适路性前照灯系统的研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 1.32MB 71 页 15积分
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摘 要
汽车前照灯是汽车在夜间行驶时最重要的主动安全部件，它可以保证驾驶者
看清前方路况，避免交通事故的发生。但是，汽车前照灯还存在许多可能威胁到
行车安全的不足之处。例如，汽车在过弯时，弯道内侧会出现大片盲区，一旦有
紧急状况发生，驾驶者将没有足够的时间作出反应；汽车负载的变化，或者加减
速的过程都会引起车身倾斜，改变前照灯光束的水平角度，从而使来车产生眩光
或者导致自身照程变短，这些都是潜在的安全隐患。适路性前照灯系统的提出正
是为了解决上述问题。
本文详细介绍了适路性前照灯系统的研发过程。
第一章，研究介绍了适路性前照灯系统提出的背景及该系统国内外发展现
状，从而明确了适路性前照灯系统设计的内容及难点。
第二章，针对设计的内容及难点，对系统辨识、模糊控制以及 LIN 总线技术
作了相应的介绍及研究，为下文适路性前照灯系统的具体设计作知识铺垫。
第三章，选择 PIC 单片机作为核心控制器，完成了整个系统的硬件设计。单
片机负责采集速度信号，前后轴水平传感器信号以及方向盘转角信号，配合相关
算法，控制步进电机，带动前照灯水平及左右方向转动，实现对前照灯的自适应
控制。本系统还设计了 LIN 总线接口，用于系统诊断。
第四章，通过对汽车前照灯水平调节模式的研究，借助系统辨识技术，设计
了水平调节算法；通过对汽车前照灯左右调节模式的研究，创新性地结合了模糊
控制技术，设计了左右调节算法。最后还对整个系统的软件进行了详细设计。
最后，在第五章中，概括论述了本文的主要研究结论，指出了需要进一步开
发和完善的内容，并对以后的发展作了展望。
关键词：适路性前照灯 模糊控制 左右调节 数据拟合 水平调节 LIN
总线
ABSTRACT
Headlamp, which makes roads visible for the driver to avoid traffic accidents, is
one of the most important safety equipments for night driving. But there are still
many shortcomings, which are possible causes to accidents. For example, while
making turn or driving on a winding road, there will be a huge piece of blind area
inside the curve, that makes the driver has no time to react while emergency occurs;
The body inclines because of loading、accelerating or decelerating, and all these may
cause glaring or shortness of illumination, which result in accidents. So Adaptive
Front-Lighting System proposed.
The dissertation introduces the whole progress of developing an Adaptive
Front-Lighting System.
Chapter 1, Introduced the background of Adaptive Front-Lighting System and its
level around the world. The content and key problems of the system were presented.
Chapter 2, According to the content and key problems, described three key
technologies: System Identification, Fuzzy Logic and LIN Bus.
Chapter 3, Introduce how to design the hardware of the system with PIC MCU.
The MCU acquires front and rear signals, steering signals and velocity signal, along
with algorithm, controls the steeping motors which rotate headlamps. The system is
equipped communication function through LIN Bus to fish the diagnosis.
Chapter 4, Designed leveling algorithm with System Identification and steering
algorithm with Fuzzy Logic, which is the “central nerve” of the whole system. The
software was designed in detail at the end of the chapter.
Last chapter, the important results and conclusions of this dissertation are
summarized, and the prospect of further studies on this system is opened up.
