（微电子学与固体电子学专业论文）汽车远光传感与控制系统研究.pdf

中文摘要 中文摘要 汽车远光灯是为了让驾驶者在夜间高速行驶时看清远方路况，但是在会车时 如果不及时切换到近光，其强烈的光线会使对面车辆无法看清道路，极易发生交 通事故。国内统计，在夜间发生的交通事故中，与远光灯有关的事故占到三四成， 且成上升趋势。 本文通过对远光灯引发交通事故的成因的分析，结合汽车远光灯的光学特性、 使用规则，设计了一种夜间行车远光灯自动控制系统。通过探测前方车辆远光灯 的开启与否，来自动切换对方来车和本车远近光灯，确保汽车夜间行车远光灯的 按章使用，提高行车安全。本文针对汽车远光灯照度分布的特点制作了光探测器， 对前方车辆远光灯光信号进行探测；通过对夜间道路照明情况特点分析，设计了 适当角度的遮光罩隔离了周围杂散光的影响；制作了编码发射电路和接收电路， 编码发射电路接收到光探测器的触发信号，发射一个编码信号，调制后通过发射 电路发射，接收电路对信号选频放大解码，控制远近光灯的切换。经测试，该系 统可以在8 0 米距离内探测到前方远光灯信号，不论会车时的哪一方开启了远光， 系统都可及时将其切换到近光灯。 关键词：汽车；远光灯；光探测器；自动控制 黑龙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w h e na u t o m o b i l et r a v e l sa th i 曲s p e e d ，t h eh i g hb e a mi su s e dt oa l l o wd r i v e rt os e e d i s t a n tt r a f f i c b u ti fw ed on o ts w i t c ht ol a s tl i g h tt i m e l yw h e nt w oa u t o m o b i l et r a v e la t o p p o s i t ed i r e c t i o na n dv e r ya d j a c e n t ，t h es t r o n gl i g h tw i l lm a k et h ed r i v e r sn o tb ea b l e t os e ea c r o s st h er o a d ，s ot r a f f i ca c c i d e n t sc a ne a s i l yo c c u r n a t i o n a ls t a t i s t i c ss h o w st h a t t h ea c c i d e n to c c u r r e da tn i g h tw i t hh i g hb e a mr e l a t e da c c o u n t e df o ra s3 4 ，a n di n t oa l l u p w a r d t r e n d i nt h ep a p e rt h ec a u s e so ft r a f f i ca c c i d e n t sb a s e do nt h eh i g hb e a mh a sb ea n a l y z e d a n dc o m b i n e dw i t ht h eo p t i c a lp r o p e r t i e so fh i g hb e a mo fa u t o m o t i v e ，t h eu s eo fr u l e s ， a na u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mf o rh i g hb e a mt r a v e l i n ga tn i g h th a sb ed e s i g n e d t h r o u g h d e t e c t i n gh i g hb e a mo ft h ea u t oa n do t h e ra u t oo p e no rn o tt os w i t c ht o l a s tl i g h t a u t o m a t i c a l l y ，e n s u r et h a tt r a v e ls a f e l ya n du n d e rr e g u l a t i o n sa tn i g h t ，i m p r o v et r a f f i c s a f e t y t h es y s t e mi s d i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ：f i r s t ，d e t e c to p t i c a ls i g n a lb ym a k i n g p h o t o s e n s i t i v ec i r c u i t s e c o n d ，u p o nr e c e i p t o ft h e t r i g g e rs i g n a l l a u n c h b y p h o t o s e n s i t i v ec i r c u i t ，ac o d e ds i g n