（动力机械及工程专业论文）汽车自适应前大灯系统仿真实验平台研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 汽车夜间照明对交通安全具有重要作用。近年来，世界各国汽车公司和研发机 构对车灯的研究投入了大量的人力和财力。汽车自适应前大灯系统( a d a p t i v e f r o n t 1 i g h ts y s t e m ，a f s ) 由于能根据各种行车环境来调节车灯的照射角度，亮度和 色度，因而正日益引起广泛的关注。基于此，本课题结合企业一高新技术开发项目， 借鉴国内外研究工作的新进展，通过建立车灯随动仿真实验平台的方式，来达到模 拟和验证汽车前大灯在外界环境作用下的运行规律的目的，从而为企业在此方面的 研发提供一定的理论依据和实施方向，并节约大量的研发成本。 本论文根据汽车a f s 系统应满足的基本要求，在c a t i a 软件环境中建立了仿真实 验平台模型，并加工成实验平台，同时也建立了可以实现具有数据采集和控制功能 的数据采集系统，基于l a b v i e w 软件环境中建立了数据采集界面的程序设计，使数 据采集具有实时显示，储存和回放等一系列功能。 本论文将该平台简化为汽车主动悬架4 自由度模型。通过控制仿真平台的垂直 加速度变化量来控制平台的阻尼变化这一模糊控制策略，来达到控制车身俯仰角、 输出车灯垂直转向角的目的。同时，借助m a t l a b 软件环境构建了基于此控制策略下 的仿真实验平台的仿真模型。通过在m a t l a b 环境下仿真，实现了积分白噪声模型下 对四自由度模型的控制仿真。最后，通过编程调试，运用遗传算法工具箱对模糊控 制器的模糊控制规则进行优化设计，使仿真平台的垂直加速度平均值减少、仿真平 台的俯仰角以及前大灯的垂直转向角能控制到一个理想的范围内。 仿真的结果表明，所选择的模型基本合理，所采用的模糊控制隶属函数基本符 合要求。在仿真平台上与实车上实验相比，尽管有些其他因素还暂时不能考虑在内， 但在一些参数如车身垂直加速度等降低效果方面还是比较明显的，这一些结论也将 在今后对该平台的进一步研究奠定基础。 关键字：a f s ， 车灯， 仿真模型，模糊控制，遗传算法，m a t l a b ； 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c u r r e n t l y ，i l l u m i n a n c ep l a c e sav e r yi m p o r t a n tr o l e i nas e c u r e dn i g h td r i v i n g t h e r e f o r e ，c o u n t r i e sa l lo v e rt h ew o r l d h a v ec o n c e n t r a t e ds om u c hm o n e ya n de f f o r t so n t h er e s e a r c hi nt h i sr e g a r do v e rt h ey e a r s a d a p t i v ef r o n t l i g h ts y s t e m ( a f s ) ，d u et oi t s a u t o n o m o u sa d j u s t m e n to fl i g h t i n gs w i v e l i n ga n g l e s ，i l l u m i n a n c ea n dc o l o r sa c c o r d i n gt o v a r i o u ss u r r o u n d i n g so fd r i v i n g ，i sn o wa t t r a c t i n ge y e b a l l so ft h ep e o p l ea l lo v e rt h e w o r l d b yr e f e r r i n gt oah i g h - t e c hp r o j e c tc r e a t e di nae n t e r p r i s ea n dd r a w i n gu p o nt h e d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a le n d e a v o r si nt h i sr e g a r d ，ae x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi sc r e a t e dt o s i m u l a t ea n dt e s to p e r a t i n gl a w sc h a n g e da c c o r d i n gt ot h es u r r o u n d i n g s ，a n dt h e r e f o r et o p r o v i d eat h e o r i t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ha n dd e c