了人工成本。

参考文献

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前照灯系统 篇4

汽车前照灯是重要的汽车主动安全部件,尤其是在夜间行车时,能够提供适当照明功能,特别是夜间转弯时,如果不能及时看到对方来车,往往会发生严重交通事故。根据国外统计显示,虽然夜间的车流量不到白天流量的五分之一,但夜间发生的交通事故,却超过总发生事故的四分之一,而其中在弯道造成的交通事故,更是占了大部分[1]。

目前汽车前照灯大都具有固定的照射角度与范围。当汽车夜间在弯道上行驶时,前照灯无法调节前照灯光轴方向,常常会在弯道内侧出现“盲区”,驾驶员的视线被禁锢在大灯光束照射的直线范围内,从而带来交通安全隐患[2,3]。汽车自适应前照灯照明系统(AFS)通过对车速、方向盘转角信号的采集,实时的调整两侧大灯的照射范围,使得灯光与汽车的前进方向始终一致,确保了驾驶员在任何时刻都拥有最佳可见度,大大提高了夜间行车安全。在国外汽车AFS已经得到广泛的应用,国内引进的AFS系统大多为生产商本国道路状况考虑,且国内道路和国外道路差别很大,使得引进的汽车AFS系统在国内的普及应用存在很大的阻力。目前,国内对AFS的研究还停留在仿真和实验阶段,自主研发AFS系统应用于实车批量生产的还没有出现[4]。

1 汽车自适应前照灯的组成及工作原理

汽车自适应前照灯系统包括传感器模块、MCU、步进电机、前照灯,如图1所示。

自适应前照灯的工作原理:当车辆进入弯道时,MCU通过采集车速和方向盘转角变化,判断是否对前照灯进行水平调光,并进一步计算出两灯在左右方向上的调节角度,然后转换成各步进电机运动状态控制参数,控制相应步进电机动作,完成调光过程。

2 自适应前照灯系统控制模型研究

2.1 线性二自由度汽车模型

我们假定在正常速度范围内,忽略悬架作用,忽略左右轮轮胎由于载荷的变化而引起轮胎特性的变化以及轮胎回正力矩的作用,认为汽车只做平行于地面的平面运动,在这种情况下二自由度汽车模型精度足够。模型如图2所示。

图2中汽车前、后轴中点的速度分别为u1和u2,侧偏角为α1、α2,质心速度为V,u和v为V在x轴和y轴上的分量。FY1、FY2分别为地面对前、后轮的侧偏反作用力,δ为前轮转角,a、b为质心距前、后轮的距离,为车辆绕轴的横摆角速度,质心的侧偏角为β,β=v/u。

二自由度汽车运动微分方程如下[5]:

式中k1、k2分别为前、后轮侧偏刚度,m为汽车质量,Iz为车辆绕z轴的转动惯量,ξ是u1与x轴的夹角,汽车质心绝对加速度沿横轴oy上的分量为

若β为状态量,则由(1)(2)式可以求出、β。

2.2 前照灯光轴水平方向调节模型

当汽车在弯道上行驶时,驾驶员的安全视野应该在AFS的调节下自动适应弯道,为了保证弯道行车安全,SAE法规规定非对称光型分布的前照灯系统光束的明暗截止线可调整为大灯安装高度的100倍,即L=100×H[6],式中,H为汽车前照灯中心距地面高度。

图3中R为汽车转弯半径,θ为车灯光轴转角,线段AB为车灯的照射距离,其中AB=L。根据图3中的几何关系可得:

汽车由于向心力的作用而转弯,而向心力是由路面和车轮的静摩擦力提供的,单纯的求静摩擦力是非常困难的。在汽车行驶时,前后轮侧偏角是很小的。在前后轮侧偏角忽略不计的情况下通过求解向心加速度来求向心力就变得比较容易。由向心加速度公式不难得到瞬态转弯半径

由式(3)、(4)和(5)可知

由式(6),根据前照灯光轴转角与车速和方向盘转角的关系,以及不同道路状况下的驾驶员的经验,拟合出三者之间的关系曲线,然后取点制成表格,单片机把采集到的信号进行简单处理后,进行查表计算,得出不同车况下的前照灯光轴转角。

3 系统硬件电路设计

汽车自适应前照灯系统采用STC12C5A60AD单片机为控制核心,外围电路主要有车速信号采集电路、方向盘转角信号采集电路、步进电机驱动电路、以及供电和断电保护电路等部分组成。

3.1 STC12C5A60AD单片机

STC12C5A60AD是STC12系列单片机,采用RISC型CPU内核,兼容普通8051指令集,片内含有60KB Flash程序存储器,1028B RAM数据存储器,具有EPROM功能,同时内部还有看门狗(WDT);片内集成MAX810专用复位电路、8通道10位ADC以及2通道PWM;具有在系统编程(ISP)和在应用编程(IAP),特别适合电机控制和干扰较强的场所,并且片内资源丰富、集成度高、使用方便。

单片机的外围电路包括传感器的信号输入、步进电动机的脉冲输出信号,电源、复位和振荡电路。如图4所示。单片机的XTAL1与XTAL2引脚上接石英晶体和微调电容构成振荡器。C1,C2起稳定振荡频率、快速起振的作用。

3.2 车速信号调理电路

汽车自适应前照灯系统需要实时检测车速值,车速值的检测是通过霍尔车速传感器。当车轮开始旋转时,霍尔效应传感器开始产生一连串脉冲信号,脉冲的个数将随着车速增加而增加,但位置的占空比在任何速度下保持恒定不变。为了改善波形,在输入捕获定时器管脚外添加调理电路,对脉冲信号进行调理,这里我们通过稳压、施密特整形以及输入输出隔离的方法进行处理。如图5所示。

