（车辆工程专业论文）基于单片机的汽车智能前照灯系统的研发.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，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 武汉理工大学或其他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。 t u l l ；p 学位论文使用授权书 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 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：吨1 j 隔赶导师( 签名) ：记写 日期t u l i ；。 摘要 随着科学技术的发展，人们对汽车行驶安全性的要求越来越高。照明系统 是汽车主动安全重要组成部分之一，然而灯光光型单一且只能手动控制的传统 照明系统存在的巨大的交通安全隐患已经无法跟上当前汽车安全性发展的趋 势。因此如何让汽车传统照明系统更加智能化、消除存在的安全隐患，成为一 个具有重大现实意义的课题。 在现有的对汽车照明系统的控制技术的基础上，本课题提出了一种以弯道 随动转弯、车身俯仰车灯调整、高速公路上坡车灯调整为基本功能的汽车智能 照明系统控制方案。与以往的技术相比，本课题引入了模糊控制技术对随动转 弯功能进行控制，使该功能模块较之原来更加智能化；同时还引入了c a n 总线 技术，使系统更符合汽车技术未来发展的方向。 本文首先对汽车自适应照明系统的产生环境、国内外的发展现状和发展趋 势做了简单的介绍，给出了系统的总体设计方案以及实现功能，并在此基础上 详细阐述了系统工作的理论计算基础。然后阐述了系统前照灯水平偏转和垂直 偏转调整的控制方法，其中主要阐述了水平偏转的模糊逻辑控制方法，包括输 入输出量论域的确定、输出输出量的模糊化、各变量隶属度的确定、模糊控制 规则库的建立、模糊推理与决策等，并使用m a t l a b s i m u l i n k 中的f u z z y 工具 箱得到了针对本系统的模糊控制器。然后根据系统的需求，在硬件部分，对微 控制器和各实现功能的传感器进行了选择，并给出了执行器部分的设计方案， 包括步进电机的选型以及步进电机驱动芯片的选择，同时在详细介绍了c a n 总 线功能及原理的基础上设计c a n 总线接口的硬件电路，包括c a n 总线控制器的 选型、c a n 总线收发器的选择等；在软件部分，给出了系统各功能模块的设计流 程图和实现算法，并在k e i1 编译环境中完成各功能模块的源代码编写。最后在 仿真软件p r o t e u s 中构建起系统主要实现功能的硬件模型并导入在k e i1 生成的 源代码文件进行系统硬件与软件的协同仿真，验证了本设计方案的可行性。 在论文的最后，对现阶段进行的研究工作进行了总结，并提出了许多尚待 解决的问题，为今后系统的进步完善提供了参考意见。 关键词：自适应照明，模糊控制，c a n 总线，协同仿真 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , t h er e q u i r e m e n t sf o rc a rs a f e t y g e t t i n gh i g h e ra n dh i g h e r l i g h t i n gs y s t e mi sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fv e h i c l e a c t i v es a f e t y , h o w e v e rt h es i n g l el i g h t i n ga n dc a n o n l yb em a n u a l l yc o n t r o l l e dm a k i n g b i gp o t e n t i a lt r a f f i cs a f e t yr i s ki nt r a d i t i o n a ll i g h t i n gs y s t e m ，a n dc a nn o tk e e pu p w i t ht h ec u r r e n td e v e l o p m e n tt r e n do ft h ea u t o m o b i l es a f e t y s oh o wt om a k et h e t r a d i t i o n a ll i g h t i n gs y s t e mm o r ei n t e l l i g e n t l yt oe l i m i n a t et h ep o t e n t i a