汽車自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)AFS的控制策略研究

杜小芳　趙永浩　徐文婷　薛　亮

(現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(武漢理工大學(xué))1)　武漢　430070)　(汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)作中心2)　武漢　430070)　(卡達(dá)克機(jī)動(dòng)車質(zhì)量檢驗(yàn)中心(寧波)有限公司3)　寧波　315336)

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汽車自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)AFS的控制策略研究

杜小芳1,2)趙永浩1,2)徐文婷3)薛亮1,2)

(現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(武漢理工大學(xué))1)武漢430070)(汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)作中心2)武漢430070)(卡達(dá)克機(jī)動(dòng)車質(zhì)量檢驗(yàn)中心(寧波)有限公司3)寧波315336)

為解決汽車AFS啟動(dòng)條件和控制算法存在的問題，通過分析汽車前照燈二自由度動(dòng)力學(xué)模型，得到了汽車前照燈偏轉(zhuǎn)角度計(jì)算公式.根據(jù)分析2種不同的車燈等照度包絡(luò)曲線得到了汽車AFS啟動(dòng)條件控制模型，并對(duì)其控制算法進(jìn)行了研究，推導(dǎo)出了改進(jìn)遺傳算法的相關(guān)參數(shù).并在MATLAB/Simulink平臺(tái)創(chuàng)建AFS建模進(jìn)行仿真分析.仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的控制算法能有效地控制超調(diào)量且能提高AFS開啟時(shí)刻控制的準(zhǔn)確度.

自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)；控制算法；汽車AFS啟動(dòng)條件；二自由度動(dòng)力學(xué)模型；仿真

0　引　　言

自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)(adaptive front-lighting system，AFS)是一種由傳感器組、傳輸通路、電控單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的系統(tǒng)，能夠根據(jù)行車方向、速度及天氣狀況的變化將前照燈燈光進(jìn)行自動(dòng)光照調(diào)節(jié)，使駕駛員獲得更好的視覺效果.在國(guó)外AFS技術(shù)已趨于成熟，然而國(guó)內(nèi)對(duì)汽車AFS的研究還處于初級(jí)階段，主要是以技術(shù)引進(jìn)消化為主，還沒有形成自己的核心技術(shù)[1-2].

文中基于汽車二自由度動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合停車視距，建立了汽車轉(zhuǎn)向時(shí)的AFS數(shù)學(xué)模型.同時(shí)對(duì)汽車AFS啟動(dòng)條件與其控制算法進(jìn)行了深入的研究分析，并通過MATLAB/Simulink進(jìn)行了建模仿真分析，驗(yàn)證所建數(shù)學(xué)模型的正確性和可行性.

1　二自由度汽車動(dòng)力學(xué)模型

轉(zhuǎn)彎半徑是決定AFS系統(tǒng)中車燈轉(zhuǎn)角大小的一個(gè)重要因素，根據(jù)汽車?yán)碚摽芍猍3]，當(dāng)汽車處于轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)可用其線性二自由度汽車模型來(lái)分析.下面基于二自由度汽車動(dòng)力學(xué)模型來(lái)分析求解車輛的轉(zhuǎn)彎半徑.

將汽車的4輪簡(jiǎn)化為2輪模型，見圖1.圖2為汽車運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系.

圖1　二自由度汽車模型

由圖1中直角△O′BD與直角△O′AD可得

由于α2，ξ較小，故可認(rèn)為tanα2=α2，tanξ=ξ，且圖1中角度關(guān)系為ξ=δ-α1，可得轉(zhuǎn)彎時(shí)的半徑計(jì)算公式為

式中：α1-α2為向心加速度αy的函數(shù)

(2)

將式(2)代入式(1)得

(3)

式中：K為汽車的穩(wěn)定性因數(shù).

