客車(chē)用AFS偏轉(zhuǎn)規(guī)律研究

鄭堯剛 張衛(wèi)波

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客車(chē)用AFS偏轉(zhuǎn)規(guī)律研究

鄭堯剛 張衛(wèi)波

福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院

自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)（AFS）能夠自動(dòng)改變光線射向以適應(yīng)車(chē)輛行駛條件變化，是目前國(guó)際上車(chē)燈照明領(lǐng)域最新的技術(shù)之一。在這一背景下，本文對(duì)自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)規(guī)律進(jìn)行了深入的研究，結(jié)合在廈門(mén)金龍XMQ6117Y3型號(hào)客車(chē)上的應(yīng)用情況，詳細(xì)分析了自適應(yīng)前照燈水平轉(zhuǎn)動(dòng)和俯仰調(diào)整的規(guī)律，對(duì)自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)在客車(chē)上的應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

AFS；偏轉(zhuǎn)規(guī)律；客車(chē)

自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)（AFS）偏轉(zhuǎn)規(guī)律主要由左右水平轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)規(guī)律和俯仰偏轉(zhuǎn)規(guī)律2部分組成[1]。左右水平轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)規(guī)律為車(chē)輛在彎道行駛中前照燈左右偏轉(zhuǎn)角度與前內(nèi)側(cè)輪轉(zhuǎn)角和車(chē)速的關(guān)系，前照燈的左右水平偏轉(zhuǎn)有利于增強(qiáng)彎道照明效果，消除視覺(jué)“盲區(qū)”；俯仰偏轉(zhuǎn)規(guī)律為車(chē)輛在行駛過(guò)程中，前照燈傾斜角度與車(chē)速、車(chē)身俯仰角度和車(chē)身跳動(dòng)的關(guān)系，前照燈的俯仰偏轉(zhuǎn)有利于增加照射距離，提高照射強(qiáng)度或擴(kuò)大視野，提高汽車(chē)行駛的主動(dòng)安全性。偏轉(zhuǎn)規(guī)律的研究將為后續(xù)前照燈自適應(yīng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)奠定理論基礎(chǔ)[2]。客車(chē)與轎車(chē)的偏轉(zhuǎn)規(guī)律的最大區(qū)別在于兩者間的前懸和軸距等尺寸的差別，在轎車(chē)上前懸相對(duì)較小可以忽略，而客車(chē)的前懸相對(duì)較大，因此客車(chē)的前懸在進(jìn)行AFS系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)規(guī)律分析時(shí)不可忽視。

1 AFS左右水平偏轉(zhuǎn)規(guī)律分析及模擬

本文在考慮客車(chē)前懸參數(shù)的基礎(chǔ)上，在實(shí)現(xiàn)前照燈左右轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，選擇前輪轉(zhuǎn)角作為輸入信號(hào)，并考慮速度信號(hào)的影響[3]。這是因?yàn)樵趶澋擂D(zhuǎn)彎半徑一定的情況下，由于客車(chē)不足轉(zhuǎn)向的影響，導(dǎo)致在轉(zhuǎn)彎半徑一定的條件下，客車(chē)行駛速度越大，如果要順利轉(zhuǎn)彎的話，就必然要增加前輪轉(zhuǎn)角，從而速度信號(hào)也間接地影響了前照燈的左右偏角，它們的關(guān)系如式（1）所示

左右偏轉(zhuǎn)控制策略為使內(nèi)側(cè)前照燈光軸中心線與前內(nèi)側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)彎半徑相切，如圖1所示，建立前照燈左右轉(zhuǎn)角與前輪轉(zhuǎn)角的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)前照燈左右偏轉(zhuǎn)控制。外側(cè)前照燈的偏轉(zhuǎn)角度為內(nèi)側(cè)前照燈偏轉(zhuǎn)角度的一半。根據(jù)阿卡曼原理建立前照燈轉(zhuǎn)向數(shù)學(xué)模型，分析內(nèi)外側(cè)前照燈左右水平偏轉(zhuǎn)規(guī)律。

