基于單片機(jī)控制的汽車自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)

肖 紅，王洪佩，高 松，郎 華

（山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院，淄博 255049）

0 引言

汽車前照燈是重要的汽車主動(dòng)安全部件，尤其是在夜間行車時(shí)，能夠提供適當(dāng)照明功能，特別是夜間轉(zhuǎn)彎時(shí)，如果不能及時(shí)看到對方來車，往往會(huì)發(fā)生嚴(yán)重交通事故。根據(jù)國外統(tǒng)計(jì)顯示，雖然夜間的車流量不到白天流量的五分之一，但夜間發(fā)生的交通事故，卻超過總發(fā)生事故的四分之一，而其中在彎道造成的交通事故，更是占了大部分[1]。

目前汽車前照燈大都具有固定的照射角度與范圍。當(dāng)汽車夜間在彎道上行駛時(shí)，前照燈無法調(diào)節(jié)前照燈光軸方向，常常會(huì)在彎道內(nèi)側(cè)出現(xiàn)“盲區(qū)”，駕駛員的視線被禁錮在大燈光束照射的直線范圍內(nèi),從而帶來交通安全隱患[2,3]。汽車自適應(yīng)前照燈照明系統(tǒng)（AFS）通過對車速、方向盤轉(zhuǎn)角信號的采集，實(shí)時(shí)的調(diào)整兩側(cè)大燈的照射范圍，使得燈光與汽車的前進(jìn)方向始終一致，確保了駕駛員在任何時(shí)刻都擁有最佳可見度，大大提高了夜間行車安全。在國外汽車AFS已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)引進(jìn)的AFS系統(tǒng)大多為生產(chǎn)商本國道路狀況考慮，且國內(nèi)道路和國外道路差別很大，使得引進(jìn)的汽車AFS系統(tǒng)在國內(nèi)的普及應(yīng)用存在很大的阻力。目前，國內(nèi)對AFS的研究還停留在仿真和實(shí)驗(yàn)階段，自主研發(fā)AFS系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)車批量生產(chǎn)的還沒有出現(xiàn)[4]。

1 汽車自適應(yīng)前照燈的組成及工作原理

汽車自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)包括傳感器模塊、MCU、步進(jìn)電機(jī)、前照燈，如圖1所示。

圖1 汽車自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

自適應(yīng)前照燈的工作原理：當(dāng)車輛進(jìn)入彎道時(shí)，MCU通過采集車速和方向盤轉(zhuǎn)角變化，判斷是否對前照燈進(jìn)行水平調(diào)光，并進(jìn)一步計(jì)算出兩燈在左右方向上的調(diào)節(jié)角度，然后轉(zhuǎn)換成各步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制參數(shù)，控制相應(yīng)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，完成調(diào)光過程。

2 自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)控制模型研究

2.1 線性二自由度汽車模型

我們假定在正常速度范圍內(nèi)，忽略懸架作用，忽略左右輪輪胎由于載荷的變化而引起輪胎特性的變化以及輪胎回正力矩的作用，認(rèn)為汽車只做平行于地面的平面運(yùn)動(dòng)，在這種情況下二自由度汽車模型精度足夠。模型如圖2所示。

圖2 二自由度汽車模型

圖2中汽車前、后軸中點(diǎn)的速度分別為u1和u2，側(cè)偏角為α1、α2，質(zhì)心速度為V，u和v為V在 x軸和y軸上的分量。FY1、FY2分別為地面對前、后輪的側(cè)偏反作用力，δ為前輪轉(zhuǎn)角，a、b為質(zhì)心距前、后輪的距離，為車輛繞軸的橫擺角速度，質(zhì)心的側(cè)偏角為β，β=v/u。

二自由度汽車運(yùn)動(dòng)微分方程如下[5]：

式中k1、k2分別為前、后輪側(cè)偏剛度，m為汽車質(zhì)量，Iz為車輛繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ξ是u1與 x軸的夾角，汽車質(zhì)心絕對加速度沿橫軸oy上的分量為

2.2 前照燈光軸水平方向調(diào)節(jié)模型

當(dāng)汽車在彎道上行駛時(shí)，駕駛員的安全視野應(yīng)該在AFS的調(diào)節(jié)下自動(dòng)適應(yīng)彎道，為了保證彎道行車安全，SAE法規(guī)規(guī)定非對稱光型分布的前照燈系統(tǒng)光束的明暗截止線可調(diào)整為大燈安裝高度的100倍，即L=100×H[6]，式中，H為汽車前照燈中心距地面高度。