Key Word: AFS, Fuzzy Control, Steering Control, System
Identification, leveling Control, LIN Bus
摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................... 1
§1.1 适路性前照灯系统（AFS）产生的背景 .........................1
§1.2 适路性前照灯的发展现状 ....................................2
§1.3 论文研究的内容及关键技术 ..................................3
第二章 适路性前照灯系统相关技术 .................................... 5
§2.1 数学建模及系统辨识 ........................................5
§2.1.1 机理建模 ............................................ 6
§2.1.2 系统辨识 ............................................ 7
§2.2 模糊控制 ..................................................8
§2.2.1 模糊控制系统的结构 .................................. 9
§2.2.2 模糊控制器的组成 ................................... 10
§2.2.3 模糊控制器的设计 ................................... 14
§2.3 LIN 总线 ................................................. 15
§2.3.1 引言 ............................................... 15
§2.3.2 LIN 拓扑结构 ........................................16
§2.3.3 报文传输 ........................................... 16
§2.3.4 总线睡眠和唤醒 ..................................... 19
§2.3.5 错误监测和处理 ..................................... 20
第三章 适路性前照灯系统的硬件设计 ................................. 21
§3.1 总体设计 .................................................21
§3.2 传感器模块 ...............................................22
§3.2.1 前后轴水平传感器 ................................... 22
§3.2.2 方向盘转角传感器 ................................... 24
§3.2.3 速度传感器 ......................................... 25
§3.2.4 传感器接口电路 ..................................... 26
§3.3 驱动部分 .................................................26
§3.3.1 驱动部件的选取 ..................................... 26
§3.3.2 驱动芯片 ........................................... 27
§3.3.3 机械结构 ........................................... 27
§3.4 核心控制模块 .............................................28
§3.4.1 单片机的选择 ....................................... 28
§3.4.2 单片机的外围电路 ................................... 29
§3.5 电源模块 .................................................30
§3.6 LIN 收发电路 ............................................. 31
§3.7 适路性前照灯控制系统电路板的设计 .........................32
§3.7.1 系统外部连接图 ..................................... 32
§3.7.2 接插件定义 ......................................... 33
§3.7.3 PCB 板的设计 ........................................34
第四章 相关算法及软件设计 ......................................... 35
§4.1 适路性前照灯系统水平调节算法 .............................35