r e a s i n gal a r g ec o s tf o r t h ec o m p a n yi nt h i sr e g a r d b a s e do nt h ef o u n d m e n t a lr e q u i r e m e n to fa f s ，as i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ， c r e a t e di ns o f t w a r ee n v i r o n m e n to fc a t i aa n dt h e nm a n u f a c t u r e db yw u h a nd o n g l o n g e l e c t r o n i cc o m p a n y , c a nb eo p e r a t e da n dc o n t r o l l e dw i t ha c q u i s i t i o n so fs u c ht h r e e s i g n a l s 嬲s w i v e l i n ga n g l e s ，v e l o c i t ya n di n c l i n a t i o nc h a n g i n gv o l u m e ，s o t h a tt h e h o r i z o n a la n dv e r t i c a ls w i v e l i n ga d j u s t m e n tc a nb ea c h i e v e d b e y o n dt h a t ，ad a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m w i t hf u n c t i o n so fd a t ac o l l e c t i n ga n dp l a t f o r mc o n t r o l l i n g ，a n da h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ew i t hd a t ad i s p l a y , s a v i n ga n dr e v i e w i n gb a s e do nl a b v i e wa r e a l s oc r e a t e d i nt e r m so ft h ev e r t i c a lp r o c e s s ，t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r mc a nb e s i m p l i f i e d a sas u s p e n s i o nm o d e lw i t hf o u rf r e e d o md e g r e e s ( f f d ) b yr e f e r r i n gt o m a t h e m a t i c a lm o d e l si nt h i sr e g a r da n dc o n s i d e r i n gh u g ei m p a c tc a u s e db yt h er o a d m a p ， am a t h e m a t i c a lm o d e lw i t hi n t e r f e r e n c eo fw h i t en o i s ei sc r e a t e df i r s t l y t h e n ，b y a d o p t i n gt h ef u z z yc o n t r o ls t r a t e g yt h a tt h ec h a n g i n gv o l u m eo f v e r t i c a la c c e l e r a t i o nc a n l e a dt ot h ec h a n g eo fd a m p i n g ，t h ev e h i c l e sp i t c ha n di t si n s t r u t i o n st h a tl e a d st ot h e c h a n g i n go fs w i v e l i n ga n g l e a r ea l s oa d j u s t e dw i t hi d e a lm a r g i n s t h a n k st o t h e i m p o r t a n te n d e a v o r sm a d es t a t e da b o v e ，as i m u l a t i o nm o d e lc o n s t r u c t e di nm a t l a bc a l l a c h i e v eo t l r g o a lo ff o u rf r e e d o md e g r e e ss i m u l a t i o n f i n a l l y , b yp r o g r a m i n g a n d i i 一一 武汉理工大学硕士学位论文 = 二二一。 