ls e c u r i t yr i s k s b e c o m i n g a ni m p o r t a n ts u b j e c tw h i c hh a sg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e o nt h eb a s i so ft h ee x i s t i n gt e c h n o l o g yo fa u t o m o t i v el i g h t i n gs y s t e m sc o n t r o l ， t h es u b j e c tb r i n g sf o r w a r dav e h i c l ea d a p t i v el i g h t i n g p r o g r a mw h i c hc a nr e a l i z e t h o s ef u n c t i o n s ：s e r v ot u r n i n g ，a d j u s tw i t ht h ea u t o b o d yt i l ta n dt h ee x p r e s s w a y a a j u s t m e n t c o m p a r e dw i t ht h ep r e v i o u st e c h n o l o g y , t h i ss u b j e c ti n t r o d u c e sf u z z y c o n t r o lt e c h n o l o g yi n t os e r v oc o n t r 0 1 m a k i n gt h i sf u n c t i o nm o r ei n t e l l i g e n t l y i n a d d i t i o n ，a l s oi n t r o d u c e st h ec a n b u st e c h n o l o g y , m a k i n gt h es y s t e mm o r ei nl i n e w i t ht h ed i r e c t i o no ff u t u r ed e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v et e c h n o l o g y t h et h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e sa c t u a l i t ya n dd e v e l o p m e n tt r e n do ft h ea u t o m o b i l e a d a p t i v el i g h t i n gs y s t e m i te x p o u n d st h ef u n c t i o na n dw o r kp r i n c i p l eo ft h es y s t e m ， a n di ta l s oe x p o u n d st h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h eh e a d l i g h ta d j u s t m e n to ft h es y s t e m m a i n l ya b o u tt h ef u z z yl o g i cc o n t r o lm e t h o do fh o r i z o n t a ld e f l e c t i o n ，i n c l u d i n gt h e d e t e r m i n a t et h ef i e l do f i n p u ta n do u t p u tu n i t s ，f u z z yo ft h ei n p u ta n dt h eo u t p u tu n i t s ， t h ei d e n t i f yt h em e m b e r s h i po ft h ev a r i a b l eo u t p u t ，e s t a b l i s h m e n to ff u z z yc o n t r o l r u l eb a s e ，f u z z yr e a s o n i n ga n dd e c i s i o nm a k i n g ，a n de v e n t u a l l yo b t a i nt h ef u z z y c o n t r o l l e rg o tu s e dt ot h es y s t e m t h e ni nt h es e c t i o na b o u