圖2　汽車運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系

由圖2可得，向心加速度的表達(dá)式為

(4)

根據(jù)圖1所示，由牛頓第二定律和轉(zhuǎn)動(dòng)定律建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解ωr為

(5)

由式(6)消去β可得

(7)

所以將式(7)代入式(3)后可建立R關(guān)于v與δ的關(guān)系式為

(8)

式中：A=L2k1k2cosδ+ak1mv2cosδ-bk2mv2

2　AFS系統(tǒng)前照燈轉(zhuǎn)角模型

2.1汽車前照燈轉(zhuǎn)角

汽車前照燈轉(zhuǎn)角模型見圖3.根據(jù)圖3中幾何關(guān)系可得前大燈偏轉(zhuǎn)角度計(jì)算公式為

(9)

圖3　汽車左轉(zhuǎn)彎前照燈水平調(diào)節(jié)模型

2.2AFS啟動(dòng)時(shí)刻分析

汽車AFS的啟動(dòng)時(shí)刻控制的準(zhǔn)確度，對(duì)于提高AFS系統(tǒng)性能，延長(zhǎng)AFS系統(tǒng)的使用壽命具有重要意義，但是目前對(duì)AFS系統(tǒng)的研究并未涉及本領(lǐng)域，故文中通過車燈兩種不同的等照度曲線對(duì)AFS的啟動(dòng)時(shí)刻做了深入的研究分析.

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)城市路面照明的規(guī)定，認(rèn)為5 lx的照度范圍以內(nèi)是駕駛員的可見范圍，然而汽車照明國(guó)際上通用的駕駛員可見范圍為3 lx等照度包絡(luò)曲線.因此，本文分別選用5 lx與3 lx 2種不同的等照度曲線進(jìn)行了建模仿真分析，來(lái)選擇最優(yōu)的等照度曲線來(lái)進(jìn)行控制策略制定.車燈的等照度包絡(luò)曲線可通過Lucidshape車燈仿真軟件中得到見圖4，并可使用繪圖軟件繪出，圖5為3 lx等照度曲線示意圖.

圖4　H7燈泡在道路上的等照度包絡(luò)曲線圖

圖5　未來(lái)5 s汽車行駛軌跡與3 lx等照度包絡(luò)線關(guān)系示意圖

以汽車左轉(zhuǎn)為例來(lái)進(jìn)行分析，當(dāng)汽車進(jìn)行左轉(zhuǎn)時(shí)，汽車未來(lái)5 s行駛過的路線需要在3 lx車燈等照度曲線內(nèi).若未來(lái)5 s后汽車的位置位于A點(diǎn)，則前大燈不需發(fā)生偏轉(zhuǎn)就能滿足駕駛員對(duì)燈光的要求；若未來(lái)5 s后汽車的位置位于A′點(diǎn)，則前大燈需要偏轉(zhuǎn)才能滿足駕駛員對(duì)燈光的要求；因此未來(lái)5 s后汽車的位置位于3 lx等照度曲線包絡(luò)線上時(shí)，即是汽車AFS的啟動(dòng)時(shí)刻.該種控制算法能夠充分利用原有燈光光照強(qiáng)度，提高了汽車AFS系統(tǒng)的性能.

3 lx等照度曲線方程可從圖4中的3 lx等照度曲線上找出20個(gè)點(diǎn)，并進(jìn)行曲線擬合見圖6.其決定系數(shù)R2=0.970 1，可見擬合精度已經(jīng)非常高，所得到的擬合方程為

f(x)=a1x6+a2x5+a3x4+a4x3+a5x2+a6x+b

(10)

式中：a1=-7.408×10-10,a2=3.439×10-7,a3=-6.162×10-5,a4=0.005,a5=-0.235,a6=4.810,b=-17.572

圖6　擬合點(diǎn)和方程之間的關(guān)系

同理可得5 lx等照度曲線的擬合方程為

式中：a1=-3.725×10-10,a2=1.771×10-7,a3=-3.262×10-5,a4=0.003,a5=-0.132,a6=2.767,b=-10.148

將A點(diǎn)坐標(biāo)代入式(10)中，即可得到AFS系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)刻時(shí)的車速與車輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線.