d e b u g i n gw i t ht h eh e l po fg e n e t i ca l g o r i t h mt o o l b o x ，c o n t r o ll a w si nf h z z vc o n t r o l s y s t e m a n d c o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e d ，a n dt h e r e f o r et h ev e r t i c a l a c c e l e r a t i o n ，p l a t f o r m sp i t c ha sw e l la st h ei n s t r u c t i o n st os w i v e l i n gv o l u m eo ft h el a i n p c a nb ea c h i e v e dw i t ha ni d e a lm o v i n g m a r g i n t h es i m u l a t i n gr e s u l ti l l u s t r a t e st h er e l i a b i l i t yo ft h ec h o o s e nm o d e la n d e f r e c t i v e n e s s o ft h em e m b e r s h i pf u n c t i o n d e s p i t eg r e a td i s p a r i t i e ss t i l le x i s tb e t w e e nt h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n t a lp l a t f o r ma n dar e a ls u s p e n s i o n ，c o n c l u s i o n ss u c ha st h ee 仃e c t i v e n e s so ft h e a p p a r e n t l yd e c r e a s i n gv e r t i c a la c c e l e r a t i o nd e m o n s t r a t e st h a tt h i sp l a t f o r mw i l lp l a ya c r i t i c a lr o l ei no u rf u t u r er e s e a r c hi nt h i sr e g a r d k e yw o r d s ：a f s ，h e a d l a m p ，s i m u l a t i o nm o d e l ，f u z z yc o n t r o l ，g e n e t i ca l g o r i t h m i i i 武汉理工大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 研究生躲避日期塑竺型 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：丢系秘翼 导师签名：嘴淋日期弘抄f ， 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 汽车照明对交通安全具有重要作用。据日本交通事故研究和数据分析研究所研 究表明，汽车在夜间和白天发生交通事故的概率比例是7 ：3 ，而在夜间的所有交通 事故中，8 0 的事故来源于车灯照明质量低下。同时，由于交通密度日益增加，车 速日益加快加上车辆行驶条件千变万化使得前照灯的设计正面临很大的挑战。 汽车的有效路面照明其目的不仅仅是增强人的视觉，在某些情况下若没有车灯 有效的照明系统想看见东西是完全不可能的事( 如急转弯道内侧或恶劣天气等) 。 高性能前照灯以及其他前后车灯是实现“看得见和被看见 的汽车照明的基本目 标。这就为汽车照明系统提出了更新更高的要求。汽车a f s 前大灯正是为逐步适应 这一要求的而不断发展的系统。 1 1 汽车a f s 系统的定义和国内外的研究现状 汽车氙灯a f s 系统( a d a p t i v ef r o n t l i g h t i n gs y s t e m ) ，又称自适应汽车前照 大灯系统。其基本原理是将车用传感器采集到的汽车速度信息、弯道半径信息、车 身姿态信息、周围环境等信息传输到电控单元e c u ，经过e c u 内的控制算法处理之后， 将控制信号传输到执行单元。一般的大灯随动转向系统都包含了a f s 智能随动系统 和a l s 光轴自动调整系统，在夜间转弯时，a f s 能根据车速以及转向盘转向角度，自 动调整近光灯的照射中心，自动指向入弯，确保弯道中的高能见度。在后排负载较 重导致车身角度上扬时，a l s 自动调整光轴倾角，避免光轴上扬对对面来车驾驶人 员的干扰，从而控制汽车前照大灯的左右和上下旋转，进而改善阴雨天气的照明， 乡村道路的照明，转弯道路的照明，高速公路的照明，城市道路的照明状况。