a lw i l lb es e n db ye n c o d i n gc h i p ，a n dt h e nt h es i g n a l w o u l db em o d u l a t e da n dl a u n c h e db yl a u n c hc i r c u i t s a tt h et h i r dp a r t ，t h es i g n a lw i l lb e d e m o d u l a t e da n dd e c o d e dt oc o n t r o lt h el i g h ts w i t c h t h es y s t e mc o u l dd e t e c t sh i g h b e a ma td i s t a n c eo f8 0m e t e r s ，w h e nt w oa u t ot r a v e la c r o s s ，r e g a r d l e s so fw h i c ha u t o o p e nh i g hb e a m ，i tw i l lb es w i t c h e dt ol a s tl i g h tb y t h es y s t e m k e y w o r d ：a u t o m o b i l e ；h i g hb e a m ；p h o t o d e t e c t o r ；a u t o m a t i cc o n t r o l 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位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，论文中不包含他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨蕴江太堂或其他教育机构的 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作的任何贡献均已 在论文中作了明确地说明并表示谢意 学位文作者签名：乡、别 签字日期：1 p 。7 年歹月日 。 i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨蕉堑太堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅本人授权墨蕉堑太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用于本授权书) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 洲 狐咖 、仆月 丕兮 名年 签哆 者 p 锻 文期 论日 位字 学签 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 汽车是人们出行和货物运输的重要工具。随着我国经济的高速发展，社会上 汽车的保有量越来越大( 最新统计机动车1 6 亿) 。我国夜间发生的交通事故中，与 远光灯有关的事故占到三四成，且成上升趋判1 1 。 关于汽车夜间行车远光灯的使用，中华人民共和国道路交通安全法做出 了明确规定，但是在实际驾驶中不按规定在会车及通过路口时关闭远光的情况十 分严重，比如汽车交会时开远光灯，强光直射对面司机眼睛，形成视觉盲区，极 易造成车祸。不按规定使用远光灯主要有三种情况：一是刚拿到驾照的新手，不 知道如何使用灯光，乱打灯。二是有的司机明知违规用灯却依然我行我素。三是 在有些路段需要频繁的切换远近光灯，驾驶员在打开远光灯后往往忘记关掉。因 此而导致的交通事故给人们的生命和财产安全带来了极大的危害，也在一定程度 上影响了经济的发展。要最大程度减少这种事件发生，在加强交通执法力度的同 时，对夜间行车远光灯的使用进行自动控制是一个有效地解决办法。目前国外一 些汽车公司已经开始远光灯的自动辅助控制系统的试验，德国巴伐利亚汽车制造 厂研制了一种远光灯辅助系统，主要构件是安装在后视镜外壳前面一个传感器， 传感器内包含一架照相机，相机拍摄的图像被反馈到一个电子评估系统里，由该 系统分析前方的物体从而自动控制远光灯的开闭。这个系统计划在该公司的宝马 5 系、6 系和7 系中加装。当前对汽车远光灯炫目的问题，有许多不同的解决方 案，但都存在着这样或那样的问题。当前的趋势是研制一种确保安全、简单有效、 成本低廉、易于推广的远光灯自动控制系统。【2 】 1 2 国内外对汽车远光灯控制的研究状况及最新成果 1 2 1 国内汽车远光灯控制的研究现状 1 2 1 1 汽车防眩远光前照明灯 黑龙江大学硕士学位论文 汽车防眩的技术特征是根据灯光测试平面上眩目光线区间的界线与光线反 射平面的关系确定灯丝的安装空间，其防眩光形可以根据不同测试标准变化，具 有远光的照射距离和近光的防眩光形。但是从眼睛的感光角度来说，光觉是最基 本的视觉。眼的感光最早由视网膜的两种视细胞，即视杆细胞和视锥细胞开始， 视杆细胞在甚暗的环境，可对微弱的光产生感觉，即暗视觉。视锥细胞则在较亮 的光线下，产生光觉，即明视觉及颜色感觉。而锥细胞主要分布在眼球的中心凹。 