3.3 方向盘转角信号调理电路

根据旋转编码器的工作原理,当方向盘转角发生变化时光电编码器便会发出A、B两路相位差90°的数字脉冲信号。正转时A超前B为90°,反转时B超前A为90°。脉冲的个数与角度值成比例的关系,所以通过对脉冲的计数就可以得到方向盘转角的大小。因此本系统对方向盘转角的测量选用EPC-755A光电编码器作为传感器,其输出电路选用集电极开路,这种编码器体积小,具备良好的使用性能,在角度测量、位移测量时抗干扰能力强,并具有稳定可靠的输出脉冲信号。考虑到汽车方向盘转动是双向的,既可顺时针旋转,也可逆时针旋转,其最大旋转角度均为两圈半,选用分辨率为360个脉冲/圈的编码器,其最大输出脉冲为900个,需要对编码器的输出信号进行鉴相后才能计数。图6给出了光电编码器实际使用的鉴相与双向计数电路,鉴相电路用1个D触发器和2个与非门组成,计数电路用3片74LS193组成[7]。

在系统上电初始化时,先对其进行复位(CLR信号),再将其初值设为800H,即2048(LD信号);如此,当方向盘顺时针旋转时,计数电路的输出范围为2048~2948,当方向盘逆时针旋转时,计数电路的输出范围为2048~1148;计数电路的数据输出D0~D11送至数据处理电路。

3.4 步进电机驱动电路

步进电机是一种将电脉冲信号转换为相应角位移或线位移的执行器,可以直接实现数字控制。它的机械角位移与输入的数字脉冲信号有着严格的对应关系:即一个脉冲信号可以使步进电动机前进一步,是一种比较理想的执行元件。电机的转速和停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数。控制电机实际上就是控制输入脉冲序列,使步进电机按照预定方向旋转需要的转角。

本系统使用的是两相混合式步进电机,步距角为1.8°,工作频率为200-1000Hz。它作为一种电脉冲到角位移的转换元件,有价格低廉,易于控制,无积累误差、输出力小、响应速度快、可以调节、寿命长、噪声低等优点。为了使步进电机能够输出足够的功率,单片机产生的脉冲信号还需要进行功率放大。步进电机的驱动电路一般由两部分组成,一部分是环形脉冲分配器,它决定步进电机各相绕组的通电顺序。本设计采用的日本SANYO(三洋)公司生产的PMM8713环形脉冲分配器与ST公司生产的L6506与L298N步进电机驱动芯片。

3.5 电源及断电保护电路

汽车蓄电池提供12v左右的电源,而该控制系统需要两路电源:+5v和+12v电源。5v电源用于给STC12C5A60AD单片机、步进电机驱动芯片(L6506)和车速、方向盘转角信号调理电路等供电,12v电源给步进电机驱动芯片(L298N)等供电。考虑到成本和易购性,我们选用LM78H05芯片作为电源转换芯片。为了在掉电的时候可以及时地保存数据,在电源地输入端加一个1000F的电解电容,当电源断开的时候,大电容可以维持单片机电源足够长的时间,使得单片机可以完成外部中断的服务程序。

4 软件设计

系统程序设计时采用1ms定时中断采集,每次中断到来时采集传感器信号。当所得传感器信号满足指定条件,则将有效数据保留,查表计算,得出目标位置,将目标位置与所设定条件进行对比,找到满足条件的目标位置,将目标位置转化为步进电机步数,发出步进脉冲信号,带动步进电机转动到相应位置。汽车弯道自适应前照灯系统能够在±15°的角度之内摆动,以帮助驾驶员更好的适应弯道状况。主程序流程图如图9所示。

5 结论

本文研究了汽车弯道自适应照明系统的控制原理,建立了AFS系统的数学模型,并给出了系统的总体设计方案,整个系统由传感器模块、信号调理电路模块、中央控制器模块、步进电机驱动模块、电源及断电保护模块这五个模块组成。阐述了系统中各个硬件性能及软件算法。经试验测试表明,本系统达到了夜间农用车、货车弯道自适应照明系统性能要求、对于改善弯道自适应照明效果、提高夜间行车安全性具有重要的参考价值。同时,在今后的开发和设计过程中自适应前照灯系统还可以从以下三个方面研究。

1)借助GPS,使得系统能够提前预知道路状况,并提醒驾驶员做好准备,将更有利于行车安全。

2)将AFS系统与LED相结合,将降低成本和减少功耗。LED具有高效、环保、节能等优点。

3)适应于不同环境的AFS系统也是未来汽车前照灯发展的主要趋势,虽然已经有些国外汽车已经使用这种系统,但是该技术还是不成熟,有待于进一步的研究。

摘要：针对汽车上安装的前照灯具有固定照射范围,当汽车夜间转弯时无法调节照明角度,常在弯道内侧出现盲区等情况,设计了一款采用STC12C5A60AD单片机为电子控制单元核心的汽车自适应前照灯系统,该系统根据车速和方向盘转角的变化来调整前照灯光轴照射角度,照亮前方道路,从而扩大驾驶员安全视野。全文详细介绍了该系统的工作原理、控制模型、硬件组成,重点对各传感器信号调理电路、步进电机驱动电路以及供电和断电保护电路进行了研究设计,并提出了软件实现方法。

关键词：自适应前照灯,单片机,控制模型,步进电机

参考文献

[1]李旺轩.车辆AFS在车身网路之电控介绍[J].台湾车辆研究咨询,2005(11):10-17.

[2]Michael Sivak,Brandon Schoettle,Optimal strategies for adaptive curve lighting[J].Journal of Safety Research 36(2005)281-288.

[3]房旭,姚勇,等.智能汽车前照灯系统(AFS)研究[J].天津汽车,2006(4):17-24

[4]戎辉,龚进峰,曹健.自适应前照灯运动学建模及系统开发[J].汽车工程,2008(12):1079-1082

[5]余志生.汽车理论[M],机械工业出版社,2008.