与传 统的刚性大灯相比，自适应性转向灯的照亮范围更广，而且弯道能被更好地照亮， 并可以提前识别前方可能的障碍物，使迎面车辆驾驶员不感到目眩，从而极大地提 高车辆行驶的安全性。 目前，a f s 前灯转向系统主要分为三种： 转向头灯形式的，就是头灯内灯具可以左右旋转8 0 至1 5 0 照明弯道死角。 利用独立弯道照明系统的，就是在灯具里面安装一个固定的灯泡照向弯道， 使车辆在转弯时自动点亮。 武汉理工大学硕士学位论文 利用左右雾灯进行弯道照明，转向时对应弯道内侧雾灯打开，从而照明弯道 死角。 一般而言，a f s 氙灯系统是由传感器组，传感通路，电控单元和执行机构组成。 a f s 的执行机构是由一系列的马达和光学机构组成的。一般有投射式前照灯，对前 灯垂直角度进行调整的调高马达，对前灯水平角度进行调整的旋转马达，对基本光 型进行调整的可移动光栅，此外还有一些附加灯如角灯等等。 自2 0 0 3 年丰田汽车公司首次推出汽车a f s 系统以来，各汽车和车灯厂商相继推 出了自己的汽车车灯a f s 系统，这包括福特汽车公司、海拉公司、法雷奥公司等。 上述公司的汽车车灯a f s 系统尽管在实现方式上各有不同，但其基本功能是一致的。 国内由于汽车行业正处在由制造到研发的转型道路上，在这方面的研究还比较少。 同时由于引进的a f s 系统大多为生产商本国道路状况考虑，且国内的道路状况也与 日本和欧洲有较大不同，因此a f s 系统很少能发挥最大作用，所以a f s 系统在国内的 应用前景还有待开发。目前国内上海小系车灯有限公司已经对天津丰田锐志a f s 前 照灯完成了国产化开发工作，用于新款丰田佳美a f s 前照灯系统也己完成参考呻1 。另 外，作为中国军工电子和汽车电子行业的技术领先者，恒润科技所研发的自适应前 照灯控制系统( a f s ) ，在安全性和智能方面具有一定的领先优势：其产品新君越 的b i - x e n o n 随动转向氙气大灯具有智能调节光照距离和光照角度的功能。其智能性 主要体现在以下方面： 车辆转弯时，a f s 会根据车辆的行驶速度和转弯半径精确的计算出转弯过程 中每一个时刻的车灯转角，既保证驾驶员在整个动态变化过程中具有足够安全的视 角范围，又保证不会对迎面车辆驾驶员造成炫目； 车辆在城市道路低速行驶时，a f s 会主动增强近处的光照来保 证驾驶员不会忽略任何潜在的危险； 车辆行驶于路况很好的高速路时，a f s 会主动增加光照距离，保证高速行驶 的安全性： 车辆由于载荷变化或者急加速急减速而导致车身倾斜时，a f s 会主动根据车 身俯仰角度实时调节大灯照射角度，保证光照距离不受车身姿态的影响，同时滤除 粗糙路面、减速路障等干扰，防止对驾驶员造成不适。 国内外在这方面具有代表性的研究成果： 2 武汉理工大学硕士学位论文 堑壁 4o 图i 1国内某家公司开发的用于教学用的实验平台 图i 一1 试验平台可以实现车灯在车速，方向盘转角等信号下对车灯的控制，但 该试验平台不能实现在车速等信号下的动态仿真。 百1 - 去国 i e l l a ( 海拉) 公司a f s 系统简图 德国h e l l a ( 海拉) 公司作为汽车车灯发展的先驱，其a f s 系统简图如图1 吨所 不，该系统主要分为执行机构，信号处理单元，总线和传感器组四大部分。2 0 0 6 年， 其a f s 前大灯照明体系( 自适应前照明系统a f sa d a p t i v ef r o n t l i g h t i n gs y s t e m ， 或称智能前照明系统) 实现量产。2 0 0 2 年底奥迪综台了转弯灯功能。2 0 0 3 年春季， 伴随着欧盟的法定批准( e c er 4 8 ) ，前大灯具备了“寿顾右盼”的功能一欧宝和梅 塞德斯几乎同时引入动态随弯转弯灯。这一小小的突破可以说是a f s 给驾驶者的第 一次独特体验，尽管那时只是传统的光分布依据不同的转弯半径加大了向外摆动幅 度。迄今为止，海拉公司为1 4 种车型装备了动态髓弯转弯灯：奥迪a 6 、a 8 ，宝马5 武汉理工大学硕上学位论文 系、x 5 ，梅塞德斯c l s 、e 系、m 系、s l k ，欧宝雅思、思玛、威达，标志4 0 7 醅派， 路虎运动，大众新高尔夫。而今，r 将登场的a f s ，即被海拉公司命名为v a r i l i s ( v a r i a b l e si n t e l i i g e n tl i g h ts y s t e m ) 的新技术，同样摆动它的前灯模块。创 新之处在于它不仅能照亮弯道，还可以通过“斜视”自我“扩宽”。这一功能被称作“动 态城市照明”：左右大灯各自偏离中轴向外展开11 度，大大扩宽了横向照明幅度。 这特别适合车速6 0 8 0 公里每小时的多车道匝道。城镇里，最高时速5 0 公里且道路 照明较充足，v a r i l i s 产生城市灯光。照明宽度呖不是照明深度起主导作用，a f s 柔 和而叉不眩目。转弯和狭窄弯道行驶时由动态或静态随弯转弯灯照亮车旁的黑暗区 域。出城进入郊区，时速接近百公里后一切照旧：“乡村照明”遵循众所周知的“非 对称”近光原则，有意识地限制左前方照明，以照顾芹方来车。右方的照明则不受 限制，高质量的前太灯可照亮右边道1 5 0 米之远。