自适应前照灯弯道照明模式数学模型的研究.pdf

自适应前照灯弯道照明模式数学模型的研究 王伟 杰 刘秋 林 哈 尔滨 工业 大 学机 电工程 学 院 哈 尔滨 1 5 0 0 0 1 Re s e a r ch o n t h e M a t he ma t ica l M o d e l o f Be n d ing M o d e o f Ad a p t iv e Fr o n t lig ht in g S ys t e m WANG We i j i e LI U Qi u l in S ch o o l o f Me ch a t r o n i cs En g in e e r in g Ha r b i n I n s t i t u t e o f Te ch n o l o g y Ha r b i n 1 5 0 0 0 1 Ch i n a 摘要 根 据 国 内外 相 关 法 规 标 准 以 及 中 国 的 道路 交通 情 况 对 自适 应前 照灯 的 弯道 照 明模 式进 行 了系统 研 究 建 立相 应 的 数 学模 型 通过 对停 车 视距 和 汽车 转 弯半 径 的几 何 分 析 推 导 出 了水 平调 整 角度和 转 弯半 径 及 车速 间 的 函数 关 系 根 据 道 路 圆 曲线 最 小 半 径 一般 值 得 到 前 照 灯 最 大 调 整 角 度 分析 了左 右 前 照 灯 的 配合 调 整 方 式 并 通 过 仿 真验证 了整个数学模型的可行性 关键 词 自适 应前 照灯 弯 道照 明模 式 数学 模 型 中图分 类号 U4 6 3 6 5 文献 标识 码 A 文章 编 号 1 0 0 1 2 2 5 7 2 0 1 5 1 0 0 0 0 7 0 5 收稿 日期 2 0 1 5 一O 5 1 1 Ab s t r a ct Acco r din g t o d ome s t ic a nd int e r n a t io n a l r e g u la t io n s s t a n d a r d s a n d r o a d co n d it io n s i n Chi na t he m a t he ma t ica l mod e l o f t he b e nd in g mo de wa s bu ilt A f u nct ion a l r e la t ion s h ip a m o ng t h e h e a d lig h t a d j u s t in g a n g le t u r n in g ci r cle a n d s pe e d wa s e s t a b li s he d t hr ou gh t he g e o me t r ica l a n a ly s is o f s t o p p in g s ig h t d is t a n ce a n d t u r n i n g r a d i us Ba s e d on t he ge ne r a l v a lue o f mini m u m r a d ius o f cir cu la r cu r v e t h e ma x imu m a d j u s t in g a n g le o f t he h e a d lig ht a n d t he coo pe r a t io n o f t he le f t a nd r igh t he a dlig ht s we r e de t e r m in e d The f e a s ib ilit y o f t h is ma t h e ma t ica l mo d e l wa s v a lid a t e d b y s imu la t io ns Ke y wo r ds a d a pt i ve