也就是说眼球正常固视前方的情况下，中心视野3 0 0 范围内对光的敏感度最强； 3 0 。以外的周边视野光敏感逐渐减弱。当两车夜间交会车时，往往有些开车的人 视觉会不自觉地跟随对方的车灯，也就是瞪视对方来车，这样眼睛的中心视野正 对着对方的车灯，所以远光灯眩目的问题依然存在1 3 】。 1 2 1 2 利用偏振光防眩目 其基本原理是根据马斯吕定律( 两个起偏器的偏振轴互相垂直时，对光的透 射率几乎为零；而两个起偏器的偏振轴相互平行时透光率最大) ，在每辆车的风 挡玻璃和车灯玻璃加上偏振片，其偏振轴与水平面成4 5 度角，则两车相向行驶 时，一方风挡上偏振轴与对方车灯上偏振轴正交。根据马斯吕定律，对方车灯发 出的光线经过车灯玻璃和本方风挡玻璃的透射率几乎为零。当前，偏振片的透光 率很不理想，单片透光率只有3 6 左右，因此需要加大车灯功率，提高车灯亮 度。这种方式由于偏振片性能有待提高，尚未达到实用化程度l 删。 1 2 1 3 汽车前照灯自动变光器 其工作方式是利用光敏传感器探测前方来车的远光灯，当距离对面车辆 2 0 0 m 左右时，自动变光器可根据对方车辆灯光变换作相应的变换，如果对方车辆 远光超过2 s 不变换时，本车能自动恢复远光，提醒或迫使对方车辆变光 7 1 。此装 置存在一定的弊端，如果对方未关闭远光，本车也不关闭远光，使得会车时的危 险加倍；如果对方关闭远光，本车装置要在安全距离以外及时准确的发现对方车 辆较为困难，故实际使用效果不理想，目前一直未能得到广泛应用。远光灯的控 制问题一直没有得到妥善解决1 8 叫。 2 第1 章绪论 1 2 2 国外汽车远光灯控制的研究现状 1 2 2 1 红外夜视系统 红外夜视是利用目标与周围环境之间由于温度或发射率的差异所产生的热 对比度进行成像。由于热对比度的差异而把红外辐射能量密度分布图显示出来， 成为热像，再通过热像将红外图像变为可见光图像【1 0 以5 1 。目前应用的红外夜视 主要分为两种，远红外夜视系统能够看清前方3 0 0 m 。显示辐射热能物体，物体 越热，光线就越强，主要是人和动物。近红外夜视系统能够看清前方1 5 0 m ，但 画面更为明亮，显示信息更为丰富。红外夜视系统只能作为远光辅助，不能完全 解决远光危害问题，且其价格昂贵，国外最低售价也在人民币两万元左右。目前 只有在奔驰s 级，宝马7 4 0 以上的豪华汽车中才装配。 1 2 2 2 单色光防眩 单色光防眩是利用单色光的远光灯来照明。研究发现，饱和照明时，人眼对 黄光有比白光更佳的敏感度；人眼睛被黄光眩目后暗视野的恢复相对较快。可以 在紧急情况出现时争取宝贵时间。这种方法利用的仅是黄光这一段较窄波长范围 的光，通常照射效率低，视野较暗。效果不理想【1 1 】。 1 2 2 3 液晶变光装置 液晶变光的基本原理是在车灯前加液晶版，利用光敏传感器探测外界光照强 度，自动平稳地随外部照明情况改变液晶的透射率，从而控制远光灯的眩目问题。 问题在于系统的造价高，液晶面板的耐温特性差，此技术尚不成熟1 1 钾o 】。 1 2 2 4 美国g e n t e x 公司开发成功了智能变光汽车前照灯。 该前照灯利用传感装置感测前方光源。当迎面来车时会自动降低前照灯的光 照度，当会车毕又恢复强光。此种光照度变化十分柔和，是渐进的。但如前方车 流突增，如转弯行驶时光照度亦会立刻减弱。福特林肯车系( l i n e o l n m e r e e u r y ) 已决定从2 0 0 4 年起装用此种变光照度前照灯。该灯现在存在的问题是成本价稍 高些，现g e n t e x 已在做着将其成本降到1 5 0 2 0 0 美元的工作，以期向低价车种 进行普及【2 1 2 6 。 黑龙江大学硕士学位论文 1 2 3 汽车远光灯控制的研究发展趋势 违章使用汽车远光灯造成的交通事故不在少数，每年新增车辆越来越多，由 远光灯使用不当造成的夜间交通事故比例更是急速上升。对国内外研究情况的分 析发现，多数远光灯炫目问题的解决方案都不完善，不能完全解决远光灯危害问 题。根据实际情况需求，对于汽车远光灯探测与控制系统，一定要确保安全，简 单有效；目前除去极少数豪华型车辆外，大多数路上行驶的车辆都不具备远光智 能控制功能，这主要是汽车工业生产特点决定的，每一点点成本的增加都会改变 一款车销售情况，甚至影响一款车的市场定位，要想做到好的效果，系统一定要 具有成本低廉，易于推广的特点。简而言之，确保安全，简单有效，成本低廉， 易于集成是今后这类产品的发展趋势。 1 3 课题研究的目的 本课题研究的目的是拟开发一种夜间行车远光灯自动控制系统，通过对各种 汽车远光灯照度及光型等特点的分析，制作合适的传感器捕捉远光灯信号，发现 前方车辆远光开启，及时减弱以至将其换到近光。辅助驾驶者进行自我约束，确 保汽车夜间行车远光灯的按章使用，提高行车安全，减少因车远光灯造成的交通 事故。 1 4 本章小结 本章介绍了项目的背景，即远光灯使用不当带来的危害。同时介绍了国内外 针对同类问题的不同解决方法，对其特点和不足进行了分析，明确了课题的研究 目的。 茎：耋耋茎垂垄耋篓茎篁坌墼 第2 章汽车远光系统特性分析 2 1 汽车远光灯与行车安全 为确保各种状态下的行车安全，在汽车上装有各种照明、信号、仪表和报警 装置。其中常见的外部灯具有：前照灯、雾灯、牌照灯、倒车灯、转向灯、示位 灯、示廓灯、驻车灯和警示灯。