§4.1.1 适路性前照灯水平调节算法的研究 ..................... 35
§4.1.2 Tablecurve3D 拟合数据 ...............................38
§4.2 适路性前照灯系统左右调节算法 .............................41
§4.2.1 适路性前照灯左右调节的研究 ......................... 41
§4.2.2 模糊控制算法的设计 ................................. 42
§4.3 适路性前照灯系统的软件设计 ...............................50
§4.3.1 初始化 ............................................. 54
§4.3.2 数据更新 ........................................... 54
§4.3.3 状态判断及相关状态 ................................. 60
§4.3.4 电机位置计算及驱动 ................................. 61
§4.3.5 数据通信 ........................................... 62
§4.4 小结 .....................................................63
第五章 总结与展望 ................................................. 64
参考文献 .......................................................... 66
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................... 68
致 谢 ............................................................ 69
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 适路性前照灯系统（AFS）产生的背景
据我国和欧美一些国家的统计资料表明，夜间交通事故的发生概率是白天的 1
到1.5 倍，而且夜间发生交通事故的后果一般都极其严重。造成夜间交通事故的很
大的原因是汽车驾驶者不能及时发现行驶路段的突发状况，故降低夜间交通事故
发生率的最有效的办法便是改善汽车的照明条件。在过去的 100 多年中，汽车的
照明条件得到了巨大的提升，从第一代的乙炔前照灯到第五代的卤钨前照灯，一
直到当今最为流行的高强度气体放电灯（High Intensity Discharge）——俗称氙气
大灯[1]，汽车前照灯在照明深度、照明强度以及聚光效果等方面得到了充分地改善，
但在对于夜间交通事故控制方面的贡献有限。原因大致有以下几点：一是车速越
来越快，驾驶者对于汽车的驾驭能力减弱；二是伴随着汽车前照灯照明深度、强
度等的增加，对来车造成眩光的问题也愈发突出。眩光是指来自视场中高亮度或
没有充分遮蔽的光源发出的光线直接对眼镜造成的刺激，被刺激者会出现瞬间大
脑空白或视力下降等情况。根据相关的标准，每一款汽车都会在出厂时设定前照
灯光束的照射高度，此高度既考虑了驾驶者必须拥有足够的可视范围，又可以降
低对来车的眩光。但是，汽车在日常使用中如果发生车身倾斜（例如汽车装载货
物、路面颠簸以及紧急刹车和制动等），就会引起汽车前照灯照程变短或者光束照
射角度过高。照程变短将导致驾驶者在遇到突发事件时没有足够的时间作出反应；
而光束照射角度过高，则会造成来车的眩光。三是汽车在夜间过弯时，弯道内侧
会出现大片盲区，增加了交通事故发生的概率。原因是汽车在夜间直行时，只需
看清前方路况即可。但是当汽车欲转弯时，驾驶者期望看到的是汽车的左前方或
右前方，即弯道内侧的路况。此时，汽车前照灯的照射方向依旧是车身的指向，
而并不是方向盘或者车轮的指向（前照灯的反应有一定时间的滞后），因此，汽车
的行进路线上依然是一片漆黑，称之为盲区。盲区内可能会出现很多异常情况，
如不明障碍物、行人、动物、车辆等，如果不能及早发现此类情况并作出刹车或
变向等处理，将直接导致交通事故。
因此，几年前，欧洲几大整车厂商联合提出研制适路性前照灯系统[2]AFS
(Adaptive Front-lighting System)的设想。它可以通过遍布于车身的传感器，采集反
适路性前照灯系统的研究
2
映车辆行驶状态的各种信号，分析判断汽车自身的状态以及所处的路况，并通过
相应的调节装置上下和左右调节汽车前照灯光束的照射角度，确保汽车拥有足够
的照程、防治对来车的眩光以及解决弯道内侧的盲区问题，在提高夜间行车安全
性的同时增加驾驶者的舒适性。
其中解决眩光问题的部分被称为汽车前照灯水平调节，它的作用是当汽车车身
发生倾斜时，上下调节汽车前照灯的照射角度，保证汽车自身的照明深度不受影
响，并将对来车的眩光影响减至最小；用于解决盲区的部分被称为汽车前照灯左
右调解系统，它的作用主要是在汽车过弯时，自动向左或向右调节前照灯，使车
灯光束转向汽车行进的目标区域，使驾驶者可以清晰判断行车方向上的具体情况，
确保安全。两部分合起来统称为适路性前照灯系统 AFS。
§1.2 适路性前照灯的发展现状
长期以来，汽车前照灯的标配组合只是远光灯和近光灯两种光型分布。近年