h e a d ligh t s b e nd in g m o d e ma t he m a t i ca 1 mod e 1 轮重也可 以为对应的转 向架承重 前后 偏 载为 l前转 向架负重 一后转向架负重 I 1 0 t 6 4 结束 语 针 对 快 速 铁 路 货 运 安 全 行 车 的 背 景 设 计 了 一 种车载 式超偏 载检 测系统 即多点 信息 检测使 用混合 网络通信 主要包括传感器 检测设 备 车 厢网关 整 车 网关 以及 列车信 息显 示设 备 相 比 地面固定 式检 测装置 具有成 本低 安 装简 单 的优 点 由于是基于空气弹簧 的静态 负载特性进行研 究 实际运行 中其特性 还受到差压 阀 高度 阀等其 他 因素的影 响 所以会 有一定 的误差 还有待进 一 步 改 进 参考 文献 1 王晓东 吴东华 地铁车辆空气弹簧气压负载特性的分析 机 械 与 电子 2 0 1 5 1 O 与实验口 铁道科学与工程学报 2 0 1 3 1 0 5 9 9 1 0 2 吴哗 张 阳 基 于 HC S 1 2的嵌 入 式 系统设 计 M 北 京 电子工业 出版社 2 0 1 0 路莹 彭健钧 嵌入式系统开发技术与应用 M 北京 清华大学 出版社 2 0 1 1 D a n i e l P B o v e t Ma r co C e s a t i 深 入 理 解 L in u x内核 M 北京 中国电力 出版社 2 0 0 7 蔡志明 卢 传富 李立 夏 精通 Q t 4编程 M 北京 电 子 工 业 出版 社 2 0 1 1 薛莲 基 于 AR M 的串 口转 以太 网程序设 计 D 南京 南京理工大学 2 0 1 0 杨志军 货运列车超偏载监测 系统 的研究 与应用 D 呼和浩特 内蒙古大学 2 0 1 0 作 者 简 介 赵鹏 1 9 9 o 一 男 河北保定 人 硕士研究生 研 究方 向为数 据通信 与控制 网络 刘 彪 1 9 8 2 一 男 河北保定 人 博士后 讲 师 研究 方向为数据通 信与控制 网络 陆长 海 1 9 9 0 一 男 江苏兴化人 硕士研究生 研究方 向为检测技术与 自动化装置 7 自适应 前照灯 弯道 照明模式数学模型 0 引 言 传 统 前照灯 是 固定 的 其 照射 角 度 和 照 射 范 围 不 能够 随着 车速 和 道路 状 况 进 行 调 节 传 统 前 照灯 已经不能满足安全驾驶 的照 明要求 自适应前照 灯 系统 AF S a d a p t iv e f r o n t lig h t in g s y s t e m 是 一种 主动安全系统 1 该系统能够根据道路条件 环境情 况和汽车 自身行驶状态 调整前照灯光束的照射方 向 最 大 限度地满 足 汽 车 驾驶 员 对 夜 间 行 车 照 明 的 要 求 能够 有效地 避 免 夜 间行 车时 因照 明 不 足 引发 的交 通 事 故 从 而 提 高 汽 车 的 主 动 安 全 性 能 AF S系统 由多种 照 明模 式组成 其 中弯道 照 明模 式 就是指在车辆夜间弯道行驶过程 中 AF S系统 的照 明方 向随 着 汽 车 行 驶 速 度 和行 驶 道 路 弯 道 几 何形状变化 以改善车辆在弯道 的照明效果 的动态 工 作模 式 弯道照明模式工作原理是 汽车在夜间行车转 弯时 AF S主控制模块根据采集到的汽车行驶速度 和汽车横摆角速度信息计算 出前 照灯 所需 的水平 调整角度 然后通过控制算法计算 出旋转步进电机 的运行 频率 方 向和 脉 冲 数 输 出 到旋 转 步 进 电机 控 制器 驱 动 旋 转 步 进 电 机 转 动 来 加 强 弯 道 内侧 的照 明 增 强夜 间行 车 的照 明效 果 1 前照灯水平角度调 整模 型 根据 AF S系统弯道照明模式工作的基本原理 当车辆 在夜 问弯 道行 驶 时 AF S系 统 的光 束 与 车辆 