2.3安全視距分析

Dario等[4]在研究了駕駛員的前視行為以后，定義以行駛車速計(jì)算，未來(lái)3～5 s內(nèi)車輛可以運(yùn)動(dòng)到的范圍為駕駛員實(shí)際的觀察范圍.其中，車速與停車視距和5 s汽車行駛的距離之間的關(guān)系見圖7.可得汽車停車視距與5 s汽車行駛的距離相當(dāng)接近.因此，汽車前大燈能夠照亮5 s后汽車行駛到的位置，就可以保證安全制動(dòng).所以，汽車安全停車視距為

S=5v/3.6

(11)

將式(8)、式(11)代入式(9)可得前大燈水平轉(zhuǎn)角計(jì)算公式為

(12)

式中：A=L2k1k2cosδ+ak1mv2cosδ-bk2mv2

圖7　停車視距與5 s內(nèi)汽車行駛的距離比較

3　控制算法分析

PID算法是工業(yè)上最常用的控制算法，能滿足大多數(shù)使用要求，因此選用PID控制算法[5-6].遺傳算法可以方便地將經(jīng)驗(yàn)值量化以后，進(jìn)行計(jì)算，此種控制方式是近年來(lái)的一種趨勢(shì)，這在一些難以建立精確模型的情況下尤其適用，而且在線自整定的參數(shù)，可以很好地避免因?yàn)橥蝗坏母蓴_信號(hào)而導(dǎo)致的振蕩.

每次拋填片石、黏土高度應(yīng)超出溶洞頂至少3m，以5～10m為宜，然后用鉆錘進(jìn)行反復(fù)沖砸，沖砸過程中不取渣，控制泥漿面高出地下水位1～2m。溶洞填充開始階段，鉆錘以低錘密擊為宜，首次填充的片石黏土比較容易散入溶洞內(nèi)，錘擊時(shí)密切注意錘頭位置，以不破入溶洞內(nèi)為宜，切忌放空繩，避免卡錘。首次填充片石黏土壓入溶洞內(nèi)后，再繼續(xù)拋填、錘擊，反復(fù)多次，根據(jù)每次錘擊進(jìn)尺深度判斷填充物壓實(shí)度，待錘擊進(jìn)尺較困難時(shí)，繼續(xù)拋填，適當(dāng)采取較大沖程進(jìn)行高錘重?fù)簦瑢⑷芏磧?nèi)填充物繼續(xù)向外強(qiáng)擠，形成較大范圍的擠密圓臺(tái)體。反復(fù)回填并沖砸，直至高錘重?fù)粝禄緹o(wú)進(jìn)尺，再持續(xù)沖砸20～30錘，可視為溶洞段填充基本密實(shí)，可以開始取渣鉆進(jìn)。

遺傳算法主要是用生成基因、檢測(cè)適應(yīng)度這個(gè)方法來(lái)進(jìn)行運(yùn)算，其主要步驟為：(1)生成編碼；(2)產(chǎn)生一組初始種群；(3)對(duì)染色體進(jìn)行所選算法的計(jì)算，直至滿足預(yù)設(shè)條件；(4)算法結(jié)束，輸出一個(gè)結(jié)果.

用改進(jìn)的遺傳算法進(jìn)行PID參數(shù)整定[7]，分別用十位二進(jìn)制數(shù)編碼串起來(lái)表示3個(gè)需要決策的變量KP，KI，KD的數(shù)值大小，則基因的長(zhǎng)度為30位.初始種群大小為M=50，迭代次數(shù)為300次.選擇算法為適應(yīng)度比例法，變異率、交叉率計(jì)算公式為

目標(biāo)函數(shù)為

4　建模仿真與結(jié)果分析

利用MATLAB平臺(tái)創(chuàng)建彎道模式下的汽車AFS系統(tǒng)模型[8]，其整車參數(shù)以某款車型的動(dòng)力學(xué)基本參數(shù)進(jìn)行仿真，見表1.

表1　整車參數(shù)取值表

4.1控制算法分析

分別對(duì)改進(jìn)遺傳算法和簡(jiǎn)單PID算法進(jìn)行了建模仿真分析，仿真結(jié)果見圖8.

圖8　改進(jìn)遺傳算法與PID算法控制效果對(duì)比圖

由仿真結(jié)果表明，PID算法自整定的控制效果并非較好，其超調(diào)量較大，這在很多場(chǎng)合是不被允許的，但是改進(jìn)遺傳算法自整定的控制效果非常好，超調(diào)量較小或者沒有超調(diào)，且反應(yīng)速度也較快.這是非常理想的控制參數(shù)，故采用該控制參數(shù)進(jìn)行仿真分析.

4.2AFS啟動(dòng)時(shí)刻建模仿真分析

在2.2中已對(duì)AFS啟動(dòng)條件進(jìn)行了相關(guān)分析研究，將A點(diǎn)坐標(biāo)表達(dá)式代入f(x)方程即可得到汽車AFS啟動(dòng)條件關(guān)系曲線，見圖9.