按照规定，除前照灯的远光外，所有灯光均不得 眩目。前照灯的作用是提供车前道路1 0 0 m 以上明亮均匀的照明，随着车速的不 断提高，要求道路照明的距离也相应增加。 2 1 1 汽车前照灯的结构 汽车前照灯的光学系统定型于1 9 2 5 年，其基本元件包括：灯泡、反射镜与配 光镜旧。其基本结构如图2 - 1 所示： 图2 - 1 汽车前照灯结构 f i 9 2 1 a u t o m o b i l e f i l a n ts h i n e o j l i g h ts t r u c t u r e 反射镜俗称反光镜，一般为抛物面，它的作用是尽可能地将灯泡发出的散射 光线聚合成集中的平行光束，提高光的强度，保证得到足够的照明。目前最为流 行的前照灯自由曲面反射器前照灯是。这种前照灯完全摒弃了传统前照灯的配光 镜配光方式，由反射器独立完成配光的任务。它具有光能利用率高、车灯高度低 黑龙江大学硕士学位论文 和空气动力学性能好等优点，已为欧美、日本等发达国家的汽车广泛采用。 随着汽车前照灯技术的不断发展，前照灯的照度也得到了大大的提高，在开 始使用高照度前照灯的最初几年里，就出现了在交会车时因前照灯的强光造成驾 驶员眩目而导致发生交通事故和撞车的严重危险。多年来，人们经过种种努力，试图 使一道光速来兼顾满足两个相互矛盾的要求，即实现良好的道路照明和限制迎面 车辆驾驶员产生眩目，但一直没有很好的方法。由此逐渐形成了车交会车时必须 变换前照灯的发光程度和光通量的分布，即现在我们所使用的“远光”和“近光 两种工况。起初，人们是通过倾斜前照灯或其反射镜以及装备两种前照灯来满足 高照度和防眩目这一要求。但这样使照明的装备变得更复杂且昂贵。因此，在1 9 2 4 年，人们发明了一种带双丝灯泡的前照灯，其远光光束发自反射镜上的主灯丝，在 交会车时用置于焦点外面的辅助灯丝代替主灯丝，辅助灯丝能产生使迎面车辆驾 驶员的眩目得到改善的近光光束。使用双丝前照灯可以简单而经济地降低在交会 车时产生的眩目，因而逐渐取代了以往使用的各种结构，并在全世界汽车制造业 中得到普遍使用至今。形成了欧洲系统前照灯和美国系统前照灯两大系统1 2 8 1 。 欧洲系统前照灯中，其灯丝的结构如图2 2 ，反光罩结构如图2 3 ： 图2 2 欧洲灯丝结构 f i g 2 2l i g h ts i rs t r u c t u r ei ne u r o p e 远光灯丝1 具有普遍形状，置于反射镜光轴上面的焦点上。因此，主灯丝产 生的光通量被抛物面反射镜反射成与反射镜光轴平行的微弱散射光束；近光灯丝2 为直线形状，置于主灯丝前方，略高于反射镜光轴并与之平行，灯丝的下方设有 一配光屏3 ，近光灯丝的光线只落在反射镜的上半部分，再被它反射成下倾光束而 6 第2 章汽车远光系统特性分析 不射迎面汽车驾驶员的眼睛里。欧洲类型双丝灯泡的最为显著的特点在于配置从 左侧倾斜1 5 。的配光屏，在垂直屏幕上，在近光时于明区和暗区之间造成了明显 的明暗截止线，近光光束的明暗截止线只在屏幕的左半部分呈1 5 。角向上延伸， 从而可以保证对路面右侧建立更好的照明。 图2 - 3 欧洲车灯反光罩 f i g 2 3t h ee u r o p el a m pr e f l e c t i o nc o v e r 美国前照灯系统中，其灯泡的形状如图2 - 4 所示： 图2 4 美国灯丝结构 f i g 2 - 4l i g h ts i l ks t r u c t u r ei nt h eu n i t e ds t a t e s 远光灯丝1 和近光灯丝2 的形状和尺寸都是一样的，而且相对灯丝头轴线的 布置采取对称并排布置，灯泡座相对于反射镜的轴线略微偏移，使得灯泡在装入 灯总成以后，下灯丝可以置于反射镜的光轴上的焦点上，用于远光照明。供近光用 的上灯丝位于主灯丝的上方且在焦点以上，近光灯丝的光线在反射镜上的入射角 与远光灯丝的光线的入射角相比是变换的，这样，大部分光线，即近光光束的核 心部分是向下倾斜射出的，但光束本身已扩散削弱。美国近光系统中就没有明显 黑龙江大学硕士学位论文 的明暗截止线，屏幕左半部的发光强度降低很多，暗区至亮区采用渐变的方式。 这两种系统，虽然用途和作用都相同，但却基于不同的作用原理。欧洲近光系统 追求的目标是最大限度地降低射入迎面车辆系统驾驶员眼睛里的眩目的发光程度。 而美国近光系统首先要解决的任务是如何更好、更远地照亮道路。明暗截止线明 图2 - 5 美国车灯反光罩 f i g 2 = 5t h el a m pi nt h eu n i t e ds t a t e sr e f l e c t i o nc o v e t 显的欧洲前照灯系统只有在造成汽车车身的振动很小的平整道路上行驶时才 能发挥良好效果。在坎坷不平的公路上，汽车的颠簸将导致前照灯在路面上的光 斑产生不停顿的跳跃，即使迎面无车辆驶来，驾驶员的视觉也会出现极度疲劳。 而无明显明暗截止线的美国前照灯系统对于不平道路的敏感性却低很多。 目前我国前照灯系统使用的是欧洲前照灯系统e c e 系统前照灯【2 9 。3 1 】。 2 1 2 汽车前照灯的分类和特性 目前汽车前照灯已经发展到第四代，第一代汽车光源是由燃料直接燃烧发光； 第二代汽车光源是白炽灯；第三代汽车光源是气体放电灯；第四代汽车光源是半 导体发光二极管( l e d ) 。