倚言之，郊区道路上，非对称的 近光灯保证右前方纵向足够远处及右侧路边的照明，此项技术的核心在于v a r i o x 这 一大灯模块。它可产生五种不同的光分布：城市，乡村，高速路，远光灯，恶劣气 候条件状况，并可分别适用右舵和左舵车辆。 另外日本的d e n s o 公司2 0 0 3 年2 月份完成的世界上第一个实际装车的a f s 系统。 汽车照明的另一家公司法国v a l e 0 也开发了自己的a f s 系统。 圈i - 3 法国v a l e o 公司的a f s 系统图1 - 4 日本d e n s o 公司的a f s 系统 12 国内外的相关车灯的法规介绍与比较 由于灯光对汽车的行驶安全具有举足轻重的作用，因此，世界各国对车灯都有 严格的法规要求。如果要对传统的车灯进行大胆的创新，使其在功能上不断得到拓 展，首要的工作就是对车灯的法规进行研究。对此欧盟各国已组织了由灯具供 应商及制造商，汽车制造商共同参与的工作组，以便开展研究以使汽车车灯在设计 武汉理工大学硕士学位论文 上具有更大的自由度、灯光所引起的驾驶员的视野更加开阔，车灯的自适应性更强， 并由此提出一些列新的、更为严格的法规。目前，各大型汽车公司都已有车灯样品 在进行试验，有的车灯已安装在最新的样车上。 眩光是照明设计领域中必须解决的问题之一，视场中极高的亮度或强烈的亮度 对比，使观察者视力降低或眼睛不舒适甚至疼痛的现象统称为眩光。眩光分为失能 眩光和不舒适眩光两类。失能眩光可造成视觉功能的衰减，它是由于眼内光线的散 射降低了像的对比而引起的；不舒适眩光则造成舒适程度的降低，引起烦躁疲劳甚 至疼痛，但不会损害视觉。 目前，世界汽车前照灯存在2 种不同的行业标准：美国标准和欧洲标准，这两 种标准在其主要规定上都是一致的，其区别在于：美国由于国内道路比较宽广，其 法规对眩光没什么特别的要求，只要保证前照灯能够照得足够远并具有足够的亮度 即可：欧洲标准注重对眩光( 如前所述) 的控制，在其配光上存在1 5 0 。的明暗截止 线。但随着科技的发展，人们迫切要求建立一个统一的国际标准。一种方法就是将 2 种标准综合起来，形成一个双方都能接受的标准，即所谓的国际协调。另外一种 方法就是建立一个能够自动调节的前照灯系统，使之能根据不同的路况、天气状况 而采用不同的照明方式，即所谓的a f s 系统。 在整个a f s 车灯法规的发展中，联合国欧洲经济委员会作为一个重要的机构， 在法规的制定中起着重要的作用。联合国欧洲经济委员会e c en o 4 8 o l 法规中规 定近光灯不应随转向角度而转动。但随着a f s 系统的成热和广泛应用，欧洲委员会 于2 0 0 5 年提议允许欧洲2 5 个成员国境内的汽车使用先进的a f s 汽车前照灯，随后欧 盟委员会颁布的e c en o 4 8 0 2 法规中，关于近光灯不应随转向角度而转动这一规 定已经取消，a f s 系统的使用得到了认可。有关a f s 系统的安装要求已经经过多次修 正，在联合国e c e r 4 8 0 1 法规中体现出来哺引。 相对而言，我国的法规发展较晚，而且大部分都是借鉴了欧洲的标准来制定的。 我国国标g b 4 5 9 9 - 9 4 汽车及挂车外部照明和信号装置的数量、位置和光色这一 规定是参照联合国欧洲经济委员会e c en o 4 8 o l 法规制定的。该标准规定，汽车 使用的灯具应当符合下列标准：近光：不允许眩目；远光：同时打开各前照灯，其 总的最大远光发光强度应不超过2 2 5 0 0 0 c d ；当远光变为近光时，所有远光应同时熄 灭。除按国情修改部分内容外，其主要技术要求与e c en o 4 8 o l 法规等效。同样， 5 武汉理工大学硕士学位论文 国标g b 4 7 8 5 - 1 9 8 4 也有对近光灯小应随转向角度而转动的规定。但随着国际车灯相 关法规的修改，国标也将进行相应的修改，以允许a f s 系统的继续使用。 我国在1 9 9 8 年“中国国家标准化管理委员会”制定汽车行业灯具标准项目一 g b4 7 8 孓19 9 8 ，此标准是中国国标委根据联合国欧洲经济委员会( e c e ) n o 4 8 法规并结合对中国1 9 8 4 年制定的g b4 7 8 5 - - 1 9 8 4 进行的修订。欧洲经济委员 会( e c e ) 规定若要改装车灯必须购买符合欧洲标准的产品，而且必须是带凸镜和 汽车车用前照灯清洗器的大灯总成。2 0 0 7 年，中国国家标准化管理委员会( s a c ) 发布通报，制定汽车用气体放电光源前照灯和汽车用前照灯清洗器的标准。 中国国家标准化管理委员会( s a c ) 发布第1 2 号公告，批准汽车用气体放电光源 前照灯( g b2 1 2 5 9 2 0 0 7 ) 和汽车用前照灯清洗器( g b2 1 2 6 0 2 0 0 7 ) 的标准。 同年，中国国家标准化管理委员会( s a c ) 实施汽车用气体放电光源前照灯和 汽车用前照灯清洗器的标准。 a f s 前照灯系统作为车灯技术的一项重大突破，对夜间行车的安全性产生了重 要影响，同时大大提升了夜间行车照明的舒适性。日本和欧洲等国的知名汽车制造 商都纷纷推出自己的a f s 系统，在其高档轿车中标西( a f s 系统的同时，将a f s 系统在 中档甚至中低档轿车车型中作为选配列出，比如奥迪a 8 ，宝马5 系，梅塞德斯c l s e 系、m 系，大众b 6 ，雷克萨斯r x 3 3 0 ，丰田皇冠等。