重 心轨 迹相 割 停 车视 距是 指 驾驶 员 发 现 前 方 有 障碍 物 使 汽 车在障碍物前安全地停住所需要 的最短距离 根 据调查研究结果 在 紧急情 况时 驾驶 员倾 向于采 用 制动 操 作 而 停 车 视 距 大 于 制 动 距 离 因 此 选 择停 车视 距 作 为 AF S弯 道 几 何 照 明 距 离 更 加 安 全 由表 1可 以看 出 随着 车速 的增 加 停 车视 距增 加且 车 速越 高 停 车视 距 增 加 幅 度越 大 对 表 中 的 数据采用最常用的最小二乘法进行 曲线拟合 即通 过最 小 化 误 差 平 方 和 寻 找 数 据 的 最 佳 函 数 匹 配 在 Ma t la b环境下 利用 p o ly f i t函数得 到各阶次拟 合 曲线方 程 停 车视距 与 车速关 系拟 合 曲线 如 图 1 所示 8 表 1 车 速 与停 车视 距对 应 关 系 设计速度 k i n h 1 2 0 1 0 0 8 0 6 0 4 0 3 0 2 0 停 车视距 m 2 1 0 1 6 0 l1 0 7 5 4 O 3 O 2 O 二 阶 拟 合 曲线 和 三 阶 拟 合 曲 线 基 本 重 合 所 以 为了简化模型方便运算 采用二阶拟合 因此车 辆停 车视距 为 S 一 0 0 0 9 4 v 0 6 0 5 7 v 3 1 7 3 0 1 目 露 S为停车视距 为车速 原 黎 撰 点 l 一 1 一 i a l 日 r 小三阶拟合 l 一 车速 k i n h 图 1 停车视距与车速关系拟合 曲线 车辆在弯道行驶时 以停车视距作为前照灯有 效照明距离的判定标准 前照灯水平调整 角后 照 明范围需 覆盖 停 车 视 距 S 前 照 灯 水 平 调 整 角 度 停车视距和转弯半径之间的几何关 系如图 2所示 R 图 2 弯 遭 几 何 照 明 距 离 与 转 弯 半 径 几 何 关 系 由 图 2中弯道几 何照 明距 离与 汽 车转弯 半径 几 何关系为 f S 一 2 Rs in q 1 s o 0 o 9 4 z 0 6 o 5 7 3 1 7 3 0 整 理 可得前 照 灯水 平 转 角 转 弯 半 径 R 和 车 速 之 间的计算 为 机 械 与 电 子 2 O 1 5 1 0 照 in 9 4 1 6 5 一 嘏 荆 孽 1 卜 霉 匪 窿 1 7 3 1 7 3 0 I J 7 牛 1 墨ZU Km n 车速3 0 k m h 车速4 0 k m h 生 8 0 k m h 一 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 转 弯半 径 m 图 5 考虑 圆曲线最小半径 一般值 的情况时 不同 车速下前 照灯水 平调整角度与转弯半径关系曲线 5 0 O 转 雩 半 径 in 图 6 调整后的不 同车速下前照灯水平调整角度 与 转弯半径关 系 3 左右 前 照灯 配合 调 整 方 式 前 照灯 水 平 调 整 角 度 的建 模 分 析 是 将 左 右 前 照灯看成一个整体 建模分析整体光轴 的水平调整 角度 实际情况下 整体光轴由左右前照灯光线合 成 汽车左右前照灯的整体水平调整角度模式有 3 种 单侧水平角度调整 双侧等 角度水平调整 和双 侧 非 等角 度水 平 调 整 其 中 单 侧水 平 调 整 和 双 侧 非等 角水 平 调 整 会 存 在 左 右 两 侧 前 照 灯 光 型分 岔 1 0 使得照明区域 中央可视性 降低 的安全隐患 因此 左右前照灯的分岔的角度不能过大 即水平调整角 度差 需要 控制 在一 定范 围 汽车左右前照灯投射 出的光型属于不对称型 依 据我 国 车辆右 行 交通 原 则 前 照 灯 近 光 的光 型为 左 低右 高 型 目前 前 照 灯 水 平 角 度 调 整 的 范 围通 常也不对称 弯道行驶 时 处于弯道 内侧的前照灯 水平角度调整范围为 