它不是通过热能使物体升温而发光，是由电能直接转换为 光，因而称之为冷光。l e d 光源的出现将爆发又一次汽车照明革命，具有划时代 意义，它己经并将进一步影响汽车灯具的变革。当前车辆上常见的前照灯主要有： 2 121 钨丝车灯 由一根螺旋状细钨丝装在一个充满惰性气体的灯泡中组成，当电流通过钨丝 时，它会发出白热光。其发光效率低，且经过长期使用后，钨金属因高温蒸发成 8 第2 章汽车远光系统特性分析 ii1 金属微粒而离开钨丝，附着在灯泡内壁，导致灯泡逐渐暗淡老化【2 9 】。目前，钨丝 车灯在汽车上己很少见到。 2 122 卤素车灯 卤素车灯针对钨丝车灯存在的问题，于2 0 世纪6 0 年代研制成功了卤素车灯。 这种灯就是在灯泡内的惰性气体中渗入少量的碘，从灯丝蒸发出来的钨原子与碘 原子相遇发生化学反应，生成碘化钨化合物，当碘化钨化合物一接触白热化的灯 丝时，又会分解还原为钨和碘，钨又会重新回到灯丝中，碘则重新进入气体中。 如此循环不已，灯丝几乎不会烧断，灯泡也不会发黑。所以，卤素车灯比钨丝车 灯使用寿命更长，亮度更大。目前绝大部分国产车和部分旧款进口车都是采用卤 素车灯作前照灯。如h 4 灯泡。卤素灯丝多为螺旋灯丝。卤素灯的发光体积大。但 是卤素灯发光特性不是严格的朗伯体分布，前照灯的设计精度难以保证。另外，卤 素近光灯丝发出的光线有接近5 0 的光投向下方而被光栏遮挡，属无效光，如图所 示。可见，传统卤素灯的光能利用率极低，光源的低效率还会带来散热问题。另外， 卤素灯还具有寿命较短、成本较高等缺点。 2 1 2 3 氙气车灯 氙气技术早已有，但真正批量生产应用到汽车的前照灯上还是在2 0 世纪9 0 年代初，在此之前汽车前照灯都采用卤素车灯。迄今，氙气车灯仅用在一些中、 高档汽车中，而且主要用于近光灯，远光灯仍以卤素车灯为主。从原理上讲，钨 丝车灯和卤素车灯都是靠里面的一个螺旋状发光钨丝来发光，而氙气车灯则完全 不同，它的原理与霓虹灯非常相似，通过对2 个电极施以高电压，使2 个电极之 间的气体放电，从而发出微呈蓝色的光来。氙气车灯与卤素车灯相比，亮度增加 了3 倍，投射范围既远又广，而它所消耗的能量却比一般的卤素车灯节省4 5 其 使用寿命比卤素车灯的寿命延长5 倍，一般可达到3 0 0 0 小时【3 2 1 。氙气车灯与卤素 灯的性能比较见表2 1 。目前，欧洲对氙气车灯的需求正以每年1 3 的速度增长； 在日本，中、高档汽车也都安装了氙气前照灯。国产车中只有少数车型安装了氙 气车灯。预计未来2 3 年，国产车装备氙气车灯的车型会大大增加，氙气车灯取 代卤素车灯是大势所趋。 9 黑龙江大学硕士学位论文 表2 - 1 氙气灯组与卤素灯泡的比较 t a b l e 2 一lt h ec o m p a r i s o nb e t w e e nx e n o nl a m pa n dh a l o g e nb u l b 灯泡形式 功率( w ) 光通量( 1 m )色温( k )寿命( h ) h i d 3 53 2 0 04 0 0 02 5 0 0 9 0 0 65 51 0 0 03 0 0 01 0 0 0 9 0 0 56 51 7 0 03 2 0 03 2 0 h 1 5 51 5 0 03 2 0 03 2 0 h 7 5 51 5 0 03 3 5 04 0 0 2 1 2 4 大功率l e d 汽车前照灯 发光二极管l e d 作为一种新型环保光源，具有发光效率高、发光面积小等特点， 其使用寿命长、能经受较强的机械冲击和震动、可靠性高、工作电流小、可与数 字电路兼容等许多优点。 前照灯的配光标准要求严格，设计难度大。目前没有独立的l e d 前大灯的生 产检验标准，国际上均以传统卤素灯的常规要求作为l e d 车灯标准，所以l e d 车 灯制造企业生产的车灯总体设计、生产是以卤素灯的国标、e c e 、s a e 等标准为 依据。我国基本上参照e c e 的配光方式，而国际上也有向e c e 靠拢的趋势，所以 l e d 汽车前照灯的设计也参照e c e 标准【3 3 】。 l e d 发光二极管主要由芯片和反射支架组成( 图2 6 ) 。 图2 6l e d 发光二极管 f i 9 2 。6l e d1 i g h te m i t t i n gd i o d e 为了满足前照灯的配光标准，必须配备多颗l e d ，所以对每个l e d 配备一套 1 0 第2 章汽车远光系统特性分析 独立的反射单元和透镜单元。采用独立配光单元的l e d 前照灯模型，如图2 7 所 示，其中，l e d 垂直向上放置在多椭球反射面的共焦区域，其发出的绝大部分光都 可以作为有效光，投射到远方道路。可见，l e d 应用到前照灯的光能利用率大大 优于卤素灯灯丝的光能利用率【3 3 - 3 6 。 图2 7l e d 灯的反射单元与透镜 f i 9 2 7t h e r e f l e xm o d u l ea n dl e n so fl e d l e d 灯的反射镜曲面一般为双曲面、抛物面或者椭球面。l e d 前照灯配置多 套l e d 光源。多椭球反射面体积较小，即具有椭球聚光的特点，又满足一定的均匀 要求，并且能实现不同的水平方向放大率和垂直方向放大率，使驾驶员能看清前方 较宽阔的道路区域。 