[6]BOSCH公司.魏春源,等,译.汽车电气与电子[M].北京:北京理工大学出版社,2004.

前照灯系统 篇5

关键词：AFS,前照灯系统,发展趋势

自德国人卡尔本茨发明汽车以来, 汽车技术发展迅猛, 汽车不但加快了世界经济的发展, 更改变了人类的生活方式, 作为汽车的眼睛, 汽车大灯的发展也颇有历史。世界上第一辆汽车并没有车灯, 作为比马车更高级的机械动力, 本茨先生主要考虑的是车速问题, 而不是照明问题, 所以当时车上照明主要用的是马车上用的气灯, 后来随着带螺旋灯丝的充气白炽灯泡问世, 电光源前照灯登上历史舞台至今。但是随着复杂路况、环境以及人们对灯光要求的不断变化, 前照灯系统也在不断变化。作为全世界最先进的前照灯系统之一的自适应前照灯系统 (Adaptive Front Lighting System, AFS) , 它的研发对汽车夜晚行车安全起到了很大作用。

一、传统前照灯系统

传统的汽车前照灯系统中, 光束的照射方向和光形分布是固定的, 即使后来安装了前照灯自动调平系统, 能对光束的上下照射角度进行调整从而适应汽车各种不同的负荷状态, 但是前照灯左右视野以及光形分布仍然是固定的, 所以近距离照明的视觉效果不佳, 在交通比较复杂的地区, 驾驶员会将所有可用的外部照明灯都打开, 影响前方会车车辆驾驶员, 使其产生炫目, 从而导致各种不必要的交通损失, 除此之外车辆在进入弯道时也存在照明暗区, 严重影响了驾驶人对弯道上障碍物的判断。为了提高人们行车安全性, 使得研制这种自动适应车辆行驶状态的前照灯系统成为必要, 并且这些功能的切换, 出于安全上的考虑, 必须是自动实现的。

二、自适应前照灯 (AFS) 系统

(一) AFS系统功能介绍。

1. 默认照明模式。

默认模式下, AFS系统的前照灯不作任何调整, 但会根据天气的变化来使前照灯自动打开或者关闭。比如当白天遭遇恶劣天气或者穿过隧道、桥梁时, 前照灯会自动打开起到辅助照明的作用。到了黄昏时分, 光线强度下降, 前照灯也会在下降至设定强度大小时自动打开以起到照明的作用;反之, 当黎明到来, 光线强度升高至设定强度大小时前照灯会自动关闭, 非常智能。

2. 阴雨天气照明。

当阴雨天气时, 由于路面积水, 打开大灯照明时会使光线照射在地面的积水中并反射, 此时若对面有司机迎来将会使对面会车司机产生炫目从而引发交通事故。AFS系统可根据雨量大小适当调整前照灯高度, 使其低于一般的照明高度, 可有效避免前方会车车辆驾驶员炫目。

3. 弯道照明。

由于城市路况的日益复杂, 城市弯道越来越普遍。传统的前照灯灯光与车辆行驶方向一致, 当汽车在进入弯道行驶时, 就不可避免地会存在照明暗区, 驾驶员可能会因为不能及时发现弯道上的障碍物而引发交通事故。AFS系统根据转向传感器以及方向盘转角传感器可及时获知车辆是否进入弯道, 当进入弯道时前照灯将开启弯道模式, 给弯道以足够的照明。

4. 高速公路照明。

由于高速公路照明不良, 车辆行驶速度快, 所以对照明要求极高。尤其是当行驶发现危险时, 照明必须在司机的有效制动范围内以保证能在安全刹车距离之外发现危险。AFS系统能够根据车辆速度调整照明的宽度以及长度, 从而保证高速行驶安全。

5. 城市道路照明。

城市大部分道路照明良好, 但车流以及人流量高, 城市中道路也比较复杂、狭窄。所以一般在城市中车辆速度比较慢, AFS系统根据车辆在市区行驶速度受到限制的条件下, 发出比较宽阔的光型, 防止岔路中突然出现行人、车辆从而引发交通事故。

6. 乡村照明。

部分乡村道路凹凸不平、坑坑洼洼, 车辆在行驶过程中可能造成车身倾斜, 使得照明出现多个盲区, AFS会根据前轴和后轴高度差的变化量来自动调整前照灯的投射俯仰角度, 尽量使光轴恢复到原先的水平状态, 以便能达到良好的照明效果。

(二) 控制方法。

AFS系统由三大部分组成:传感器、ECU以及执行机构。车辆行驶时, 各传感器采集各项信息并将信息转换成电信号输送给ECU, ECU根据对各项信息进行对比、分析并作出相应的判断, 给各执行机构发出指令, 由执行器根据各指令作出相应的动作, 同时将信息反馈给ECU, ECU再根据反馈信息不断进行修正从而达到预期的效果。

三、汽车AFS前照灯发展趋势

(一) 技术趋势。

在现代汽车以及电子技术的高速发展过程中, 人们对汽车的安全性能要求也越来越高。现代汽车发展更注重节能和智能化, 这也将是汽车AFS前照灯的发展趋势。发光二极管光源的AFS系统和高智能AFS系统正在研发中。

发光二极管 (LED) 光源的AFS系统相对于传统AFS的光源, HID需要相当复杂的驱动电路 (电子镇流器) 来激发照明, 而LED照明只需恒流电路控制, 大大降低了驱动成本, 并且LED照明具有更小的体积及更轻的重量, 从而能够节省AFS灯具内部空间, 较轻的重量也使得电机执行机构的负荷减小。此外, LED光源还有着超长寿命和低功耗。