th a r d w a r e b a s e do nt h e f u n c t i o no ft h es y s t e m ，t h em i c r o c o n t r o l l e ra n dt h es e n s o rw h i c ha r en e e d e da r e c h o s e n ，a n dp r o v i d ed e s i g no ft h ei m p l e m e n t a t i o np a r ti n c l u d i n gt h es e l e c t i o no f s t e p p e rm o t o ra n ds t e pm o t o rd r i v e rc h i p i na d d i t i o nt h es u b j e c tg i v e sad e t a i l e d i n t r o d u c t i o no ft h ef u n c t i o na n dp r i n c i p l eo ft h ec a n b u s a n db a s e do nt h e s et h e h a r d w a r ec i r c u i to ft h ec a n b u si sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h es e l e c t i o no ft h ec a n b u s c o n t r o l l e ra n dt h ec a n b u st r a n s c e i v e r i nt h es o f t w a r es e c t i o n i tg i v e sd e s i g n f l o w c h a r ta n dt h ei m p l e m e n t a t i o na l g o r i t h mo fa l lf u n c t i o n a lm o d u l ei nt h es y s t e m a n dc o m p l e t es o u r c ec o d ef o r t h ef u n c t i o nm o d u l eu n d e rk e i lc o m p i l e re n v i r o n m e n t a tl a s tm a k eac o l l a b o r a t i v es i m u l a t i o no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h es y s t e m u s i n gt h ep r o t e u s s i m u l a t i o ns o f t w a r et ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h i ss u b j e c t a tt h ee n do ft h et h e s i s ，t h e r ei ss u m m a r i z ef o rt h et o p i c ，t h e r ea r ea l s os o m e q u e s t i o n sw h i c hh a v e n ts o l v e dy e t it h i n kt h e yc o u l db et h ei d e a sf o ri m p r o v i n gt h e s y s t e mi nt h ef u t u r e ， k e yw o r d s ：a d a p t i v el i g h t i n g ， f u z z yc o n t r o l ， c a n b u s ， c o l l a b o r a t i v e s i m u l a t i o n 目录 第1 章绪论1 1 1 课题背景。1 1 2 国内外发展现状及发展趋势3 1 - 3本课题的研究意义与目的4 1 4 课题的主要研究内容5 第2 章系统总体设计方案6 2 1 系统的功能及构成6 2 2 系统工作原理7 2 2 1 随动转弯角度8 2 2 2 车身纵倾调光9 2 2 3 上坡路况纵倾调光。1 1 2 3 本章小结1 3 第3 章系统控制策略研究1 4 3 1 前照灯水平方向控制策略。1 4 3 1 1 控制策略选择1 4 3 1 2 模糊控制器设计1 4 3 2 上坡时垂直方向控制策略2 1 3 3 车身俯仰垂直方向控制策略2 2 3 4 本章小结2 3 第4 章系统硬件设计。2 4 4 1 系统硬件总体设计2 4 4 2 主控芯片设计2 5 4 3 执行器硬件设计2 5 4 4 传感器模块设计3 0 4 。