AFS彎道照明光環境研究

郭鳳群 肖 輝

(同濟大學電子與信息工程學院，上海 201804)

1 引言

近年來，隨著社會經濟的快速發展，人們生活水平得到了很大的提高，家用汽車的數量呈現快速增長的趨勢。在汽車成為人們出行必不可少的交通工具之一的同時，汽車行駛的安全性一度成為大家關心的話題。文獻 ［1］表明，82%的汽車事故發生在夜間照明狀況不佳的情形下;文獻 ［2～4］統計顯示，夜間行車發生重大事故約為白天的1.5倍，且60%的事故發生在照明不佳的彎道處。因為汽車夜間在彎道上行駛時，常常會在彎道內側出現視覺“盲區”，這種視覺“盲區”是汽車行駛過程中由于前照燈照明區域固定而產生的。行駛過程中，駕駛員的視線由于慣性而被禁錮在光束照射的直線范圍內，從而存在交通安全隱患，基于此，“自適應前照燈系統 (AFS)”便應運而生。

AFS(adaptive front-lighting system)是一種能自動改變兩種以上的光型以適應道路狀況、車輛行駛條件以及天氣狀況等外部因素變化的前照燈系統。現有的AFS雖然能夠在一定程度上提高彎道行車的安全性，但該系統存在一定的局限性——明顯滯后、精確度不高等，原因是從駕駛員發現彎道到轉動方向盤有一定的反應時間和滯后時間，如果彎道前方有障礙物，由于駕駛員準備不足，很容易造成事故。因此，傳統的AFS雖然在汽車主動安全領域發揮了重要作用但其局限性也是不容忽視的。基于此，本文提出一種基于CCD(charge-coupled device)的汽車AFS彎道照明系統，該系統利用CCD圖像識別技術，將距車一定距離的彎道信息進行采集，提前按不同的車速和采集到的前方彎道半徑使近光燈進行隨動，實現前照燈光束的預調整，保證進入彎道時前照燈光束的覆蓋區域，避免照明死角的出現。這種方式采用CCD提前對彎道進行光環境適應性調整，彌補了傳統AFS系統明顯滯后以及車燈旋轉角度不足的缺陷，實現車燈的主動旋轉。同時，利用燈光引導駕駛員執行入彎的正確操作，因此基于CCD的AFS彎道照明系統才是一種真正意義的主動式安全系統。

2 道路照明光環境

道路照明是指在道路上設置照明器為夜間行駛的車輛和行人提供必要的能見度。良好的城市機動車交通道路照明可以保障交通安全，提高交通運輸效率，降低駕駛人員視覺疲勞。

CJJ 45—2006《城市道路照明設計標準》中，對機動車交通道路照明標準值進行規定，見表1。

表1 機動車交通道路照明標準值Table 1 Lighting standard of the roadway

從表1可以看出，夜間道路照明環境亮度水平一般在1.5cd/m2，在明視覺 (大于10cd/m2)和暗視覺 (小于0.001cd/m2)之間，因此夜間道路照明處于中間視覺范疇。

由于駕駛員行車過程中，需要辨別前方是否有行人或障礙物，而現在的城市道路或鄉村公路的道路照明依然存在照明不佳的情況，特別是在彎道處，如果照明條件不佳，更容易出現交通事故，所以除道路照明外汽車前照燈的照明對行車安全也是至關重要的。此外，在夜間，由于車輛正前方與周圍環境之間有明顯的亮度對比，人眼經過長時間高度集中于前方道路狀況，容易產生視覺疲勞;同時由于前照燈光束的指示作用，視線容易被約束在光束照射的直線區域。如果前方突然出現彎道，駕駛員的視線將由于視覺暫留現象停留在之前觀察到的直線上而無法對前方道路作出準確判斷，且駕駛員需要一定的反應時間和停滯時間，到駕駛員對彎道做出反應轉動方向盤時，車輛已經進入彎道，如果前方彎道內側出現障礙物，駕駛員將因無法及時作出正確的反應而導致交通事故。

3 汽車AFS彎道照明光環境

前照燈是汽車最重要的外觀件之一，也是最重要的主動安全功能件之一，因此其配光是燈具配光的重點和難點之一。汽車前照燈的配光需滿足:足夠的照度，無眩光，足夠寬的照明范圍。

3.1 汽車前照燈近光配光

GB 4599—1994《汽車前照燈配光性能》對國產M、N類兩類汽車使用的各種類型前照燈配光性能做了明確規定:在配光屏幕上，前照燈近光配光是非對稱形，有明顯的明暗截止線，在左上方為暗區，右下方為亮區。近光配光有兩種形式:一種是在V-V線的左側，明暗截止線為水平線，右側為與水平線向上15°的斜線;另一種為明暗截止線右邊向上成45°斜線至垂直距25cm轉向成為水平的折線，為Z型非對稱配光，如圖1所示。