高智能AFS系统随着科技的不断进步, AFS系统也在不断的升级, 目前正在研究的高智能AFS系统是将GPS导航系统、图像识别功能与AFS系统结合, 使得AFS系统能够自动获悉行人、车辆以及路面障碍, 然后根据获得的数据自动调整灯光系统。AFS前照灯系统作为汽车灯光技术的一项重大突破, 既能主动消除各种复杂路面情况又能消除环境变化对汽车照明带来的影响, 还能使夜间弯道行驶的安全性得以提高, 使驾驶员能够提前做好准备并清楚观测到路面信息, 提高了行车过程中照明的舒适度。

(二) 使用趋势。

目前已经有不少豪华轿车 (如奔驰E级、BMW5系、凌志R系列、奥迪A8等) 已经加装了AFS系统。有消息说在天津投产的TOYOTA的MARK2也要安装AFS。相比之下, 国内现在对AFS的研发还处在萌芽状态, 但是又有消息称天津丰田锐志的AFS前照灯已经完成了国产化的开发工作, 目前正在进行新款丰田佳美AFS前照灯系统的开发工作;同时和国内多家主机厂密切接触, 积极推进AFS前照灯系统在国内的普及。

相信在不久的将来, 国内的车厂也会逐渐接受并认同AFS系统在主动安全方面的重大裨益, 希望各汽车灯具厂商能够与国际接轨, 共同研发经济性能优良的AFS系统, 使得中低档车主也能从中受益。

参考文献

[1]卜伟理.自适应前照灯系统 (AFS) 简介及发展趋势[J].光源与照明, 2009, 2:22~24

[2]祁翠琴, 李淑君.汽车电控技术[M].北京:北京大学出版社, 2008, 8

[3]陆文昌.汽车电子技术与维修[M].北京:化学工业出版社, 2005, 3

论LED汽车前照灯发展 篇6

汽车前照灯是保证汽车夜间无光或微光条件下安全行驶，同时可以利用远近光变换信号超越前方车辆的照明装置。然而，作为能保障汽车能安全行驶的重要部件之一的前照灯，目前普遍使用的卤素灯和近年来有比较好发展势头的氙气灯分别使用充气和真空的石英玻璃或硬玻璃制作的灯壳，但它们在占用汽车空间、发光强度、使用寿命、发热度等各个方面均存在着致命的弱点。而使用LED作为前照灯光源的一种新型电光源，与目前普遍使用的卤素灯和氙气灯相比，具有环保节能、体积更小、使用寿命更长、光质好等优点，被国内外相关企业争相开发。

目前，我国全LED前照灯样灯已经研制成功，是基于奔腾B50车型的。全LED前照灯的问世标志着中国在LED前照灯领域中已绽露头角，同时也标志中国在汽车零部件领域自主创新方面取得了卓越的成果。世界各大汽车制造商也不甘示弱，丰田公司在2007年5月上市的“雷克萨斯LS600h”上率先导入LED前照灯，揭开了LED前照灯在混合动力车型上应用的序幕。紧接着，三菱汽车在电动汽车上也配备LED前照灯。目前在豪华车型中配置LED前照灯成本比较高，在一定程度上限制了LED前照灯的普及。尽管如此，很多汽车制造商还是将LED前照灯的应用列入日程。

1 传统的汽车前照灯

近年来，随着国内外照明光源技术的发展，汽车前照灯也经历了由最初的白炽灯，到目前普遍使用的卤素灯，再到氙气灯的发展过程。目前普遍使用的前照灯有以下两种。

1.1 普通的充气灯泡

灯丝采用的是钨丝，由于金属钨受热会蒸发，使灯泡的使用寿命会缩短，因此在制作时玻璃泡内抽成真空，然后充入86%左右的氩气和14%左右的氮气的混合惰性气体，即便是惰性气体受热膨胀会产生较大压力，可以减少金属钨的蒸发量，增强发光效率，并延长灯泡的使用寿命，但是普通的充气灯泡的发光强度、使用寿命与LED前照灯是不能相比的。

1.2 卤素灯泡

虽然普通充气灯泡，充满了惰性气体，但是灯丝的钨质点仍然会蒸发损耗，而且蒸发出来的钨沉淀在灯泡上会使灯泡发黑。因此国内外目前普使用卤素灯泡，即在灯泡中注入碘或溴等卤素气体，在高温下从灯丝上蒸发出来的气态钨和卤素气体反应生成一种挥发性的卤化钨，当卤化钨扩散到灯丝附近的高温区域时又会分解成钨和卤素气体，使钨重新回到灯丝上，被释放出来的卤素气体继续扩散参与下一次循环反应，从而减少金属钨的蒸发量和灯泡发黑现象。虽然利用卤钨再生循环反应原理可以减少金属钨的蒸发量和灯泡发黑现象，但却不能解决根本，而LED前照灯不会因钨蒸发量和灯泡发黑而影响其使用寿命和发光强度。

2 LED前照灯

2.1 优点

2.1.1 光源

超长寿命，比汽车寿命还要长；色温更高，超过5000K，因此更接近日光水平；能耗更低：近光灯功率小于40W，远光灯功率大于45W；采用冷光源，灯内温度更低，使用普通树脂材料更环保；绿色光源，不含有害物质汞，辐射也很少，光谱中单色性好，没有多余红外、紫外等光谱；光源具有更高的流明，且LED是固态照明光源，与HID氙气灯不同，没有石英玻璃等易损可动的部件，具有出色的抗震性，故障也极低，几乎可以免维修。

2.1.2 模块化

LED光源将可以模块化功能发挥到极致，可以开发出多种类型的投影灯光组与反射镜，以适应不同情况光学设计的需要。

2.1.3 造型角度

从造型的角度来看，未来的汽车前照灯会有一个全新的面貌。在设计方面，由于LED使用寿命超过了汽车本身的寿命，所以减少了维护的需要，而且可以使汽车的功能性与观赏性更加完美，同时给汽车造型师更广阔的想象和创意空间。

