汽車AFS系統車燈轉角模型研究

摘要：為了提高汽車夜間行駛的安全性，對汽車前照燈的動態性能進行研究是很有意義的。以汽車的前輪轉向角、車速為基礎，以汽車的停車視距為依據，建立了汽車前照燈系統水平轉角的動態數學模型，得出了車燈轉角與前輪轉向角、汽車車速之間的關系，并通過Matlab/Simulink進行了仿真。仿真結果取得了良好的預期效果，對汽車主動安全系統的進一步完善有著一定的參考價值。

關鍵詞：汽車主動安全;停車視距;阿克曼轉向幾何;數學模型

中圖分類號：U463.65 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）05-0020-04

Study on Model of Vehicle Light Steering Angle of AFS System

MENG De-liang1，HAN Jun-feng2，PAN Sheng-hui1，HE Run-dong1，ZHANG Yu-yang3

（1.Department of Information and Control Engineering，Guangxi University of Technology，Liuzhou 545006，China；

2.Department of Electrical Engineering， Guangxi Technological College of Machinery and Electricity，Nanning 530007，China；3.Jining Power Supply Company，Jining 272000，China）

Abstract:In order to improve the safety of car driving at night， the study of dynamic performance to automobile lamps is very meaningful. Based on the front wheel steering angle，car speed and the basis of car parking stadia，the dynamic mathematical model of the Auto lamp level corner is simulated through Matlab/Simulink.Through the results，we can conclude the relationship among the headlight angle，the front wheel steering angle and the speed of the car. The simulation results obtained good effect and have the certain reference value to active safety system further perfect.

Key words: active safety；car parking stadia；ackermann steering geometry；mathematical model

汽車行駛的安全性一直以來是人們比較關心的話題。夜間是交通事故的高發期，據統計，自汽車問世以來，全世界已有3 000多萬人死于交通事故，82%的交通事故發生在夜間照明不佳的情況下，比例為白天的1.5倍 ［1，2］。車燈是汽車夜間行駛的眼睛，在汽車的主動安全領域發揮著重要的作用。因此，改善汽車夜間行駛的照明效果可以有效地降低交通事故的發生率。通常汽車的前照燈不論亮度如何都有一定的照明范圍，當在夜間行駛特別是在轉彎的時候會因為照明光線固定而出現一定的“盲區”，這會在一定程度上影響行車的安全，所以“自適應前照燈系統AFS（adaptive front-light system）”就應運而生了。AFS是指能自動改變光線射向以適應車輛行駛條件的前照燈系統［3］。在汽車行駛的過程中，它能夠根據行車速度、轉向角度等自動調節大燈的偏轉角度，以便能夠提前照亮“未到達”的區域，提供全方位的安全照明，給駕駛員以最佳的視覺效果，確保夜間轉彎行車的安全。而要想較好地實現AFS的功能，車燈轉角動態數學模型的建立是非常關鍵的部分，直接影響其控制效果。本文以汽車車速、前輪轉角為基礎，以汽車的停車視距為依據，對汽車AFS系統車燈水平轉角模型進行研究。

1 停車視距

駕駛員在行駛過程中，看到同一車道上前方的障礙物時，從開始制動至到達障礙物前安全停車的最短距離，稱為停車視距。它主要包括反應距離、制動距離和安全距離三部分。反應距離與制動距離構成了汽車的安全制動距離。如圖1所示。

圖1 停車視距示意圖

停車視距：

ST=S1+S2+S0（1）

汽車的安全制動距離：

Sf=S1+S2（2）

大多數的汽車AFS系統車燈水平轉角的控制是以汽車的安全制動距離為依據的。而由圖1可知，汽車的停車視距大于其安全制動距離，因此，選擇停車視距為汽車AFS的彎道幾何照明距離具有更高的安全性。我國《公路路線設計規范》（JTG D20－2006）7.9.1對各級公路每條車道的停車視距作了明確規定，如表1所示。

表1 汽車車速—停車視距之間的對應表

由于規范中給出的對應關系是離散的，而實際中車速的變化是連續的，因此，與之對應的停車視距也應該是連續變化的。為了得到它們之間的函數關系，就需要通過表中所給的數據進行曲線擬合。最小二乘法是最常用的一種曲線擬合方法［4，5］，它是一種數學上的近似和優化，利用已知的數據得出一條直線或者曲線，使之在坐標系上與已知數據之間的距離的平方和最小。根據所給數據的特點，可對其進行二次擬合，即將已知的數據用二次曲線近似地表示出來。擬合結果如式（1）所示：

ST=0.94v2+0.6057v+3.1730（3）

式中，v為汽車車速。

2 車輛轉向規律分析

車輛在轉向行駛時須沿著一個轉向中心旋轉，這樣可以保證各車輪在轉向行駛中與地面保持純滾動而無滑動現象［6］。此轉向中心稱為汽車的瞬時轉向中心。當車輛低速轉向行駛時，兩前輪轉向角的延長線與后輪的輪軸延長線的交點即為汽車的瞬時轉向中心，這種關系稱為阿克曼轉向幾何。如圖2所示。