圖1 Z型非對稱配光示意圖Fig.1 Unsymmetrical light distribution of type Z

GB 25991—2010《汽車用LED前照燈》和GB 4599—2007《汽車用燈絲燈泡前照燈》中規定:前照燈近光配光性能應在距離前照燈基準中心前25m的垂直平面配光屏幕上測量，各測試點、區的位置如圖2所示。

圖2 汽車前照燈配光屏幕示意圖Fig.2 Measuring screen of headlamps

3.2 汽車AFS系統彎道光環境分析

現有的自適應前照燈控制系統是通過車載裝置感知駕駛員轉向操作與行車狀態，獲取方向盤轉角、車速、車身高度等信息，計算車燈偏轉角度，并通過執行機構調整車燈旋轉，為駕駛員提供最佳的彎道照明效果。

圖3(圖片來源于網絡)所示為有無AFS兩種情況下，汽車行駛于彎道時前照燈照明區域的示意圖，圖中上半部分所示，無AFS的汽車進入彎道時，由于前照燈照明光束始終與汽車行駛方向一致，大部分光束投射到右邊區域而導致左邊被投射部分較窄，從而無法照射到左前方障礙物。圖中下半部分所示，有AFS的汽車進入彎道時，前照燈光束能夠順利照亮左前方有障礙物的區域。

圖3 無AFS和有AFS系統的汽車彎道行駛情況比較Fig.3 Comparison of the lighting area of headlamps without AFS and with AFS when driving in the corner

4 基于CCD的AFS彎道照明系統

由于汽車在彎道行駛時，彎道內側容易出現視覺“盲區”，因此為提前得到適應彎道的前照燈光束，本文提出一種基于CCD的AFS彎道照明系統。該系統通過CCD圖像傳感器獲取車輛前方的彎道信息，利用車速傳感器測量當前車輛的行駛速度，以及采用車身高度傳感器獲取車身高度 (車輛質心)變化信息。這些信息通過CAN總線進行傳輸，經控制單元進行信息交互、算法處理后發送至轉角驅動機構以實現車燈角度的旋轉，以適合彎道的前照燈光束進入前方彎道。

4.1 基于CCD的AFS彎道照明系統原理及框架

車輛即將進入彎道時如圖4［5］所示的 A點，在CCD圖像采集的有效距離內，CCD開始采集彎道信息，結合行車速度、車身高度信息，經電控元件對執行機構輸出控制信號，控制電機調節汽車前照燈 (近光燈)的旋轉，使光軸始終與車身保持水平的同時改變照明區域。當汽車到達圖4所示的B點即入彎時，汽車已完成了前照燈光束的調整，汽車以能適應彎道的照明光束進入彎道，避免了“盲區”的出現，提高了行車的安全性。

圖4 彎道示意圖Fig.4 Schematic diagram of driving into the corner

因此，如何設計合理的傳感器檢測方案進行路徑的識別、如何將檢測到的路面信息進行實時處理，進而快、準、穩的控制電機的轉向成為該控制系統的核心［6］。

圖5為該照明系統框圖，該系統由電子控制單元模塊、傳感器模塊、電源模塊、電機驅動模塊和輔助調試模塊組成。從傳感器獲得的彎道半徑、車速、車身高度信息在車載AFS控制單元內進行處理［7］，給出當前最精確的前照燈轉動偏角，以獲取車輛入彎時適宜的照明光束，以達到減少視覺“盲區”的目的。

圖5 基于CCD的AFS彎道照明系統框圖Fig.5 Block diagram of AFS lighting system for corner based on CCD

4.2 車速與停車視距、圓曲線最小半徑“一般值”的關系

汽車在行駛過程中，看到前方出現障礙物或發現前方危機時，最極端的應對措施就是制動。一般情況下，從發現障礙物到踩下剎車到制動器啟動需要1.5s的時間，反應時間內，汽車仍以當前時速行進，因此前燈需要旋轉的角度就是保證此反應時間內制動距離的照明。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。主要包括反應距離、制動距離和安全距離［8］。其對應關系如圖6所示。

圖6 停車視距Fig.6 Stopping sight distance

JTG D20—2006《公路路線設計規范》和JTG B01—2003《公路工程技術標準》中對各級公路每條車道的停車視距和一般圓曲線最小半徑作出明確規定，如表2所示。

表2 汽車車速——停車視距和一般圓曲線最小半徑之間的對應表Table 2 Corresponding relationships of velocity，stopping sight distance and minimum radius of general circular curve

從表2可以看出汽車車速≥100km/h時，道路圓曲線最小半徑的一般值已經超過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500m。因此，選取汽車行駛速度低于100km/h的停車視距設計汽車AFS水平轉角。

根據所給數據的特點，利用MATLAB采用最小二乘法進行二次擬合，即將已知的數據用二次曲線近似地表示出來。即速度與停車視距存在式 (1)所示關系;而圓曲線最小半徑“一般值”與速度的關系如式 (2)所示:

4.3 車燈水平方向旋轉模型

車燈水平旋轉能夠保證在入彎時彎道內側無視覺“盲區”。同時，汽車行駛中，進入彎道時駕駛員轉動方向盤的同時車身會發生旋轉，導致車身前傾，原本與路面保持水平的前照燈光束將產生傾斜，使前方彎道照明區域變窄，而駕駛員由于光線的引導作用，視野將比直道時窄，這對夜間彎道行車安全非常不利。但是這種變化出現在汽車行駛彎道的途中，而無法通過CCD圖像傳感器獲取的彎道信息來提前獲知車輛在彎道行駛時車身高度即將發生的變化。因此，AFS系統中利用車身高度傳感器獲取車身高度 (車輛質心)的變化信息是一種實時狀態而無法提前預知，從而本文只著重研究車燈水平旋轉角度模型并進行仿真。

汽車進入彎道時，以左轉彎為例，正常情況下的光束會在彎道內側出現明顯的視覺“盲區”，如果汽車此時進入彎道，受“盲區”的影響將無法清楚地看清彎道情況，容易發生交通事故。因此，為夜間汽車轉彎時視線范圍內不出現“盲區”，前照燈需要旋轉一定的角度以保證汽車有效制動距離，即需要對轉彎時汽車前照燈 (近光燈)進行調整，使光束能夠照亮彎道內側的“盲區”。

圖7 汽車左轉彎模型Fig.7 Model of turning left

根據圖7［9］，得到汽車前照燈水平旋轉角度計算公式如下:

其中 S——表示停車視距，由式 (1)計算所得;

v——表示車輛當前行駛速度;

R——表示彎道半徑;

R0——表示圓曲線最小半徑“一般值”，由式

(2)計算所得。

根據轉彎方向不同，汽車左右前照燈旋轉角度不同:當車輛右轉彎時，右近光燈旋轉照亮車輛右側道路;當車輛左轉彎時，左近光燈旋轉照亮車輛左側道路［10］。利用MATLAB進行仿真，得到如圖8所示的不同彎道曲率半徑下各速度對應的車燈水平方向旋轉角度情況;圖9所示不同速度下不同彎道曲率半徑對應的車燈水平方向旋轉角度，從圖8所示可知，車燈水平旋轉角度小于15.65度，因此選擇圖9中紅色標注線以下水平旋轉角度小于15.65度的水平旋轉角度、車速和彎道半徑三者之間的關系模型:

圖8 不同彎道曲率半徑下各速度對應的車燈水平方向旋轉角度Fig.8 Level rotation angles corresponding to different velocities under different curvature radiuses

圖10所示為汽車安裝基于CCD圖像傳感器的AFS照明系統后左轉彎示意圖，從圖中可以看出，當汽車在直道上行駛時，即圖中A點所示位置，前照燈光束與車道平行，視野范圍內有足夠的光束照亮前方道路情況;當汽車即將駛入彎道，圖中位置B所示，汽車通過AFS系統提前調整光束使之能適應前方彎道，此時汽車駛入彎道，彎道內側將不再出現視覺“盲區”;出彎時即C點位置，根據前方道路情況，又將光束調整為與車道平行，使之適應車輛直道行駛。

圖9 不同速度下不同彎道曲率半徑對應的車燈水平方向旋轉角度Fig.9 Level rotation angles corresponding to different curvature radiuses under different velocities

圖10 安裝基于CCD的AFS照明系統的汽車左轉彎示意圖Fig.10 Schematic diagram when the vehicle with this new AFS turning left

從圖10可知:該系統通過車速傳感器檢測汽車當前速度，以得到汽車的停車視距S，通過CCD圖像傳感器采集彎道曲率半徑R，從而得到車燈在水平方向上的旋轉角度θ，再通過執行機構——電機(旋轉馬達)對前照燈進行水平方向的旋轉最后得到適應彎道的前照燈照明光束。

5 結束語

目前國內的AFS多數是通過橫向加速度傳感器結合車速計算彎道半徑，而國外的AFS則通過方向盤轉角傳感器結合車速計算轉彎半徑，這兩者方法均存在較大的誤差，對車燈轉角的控制精度相對較低。基于此，本文提出的基于CCD的汽車前照燈控制系統對彎道半徑信息采集的方法明顯優于以上兩種方法，可以根據實時接收到的彎道成像來計算轉彎半徑。一方面，該系統中光軸的偏轉動作是優先于駕駛員轉動方向盤的動作的，主要意義在于可以使燈光主動引導駕駛員視線，體現出了AFS主動化的思想理念、提高車載AFS控制系統的智能化和主動性。另一方面，本文提出的基于CCD圖像識別技術的AFS系統雖然只針對彎道照明，但CCD圖像采集的速率快，也為今后將其用于路面綜合信息的識別提供條件:可以研究出一套可以同時完成對路面積水、轉彎道路、高速公路、鄉村道路和城市道路的綜合識別的主動式AFS系統，該AFS系統對復雜的路況具備提前感知的能力，提前調整相應的配光模式。因此，CCD圖像識別技術憑借其高靈敏度、高抗震性以及低成本將成為汽車AFS未來的一個發展方向。

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