4 1 车速传感器设计。3 1 4 4 2 车身高度传感器设计。3 2 4 4 3 转角传感器设计。3 2 4 4 4 位置反馈传感器设计3 4 4 4 5 红外测距传感器。3 5 4 4 6 a d 转换电路设计3 6 4 5c a n 总线硬件设计3 7 4 5 1c a n 总线简介3 8 4 5 2c a n 总线的基本原理。3 8 4 5 3a 气n 2 0 a 通行协议的帧格式3 9 4 5 4c a n 总线的错误检测功能3 9 4 5 5 传感器的c a n 总线硬件设计4 0 4 5 6 总控制器的c a n 总线连接4 5 4 6 本章小结4 5 第5 章系统程序设计。4 6 i i i 5 1 系统主程序设计4 6 5 2 系统子程序设计4 8 5 2 1 随动转弯子程序。4 8 5 2 2 车身俯仰调整子程序。4 9 5 2 3 上坡调整子程序5 0 5 3 本章小结5 2 第6 章系统仿真与调试5 3 6 1p r o t e u s 软件介绍5 3 6 2 仿真电路设计5 3 6 3 基于k e i l 的源代码编写。5 7 6 4p r o t e u s 与k e i l 的联合仿真6 1 第7 章结论。6 4 参考文献6 6 j 1 5 【谢( ；8 攻读硕士学位期间发表学术论文情况6 9 i v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 自1 9 世纪汽车诞生以来，已经历了一个多世纪的风雨1 1 j 。想当初，卡尔本 茨造出的三轮汽车每小时的时速仅为1 8 公里时，而现在已经诞生了时速6 0 0 公里的超级跑车。随着社会的不断进步发展，汽车已成为现代人生活中不可或 缺的交通工具。然而，随着汽车技术的不断进步以及车辆数目的增加，汽车也 给现代社会带来了新的问题。频繁发生的交通事故已经成为不得不严肃对待的 世界性问题。据统计，在各种意外事故中，以车祸占首位，占意外死亡总数的 5 0 以上。仅以汽车交通事故为例，全世界因交通事故而死亡的人数已超过3 0 0 0 万人，比世界大战所死亡的人数还多。而其中以青少年与老年人的死亡率最高。 值得注意的是：儿童青少年一直都是交通事故导致伤亡的高危人群。据估计， 近年来全世界每年在车祸中丧生的人数约为3 0 万人，受伤者约3 0 0 0 万人，其 中终身残疾者约为3 0 0 万人。我国城市每万辆车死亡率为5 0 1 0 8 人左右，与 国外相比较，为日本的2 6 5 倍、美国的1 7 8 倍。若以万辆车的死亡率作比较， 我国车祸的发生率和死亡率皆居世界之首位。据公安部交通管理局的统计：2 0 0 5 年，全国共发生道路交通事故4 5 0 2 5 4 起，造成9 8 7 3 8 人死亡、4 6 9 9 1 1 人受伤， 直接财产损失1 8 8 亿元。自2 0 0 1 年以来全国交通事故死亡人数首次回落到1 0 万人以下。中国由于交通事故每年死亡超过1 0 万人，死者大多是年轻人，占全 球交通事故死亡人数的五分之一，居世界各国之首。中国每5 分钟有一人因车 祸死亡，每一分钟有一人因车祸伤残，每天死亡2 8 0 多人，每年死亡1 0 万多人，中 国的汽车数量仅占世界的1 9 ，而车祸死亡人数占世界1 5 ，且每年增加4 5 1 2 、3 4 1 。如何提高汽车的安全性、减少交通事故的发生已经成为全世界的迫切要求i 引。 汽车安全性分为三大部分：主动安全性、被动安全性和防火安全性。所谓主动 安全性，是指汽车设计者在汽车的配置中，采取一系列技术措施，以预防和减 少安全事故的发生。其中包括汽车夜间照明、各种指示信号、驾驶员视野、制 动以及轮胎等；所谓被动安全性，是指在汽车中采取一系列技术措施，使得安 全事故一旦发生时，可最大限度地防止或减少对人员造成的伤害。其中包括车 身结构、安全玻璃、座椅、头枕、内外部凸出物以及安全气囊等。汽车照明系 统作为汽车最主要的主动安全装置之一，主要负责前方路况的照明，提供给驾 驶者前方的路况信息，使驾驶员能够及时看清障碍物并做出反应，是保证汽车 在夜间或能见度较低的环境下安全行驶的关键。 武汉理t 大学硕士学位论文 传统的汽车照明系统主要包括照明装置( 照明灯) 和信号装置。其中照明灯 的功能是在黑暗环境中照亮汽车行驶前方的路面( 倒车灯照亮汽车后方，在倒 车时也是照亮行驶方向) 。照明灯主要是指前照灯、前雾灯、倒车灯和牌照灯1 6 j 。 其次像室内灯、仪表等和行李箱灯也属照明灯用。信号装置包括汽车信号灯和 回复反射器。信号灯中又包括转向指示灯、制动灯、后雾灯和位置灯等。信号 灯的功能，是向其他道路使用者表明本车的存在，以及本车将要转向某一方向 或正在制动减速等，以引起对其的特别关注。