2.2 面临问题

LED对于汽车前照灯来说，一直是个难题：LED光源的照明距离和亮度，也是LED前照灯没有普及的重要原因之一。

在消耗同样电能下，LED所产生的光输出要比卤素灯、白炽灯高很多，但这只能对于模块化的LED来说。但是对于汽车前照灯近光、远光功能，单个LED模块却不能满足近、远光足够的发光强度，因此，LED前照灯要分别为近光和远光功能提供多个LED模块。加上汽车对前照灯照明距离和防炫目功能的要求，为此每个LED模块均需要配备一个光学组件（透镜或反光镜）来满足日益提高的照明距离、发光强度，这也是LED前照灯成本比较高的主要原因。

除了光源的照明距离和亮度，还有LED前照灯散热问题。LED前照灯的温度升高后不仅亮度会降低，更重要的是，其使用寿命可能会大幅缩短。而热管理却是LED远光灯和近光灯的主要瓶颈。所以LED前照灯散热问题仍然很棘手。而现在可以通过使用高效率的驱动器有效应对散热问题所带来的弊端。

LED与普通卤素灯和氙气灯光源不同的是，LED是冷光源，这个特性可以使车灯材料产生变革，因此前照灯常用的耐热材料比如HTPC、PBT、PEI、PAR等昂贵的材料均可以使用ABS+PC取代，而一些金属材料也可以被树脂材料取代。不仅材料成本得以降低，而且避免了金属材料常用的防锈防腐等不环保的工艺。基于这种特性，设计师们更愿意把LED光源当作一个普通的电子元器件一样看待，就像笔记本电脑中的一个芯片一样。它所产生的热量仅仅与其功率有关系，而且合理的设计散热系统，就可以很好的控制灯腔中的温度。

LED冷光源实际也面临一个消除前照灯水雾的问题。因此设计师们考虑引入对流装置，使用LED散热系统散发的热量来消除水雾。可以考虑引入专用的导流泵来实现将热量导入到前照灯面罩。AUDIR8同样也采用了风扇散热与导流泵结构，由于散热器和泵专用品，导致了成本的上升，但目前实用化还面临着成本问题，灯具公司将设法解决这一问题。

在《2008-2009年中国及全球汽车LED照明产业研究报告》中这样描述, 目前LED前照灯的成本比HID前照灯要高30%～100%, 这是一般主流车型无法接受的, 而且相应的LED前照灯的标准法规、试验方法也尚未正式出台, 这将在一定程度上影响LED的应用普及进度。但LED前照灯寿命很长, 未来的灯具设计可能不存在更换光源的问题, 灯具中不需要更换光源的装置, 因此设计者与用户都不再需要考虑灯具的维护成本。

3 总结

迄今为止，只有少量高端车选择使用了LED前照灯。丰田将其应用到成本相对较低的丰田普瑞斯，据丰田公司称：现有的第三代普瑞斯车头灯LED技术利用，以较少的能源消耗，产生更多的光线，并能保留其15年的寿命90%亮度。目前，LED的前照灯原型的近光灯已达到约1000流明的光通量水平，相当于一个氙气大灯水平。

LED前照灯面临着成本的压力，但伴随着LED技术的不断发展，汽车产能的日益增大，成本将在不久的将来大幅下降，所以我们需要更多关注的是涉及LED前照灯的散热管理以及新的生产工艺和光学元件的发展。

摘要：在汽车工业飞速发展与人们生活水平日益提高的今天, LED前照灯的体积小、机械强度高、使用寿命长、节能、平面化、智能化等优点是传统前照灯所不能及的。

关键词：LED,汽车前照灯,汽车工业

参考文献

[1]冯华云, 孟庆恩.LED汽车前照灯散热研究现状[J].灯与照明, 2009 (12) :41-43.

汽车前照灯检测技术探讨 篇7

1 汽车前照灯远近光发光特点及作用

1.1 前照灯远光灯的发光特点

为了防止前照灯对司机和路人造成眩目, 前照灯的灯具需要经过特别的设计, 使灯具的发光性能达到一定的标准。所谓发光特性是指灯具发射可见光的光度 (照射角度和发光强度) 分布, 其照射角度随方向而改变, 常用发光强度分布曲线来表示。正常情况下, 汽车前照灯远光发光特性, 其光度分布如椭圆形状在上下方向和左右方向基本对称, 越靠近中心点, 照射度越大。

1.2 前照灯近光灯的发光特点

典型的前照灯近光的发光特性为非规则几何形状, 具有明显的明暗截止线, 在明暗截止线的左上方有一个比较暗的暗区, 在明暗截止线的右下方有一个比较亮的亮区。其发光强度最强的区域在明暗截止线的右下方, 光强最大的区域中心点, 照度最大, 并以这个中心点为中心, 形成一定的等照度曲线。前照灯近光图可表示为图1, 近光产生明显的明暗截止线, 其水平部分在V-V′的左侧, 右侧为与水平线向上15°的斜线或向上成45°的斜线。明暗线转折点处称为拐点。根据前照灯远近光的光形分布的特点, 传统的前照灯远光检测技术以仪器检测为主, 大多利用远光光斑图形的对称性, 利用上下左右对称分布的光电池对光轴中心进行检测。而由于近光光斑图形的非对称性, 无法使用测量远光的方法对近光进行单独检测, 通常利用图像分析的办法来获取明暗截止线拐点的位置来测取远近光各个特征参数, 为汽车驾驶员提供准确的数据。

汽车夜间行驶时, 前照灯远光能照亮前100m处一定范围内高2m的物体, 这样才能保证司机发现前方有障碍物时, 及时采取制动或绕行措施, 让停车距离在视距之内, 确保行车安全。