在国内，汽车智能随动转向照 明系统已经开始在越来越多的国产品牌轿车上出现，如东风雪铁龙的凯旋、广州本 田的凯瑞和东风日产的新天籁等，而且技术日趋成熟，逐渐具备了结构简单，性能 可靠，制造工艺简单，自动化程度高等优点。同时许多研发机构也对此投入了大量 的精力展开研究，但目前真正开发出一个具有自主品牌的系统还少而又少，因此， 该系统的开发无论在国内还是在国外仍然是一个值得高度关注的领域。 目前，联合国世界车辆法规协调论坛( 简称为u n w p 2 9 ) ，是目前中国汽车行 业参加的主车要国际汽技术法规组织，这对中国汽车产业和国际贸易的发展有着至 关重要的作用。中国参力h w p 2 9 的工作也是不断深入，从1 9 9 6 年至今，汽车行业政府 主管部门根据国内的汽车标准、法规和认证工作所需，派遣有关人员不定期地参加 w p 2 9 的下属工作组会议，已累计参加了1 7 次w p 2 9 下属各工作组的会议。2 0 0 0 年8 月 1 4 日，中国签订了1 9 9 8 年协定书，标志着中国政府最后完成签署该协定书的审 批工作。2 0 0 0 年1 0 月1 0 日，中国签署1 9 9 8 年协定书的接受书交存联合国秘书长， 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 0 0 0 年1 2 月9 日1 9 9 8 年协定书对中国生效，我国是该协定书的第9 个缔约国。中 国签署( 1 9 9 8 年协定书后，汽车行业政府主管部门开始连续参力h w p 2 9 及其管理委 员会会议。目前已正式制定颁布的e c e 法规共有1 1 6 项，其中针对汽车产品( m 、n 、 0 类车辆) 的e c e 法规9 l 项，针对摩托车产品( l 类车辆) 的e c e 法规2 1 项，针对农林 拖拉机产品( t 类车辆) 的e c e 法规4 项。在针对汽车产品的9 1 项e c e 法规中，5 8 项e c e 法规完全等同于相应的欧盟技术指令，即按照这些e c e 法规所作的e c e 汽车零部件产 品型式批准，等同于欧洲联盟整车型式批准框架中的相应的汽车零部件产品的 e e c e c 型式批准。 1 1 6 项e c e 法规的体系结构如下表所示： 表1 1e c e 汽车技术法规结构体系 主动安全及一般安全( 共计6 9 项)f 视f 灯i 轮i 防i 车身f 操纵控制件 野l 光l 胎l 盗l 结构i 与信号装置 安全 玻璃 火灾i 制 其 预防i 动l 它 主l 鳌l 主i 盔l ! 竺i! 竺i! 竺! 竺i 兰翌l ! 竺 被动安全 ( 共计2 5 项) 倾翻防护i 门锁、门保持件l 内外凸出物j 胜椅、安全带头枕i 碰撞防护 2 项l 项 i 3 项6 项 l 13 项 污染控制( 环保) 和节能( 共计2 2 项)l 发动鹫放污l 噪声 l 无线肾扰抑i 墓i 其它i 8 项 i 6 项 i l 项 l2 项i 5 项 l 以下4 项新法规目前尚处于起草阶段： 驾驶员视野( w p 2 9 g r s g 起草) ； 车辆加热系统( w p 2 9 g r s g 起草) ； 可适应性前照明系统( a d a p t i v ef r o n t l i g h t i n gs y s t e m ，简称：a f s ) ( w p 2 9 g r e 起草) ； 车轮( w p 2 9 g r r f 起草) ； 从上可以看出，尽管国外对车灯的规范相对较多，但真正依靠汽车车灯a f s 系 统实现灯光的法规要求还有一定的难度，而a f s 车灯仿真实验平台及其评价指标体 系的研究，无论是在国外，还是在国内，也是一个全新的事物。因此，对汽车车灯 仿真实验平台的研究，在整个汽车行业具有一定的前瞻性，对企业节约研发成本方 7 武汉理工大学硕士学位论文 面的减少，也将具有一定的指导作用。 1 3 本论文的基本框架 本仿真平台的设计主要可分为以下几个部分： 机械部分设计：根据仿真平台的水平和垂直方向设计要求，在c a t i a 软件环 境中，对仿真平台执行机构进行设计，主要包括：车速，方向盘转角以及车身高度 传感器信号相对应的车灯左右和上下调整的执行机构、辅助机构等。 数据采集卡设计：主要是基于l a b v i e w 软件环境，借助n i d a q m a x 模块对仿 真系统进行数据采集，实时显示，并借助数据采集卡上的8 2 5 3 可编程芯片对仿真平 台的执行机构进行控制。 仿真平台的软件仿真。借助m a t l a b s i 删l i n k 模块建立模型，借助模糊控制 器对机构的静态特性和动态特性进行仿真。运用m a t l a b 中的遗传算法工具箱来对模 糊控制的控制规则和系统量化因子进行优化，从而使仿真平台的性能也得到优化。 基于仿真平台的技术先进性，初步提出仿真实验平台的评价指标体系。 实验结果和分析，得出结论，指出今后进一步研究方向。 