本文選擇廈門(mén)金龍的XMQ6117Y3型客車(chē)作為分析對(duì)象，通過(guò)MATLAB模擬前輪轉(zhuǎn)角與前照燈轉(zhuǎn)角的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)角與前照燈的偏轉(zhuǎn)角度幾乎成線性關(guān)系，因此本文假設(shè)前輪轉(zhuǎn)角與前照燈左右偏轉(zhuǎn)角度成線性關(guān)系，簡(jiǎn)化上述的數(shù)學(xué)模型，如式（4）所示，再通過(guò)MATLAB/simulink分析2種模型的差值，驗(yàn)證該線性模型的可行性。

通過(guò)比較推導(dǎo)模型與簡(jiǎn)化模型之間的差值，結(jié)果如圖2所示。

圖2 推導(dǎo)模型與簡(jiǎn)化模型的差值

這2種控制策略的差值很小，在前輪轉(zhuǎn)角為5°左右，其差值最大接近0.1°，而0.1°的誤差在前照燈的控制規(guī)律上是很小的，可以忽略不計(jì)。因此我們可以將式（4）簡(jiǎn)化成關(guān)于前內(nèi)側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)角的一次函數(shù)。通過(guò)模擬計(jì)算得出對(duì)應(yīng)本車(chē)型XMQ6117Y3的值，其大小為2.4。在忽略助力轉(zhuǎn)向功能的影響，即前輪與方向盤(pán)轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系條件下，本文的前照燈左右控制規(guī)律為

2 AFS俯仰偏轉(zhuǎn)規(guī)律分析及模擬

當(dāng)車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)，例如：加減速、高低速行駛、后座有乘客乘坐、轉(zhuǎn)彎時(shí)都會(huì)對(duì)前照燈的照明效果產(chǎn)生影響[5]。在保證路前方照明的同時(shí)，避免對(duì)前方來(lái)往車(chē)輛造成炫目，這就要求車(chē)輛在動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，自動(dòng)調(diào)整前照燈的俯仰角度，使其在垂向方向上維持在一定的照射范圍，例如：車(chē)輛高速行駛時(shí)，為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)前方路況信息，要求前照燈角度上揚(yáng)一定角度；后座有乘客或加速時(shí)，造成車(chē)身上揚(yáng)，為了避免對(duì)來(lái)往車(chē)輛產(chǎn)生炫目效果要求前照燈角度下傾一定角度。

在保證照明的同時(shí)避免造成炫目，本文根據(jù)汽車(chē)七自由度模型，如圖3所示，分析車(chē)身跳動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)、側(cè)傾運(yùn)動(dòng)及速度變化對(duì)前照燈垂直運(yùn)動(dòng)的影響。采用的策略是：使得客車(chē)在運(yùn)動(dòng)前與運(yùn)動(dòng)后前照燈光束照射距離一致，如圖4所示，建立俯仰運(yùn)動(dòng)，側(cè)傾運(yùn)動(dòng)，車(chē)身跳動(dòng)及速度變化下的前照燈垂直運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。

圖3 七自由度模型

注：a——質(zhì)心到前軸距離；d——前懸長(zhǎng)度；Ld——前照燈安全照射水平距離；h1——前照燈安裝高度；h2——心高度; h——前照燈實(shí)際變化高度；——車(chē)身俯仰角度；——車(chē)身水平時(shí)對(duì)應(yīng)的前照燈照射角度；——俯仰狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的前照燈照射角度

俯仰運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的前照燈俯仰調(diào)整角度數(shù)學(xué)模型：

側(cè)傾運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的前照燈俯仰調(diào)整角度數(shù)學(xué)模型：

車(chē)身跳動(dòng)對(duì)應(yīng)的前照燈俯仰調(diào)整角度數(shù)學(xué)模型：

速度變化對(duì)應(yīng)的前照燈俯仰調(diào)整角度數(shù)學(xué)模型：

將上述四種工況下的俯仰調(diào)整角度數(shù)學(xué)模型進(jìn)行線性相加，得出四種運(yùn)動(dòng)變化同時(shí)作用時(shí)對(duì)應(yīng)的前照燈俯仰調(diào)整角度數(shù)學(xué)模型：