来，随着适路性前照灯概念的提出，国外几大汽车厂商率先开始对其作相应研究，
并取得了一定的研究成果。
（1） 本田技术研究所与史丹利（stanley）电子联合开发了主动式头灯（AHL）
系统[3]，以协助汽车在转弯时将灯光送至目标区；主动式头灯可以根据车速和方向
盘转角信号调节汽车前照灯的照射角度。
（2） 日本的小糸（koito）与日本国土交通省规划的先进安全车辆系统（ASVS）
相结合，正在研制最新的汽车照明系统。该系统针对会车，前方车辆与驾驶者操
作可即时改变照明光型。前照灯的调节方向由车速，方向盘转角信号以及其它车
辆传感器提供的信号来决定。
（3） 欧宝（OPEL）公司也是较早研究适路性前照灯系统的厂商之一，它与海
拉（Hella）公司共同研制了一款适路性前方照明（Adaptive Forward Lighting）系
统。此系统具有曲线光（Curve-light）和转向光（Turning-light）两项特征。
曲线光：根据汽车的速度，方向盘转角，左右调节前照灯照射角度，可达到改
善90％的曲线照明。通过这个方法，不仅增加了汽车的安全性，还提升了动态操
控的舒适性。
转向光：该系统在汽车通过路口和狭窄的弯道时，增加两侧的照射角度，使它
成为一个广角的形态，照射在离汽车大约 30 公尺的距离上，传播的方向几乎是 90
度。由于系统的该项功能仅在车速低于 50km/hr 的情况下才起作用，因此不会在高
速公路上变换车道等情况下起作用。
第一章 绪论
3
（4）海拉公司正在研制一款名为 VARILIS (VARiables Intelligentes
Licht-System )的系统，据称这将是一款全方位的适路性前照灯系统。该系统的目
标不仅仅是在汽车过弯时通过转动前照灯有效地照亮弯道中的盲区，而是将汽车
的行驶状况作了细分，然后分别作相应处理。例如，当汽车过弯或者在狭窄弯道
行驶时，该系统会使前照灯相应转动以照亮盲区；当汽车以低于 60km/hr 的速度行
驶在道路照明较充足的城市路段时，该系统使前照灯光束照射角度下调，减小照
程，降低汽车灯光对来车及路人的影响；当汽车以 60km/hr～80km/hr 的速度在多
车道路段行驶时，该系统将前照灯适当向两边扩宽，以获取更宽的视野。
为了实现上述功能，
VARILIS 系统采用了智能控制器处理各种传感器信号，这
些信号包括光线传感器，空调系统中的阳光传感器，速度传感器，路面湿度传感
器，雨雾传感器，弯道传感器等等。该系统还提出了与 GPS 全球卫星巡航定位系
统联网的设想，用于预测性地为各类道路情况提供最适合的照明效果。
国内的汽车电子业还刚刚起步，参与到 AFS 研发中的公司更是凤毛麟角。前
一段时间，华科汽车电子研发中心刚刚成功实现了其 AFS－300C 的量产，并装载
于克莱斯勒 300C 车型上，该模块只能简单实现汽车前照灯的水平调节。
综合来说，AFS 的发展还处于起步阶段，虽然国外一些著名厂商在其研究中
取得了不错的成果，但其最关键的算法部分属于高度机密。不够成熟的标准也给
开发者带来了极大的挑战和不确定性。虽然现阶段已有少数国外厂商的相关产品
成功推出，但大部分只是完成了水平调节部分的功能，水平也参差不齐。
§1.3 论文研究的内容及关键技术
论文在对 AFS 国内外现有水平的充分认识和研究以后，结合汽车在夜间行驶
时的实际情况，分析论证汽车在各种行驶状态下前照灯应采取的调整策略，给出
相应的控制算法。系统通过 PIC 单片机采集诸如速度信号、方向盘转角信号以及
前后轴水平传感器信号，结合相应的控制算法，计算出大灯水平以及垂直方向的
调节角度，驱动步进电机，带动汽车前照灯转动，从而实现汽车前照灯的自适应
调节。
由于目前标准的不完善性以及汽车厂商对于知识产权保护的日益重视，使得对
于AFS 系统算法的研究显得极具价值。本论文中，设计水平调节算法时，首先研
究水平调节算法的目的以及相关标准，然后根据实际的测量数据，通过 Tablecurve
3D 软件进行拟合，得到前后轴水平传感器和前大灯调节角度间对应关系的经验公
式，最后编程实现对前照灯的水平调节控制。设计左右调节算法时，由于没有相
适路性前照灯系统的研究
4
关标准规定汽车在过弯时前照灯的角度调节范围，而且此角度的大小更多的是驾
驶者的一种主观意愿，难以建立实际数学模型，因此本文创新性地应用了模糊控
制算法，通过走访有经验的驾驶者，将其经验引入对于弯道中汽车前照灯的左右
调节。
本系统的数据采集部分主要由单片机的 AD 和CCP 端口完成，另外还增加了
电源信号的采集，用以监控系统的工作电压，保证其工作稳定。步进电机通过单
片机的串口来进行控制。另外，本系统还试探性地应用到了 LIN 总线，要求 LIN
总线可以实现双向传输，主要用于系统的诊断。
摘要：

摘要汽车前照灯是汽车在夜间行驶时最重要的主动安全部件，它可以保证驾驶者看清前方路况，避免交通事故的发生。但是，汽车前照灯还存在许多可能威胁到行车安全的不足之处。例如，汽车在过弯时，弯道内侧会出现大片盲区，一旦有紧急状况发生，驾驶者将没有足够的时间作出反应；汽车负载的变化，或者加减速的过程都会引起车身倾斜，改变前照灯光束的水平角度，从而使来车产生眩光或者导致自身照程变短，这些都是潜在的安全隐患。适路性前照灯系统的提出正是为了解决上述问题。本文详细介绍了适路性前照灯系统的研发过程。第一章，研究介绍了适路性前照灯系统提出的背景及该系统国内外发展现状，从而明确了适路性前照灯系统设计的内容及难点。第二章...

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