事实上，前雾灯兼有照明和信号 的两种功能，它是在雾、雪、雨或尘埃蔓延等有碍可见度的情况下，为改善车 辆前方道路照明和使迎面来车易于发现车辆的灯具1 7 1 。但是在实际的使用中，传 统的前照灯系统存在着许多的安全隐患。特别是在交通事故多发和高致死率的 夜间，传统的照明系统难以对汽车提供有效的安全保护。世界汽车安全事故统 计资料表明：夜间发生的交通事故是白天的三倍，照明状况不良时的事故率又 是照明良好时的三倍。我国交通事故统计资料显示，仅1 9 9 4 年因灯光问题酿成 的安全事故就有近千起，造成三百多人死亡。而造成夜间事故平频发的主要原 因是在晚上驾驶员的可视度与白天相比大幅度的下降，同时雨雾和空气中的一 些污染物在前窗玻璃上形成的水滴和污物也会让驾驶员的距离感产生失真，严 重影响了驾驶员对前方弯道障碍物的判断，而依靠传统的照明系统即使将近光 灯、远光灯和前雾灯全部开启也依然会存在着照明盲区，从而导致事故的发生。 上述这些问题的存在，就使得研制出一种具有多种照明功能的新型照明系统成 为必然的趋势，并且这些功能的切换，出于安全上的考虑，应该是无需驾驶员 手动控制全智能实现的p j 。 与此同时，随着科学进步的发展，越来越多的高新技术开始运用在汽车工业 上。汽车虽然本是主要偏向于机械配合的一项技术，不过近几十年随着电子技 术的迅猛发展，各行各业都开始提倡机电一体化，汽车也不例外。安全、节能、 环保以及智能化和信息化是未来汽车的发展趋势。与这些要求相适应，汽车电 子化的趋势越来越明显，各类电器元件在汽车成本中所占比例也越来越高，如 今的汽车上都是动辄数百个电子元件，数以捆计的汽车线路控制着汽车多个部 门的协调工作，国外专家预测未来3 - 5 年内汽车上装用的电子装置成本将占汽 车整车成本的2 5 以上，汽车将由单纯的机械产品向高级的机电一体化产品方向 发展，成为所谓的“电子汽车。可以说汽车电子化已经成为现代汽车发展的 重要标志。在现代汽车制造工艺中引入电子技术不仅提高了汽车的动力性、经 济性和安全性，使汽车产业进入一个新的纪元，而且还开拓了电子产品的市场， 2 武汉理工大学硕士学位论文 推动了电子产业的发展【9 1 。 将汽车电子技术运用到汽车照明领域，将微控制器、传感器、车载网络系统、 自动控制理论与传统的汽车前照明机械系统结构相结合，开发出能够解决由于 传统照明系统带来的安全问题的新型智能车灯，将是未来汽车前照明系统的发 展方向。 1 2 国内外发展现状及发展趋势 自适应智能前照灯技术( a f s ) 在汽车照明领域的重大突破，极大程度的保 障了夜间行车安全的同时也提升了行车的舒适性，日本和欧洲的各大汽车制造 商对此已达成共识并自上世纪九十年代起就以开始投入研究。目前，在国外自 适应前照灯系统的研究己经取得了不错的成果，日趋成熟。国外各知名汽车制 造商都纷纷推出自己研发的自适应前照明系统。不仅在其高档车型中标配系统， 甚至在中低档轿车车型中也将该系统作为选配列出【l 州。 最近，福特公司也研发了一种新型智能主动转向头大灯技术，大大提高了 夜间的行驶安全。在福特公司所研制的系统中将l e d 二极发光体作为照明光源 的头灯系统。l e d ( 半导体发光二极管) 车灯也是一种比较新型的车灯技术，它 不仅节省能源，而且使用寿命长，是各大汽车制造商的研究热点。不过l e d 车 灯目前主要用于信号灯、指示灯等小型照明领域。福特公司展现其独特的科技 将l e d 技术运用与智能前照灯系统中，使系统不仅省电、高亮度，让外形设计 也变得令人耳目一新。该系统包括以下功能：l 、可调整l e d 车灯；2 、l e d 驻车 灯、转向信号灯；3 、投影式前照灯。福特的这款新系统虽然还处于概念阶段， 但其技术已经十分成熟，不久便能正式投入市场。在2 0 0 6 年北美车展展出的林 肯m k s 概念车就采用了这项新技术。 国内的各大汽车生产商也开展了对a f s 系统的大力研发。比如自东风集团 在其推出的同产新天籁上就安装了他们最近研究的智能转向照明辅助系统。它 不仅装备了远近光氙气大灯且在随动转向大灯技术上，又有着自己的发展方向。 新天籁拥有一套智能转向照明辅助系统，但原理有别于我们所说得“随动”功 能。新天籁除了远近光灯之外，在前大灯的外侧还添加了一个卤素灯，当转向 到一定角度后，这个卤素大灯就会自动开启，辅助照明。虽然这在技术上似乎 不如真正的“随动”先进，但效果同样不错1 1 。这有些类似于福特公司在a f s 上的设计新思路，即用卤素大灯作为转弯时的辅助照明灯，此外新天籁具备光 3 武汉理工大学硕士学位论文 束的高度调节功能。 但是国内对汽车自适应智能照明控制系统领域的研究起步较晚，相关实验 研究进行较少，技术以从国外引入为主，然而引入的国外系统大多是基于生产 商本国的道路情况设计，而国内的道路状况有着自己的交通特点和地形地貌， 因而往往系统的功效往往得不到最大的发挥，给系统在国内的推广应用带来了 阻碍。 