2 汽车前照灯检测技术发展

汽车前照灯检测技术, 从早期的屏幕观察检测, 到后来的仪器检测, 发展到现在用的CCD和数字图像处理 (DSP) 相结合的检测技术, 都具备智能化、自动化检测技术水平。

2.1 屏幕法检测

简单的屏幕检测, 就是在被测灯前方10m处垂挂一屏幕, 在屏幕上按照标准要求画好光束照射位置点和线, 把受检车辆的前照灯光打开, 照射在屏幕上, 用肉眼观察该光束的位置是否符合标准要求, 可测近光和远光。这种方法的特点是设备简单, 不需要软件处理系统, 对场地和环境要求高、但效率较低, 而且依赖人的主观判断的程度比较大, 检测结果一致性较差, 误差大。因此在大流量的检测线上, 很少使用这种检测方法。

2.2 采用CCD感光检测技术

利用CCD摄像头的感光技术, 将采集到的光信号转化为电信号的原理, 并最终通过图像采集卡将模拟的电信号转化为数字信号, 输出到计算机, 由计算机数据处理系统进行处理, 就可测出前照灯远光发光强度和近光偏移量。采用CCD对光检测技术, 其检测精度完全可以满足国标±15′的要求。

2.3 数字图像处理DSP检测技术

这项新型的检测技术主要是把CCD摄像头采集到的模拟视频信号转化成数字视频信号, 然后利用DSP (数字信号处理器) 的数字视频采集卡及处理系统对数字视频信号根据需要进行数字运算和处理, 以得到需要测量的参数。

从以上灯光检测技术的发展历程可以看出, 随着电子技术和计算机技术的不断发展和普及, 数字图像处理技术也得到了迅速的发展。到目前, 各大汽车检测站用的较多的是利用CCD感光系统精确成像, 采用DSP系统进行图像分析处理及电子控制技术, 精确进行汽车前照灯远近光灯技术参数进行测试。DSP (Digital Signal Processing) 数字信号处理具有速度快, 集成度高, 接口方便等特点。

3 CCD感光系统的测量原理

3.1 成像原理

利用几何光学中的物像对应关系, 使远处的大范围光强分布成为较小的可测量实像, 用面阵CCD作为图像传感器, 可以一次得到整个平面上的光强分布。

根据GB7258-2004《机动车运行安全技术条件》中屏幕法的要求, 前照灯利用几何光学中的物像对应关系, 使远处 (10m) 屏幕上的大范围发光强度 (光强) 分布成为较小的可测量实像 (1m处成像屏上) , 用面阵CCD作为图像传感器, 可以一次得到整个平面上的光强分布。

前照灯可以认为是具有一定光强分布的面光源。前照灯在10m处光线会聚成像为AB。在光路中插人菲涅耳透镜组 (假设等效为L) 后, AB的光线实际会聚成实像为AB, 如图2所示。

如果假设菲涅耳透镜的焦距为f, 则有以下关系式:

选择合适比例的l和f彭阿以得到恰当的像, 从而方便测量。

3.2 测量时的瞄准方式

空间角度的检测必须要获得2个点的位置, 在光束偏角的测量中也不例外。在进行测之前, 首先必须找到前照灯的位置或第一个光束参考点的位置。图3为瞄准前照灯方式的测量原理, 这种测量方式是先利用CCD摄像头1找到前照灯的位置, 然后用CCD摄像头2拍摄前照灯通过透镜成像后的光斑图像, 分析其中的光轴位置 (远光或近光) , 得到与零点相比的偏差, 从而根据标定的数据得到实际前照灯的角度偏差值。

直接对准前照灯:

这种测量方式是先利用摄像头找到车灯的位置, 然后拍摄成像后的光斑图像, 分析其中的光轴位置 (远光或近光) , 得到和零点相比的偏差, 从而根据标定的数据得到实际的角度偏差值。

3.3 光强测量分析

由于在低照度下, CCD的输出电压与照度有良好的线性关系, 这样CCD面元信号的数字量便可与外部光源照射到检测幕布上照度值联系起来了。根据测量时建立起来的关系数据库, 根据空间采样后各像元的数字量即得出各点的光照强度。

3.4 角度测量分析

主要利用灯光 (远光中心点、近光明暗截止线转角点) 在屏幕上会有X的位移, 经透镜成像后, 在透镜像方焦平面上引起的成像点的位移X′可由CCD获得的数字化图像分析求出, 进而推算出光轴偏转角度。利用远光照明的对称性, 找到远光光斑的对称中心, 然后在前照灯打开近光照明的条件下, 模拟人眼的判断过程, 对近光的拐点进行分析。同样的, 在进行近光角度检测时, 由于CCD图形具有分辨率高的优势, 结合计算机技术, 和光电池扫描的方法相比可以进行更为准确的拐点的搜寻。

结束语

综上所述, 选用专业的图像处理芯片对前照灯近光光束配光图像进行分析处理, 可准确确定近光光束明暗截止线转角和近光光束照射方向。

参考文献

[1]吴勇, 邹颖.前照灯检测仪检测距离的探讨[J].汽车维护与修理, 2005, 12.