8 武汉理工大学硕士学待论空 第2 章仿真平台机械部分设计 21 汽车a f s 系统设计应满足的要求 由于汽车运行工况和环境的复杂性以及不可预测性，若要完全反映这些设计要 求，汽车仿真平台的设计将是一个复杂而艰巨的任务。目前车灯系统的设计正逐步 从传统的刚性大灯( 车灯不能转动) 到自适应大灯( 能实现一定规律并在一定范围 内转动) 过度，因此a f s 系统的设计若要能满足各种工况下( 加速，减速工况，高 速路面，城市道路，乡村道路以及阴雨天气这些复杂工况的照明) ，还有待时日。 从汽车a f s 车灯系统所要满足的要求而吉，丰要包括车灯左右调光要求和垂直 方向调光要求这两大方面。 211 a f s 智能系统的“左右”调光设计需求 在通常情况下汽车安装的普通剐性车灯具有固定的照射范围，当汽车夜间在 弯道上转弯时，由于无法调节照明角度，常常会在弯道内侧形成盲区，极大地威胁 了夜间车辆的行车安争性。在夜间转弯时，a f s 能根据车速以及方向盘转向角度， 自动调整两侧大灯的照射范围，消除“盲区”，确保弯道中的高能见度。 图2 1 车灯在弯道行驶时图2 - 2 车灯在十字路r l 行驶时 如上图21 所示，当车辆在弯道行驶时，a f s 应能自动改变车灯的照明方式以补 武汉理工大学硕士学位论文 = = = 一目 ；彩凛， 鞋 武汉理工大学硕士学位论文 表2 1 非对称车灯光源转角 最大转动角度 转动 近光束转动模式( 曲光灯的转动模式) 方向 左侧前大灯【a 。】右侧前大灯【b 。 左+ 5 。0 9 + 1 2 。0 。 右0 。+ 1 5 。 o 。+ 2 5 。 当汽车车速低于3 0 k m h 时，无论汽车车速如何变化，其前照灯的转角都只随着 方向盘转角的变化而变化，这可以提高上图2 - 4 所示的左右大灯的光照交叉区域和 尖端圆弧区域的可见度。 2 1 2 、车身纵倾调光需求 l 、制动加速 车速 光束偏移 水平线的 变化量 图2 5 传统车辆和a f s 车辆的明暗截止线比较 上图2 5 反映了在a f s 系统和无a f s 系统的情况下，自动加速和刹车过程中的光 束偏移水平线的变化情况。可见，在安装a f s 系统后，由于车灯能根据高度传感器 的信号自动调节，在车速突然发生变化时，其前灯的明暗截止线具有明显的稳定性。 2 、前后负载 车身因为前后负载的不同，会改变纵倾的角度，安装在车身上的车灯射出光线 武汉理工大学硕士学位论文 的角度也会发生改变，对夜间行车安全产生不利的影响。 篮笙里当迂! 苎蚤i = = = 0-0 图2 - 6 车辆在正常行驶，加速，减速状态下的照亮范围 如图2 - 6 所示，上部是正常的前灯出射角度和照明范围，中下部分别是后倾和 前倾情况下的前灯角度和照明范围，其差异是非常明显的。 在有负载和没有负载的情况下，车灯的照明范围也是不同的，如下图2 - 7 所示： 啊一征零贫曩时的萄幻魁穰 图2 7 车辆有负载和没有负载照亮状况的对比 图2 - 7 中在没有安装a f s 系统时，可能会造成眩光( 给对方驾驶司机的视觉构成 伤害) ，目前，国内外仍然采用最为简单的关闭远光灯、开启近光灯和脉冲照明防 眩的方法。当安装a f s 系统以后，由于车灯能自动调节，这一问题可以解决。 根据国内外车灯的相关法规要求，对于车灯随车身位置的改变而对应的相应调 节量是通过车灯俯仰角来量化的。本人通过查阅大量法规得出结论：车灯随动转向 的俯仰角范围为：- 3 。+ 5 。( 其中车灯的水平面为0 。平面) 。 对车灯的左右转向而言，根据上述分析，由于左右车灯属于不对称光源，故左 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 右车灯的转向角是不一样的，对于左手驾驶车辆( 转向盘位于车体的左前部) 左 前大灯的转向范围为：一1 56 + 8 。， 右前大灯的转向范围：一8 。+ 2 5 。 在上述调节范围下，在转向盘、车速以及车身位置的信号的共同作用下，车灯 也必须根据上述多个因素的共同作用来进行实时调节。因此，所设计的平台执行机 构也必须根据相应要求来执行相关的指令。 22 在c a t i a 软件环境中所建立的三种设计方案比较 c a t i a 是法国达索飞机公司开发的高档c a d c a m 软件由于其具有强大的曲面设 计功能而在飞机、汽车，轮船等设计领域享有很高的声誉。c a t i a 的曲面造型功能 体现在它提供了极丰富的造型工具来支持用户的造型需求。比如其特有的高次 b e z i e r 曲线曲面功能，次数能达到1 5 ，能满足特殊行业对曲面光滑性的苛刻要求。 基于此，在本仿真平台中，我们采用c a t i a 软件进行设计，并分析机构的设计 效果，对设计机构进行模拟仿真，以便实现上述功能。在机构的设计中，由于主要 考虑方向盘的转角信号，车速信号以及前后高度传感器信号对车灯运转的影响，同 时还考虑在增加噪声前后对车灯的不同工况的仿真，因此，在设计过程中，需考虑 很多因素，以便为后期的平台设计和完善提供一定的余量空间。 本仿真平台的设计中，提出了三种设计方案，效果图和尺度依次如下； 第一方案的实验仿真平台垂直转向的实现，是采用杠杆机构原理来完成的。方 向盘转角信号由安装在平台上的相应的转角传感器来提供，车速信号有平台上的控 制电机来提供。前后高度传感器采用斜非对称安装方式，以更好地模拟车身的运动 状态。 