圖2 阿克曼轉向幾何關系

由圖所示的幾何關系可知：

=，=

則有：

R=（4）

式中，、分別為汽車內、外側前輪轉向角；B為汽車輪距，即兩側主銷軸線與地面相交點之間的距離；R為轉彎半徑，即外側前輪至瞬時轉向中心O點的距離；L為汽車的軸距。

3 水平轉角的計算

根據圖3所示，由文獻［7］可得：

＝９０/S1（#8226;R）≤maxmax ＞max（5）

max= 22.33° R≤30180°×arccos（1-hmax/R）/ 30≤R≤256.623180°×arcsin（50H/R）/ 256.623≤R≤500（6）

式中，S1為汽車AFS的彎道幾何照明距離；R表示汽車的轉彎半徑；hmax為汽車車燈光軸分割汽車行駛軌跡所形成的劣弧最大高度；為車燈水平轉角；H為汽車車燈安裝高度；max為車燈水平轉角的最大值。

聯立（3）、（4）和（5），取S1=ST可得：

式（8）反應了汽車前照燈水平轉角與汽車軸距、外側前轉向輪轉角之間的關系，由于水平行駛時汽車的軸距和車燈安裝高度為固定值，因此，汽車在轉向行駛時車燈的水平轉角僅與汽車車速和前向輪轉角有關。最大極限角度是根據ECE法規和《國家公路工程技術標準》對于道路轉彎處圓曲線最小半徑極限值的規定以及城市道路照明設計標準的規定得出的，由于汽車轉彎半徑越小，其行駛速度越低，當汽車行駛的轉彎半徑小于30 m時，隨汽車AFS轉角增大而增大的彎道幾何照明距離對提高汽車夜間轉彎行駛安全意義不大［7］，因此，設計車燈轉角的最大極限角度為轉彎半徑30 m時的角度。

根據《公路工程技術標準》（JTG B01－2003）3.0.14的規定，設計速度為100 km/h時，圓曲線最小半徑的一般值為700米，已經超過了ECE R48法規規定的汽車車燈轉彎模式開始工作時的最大轉彎半徑500米。因此，當汽車行駛速度超過100 km/h時，AFS系統不工作，只有汽車行駛速度低于100 km/h時，AFS系統才按照式（8）所表述的轉向規律調整車燈的水平轉角。

4 模型仿真

以上汽通用五菱公司生產的寶駿630-1.5MT轎車（L=2.64m，H=0.7m）為例，取hmax=2.25m，對模型（7）、（8）進行仿真［8］，車燈水平轉角與車速及前輪轉向角的關系如圖4所示。

圖4 AFS水平轉角模型仿真效果圖

由仿真結果可知，當汽車前輪轉向角度較小時，車燈轉角隨車速變化曲線的斜率較小，車燈轉角的變化范圍不大；隨著汽車前輪轉向角度的增大，車燈轉角隨車速變化曲線的斜率逐漸增大，在未到極限角度的情況下，車燈轉角的變化范圍也逐漸增大。前輪轉向角固定，車速越快，車燈的水平旋轉角度越大；相同車速的情況下，前向輪轉角越大，車燈的水平轉角越大；當車燈轉角超過規定的極限角度時，車燈轉角取最大極限角度。

5 結論

主要是以汽車的停車視距為依據，對汽車水平轉角與汽車車速、外側前輪水平轉角之間的關系進行分析，建立相應的動態數學模型，得出了車燈轉角與前輪轉向角、汽車車速之間的關系，并以上汽通用五菱公司最新下線的寶駿630-1.5MT轎車為例通過Matlab/Simulink進行了仿真，仿真結果驗證了模型的合理性，對汽車主動安全系統的不斷完善具有一定的參考價值。

參考文獻：

［1］ 王維鋒，吳青，呂植勇，等.基于彎道模式的自適應前照燈控制建模及仿真［J］.武漢理工大學學報，2009，31（5）:70-74.

［2］ 袁慧彬.汽車車燈智能控制技術［D］.成都：電子科技大學，2006.

［3］ 陳金游，張衛波.智能前大燈系統（AFS）的應用［J］.福建工程學院學報，2008，（12）:137-140.

［4］ 陳建林.基于駕駛模擬器的汽車AFS系統控制策略研究［D］.武漢：武漢理工大學，2009.

［5］ 李言俊，張科.系統辨識理論及應用［M］.北京:國防工業出版社，2006.

［6］ 許洪國，高延齡.汽車理論（第一版）［M］.北京:人民交通出版社，2009:122-127.

［7］ 李禮夫，鄧前.汽車自適應前照燈轉彎模式的數學模型研究［J］.汽車技術，2010，（10）:43-45.

［8］ 張德豐.MATLAB/Simulink建模與仿真實例精講［M］.北京:機械工業出版社，2010.