自适应智能照明系统在汽车主动安全领域的重大突破和显著成效使其成为 未来国内外汽车生产厂商在汽车智能照明系统方面的热门研究方向之一。随着 汽车工业的发展，使用者在考虑车载高新技术的同时，对汽车的安全性也越来 越重视。为满足市场的需求，安全、舒适、节能将是未来自适应前照灯系统的 发展方向。首先，在未来的汽车智能前照明系统中将会集成图像识别功能以检 测行人、车辆和路边障碍物，为驾驶员提供更加安全的行驶环境；其次，未来 的自适应照明系统将与自适应巡航控制( a c c ) 和车道偏离警告系统( l d w s ) 等 其他新型汽车主动安全系统相结合，不仅可以更加精确的预测前方的路面状况 从而对光型进行更智能化地调节，同时也能使系统变得更加集成化、低成本化； 并且随着l e d 技术的不断发展，l e d 的性价比不断提高，据专家预测，新一代的 汽车自适应照明系统也将采用l e d 转向灯，由于l e d 灯具有寿命长、占用空间 小等优点，可以使得整个系统的节能性和可靠性明显提高【1 2 1 3 】。 1 3 本课题的研究意义与目的 随着汽车制造技术的不断进步，汽车的行驶安全成为人们越来越关心的问 题。而汽车前照灯作为汽车主动安全的主要组成部分之一，也必须满足使用者 越来越高的要求。一个优秀的汽车照明系统应该满足以下标准：能够为驾驶者 提供前方路段的景象信息，让驾驶者有充足的时间对可能面对的危险做出反应； 给驾驶者提供信息时不会增加驾驶员的疲劳；给本车驾驶员带来方便的同时不 会给其它车道使用者的带来麻烦i l 训。 本课题所研究的自适应智能前照明系统正是基于这些条件而研制的。自适 应智能前照明系统不像传统的前照明系统只能工作在固定的初始设定模式下， 而能够通过各种传感器所采集的汽车当前行驶车速、方向盘转角、车身俯仰状 态、前方路况等数据判断当前的行驶状况，调整配光机构来为驾驶员提供当前 驾驶环境下最适合的视野范吲1 5 i ，极大程度保证了驾驶员在各行驶环境下的行 4 武汉理工大学硕士学位论文 车安全。 由于我国的汽车工业起步较慢，在一些高新技术方面与国外更是差距甚大。 这个问题在汽车照明领域方面表现的尤为明显。现阶段国外的各大厂商都有着 专门研发智能照明系统的研发技术部门，在许多的车型上也展出了他们先进的 研究成果。但是中国现在对此技术进行专门研究的厂商十分之少，而且相关技 术也基本都是直接从国外引进，难有自主开发的。然而前照明系统的智能化是 未来的发展趋势，加快国内的研发速度，开发出属于中国自己的智能前照明系 统不仅能够打破国外的技术垄断，还能占有更多的汽车国际市场，具有重大的 意义。 1 4 课题的主要研究内容 本课题借鉴了当前国内和国外在这方面的技术经验及设计思想，设计了低成 本的基于p 8 7 c 5 9 1 单片机的汽车自适应智能前照明系统。论文主要研究内容如 下： 第一章简单介绍了本课题的研究背景、研究目的及意义以及国内外的发展现 状和发展趋势； 第二章主要论述了系统的总体设计方案，包括系统的技术要求、组成功能以 及理论基础等； 第三章论述了系统的控制策略，主要是详细给出了基于模糊控制理论的| j 照 灯水平方向偏转的设计方法； 第四章主要论述了系统的硬件设计部分，包括微控制器模块、传感器模块选 择设计、c a n 总线的设计和步进电机的驱动电路设计； 第五章主要论述了系统的软件设计流程，包括系统主流程图和各功能的子流 程图； 第六章主要进行产品实验板的联合仿真，论证系统的可行性。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章系统总体设计方案 2 1 系统的功能及构成 在绪论中已经提到夜间是交通事故高发生时间段，而因照明问题引发的交 通事故更是占到了夜间事故的5 0 以上，而且夜问事故的致死率很高，达到了 5 0 ，几乎是白天事故致死率的2 倍。可以说，自从汽车诞生以来，安全一直是 人们关注的首要汽车性能，也永远是汽车制造商首要考虑的问题，基于此，无 论是用户还是汽车生产商都希望能开发出一个能够显著减少夜间交通事故发生 率的汽车前照明系统，从而自适应照明系统便登上了舞台 1 6 。根据各大汽车 生产厂商对不同用户群的调查研究，确定这种新型的汽车前照明系统的主要功 能应包括以下几个方面： ( 1 ) 在夜间行驶时，系统能够根据行车速度、转向角度等信息自动调节大 灯的偏转，以便能够提前照亮“未到达”的区域，提供全方位的安全照明，确 保夜间转弯行车的安全； ( 2 ) 当因路面崎岖或汽车前后载荷变化导致车身倾斜时，系统能够根据当 前行驶车速、车身负载和当前路况来改变汽车前照灯的俯仰照射角度，既提供 了更适宜的照明范围，又不会影响对面会车的司机使其眩目； ( 3 ) 当汽车夜间在高速公路上行驶时，如前方有上坡路况出现，系统能够 根据当前车速以及红外距离传感器提供的信号自动调整汽车的照明距离，为驾 驶员提供更广阔的视野； ( 4 ) 系统通过获取光敏传感器的输出信号，判断当前行驶状态下的外界光 照环境，并对汽车照明系统进行开关控制，使系统能够在外界光量不足时开启 前照灯补充照明，当外部光线充足时关闭前照灯节省能源。 