图2 - 8 仿真平台方案 武议理丁大学硕i 学位论文 该平台的摹本参数如下 为模拟实车模型，我们还设计了近似于实车的仿真平台，其效果图如下 图2 - 9 仿真平台方案2 该仿真平台是借鉴了a u d ia 6 的车身尺度来设计，在执行机构的设计中， 采用了涡轮蜗杆机构来实现整个车身的俯仰运动。该平台也设计了车辆振动装 置，控制柜汽车前后俯仰执行机构等。相对于第一方案该方案更能模拟车 灯的实际状态。该仿真平台的基本参数如下： 第三方案如下图所示 图2 一1 0 仿真平台方案3 该方案是一种简单的利用手动操作来实现整个平台的俯仰运动的平台，方向盘 武汉理工大学硕士学位论文 转角及车速信号需由外晃提供，它可以基本满足车灯的俯仰和车灯的左右调光要 求。其基本尺度如下： 表2 - 3 仿真平台3 的基本尺度 总长度 1 1 4 5 m m 总宽度 1 0 0 0 m m 总高度 6 5 0 m m 两车灯设计间距 6 0 0 m m 转向盘转角范围 3 6 0 0 斗3 6 0 0 俯仰转角范围 1 5 0 计1 5 0 2 3 本章小结 本部分通过对车灯a f s 仿真实验平台设计要求的总结，在c a t i a 环境中，根据该 要求，我们提出了上述三种实现方案。在方案的选取中，由于考虑了仿真平台的可 操作性，静态仿真和动态仿真应满足的基本条件以及现有的技术和资金水平，我们 选取了第一种方案作为我们平台的优先选择方案。通过加工和验证，该平台是可以 满足a f s 系统的调光要求的。在后续的仿真工作中，我们还将对该平台进行细化设 计，使之能更好地满足车灯性能的仿真要求。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章数据采集系统的设计 本章也是该仿真平台研究中的一个重要部分，但限于篇幅，本章只是简要地对 数据采集卡的组成和原理，以及基于l a b v i e w 软件所设计的数据采集系统的系统结 构框图以及相关的进展进行简要的介绍，以便为今后再这方面的研究提供更好的依 据。本章分两个部分：3 1 节简要介绍数据采集系统的硬件部分设计，3 2 节简要介 绍基于l a b v i e w 软件环境的数据采集系统的设计。 3 1 数据采集卡的硬件设计 3 1 1 采集系统的硬件组成 系统硬件主要分为上位机和下位机两部分，上位机主要为p c 机，下位机为采集 卡，p c 控制采集仪进行数据采集，并把采集到的数据传给p c ，供p c 机进行分析和处 理。典型的数据采集系统结构图如下图3 1 所示。 厂、 | 仿真实验平台 j 悟号调理电路 j 传感器 l l 数据采集卡 j r、 上位机 、lj 图3 1 系统的硬件结构框图 1 ) 信号处理电路 信号处理电路主要包括低通抗混叠滤波设计与信号放大部分，采用基本的二 阶低通滤波电路和信号放大电路。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 数据采集卡芯片的介绍 m a x l 9 7a d 转亿为辟： m a x l 9 7 是m a x i m 公司推出的8 通道、1 2 位的高速a d 转换芯片。芯片采用单一电 源稳压器+ 5 v 供电，单次转换时间仅为6 p s ，采样速率可达l o o k h z s 。 m a x l 9 7 的内部核心部分是一个采用逐次逼近方式的d a c ，前端包括一个用来切 换模拟输入通道的多路复用器以及输入信号调理和过压保护电路。其内部还建有一 个2 5 v 的能隙基准电压源，管脚如图3 - 2 所示。 m a x l 9 7 既可以使用内部参考电压源，也可以使用外部参考电压源。当使用内部 参考源时，芯片内部的2 5 v 基准源经放大后向r e f 提供4 0 9 6 v 参考电平。这时应在 r e f 与a g n d 之间接入一个4 7 胪电容，在r e f a d j 与a g n d 之间接入一个0 0 1 旷电容。当 使用外部参考源时，接至r e f 的外部参考源必须能够提供4 0 0j _ x a 的直流工作电流，且 输出电阻小于1 0 q 。如果参考源噪声较大，应在r e f 端与模拟信号地之间接一个4 7 心 电容。模拟量输入通道拥有士1 6 5 v 的过电压保护，即使在关断状态下，保护也有效。 通过将控制寄存器的a c q m o d 位置0 可选择内部采集控制模式。在内部采集控制 模式下，写信号脉冲将开始一个由内部定时控制长度的采集间隔。在6 个时钟周期 长度的采集间隔结束时，将启动下一个转换。 图3 2m a x l 9 7 管脚图 d g 心 v i t ：，o 矗e f r f o j 丽 c h 7 c 隔 c - s c h 4 c 3 c h 2 c 幸1 c h o g ，- ) 在内部采集控制模式下，m a x l 9 7 的模拟信号输入电路拥有5 m h z 的信号带宽，当 使用内部采集控制模式并使用外接2 m h z 时钟时，可达至u l o o k s a s 的通过速率。 d a 转换器m a x 5 0 8 芯片 1 7 芸亲芸墨誓=篡兰=罨鉴阱爱 l e 武汉理工大学硕士学位论文 9 = 1 0 y i j y - m a