2 125 智能前照灯 这是一种装有照距自动调节系统的前照灯，随时、随地调整前照灯的倾斜角 度，以便使路面获得最佳照明，不会使对面车辆驾驶员感到眩目，夜晚行车更安 全。照明距离自动调节系统有准静态照明距离调节系统和动态照明距离调节系统 两种。准静态照明距离调节系统可以根据车辆载重量的变化校正前照灯倾角变化 量，其工作原理是由车桥传感器将弹簧压缩行程信号提供给控制装置，控制装置 据此计算出前照灯的理论倾角，从而命令前照灯的照明距离执行机构作出相应的 运动。车灯结构见图2 8 ： 量垄垩奎茎些圭茎些耋圣 圈2 - 8 智能前照灯 f i 9 2 8i n t e l i i g e n tb e a d l i s h t 动态照明距离调节系统则除了考虑车辆载重量的变化外，还考虑了加速和减 速对前照灯倾角变化的影响。像准静态照明距离调节系统一样，该系统有两个车 桥传感器，负责将前、后桥相对车身的弹簧压缩行程信号提供给控制装置。所不 同的是增加了1 个与动态运动相适应的滤波器，从而使得系统在制动和加速过程 中具有较高的反应速度。智能弯道照明前照灯它能自动引导光束射向道路的拐弯 处，从而优化驾驶员的夜行视野，减轻夜行困难，确保行车安全。图2 - 9 与图2 - 1 0 是普通车灯与智能弯道照明前照灯的效果比较旧。 图29 普通车灯 f i 9 2 9o r d i n a r y1 i g h t s 图2 一1 0 智能弯道灯 f i 9 2 1 0i n t e l l i g e n tt u r l l 一1 i g h t s 第2 章汽车远光系统特性分析 一 2 1 3 汽车前照灯控制电路 前照灯控制电路可分为两种：由电源、开关、照明装置组成的电路和由电源、 开关、继电器、照明装置组成的电路1 3 引。前一种电路，开关直接控制照明装置； 后一种电路，开关经过继电器控制照明装置，减小了开关的工作电流，有利于减 少开关的故障。在轿车上，这两种电路往往混合使用。桑塔纳轿车照明电路如图 ，1 1 图2 一i i 桑塔纳轿车照明电路 f i 9 2 - 1 1t h el i g h t i n gc i r c u i to fs a n t a n a 图中1 为停车灯开关；2 为变光和超车开关；3 为点火开关；4 为车灯开关；5 为中间继电器；6 为牌照灯：7 为仪表灯调光电阻；8 为雾灯继电器；9 为行李箱 灯；1 0 为顶灯；1 1 为行李箱灯门控开关；1 2 为顶灯门控开关；1 3 为点烟器照明 灯；1 4 为雾灯开关照明灯；1 5 为后风窗除霜器开关照明灯；1 6 为空调开关照明灯； 1 7 为雾灯指示灯；1 8 为后雾灯；1 9 为雾灯开关；2 0 为前雾灯；2 1 为仪表灯；2 2 为时钟照明灯；2 3 为前照灯；2 4 为右前、后示廓灯；2 5 为左前、后示廓灯；2 6 黑龙江大学硕士学位论文 为远光指示灯。 2 2 常见路段夜间照明情况分析 2 2 1 前照灯系统配光法规 随着汽车交通运输业的飞速发展，行驶安全和交通管理成为了一系列需解决 的问题。早在十九世纪二十年代，各个国家相继对灯具的技术特性制订出严格的 规程标准。而国际贸易的发展，无论在计量单位和技术要求方面，还是在常用产 品参数，尤其是在保证这些产品互换性的参数方面均提出有必要统一的国际标准。 在欧洲各国使用带非对称近光和近光具有明显明暗截止线的统一规格的前照灯系 统。图2 1 2 所示为供非对称光前照灯近光测试屏幕。其在道路路面上的意义如图 2 1 3 。 g 图2 - 1 2 近光测试屏幕 f i 9 2 1 2n e a ro p t i c a lt e s ts c r e e n 垂直线v t v 相当于右侧车道的轴线，而直线h g 和h g 以透视法表示右侧车道的 边线。直线i - i f 表示左侧迎面车道外边线，直线i - i f 代表左侧车道的中线。因此直 线h g 。也表示整个路面的轴线。主要检查点有如下几点：代表约5 0 m 距离处的迎 面汽车的驾驶员眼睛位置的点b 5 0 l 和表征约5 0 m 及7 5 m 距离处的车道右边线光 照度的两点5 0 r 及7 5 r 。明暗截止线以上的区域i i i ，在产生眩目方面较为危险， 1 4 釜：耋耋耋耋兰至釜丝兰坌垒 所以对于此区域屏幕的最大允许光照度值规定得很低，区域i v l l 表征路面的光照 度，所以对于此区域规定了测试屏幕的最低允许光照度。点2 5 r 和2 5 l 表征距离 图2 1 3 测试点与路面的关系 f i 9 2 一1 3t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt e s tp o i n ta n dr o a d 汽车前面约2 5 m 的路边的光照度。区域i 相当于路面的附近区段( 距离汽车前面 1 0 2 5 米的区段) ，对于此区域也规定了最高允许光照度值，以便避免附近路段的 亮度过大而与较远路段产生过大的亮度对比。我国目前灯具制造依据的标准是依 据欧洲经济委员会制定的e c e 标准1 3 9 i 。 2 2 2 人眼视觉特性 人眼视网膜上有二种不同形状的视觉细胞。锥状细胞，在明亮的环境下起主 要作用，集中在视网膜中心2 。