汽车自适应智能照明控制系统主要由获取必要汽车行驶信息的各传感器、 信号调理电路、微控制器、驱动电路、执行电机、故障诊断等部分组成。可分 为以下几个模块： ( 1 ) 前照灯控制模块，包括调整灯光左右随动和调整高度的步进电机和实 时监控左右大灯位置的位置反馈传感器； ( 2 ) a f s 主控制器； 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 传感器模块，包括车速传感器、 度传感器、红外测距传感器等： ( 4 ) 人机交互模块，包括系统开关、 等； ( 5 ) c a n 总线模块 系统结构示意图如下： 方向盘转角传感器，前后悬架车身高 照明灯开关、信号灯开关、仪表指示 图2 1 系统结构框架图 2 2 系统工作原理 安装在汽车各个部位上的传感器通过转换电路和调理电路把实时采集到的 信号输入到系统的微控制器中，微控制器根据这些实时信号和事先编入其中的 程序判断出当前汽车的行驶状态、行驶的路面环境以及外部光线的强弱变化等， 发出脉冲指令驱动步进电机控制车灯使汽车的照明系统能够给驾驶员提供当前 行驶环境下最适合的照明视野。此外，a f s 系统在汽车上路之前和行驶过程中， 不断的读取各车灯供电线路的反馈电流信号来判断各车灯是否正常工作1 1 刀。系 7 武汉理工大学硕士学位论文 统的每一个工作状态都会在车内仪表上给出相应的指示，包括正常状态显示和 故障显示，以方便驾驶员能够随时的获取系统工作状态的信息。 对于系统中最核心的随动转弯和车身纵倾调光功能，随动转弯是通过模糊逻 辑方法对汽车前照灯的水平偏转进行控制来实现其功能，首先将从车速传感器 和方向盘转角传感器采集到的车速信号数据和转角信号数据进行模糊化，再将 其导入经过模糊决策得出的模糊控制器中，得到模糊控制的输出量，然后将此 值去模糊化便得到了最后车灯偏转需要调整的精确控制量；对于车身纵倾调光， 则是通过对采集到的车身高度传感器以及红外距离传感器的数据计算出当前的 车身俯仰状态或者前方上坡的坡度，再将此与系统设定值进行比较，如车身的 俯仰角度或前方的坡度超过设定值，则需要对车灯进行上下调整以提供最合适 的照明视野。 自适应智能前照明控制系统根据车速传感器及方向盘转角传感器提供的车 速和转角信息在驾驶员进行转弯操作时调整前照灯照射角度使之做出相对应的 水平方向偏转，根据车高传感器及红外测距传感器提供的车身俯仰状态以及前 方上坡坡度的信息进行前照灯上下调整，同时根据光电传感器提供的信号对外 界环境光照强弱的情况做出判断是否开启前照灯以及选择照射模式，让驾驶员 在处于转弯、汽车车身倾斜、高速路上坡、会车以及外界光线不足等各种状况 时获得最合适的行车视野。前照灯的偏转角度由当前行驶车速、方向盘转角和 车身俯仰状态以及上坡坡度等因素综合决定，此外灯头的安装位置、发动机功 率、转向机构和悬架机构的类型及汽车的轴距等都会对系统的运行带来影响。 自适应智能前照明系统的控制模型包括水平方向控制模型和垂直方向控制模 型。建立起一个能够正确反映系统工作状态的数学模型可以精确的描述汽车行 驶状态与外界环境之间的关系，使系统能够输出最合适的光线偏角，得到最良 好的照明效果。 2 2 1 随动转弯角度 车辆在行驶中发生状况最极端的应对措施就是制动，根据当前的车速和方向 盘转角，前照灯需要偏转的角度就是要照亮车辆将要行驶到的路面，保证这个 有效的刹车距离内的照明。转弯水平方向偏转模型如图： 8 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 转弯时水平偏转模型示意图 由圆弧长关系公式可得： l = 2 r ( 2 1 ) 式中l 是圆弧长，由转弯时系统的照明要求可得： 三；v f + s( 2 2 ) 式中v 是车速，t 是驾驶员反应所需时间，s 是制动距离。 而转弯半径r = s i n f l ( 2 3 ) 式中卢是车轮转过的角度，k 是汽车的轴距。 由方向盘和车轮转角的关系可得： f l = k a ( 2 4 ) 式中k 是转向特征系数，口是方向盘转角。 由式( 2 1 ) 式( 2 4 ) 可得： 妒2 芝s i n ( ) ( 2 5 ) 此公式即为计算前照灯转向转角的经验公式【1 8 1 。 2 2 2 车身纵倾调光 当车辆后座有乘客乘坐、后行李箱有放置重物及车辆加减速时，其灯头照 射方向会改变。为了维持灯头在正确的高度以避免对来车或前车造成眩光，同 时又确保驾驶员有适当的照明，此可经由测量各车轴聚地面高度的变化自动调 整前照灯照射方向，从而自动修正车辆行驶姿态。 