根據(jù)式（7），式（8），式（9）和式(10)建立MATLAB仿真模型，比較各個(gè)控制信號(hào)單獨(dú)作用時(shí)對(duì)前照燈俯仰調(diào)整影響的關(guān)系，仿真結(jié)果如圖5所示，為簡(jiǎn)化控制模型提供參考。

從圖5可以很明顯地看出，車(chē)輛在動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，俯仰運(yùn)動(dòng)對(duì)前照燈的調(diào)整角度影響最大，速度變化對(duì)前照燈的調(diào)整角度影響也比較大，而車(chē)身跳動(dòng)和側(cè)傾運(yùn)動(dòng)對(duì)前照燈的俯仰角的影響則較小，可以忽略不計(jì)。本文假設(shè)車(chē)輛在空載情況下，車(chē)燈的安裝高度為750mm，初始下傾角為15%（0.86°），分析車(chē)身跳動(dòng)到最大值且側(cè)傾運(yùn)動(dòng)到最大值時(shí)，即側(cè)傾角為+3°且車(chē)身跳動(dòng)值為200mm的狀況下，其調(diào)整角度約為0.3°。此時(shí)的下傾角極限為：

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB4599-2007關(guān)于下傾度值的規(guī)定[6]：極限：-0.5%～-2.5%，可知：在忽略車(chē)身跳動(dòng)和側(cè)傾運(yùn)動(dòng)2個(gè)控制信號(hào)的影響下，前照燈的下傾角度仍可滿足國(guó)標(biāo)要求，因此本文將只探討俯仰運(yùn)動(dòng)和速度變化這2個(gè)情況下前照燈的俯仰調(diào)整情況，故將前照燈俯仰偏轉(zhuǎn)規(guī)律簡(jiǎn)化為

其中，若調(diào)整角度結(jié)果為正時(shí)，表明前照燈向下調(diào)整即前照燈的照射方向與水平軸方向的夾角比初始角度增大；若調(diào)整角度結(jié)果為負(fù)時(shí)，表明前照燈向上調(diào)整即前照燈的照射方向與水平軸方向的夾角比初始角度減少。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)廈門(mén)金龍XMQ6117Y3型號(hào)客車(chē)研究適合客車(chē)AFS系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，提出簡(jiǎn)化模型，利用MATLAB/simulink進(jìn)行實(shí)車(chē)數(shù)據(jù)仿真，仿真結(jié)果表明：前輪轉(zhuǎn)角與前照燈轉(zhuǎn)角的關(guān)系幾乎成線性關(guān)系，推導(dǎo)模型與簡(jiǎn)化模型的差值在誤差范圍內(nèi)，可以忽略不計(jì)，簡(jiǎn)化了控制策略；通過(guò)建立7自由度整車(chē)模型，分析車(chē)輛的俯仰運(yùn)動(dòng)，側(cè)傾運(yùn)動(dòng)，車(chē)身跳動(dòng)以及速度變化對(duì)前照燈照明的影響，分別建立單控制信號(hào)下前照燈對(duì)應(yīng)調(diào)整角度關(guān)系，利用MATLAB/simulink進(jìn)行實(shí)車(chē)數(shù)據(jù)仿真，仿真結(jié)果表明：側(cè)傾運(yùn)動(dòng)，車(chē)身跳動(dòng)值這兩個(gè)控制信號(hào)對(duì)前照燈下傾角度調(diào)整影響較小，在忽略的情況下可滿足法規(guī)GB4599-2007的規(guī)定，從而簡(jiǎn)化控制信號(hào)建立在小角度俯仰狀態(tài)下的前照燈俯仰調(diào)整規(guī)律，為自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)的俯仰調(diào)整規(guī)律提供參考依據(jù)。

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Research Of the Deflection Law Of AFS In Coach

Zheng Yaogang ,Zhang Weibo

(College of Mechanical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)

Adaptive Front-lighting System（AFS）can change the lighting automatically to adapt the changes in traffic conditions, which is one of the latest technology in lamp lighting in the world. This paper has a intensive research about the rotation deflection law of AFS in the coach in detail, which provides a reference for the application of AFS in the coach.

AFS, the Deflection Law , coach.