左右的范围内；杆状细胞，在灰暗的环境下起作用， 分布在视网膜上一个较大的( 2 0 。以上) 范围内。据此，存在有二条分别表示不 同亮度环境下的光谱效率曲线。称明视觉光谱光视效率和暗视觉光谱光视效率。 暗适应对驾驶员视认性的影响：人从光亮的地方进人黑暗的地方时，开始视 觉感受性很低，然后又逐渐提高，这个过程叫暗适应。暗适应过程主要是由于瞳 孔扩大和视网膜光感细胞的光色素化学反应过程两种机制来实现的。汽车夜间会 车时，在没有路灯或照明不良的道路上，按照道路交通管理条例规定须在距对面 来车1 5 0 米处以外互相闭远光灯，改用近光灯。当从远光变成近光时，光照强度( 距 地面1 米处1 的变化如表2 - 2 所示。 黑龙江大学硕士学位论文 表2 2 车辆在远光和近光情况下各点的照度 t a b l e 2 2t h ei l l u m i n a t i o n1 i g h t su n d e rn e a rl i g h ta n df a r1 i g h t 距离( m ) 51 01 52 02 53 03 5 4 0 4 5 远光( i x )3 3 41 8 71 0 16 14 33 02 31 81 4 近光( i x ) 4 5 4 01 26 4 3221 由可见，当从远光变成近光时，光照强度有一个明显的变化。如5 米处远光 的照度为3 3 4 l x ，近光为4 5 l x ，远光照度为近光照度的7 4 倍，最大的在距4 5 米 处达到为1 4 倍。因此，在夜间会车当从远光变为近光时，视场内的照度有一个从 高水平突然降为低水平的过度，因此对驾驶员的视觉必然有一个暗适应的过程。 在由远光突然变为近光的情况下，驾驶员对视标的视认情况如表2 3 所示。视认条 件中的甲为持续近光下，乙为由远光突然变为近光时驾驶员的辩识距离。 表2 - 3 突然变光下的视认情况 t a b l e 2 3t h es i t u a t i o nw h e n1 i g h ts u d d e n l yc h a n g e 试 12345平均 视认条趴 甲( 米) 5 2 84 6 34 5 14 7 35 2 14 8 7 2 乙( 米)3 7 34 1 53 9 63 8 83 7 83 9 0 0 减少 2 9 41 0 41 2 2 1 8 0 2 7 4 2 0 可见，在持续近光灯照度下，平均视认距离为4 8 7 2 米，当由远光突然变为近 光时，对同样视标的视认距离变为3 9 米，视认距离下降了2 0 。这主要是由于车 辆突然变光驾驶员视觉暗适应而形成的。 这种突然的变光对驾驶员的视认性有一定的影响。对没有中央隔离和防眩设 施的一般公路上夜间会车，距离的限制应视车辆运行速度来确定，即高速运行的 车辆应在较远的距离进行变光，而低速车辆可适当缩短变光距离。 1 6 第2 章汽车远光系统特性分析 1_i 2 2 - 3 各类道路的照明状况调查 对市区主干道的夜间照明情况进行了多点多次测量。测量结果见表2 4 ： 表2 - 4 市区主干道夜间照度( 单位l x ) t a b l e 2 4n i g h ti n t e l l i g e n to fr o a di nt o w n 1234567891 0 平均 1 2 81 5 01 8 91 9 1 1 2 0 1 2 11 1 81 6 01 2 01 3 51 4 3 1 5 01 4 21 4 21 5 61 1 71 4 11 1 11 1 11 2 31 3 41 3 3 对市区支路照明情况进行的多点多次测量结果见表2 5 ： 表2 - 5 市区支路夜间照度( 单位l x ) t a b l e 2 5n i g h ti n t e l l i g e n to fl a n ei nt o w n 1234567891 0 平均 1 2 6 0 2 02 3o 2 0 2 2 1 91 7 9 2 0 1 65 05 62 0 1 2 1 62 01 91 91 32 4 通过实地考察发现，我国城市内路况复杂，不同地段照明情况差别较大，在 主干道上，空间开阔，无遮蔽物，道路照明良好，整个路面上照明均匀，不需要 开启远光，但是主干道车流量大，车速快，隔离带低矮。为数不少的车辆在行驶 中一直开启远光灯，在短短5 分钟内，就有四辆重型货车是开着刺眼的远光急驶 而过的，强烈的远光让隔离带另一侧的司机眼睛感到十分不舒服，看不清前方道 路，此时前方如果出现突发事件，司机很难及时发现。在本系统中功能设计中， 对此路段考虑为偶尔需要使用远光。 在市区内的一些支路上，路灯亮度不高，往往有树叶遮挡光线，前方可视距 离短，道路两边照明死角较多。同时这些路段路况复杂，路边垃圾有时不能及时 清理，路面不平坦，人车混杂。在这些路段仍有部分车辆一直开启远光，容易使 对面来车看不清路面状况，引发交通事故。现场发现，不少车辆速度约有6 0 k m h 。 在本系统中功能设计中，对此路段考虑为适宜关闭远光，减速慢行。 在野外的国道和高速公路上车速快，没有路灯，护栏每隔2 5 m 处有轮廓标， 路面有高反光效果边线和反光道钉。远光灯可以让驾驶员看清前方路况并让其他 黑龙江大学磺士学位论文 车辆等较早发现自己。此时对远光灯进行控制的重点在于快速识别对方车辆远光 信号。