首先求得前照灯的水平基本照射角度吼及照射长度d ，此值可依据前照灯之 9 武汉理_ t 大学硕士学位论文 校正使用白幕对光法或灯头对光标准求得。 前照灯的标准高度h 可由测量得知，有了前照灯高度即可求得前照灯照射长 度d 和照射角度口，。 因为： 5 0 8 ：7 6 0 = h ：d 所以： d ；7 6 0h( 2 6 ) 5 0 8 又吾= t a n 吼 故： 旷t a n _ l ( 罴) ( 2 7 ) 有了灯头高度和照射角度，就可依据下图求得前照灯在此状态下应调整的角 度( 线1 到线2 、线2 到线3 ，线1 为目前的状态，线3 为标准状态) 即俯仰角 度的影响及车身水平高度的影响。 酸3 馥2 善 i 【 图2 3 角度调整法 在第一阶段的车身俯仰角度影响灯头应调整之角度为： 8 l | ， p 为车身与路面的夹角及车辆的俯仰角度。 在第二阶段因车身水平高度改变时前照灯灯头应调整的角度，如下图所示， 可先求得0 1 和良，其中e 代表目前车身水平高度和标准高度水平之差，e 为正数 l o 武汉理工大学硕士学位论文 表示目前车身水平高度高于标准水平高度。 前照灯偏高 前照石涂；r l 童1 c e x 前照灯偏f 氐 h 地面 图2 4 车身水平高度对灯光的影响 0 1 = l g c e - - c t l - = t a n 以 掣卜 弦8 ， 8 2 - - a l - - l g c e = a l - t 锄。【掣】 但是在吼状况时前照灯应调整的角度为一吼，整合以上等式，可得在第二阶 段因车身水平高度改变时，前照灯应调整的角度： 纠a n - 1 掣卜 因此当车身有俯仰角度及车身水平高度不在标准位置时，前照灯应调整的角 度为： 心t a n 。 掣卜棚 但是为了避免车辆在稍微不平的路面上行驶时前照灯反复修正照射角度的 情况出现，故可设定只有当前照灯的调整角度大于某一数值时，前照灯才做调 整动作【1 9 】。 2 2 3 上坡路况纵倾调光 武汉理工大学硕士学位论文 当汽车在高速公路上行驶时，如前方有坡道出现，则驾驶员会因上坡路况导 致前方视野变小，无法获得足够的行驶信息，同时又由于此时车辆的行驶速度 较快，使得驾驶员往往没有充足的时间处理突遇的紧急状况而导致交通事故的 发生。此时需要车灯的照射角度在垂直方向上进行调整以提供给驾驶员足够的 照明距离和路况信息。车灯调整的角度与汽车当前行驶速度、前方上坡的坡度 以及汽车与上坡的距离等参数有关，计算模型如下i 驯： l b ) 图2 5 上坡时垂直偏转模型 照明范围必须保证足够的刹车距离。计算前方坡度的值时，设对应探测距离 为三，如图( a ) 所示，此时探测的距离值为厶，车经过一个f 时间行驶到位置 2 时，如图( b ) 所示，此时探测的距离为厶。则由图中的几何关系，在三角形a b c 中，a b v a t ，a cz 厶一l 2 ，_ c a b ；) ，o ，z a b c 一0 ，由余弦定理 b c = ( 厶一厶) 2 + ( v ，) 2 2 ( 厶一厶) ( v a t ) c o s g 。 ( 2 1 2 ) 由正弦定理，得： a cb c s i n 0 s i n ) ，o 则有0 = a r c s i n ( 了亏；每当一s i n ) ( 2 1 3 ) ( 厶一厶) 2 + ( v a t ) 2 2 ( - a 一厶) ( v a t ) c o s ) ，o 在行驶过程中，每行驶，时间都要计算出一个坡度值，然后将前面所得坡度值 取平均作为最后的结果。 日平均= 皇l 半 1 2 武汉理工人学硕士学位论文 在计算车灯所需调整的角度时，首先要得出因上坡原因而需要调整的照明距离， 由图中可得a l a g g m 在三角形a m g 中，由余弦定理，可得 一a m ；丝。丝g ，且彳m ：三一l 2一l 一= 一口n y - 一s i n 0 s i n ) ，o s i n 一) ，o - 0 ) 由图可知车灯需要调整的角度为6 + ) ，。，其中6 的计算如下： 在三角形鲫中，t a 小篆， e fid f d eza l s i n 0 一l 2s i n r o o e a l c o s 0 + 1 2 c o s r o ， 则有， 6 ；a r c t a l a l s i n0 + - l 如2 s i n y ) ，o 。) c o s 0 c o s 、l + 厶 ( 2 1 4 ) 则最后需要调整的角度为 6 + y 。_ a r 叫瓦a l c o s i n s 0 + - 如l zc o s i n s r o ) + a r c t a n ( h ) ( 2 l5 ) 2 3 本章小结 本章首先详细介绍了自适应前照明系统的整体设计方案，并对整个系统的 需求功能做出了详细的说明，然后重点阐述了系统控制的计算基本理论，包括 随动转弯控制角度和垂直偏转的控制角度。 1 3 武汉理工大