0 1 5 弯道外侧的前照灯水 平角度调整范围为 0 8 所以 如果规定以汽车 前进方向为参照 前 照灯 向左调整 角度为负 向右 调整 角度 为正 则 左前 照灯 角 度调 整 范 围 为一1 5 8 右前 照灯 的 角度调 整 范围为 一8 1 5 从国家标准 GB 2 1 2 5 9 2 0 0 7 2 0 1 5 1 0 H 8 6 4 2 0 一 一 铡 繁 墨 匪柱 H 8 6 4 2 o 一 一 趟援 零 誉 柱罄 靼静 照明模 式数学模型 调 整 所 以在 两灯 的 水 平 调整 角 度 差 的范 围 内 只 有弯道 内侧前照灯进行水平角度调整 调整角度为 O 8 而 外 侧 前 照 灯 静 止 不 动 调 整 角 度 始 终 为 零 两条曲线围成的区域 内 均为汽车 AF S系统左 右两侧前照灯以双侧非等角度 的方式进行水平 调 整 左右 前照 灯水 平调 整 角度 的关 系 经过对 3种水平角度调整方式的比较 得 出 双 侧非等角度水平调整方式 的照 明效果会更优 不仅 能 够达 到加 强弯 道 内侧 照 明 的效 果 还 能 够 在 汽 车 前方 区域 照明和弯道外侧照 明上 取得一个平衡 的 效果 以双侧非等角度 的方式进行水平调整时 汽 车左侧和右侧 前照灯的水平调整 角度关系有着 比 较大的不确定性 因此 必须要确定一种合适的左 右前照灯水 平调整角度 的关系 根 据弯道 内外 侧 前照灯水平调整角度 的范围 确定采用实线作为左 右前照灯水平调整角度 的配合方式 有式 8 且如 图 7所示 E墨 图 8最 大 水 平 调 整 角度 照 明 效果 通过上述 AF S系统弯道照 明模式 的建模和仿 真 验证了所建立的弯道照 明模式数学模 型的正确 性 进 一步 在实 验室 搭 建 一 个 简 单 的 自适 应 前 照 灯 样 机 实验平 台进行 实物 验证 主控 制 部 分 采 用 飞 思 卡 尔 的 MC 9 X S I 2 8微 控 制芯片 车速信号采 用电位器进 行模拟 横摆 角速 度使用 E NC一 0 3陀螺仪测量 车灯水平调整角度通 过车灯上的位置传感器测 得 经 测试 水平 调整角 度范围为一1 5 8 达到设计的要求 一 8 58 结束语 结束语 采用如图 7所示的双侧非等角度方式进行水平 调整 在前 照 灯需 要 的调 整 角 度 较 小 时 通 常 在 高 速和大转弯半径的弯道 出现 此时侧重于汽车前方 区域照明 所 以 较小的调整角度差能使左右两侧 前照灯的照射方向尽量平行 可 以减少 由于前侧 前 照灯 分岔 导 致 照 明 区域 中 央 可 视 性 降低 的 安 全 问 题 而 当前 照 灯 需 要 调 整 角 度 较 大 时 通 常 在 低 速 和小转弯半径的弯道出现 此时侧重于弯道内侧 照 明 所 以 较大的调整角度差能满足驾驶员对 弯道 内侧照明的需求 这里采用 双侧非等 角度水平调 整的工作方式 更有利于汽车 AF S系统在夜间弯道 行驶时发挥其提高驾乘安全性 的作用 4模 型验 证 AF S水 平调 整角 度 最 大 限值 的 情 况进 行 验 证 取左右两侧前照灯的安装距离为 1 2 m 通过 L u c id S h a p e光学仿真软件按照双侧非 等角度调整配合 方 式对 最 大 水 平 调 整 角 度 值 进 行 仿 真 观 察 前 照 灯 照 明效果 如 图 8所 示 任意选取其他 1 O个不 同的工况 根据上述的公 式 计算作 于 前照 灯水 平调 整 角 度 结 果 都 能 有 效 地 提高弯道照明效果 验证 了所建立 的数学模型 的正 确 性 机 械 与 电 子 2 0 1 5 1 0 以汽车停车视距为依据 结合中国的道路设计 情 况 建立 了 自适应 前 照 灯 系 统 中弯 道 照 明模 式 的 数学模型 推导得出了前照灯水平调整角度与车速 和转弯半径的函数关系 并且进一步确定 了前照灯 水 平