自适应前照灯的控制技术研究 篇8

随着社会的进步和科技的发展,人们对汽车的舒适性和安全性提出了新的要求。传统汽车前照灯系统虽经历了长足的发展,但仍存在诸多安全隐患,如弯道驾驶时,前照灯的照明角度限制会形成照明暗区,影响司机对弯道上障碍物的判断;雨天行驶时,地面的积水会反射迎面车辆车灯的光线,造成炫目等。为了解决现存的这些问题,一种新的前照灯系统——自适应前照灯系统AFS(adaptive front-lighting system)应运而生。

国外欧洲、美国和日本的公司早在2003年参与了AFS系统的开发。

国内的AFS研究起步较晚,只有少数机构在进行AFS的自主研发。上海某公司已经对AFS进行了国产化的工作,吉林某公司已研制出全LED前照灯样灯。

目前,虽然有些企业和科研机构对AFS控制模型进行了研究,也有一些高档车开始装载AFS,如宝马W5系、奔驰新E级、奥迪A8、雷克萨斯LS46OL以及凌志R系列等[2],但都还存在一定不足之处,如奔驰公司使用的AFS,有旋转角度与前轮转向角基本相等的限制;奥迪公司使用的AFS只在车速达70 km/h打开前照灯时才起作用[3];文献[4,5]中只研究了弯道时的AFS控制,文献[6]中只用一个CAN节点来同时实现传感器数据的收集和前照灯的转动,这会限制收集的数据量;此外,基本没有文献涉及LED自适应前照灯系统[7]。而国内研发的AFS只取得了阶段性的成果。本文则研究由LED组成前照灯组,传感器数据收集和前照灯转向分开实现的AFS系统,重点研究AFS系统的控制技术。

1 自适应前照灯系统()的功能

AFS的具体功能主要通过以下五种模式的照明优化来体现,且各种模式可叠加实现。

(1)高速公路照明模式

汽车在高速公路上行驶时由于车速快,要求前照灯能够提供亮且远的照明光束。当车速达到设定值max1(大约为30 km/h)时开始进入高速公路模式[8],此时增强提供给前照灯的电流强度以提高光强,并根据具体的车速来适当调整远光灯和近光灯的垂直角度。而当车速降到值min1(大约为5 km/h)时则退出高速公路模式。

(2)乡村照明模式

乡村道路的岔路纷多,且缺乏明显的道路标识,汽车行驶时要求前照灯提供左右不对称的照明光束,以照亮道路边的岔路和行人状况。当车身纵倾角度变化频率达到设定大值,同时根据城市道路照明标准,单位时间内接受到的平均光照强度达到设定值min2(约为1.5 lx)时,启动乡村照明模式。在靠右行的国家中,开左灯的所有近光灯;在靠左行的国家中,开右灯的所有近光灯和雾灯(雾灯实现右灯光束的拓展),并且增强这些灯泡的电流强度。而当车身起伏频率再次降到设定小值,或单位时间内接收到的平均光照强度达到设定值max2(约为8 lx)时,关闭乡村照明模式。

(3)城市照明模式

城市道路两侧有路灯及建筑物提供的稠密灯光,环境光照强度提高,汽车行驶时要求前照灯提供的光束亮度降低。当单位时间内接收到的平均光照强度达到城市道路照明标准中设定值max3(约为15 lx)时,启动城市照明模式,此时降低近光LED的电流供给。而当单位时间内平均光照强度再次达到设定值min3(约为5 lx)时,关闭城市照明模式。

(4)弯道照明模式[4-5、9]

汽车在进入弯道照明模式时,要求前照灯提供的光束能够消除照明暗区。当方向盘转角达到设定值max4(大约为10°)时,启动弯道照明模式,此时根据得到的方向盘转角和车速信息求出近光灯的转动角度,并执行转动。

为避免危险情况发生,弯道驾驶时驾驶员需要一段反映时间,考虑到夜间行驶时,驾驶员的生理和心理视觉能力普遍下降,将此反映时间设为2.5 s,而前照灯需要照亮汽车在3 s后将到达的位置,根据此位置算出前照灯水平转角为α=(Vt)/(2R),此处V为当前车速,t=3 s,R为弯道的曲率半径,α单位为弧度。可以得出下式:

K为稳定性因数,L为汽车轴距,对于某确定型号的汽车K和L为固定值,φ为前轮转角。

(5)恶劣天气照明模式

恶劣天气包括很多种,此处探讨出现较频繁的阴雨和下雾两种天气,这两者分别通过雨水传感器和湿度传感器的输出数据来判定。

阴雨天气时,路面的积水会反射对面车辆或路灯的灯光造成炫目,这要求改变近光灯的光型,可通过适当降低近光灯的垂直角度来实现。

下雾天气时,道路上的可见度下降,这要求提高前照灯的照明亮度,可通过打开雾灯并增强提供给所有近光灯的电流强度来实现。

自适应前照灯还有一个默认的工作模式,当不满足上述任意一种模式时,打开默认模式。

2 闭环控制系统

AFS的控制技术属于自动控制领域的应用,其输入包括:车速V,车身高度h,车身纵倾角度变化频率f,光照强度H,方向盘转角θ,雨水量N和湿度M;输出包括提供给LED的电流强度I,前照灯水平偏转角度α和垂直偏转角度β。此处,从AFS的输出出发,考虑到减小误差,可以得到三个闭环控制系统。

(1)电流I闭环控制系统

由图1可得,当高速行驶、下雾、在乡村和城市行驶时都需要改变提供给LED的电流强度,当然也可能出现下雾天气在高速公路或乡村、城市道路上行驶的状况,这三种情况下的电流改变量由各路况单独出现时的电流改变量的综合运算得到。单片机接收到V、M、f和H信号后,先与上文中提到的各max、min值做比较,若满足需求则将数值存储到相应内存单元中。接着,根据一定的转换算法,得到需要的电流量Ii,并由LED驱动电路提供输出电流I。同时用光强检测电路测得车灯光强,得到反馈的电流值If,此值与Ii运算得到Io,如此循环控制,保证得到正确的前照灯亮度。

(2)水平转角α闭环控制系统

由图2可得,当遇到转弯的路况时,单片机收集、筛选车速和方向盘转角数据,并通过公式(1)计算得到水平方向步进电机需要转动的角度αi,此值经传输后,控制LED在水平方向上转动一定的角度。同时,旋转位置传感器会将转动后的LED角度测出,得到反馈角度αf,此值与αi运算得到αo,如此循环控制,保证前照灯偏转正确的角度。