下面模拟野外光照情况，对汽车远近光灯照度在车灯主光轴方向，距离地 面l m 高度处，照度随距离变化关系做了实际测量其变化曲线见图2 - 1 4 ： ! k r 弋 j “、 “一静* 绎罐 4 0 5 08 0 l o o 图2 1 4 建腾汽车前飘玎照度与距离关系 f i 9 2 1 4t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nh e a d l a m p i l l u m i n a t i o na n dd i s t s n c e 由图可见近光灯的照度( 粉色线) 在随距离一直下降3 0 m 处，随后有一个小 幅度的增加，分析为路面反射光线所致，在4 0 m 以外，检测不到近光灯的光线。 远光灯的熙度( 蓝色线) 在明暗截止线她偏下方，轴向距离车灯米处，亮度降 低到2 0 i x 左右，当距离再远时，不能准确捕捉远光灯信号。 2 j 汽车远光灯自动控制系统的功能设定 通过对路况的分析，确定系统的基本功能框图2 - 1 5 ： 田2 一l s 系统功能框图 “9 2 1 5t h eb l o c kd i a g r a mo fs y s t e mf u n c t i o n 当光敏传癣器探测到一定距离内来车的远光灯为开的状态时发射器发射经过编 佃佃季湖瑚狮埘瑚o 第2 章汽车远光系统特性分析 码的无线信号，在设定范围内的车辆的接收器( 包括本车) 收到信号解码识别后， 触动远近光切换继电器，逐步减弱远光强度以至切换成近光照明。对实际行车情 况进行分析，前方来车，当双方时速均为1 2 0 k m h 时：8 0 m ( 1 2 0 0 0 0 + 1 2 0 0 0 0 m ) 3 6 0 0 s = 1 2 s 。前方来车，当双方时速均为2 0 k m h 时：8 0 m ( 2 0 0 0 0 + 2 0 0 0 0 m ) 3 6 0 0 s 】 = 7 2 s 后方来车，双方接近速度因路况不同，难于概括，以双方速度差为2 0 k m h 计算： 8 0 m ( 2 0 0 0 0 m 3 6 0 0 s ) = 1 4 4 s 综合考虑，设定延时7 秒钟，7 秒之后渐强式恢复远光 照明。 2 4 本章小结 本章对车灯的特性、各种道路的照明状况和人眼视觉特性等进行分析，并结 合汽车行驶中的情况确定了系统的基本结构。同时还对光电传感器的选择与遮光 罩的制作提供了数据基础。 1 9 黑龙江大学硕士学位论文 第3 章远光系统的理论基础 3 1 光度的基本概念 可见光是人眼能够感知的一种看得见的辐射能。它的波长范围为3 8 0 - - 一7 8 0 n m 。 相关的概念主要有： 1 、光通量 光源在单位时间内所发出的光能量称为光通量。 中= d 仉d t ( 3 1 ) 单位是流明( 1 m ) ，1 流明定义为一个具有均匀光强度为l c x l 的点光源在1 球面 度立体角内所发出的光通量。 2 、光强 发光体在某方向单位微立体角元内发出的光通量称该方向的光强。 ，= d 咖d f 2 ( 3 2 ) 国际单位( s i ) 是坎德拉( c d ) ，也称烛光。l d e 定义为发出频率为5 4 0 x1 0 1 2 赫兹 的单色辐射在给定方向上，辐射强度为1 6 8 3 瓦特每球面度的发光强度。 3 、照度 投射在单位面积元上的光通量 e = d 中隰s( 3 3 ) 单位是勒克斯( 1 x ) ，1 i x 定义为1 流明的光通量均匀分布在1 平方米表面上产 生的光照度。 4 、亮度 光源或发光路径在给定的方向上的某一点亮度l 指：光源在该方向上的单位 投影面积、在单位立体角中发射的光通量。即： l = d 2 t 杉d 力d 以c 。s e 为发光面法向量与光线出射方向之间的夹角。 2 0 ( 3 4 ) 第3 章远光系统的理论基础 单位是坎德拉每平方米( 符号：c d m 2 ) 。 5 立体角 立体角是用来描述辐射能向空间发射、传输或被某一表面接收时的发散或汇 聚的角度。立体角。定义为以锥体的顶点为球心作以球表面，该锥体在球表面上 所截取部分的表面积和球半径平方之比。 6 、平方反比定律 垂直于光线传播方向的照度与光源在该方向的光强成正比，与光源到表面的 距离的平方成反比，这就是照度的距离平方反比定律也称照度第一定律，用公式 表示为： f = 1 r 2 ( 3 - 5 ) 7 、光度距离定律 j = e t 2 ( c o s 2 2 0 ) ( 3 6 ) ，：发光面在某个方向上的光强，单位坎德拉； e ：受光面上的照度，单位勒克斯； r 2 ：发光面与受光面间的距离，单位米； e 2 ：入射角，入射光线与受光面的法向间的夹角，单位度； 0 0 ：( 球面度) ，单位立体角； 此公式仅在距离未超过限制测光距离时适用。 8 、余弦定律( 朗伯余弦定鹤 与光束传输方向成p 角的表面积s 和它在垂直传输方向上的投影面积s7 对d 点的立体角是相同的。这样它们表面上的辐照度e 和e7 分别为： e = , s ， f 7 = , s 。 ( 3 7 ) 因为s7 = sc o s 日，所以 f=e 7 c o s 口 ( 3 8 ) 它说明任一平面上的辐照度随该表面法线与光传输方向之间夹角的余弦而变 化，