圖3中R為汽車轉(zhuǎn)彎半徑，θ為車燈光軸轉(zhuǎn)角，線段AB為車燈的照射距離，其中AB=L。根據(jù)圖3中的幾何關(guān)系可得：

圖3 前照燈光軸水平調(diào)節(jié)模型

汽車由于向心力的作用而轉(zhuǎn)彎，而向心力是由路面和車輪的靜摩擦力提供的，單純的求靜摩擦力是非常困難的。在汽車行駛時(shí)，前后輪側(cè)偏角是很小的。在前后輪側(cè)偏角忽略不計(jì)的情況下通過求解向心加速度來求向心力就變得比較容易。由向心加速度公式不難得到瞬態(tài)轉(zhuǎn)彎半徑

由式(3)、(4)和(5)可知

由式(6)，根據(jù)前照燈光軸轉(zhuǎn)角與車速和方向盤轉(zhuǎn)角的關(guān)系，以及不同道路狀況下的駕駛員的經(jīng)驗(yàn)，擬合出三者之間的關(guān)系曲線，然后取點(diǎn)制成表格，單片機(jī)把采集到的信號進(jìn)行簡單處理后，進(jìn)行查表計(jì)算，得出不同車況下的前照燈光軸轉(zhuǎn)角。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

汽車自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)采用STC12C5A60AD單片機(jī)為控制核心，外圍電路主要有車速信號采集電路、方向盤轉(zhuǎn)角信號采集電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、以及供電和斷電保護(hù)電路等部分組成。

3.1 STC12C5A60AD單片機(jī)

STC12C5A60AD 是STC12 系列單片機(jī), 采用RISC型CPU 內(nèi)核, 兼容普通8051 指令集, 片內(nèi)含有60KB Flash 程序存儲(chǔ)器,1028B RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,具有EPROM功能，同時(shí)內(nèi)部還有看門狗(WDT)；片內(nèi)集成MAX810 專用復(fù)位電路、8 通道10位ADC以及2通道PWM；具有在系統(tǒng)編程(ISP)和在應(yīng)用編程(IAP) ,特別適合電機(jī)控制和干擾較強(qiáng)的場所，并且片內(nèi)資源豐富、集成度高、使用方便。

單片機(jī)的外圍電路包括傳感器的信號輸入、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖輸出信號，電源、復(fù)位和振蕩電路。如圖4所示。單片機(jī)的XTAL1與XTAL2引腳上接石英晶體和微調(diào)電容構(gòu)成振蕩器。C1,C2起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用。

圖4 單片機(jī)最小系統(tǒng)

3.2 車速信號調(diào)理電路

汽車自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)檢測車速值，車速值的檢測是通過霍爾車速傳感器。當(dāng)車輪開始旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾效應(yīng)傳感器開始產(chǎn)生一連串脈沖信號，脈沖的個(gè)數(shù)將隨著車速增加而增加，但位置的占空比在任何速度下保持恒定不變。為了改善波形，在輸入捕獲定時(shí)器管腳外添加調(diào)理電路,對脈沖信號進(jìn)行調(diào)理，這里我們通過穩(wěn)壓、施密特整形以及輸入輸出隔離的方法進(jìn)行處理。如圖5所示。

圖5 車速信號調(diào)理電路

3.3 方向盤轉(zhuǎn)角信號調(diào)理電路

根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理,當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)角發(fā)生變化時(shí)光電編碼器便會(huì)發(fā)出A、B兩路相位差90°的數(shù)字脈沖信號。正轉(zhuǎn)時(shí)A超前B為90°,反轉(zhuǎn)時(shí)B超前A為90°。脈沖的個(gè)數(shù)與角度值成比例的關(guān)系，所以通過對脈沖的計(jì)數(shù)就可以得到方向盤轉(zhuǎn)角的大小。因此本系統(tǒng)對方向盤轉(zhuǎn)角的測量選用EPC-755A光電編碼器作為傳感器，其輸出電路選用集電極開路，這種編碼器體積小，具備良好的使用性能，在角度測量、位移測量時(shí)抗干擾能力強(qiáng)，并具有穩(wěn)定可靠的輸出脈沖信號。考慮到汽車方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)是雙向的，既可順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，也可逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，其最大旋轉(zhuǎn)角度均為兩圈半，選用分辨率為360個(gè)脈沖/圈的編碼器，其最大輸出脈沖為900個(gè)，需要對編碼器的輸出信號進(jìn)行鑒相后才能計(jì)數(shù)。圖6給出了光電編碼器實(shí)際使用的鑒相與雙向計(jì)數(shù)電路，鑒相電路用1個(gè)D觸發(fā)器和2個(gè)與非門組成，計(jì)數(shù)電路用3片74LS193組成[7]。