(3)垂直转角β闭环控制系统

β的闭环控制系统与闭环控制系统相似。由图3 可得,当高速行驶或下雨时需要调整LED的垂直方向角度,当然也会出现下雨天气在高速公路上行驶的状况,此时调整值为两种路况单独出现时得到的调整值的综合运算。

3 AFS的控制电路

AFS控制电路由以下四个部分组成:数据收集电路、传输电路、处理电路和执行电路。

(1)数据收集电路

数据收集电路收集车速传感器、光敏传感器、车身高度传感器、方向盘转角传感器、雨水传感器和空气湿度传感器等的数据。

车速传感器在各种汽车上都有不同的型号,在此不具体讨论使用哪种型号的传感器,而从车速里程表中直接引出车速信号。由于车速信号是12 V的单极性脉冲信号,而单片机所能处理的高电平信号只在5 V左右,所以需要12 V到5 V信号的转换电路,我们使用光电耦合器NEC2501[2]。

光敏传感器采用光敏电阻GL4526。GL4526反应速度快、灵敏度高、可靠性好。需将GL4526与一个阻值为1 kΩ的电阻相串联,再通过测量两者间的电压值变化来得到光强信号。由于电压信号是模拟信号,需通过A/D转换来得到单片机可处理的信号,此处采用12位的串行模数转换器MAX1230,有16个模拟输入通道AIN0~AIN15。光敏传感器的电压信号通过防止失真的100 p F电容与输入端口AIN0~AIN15相连,串行时钟输入端口SCLK接来自于单片机的外部时钟,由于单片机时钟频率为12 MHz,需经过四分频,达到MAX1230的工作频率要求。输出端口DOUT接至收集数据的单片机[6]。

光电式车身高度传感器在车头和车尾各置一个,放在车身和悬架之间,通过连杆将两者间的距离变化转化为角度变化,而此角度变化量与输出电压呈一定线性关系。单片机以一定的频率采集传感器输出信号,并将前后桥的信号变差,得出车身的纵向倾斜角度[6]。

方向盘转角传感器采用EPC-755A光电编码器。EPC-755A抗干扰能力强,输出稳定可靠的脉冲信号,脉冲的个数与角位移量成比例关系。编码器采用集电极开路型输出电路,通过鉴相电路输出脉冲信号,正转时输出计数脉冲T0,反转时输出计数脉冲T1。计数电路用3片74LS193连接组成,D0~D11将数据输出至单片机处理[2]。

雨水传感器采用SSM-002,空气湿度传感器采用HS1101/HS1100,输出电压经过A/D转换后送入单片机。

(2)传输电路

本文中的数据收集和处理电路为两个独立的CAN节点,故接收后的数据要通过CAN总线传到处理单元。

CAN是现在汽车上普遍使用的串行总线,CAN总线的物理层要通过收发器和总线控制器与单片机相连,此处采用的收发器为PCA82C251,控制器为SJA1000。为了增强CAN总线节点的抗干扰能力,控制器SJA1000的输入和输出需通过高速光耦6N137与82C251的TXD和RXD相连,发送点的单片机数据通过82C251后,再通过CAN总线传输到接收节点[6]。

(3)处理电路

本文中采用8位单片机AT89S51作为数据处理器,AT89S51可兼容标准8051指令系统及引脚,片内有4 kbytes的Flash只读程序存储器,能够灵活的在线编写和修改程序。

(4)执行电路[6]

前照灯通过步进电机的控制实现转动,共需四个步进电机,且水平旋转和垂直角度的调整电机,选择不同的型号,控制时两者也分开执行。

水平旋转部分由电机、减速机构和位置反馈三块组成。电机选用四相六线的42BYG001型永磁感应式步进电机,步距角0.9/1.8,采用双四拍通电形式,且通电顺序为AB-BC-CD-DA-AB时,电机正转,反之电机反转。在左转弯和右转弯时,左右前照灯分别转动不同的角度,结合方向盘转角与前照灯转角间特定的比例关系,如表1所示:

根据表1中电机转角及灯具转角间9∶1的比例关系,可得到旋转电机和前照灯之间1∶9的传动比,即可利用1∶3∶3两级齿轮来实现减速。

本文选用RPN旋转位置传感器来实现反馈,RPN在±45°角范围内输出电压与角度成线性关系,其输出电压经A/D转换后即可得实际转角。

垂直角度调整电机采用SAIA公司制造的两相线性步进电机,该电机反应速度快,它通过传动杆的进给量来反馈输出信号,从而保证精确的控制。

通过四个锁存器74LS373来实现水平、垂直方向电机的分开控制,单片机P3.0、P3.1口来发送片选信号。P3.0有信号时,选通对应水平控制的两个锁存器,P2.0-P2.3发送左灯的PWM脉冲,P2.4-P2.7发送右灯的PWM脉冲;P3.1有信号时,另两个锁存器选通,P2口发送PWM脉冲实现左右灯的垂直角度控制。

步进电机的驱动通过达林顿阵列管ULN2003来实现,单片机直接接ULN2003的输入端。

亮度控制比较简单,本文不再赘述。

4 总结

自适应前照灯控制技术在减少车祸的发生、提高驾车人身安全方面贡献突出,近年来它正在逐步发展起来,本文对此做出了一定的研究,但尚存在着诸多不足。例如针对本文中的数据收集部分,只是采用传感器收集数字信号,这很难有预见性,所以可适当地加入诸如红外、GPS等有预见作用的装置,收集包括数字和图像等多种类型的数据。此外,现在汽车中经常是CAN总线和LIN总线结合使用,LIN总线的报文帧相比较于CAN总线的数据帧,结构更加简单,若直接用在执行部分的总线连接会更方便。

参考文献

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