在系統(tǒng)上電初始化時(shí)，先對其進(jìn)行復(fù)位(CLR信號)，再將其初值設(shè)為800H，即2048(LD信號)；如此，當(dāng)方向盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)電路的輸出范圍為2048～2948，當(dāng)方向盤逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)電路的輸出范圍為2048～1148；計(jì)數(shù)電路的數(shù)據(jù)輸出D0～D11送至數(shù)據(jù)處理電路。

圖6 編碼器鑒相與雙向計(jì)數(shù)電路

3.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)角位移或線位移的執(zhí)行器，可以直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。它的機(jī)械角位移與輸入的數(shù)字脈沖信號有著嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系：即一個(gè)脈沖信號可以使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)前進(jìn)一步，是一種比較理想的執(zhí)行元件。電機(jī)的轉(zhuǎn)速和停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)。控制電機(jī)實(shí)際上就是控制輸入脈沖序列，使步進(jìn)電機(jī)按照預(yù)定方向旋轉(zhuǎn)需要的轉(zhuǎn)角。

本系統(tǒng)使用的是兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，步距角為1.8°，工作頻率為200-1000Hz。它作為一種電脈沖到角位移的轉(zhuǎn)換元件，有價(jià)格低廉，易于控制，無積累誤差、輸出力小、響應(yīng)速度快、可以調(diào)節(jié)、壽命長、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。為了使步進(jìn)電機(jī)能夠輸出足夠的功率，單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖信號還需要進(jìn)行功率放大。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路一般由兩部分組成，一部分是環(huán)形脈沖分配器，它決定步進(jìn)電機(jī)各相繞組的通電順序。本設(shè)計(jì)采用的日本SANYO（三洋）公司生產(chǎn)的PMM8713環(huán)形脈沖分配器與ST公司生產(chǎn)的L6506與L298N步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。

圖7 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3.5 電源及斷電保護(hù)電路

汽車蓄電池提供12v左右的電源,而該控制系統(tǒng)需要兩路電源：+5v和+12v電源。5v電源用于給STC12C5A60AD單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片（L6506）和車速、方向盤轉(zhuǎn)角信號調(diào)理電路等供電，12v電源給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片(L298N)等供電。考慮到成本和易購性,我們選用LM78H05芯片作為電源轉(zhuǎn)換芯片。為了在掉電的時(shí)候可以及時(shí)地保存數(shù)據(jù)，在電源地輸入端加一個(gè)1000F的電解電容，當(dāng)電源斷開的時(shí)候，大電容可以維持單片機(jī)電源足夠長的時(shí)間，使得單片機(jī)可以完成外部中斷的服務(wù)程序。

圖8 電源與斷電保護(hù)電路

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí)采用1ms定時(shí)中斷采集，每次中斷到來時(shí)采集傳感器信號。當(dāng)所得傳感器信號滿足指定條件，則將有效數(shù)據(jù)保留，查表計(jì)算，得出目標(biāo)位置，將目標(biāo)位置與所設(shè)定條件進(jìn)行對比，找到滿足條件的目標(biāo)位置，將目標(biāo)位置轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)步數(shù)，發(fā)出步進(jìn)脈沖信號，帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)位置。汽車彎道自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)能夠在±15°的角度之內(nèi)擺動(dòng)，以幫助駕駛員

更好的適應(yīng)彎道狀況。主程序流程圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總流程圖

5 結(jié)論

本文研究了汽車彎道自適應(yīng)照明系統(tǒng)的控制原理，建立了AFS系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并給出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，整個(gè)系統(tǒng)由傳感器模塊、信號調(diào)理電路模塊、中央控制器模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源及斷電保護(hù)模塊這五個(gè)模塊組成。闡述了系統(tǒng)中各個(gè)硬件性能及軟件算法。經(jīng)試驗(yàn)測試表明，本系統(tǒng)達(dá)到了夜間農(nóng)用車、貨車彎道自適應(yīng)照明系統(tǒng)性能要求、對于改善彎道自適應(yīng)照明效果、提高夜間行車安全性具有重要的參考價(jià)值。同時(shí)，在今后的開發(fā)和設(shè)計(jì)過程中自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)還可以從以下三個(gè)方面研究。

1）借助GPS，使得系統(tǒng)能夠提前預(yù)知道路狀況，并提醒駕駛員做好準(zhǔn)備，將更有利于行車安全。

2）將AFS系統(tǒng)與LED相結(jié)合，將降低成本和減少功耗。LED具有高效、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。

3）適應(yīng)于不同環(huán)境的AFS系統(tǒng)也是未來汽車前照燈發(fā)展的主要趨勢，雖然已經(jīng)有些國外汽車已經(jīng)使用這種系統(tǒng)，但是該技術(shù)還是不成熟，有待于進(jìn)一步的研究。

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