圖9　汽車AFS啟動(dòng)條件關(guān)系曲線

仿真結(jié)果表明，當(dāng)車速與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)在曲線下方時(shí)，汽車AFS系統(tǒng)不需進(jìn)行偏轉(zhuǎn)即可滿足駕駛員對(duì)燈光的要求，而當(dāng)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)位于曲線上方時(shí)，需啟動(dòng)AFS系統(tǒng)來(lái)偏轉(zhuǎn)前大燈才能滿足駕駛員對(duì)燈光的要求.

分別對(duì)3 lx等照度光照曲線和5 lx等照度光照曲線進(jìn)行了仿真分析，其仿真結(jié)果見圖10.

圖10　3種不同初始條件模型下車燈轉(zhuǎn)角

分析仿真結(jié)果可得，在輸入信號(hào)相同的情況下，文獻(xiàn)中初始條件曲線從開始就進(jìn)行了偏轉(zhuǎn)，5 lx初始條件曲線在1.3 s時(shí)刻進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，而3 lx初始條件曲線在1.8 s時(shí)刻才進(jìn)行了偏轉(zhuǎn).但是，在0～1.8 s時(shí)間段，前大燈光照強(qiáng)度范圍仍能滿足駕駛員對(duì)夜間照明強(qiáng)度的要求，可以保證汽車夜間行駛的安全性，沒有必要開啟汽車AFS系統(tǒng)；而對(duì)于5 lx初始啟動(dòng)條件和文獻(xiàn)中初始條件而言，雖能對(duì)AFS系統(tǒng)啟動(dòng)條件進(jìn)行初步控制，但不能很準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)AFS開啟時(shí)刻，不能最大程度上提高原有燈光利用率，增加了AFS系統(tǒng)的使用頻率.相對(duì)而言，對(duì)于3 lx初始條件，可以較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)AFS開啟時(shí)刻，較好的提高了AFS系統(tǒng)性能，使AFS使用壽命延長(zhǎng).

4.3汽車AFS系統(tǒng)的建模仿真分析

在Simulink平臺(tái)創(chuàng)建基于遺傳算法的仿真模型，見圖11.打開Simulink界面后，在模塊庫(kù)中選擇相對(duì)應(yīng)的模塊，并將所選的模塊拖拽到M文件中，連接好后即得到汽車AFS的仿真模型，見圖11.其中，Subsystem為汽車轉(zhuǎn)彎半徑計(jì)算模塊，Subsystem1為汽車AFS起始條件設(shè)定模塊，Subsystem2為改進(jìn)遺傳算法模塊.

圖11　汽車AFS仿真模型

設(shè)置車速變化范圍為10～80 km/h，方向盤轉(zhuǎn)角范圍為60～120°，仿真時(shí)間為10 s的初始條件，其仿真結(jié)果見圖12.

圖12　2種不同初始條件模型下車燈轉(zhuǎn)角

在2.2 s時(shí)刻文獻(xiàn)中所述的初始條件前大燈才開始偏轉(zhuǎn)，3 lx初始條件前大燈在開始仿真時(shí)就進(jìn)行了相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)；而在0～2.2 s時(shí)間段，未偏轉(zhuǎn)情況下的前大燈光照強(qiáng)度并不能滿足未來(lái)5 s后駕駛員對(duì)光照強(qiáng)度的要求，增加了夜間彎道行車時(shí)的安全隱患，降低了AFS系統(tǒng)的性能，失去了使用AFS系統(tǒng)的意義.而對(duì)于3 lx初始條件，可以及時(shí)啟動(dòng)AFS系統(tǒng)，使前大燈進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠D(zhuǎn)來(lái)滿足駕駛員對(duì)燈光強(qiáng)度的要求，保證了汽車夜間行駛的安全性，所以對(duì)汽車AFS系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)刻進(jìn)行準(zhǔn)確的控制是非常重要的.

5　結(jié) 束 語(yǔ)

在基于二自由度動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分析得到了與車速、方向盤轉(zhuǎn)角、整車參數(shù)相關(guān)的前大燈偏轉(zhuǎn)角度計(jì)算公式，然后對(duì)其控制算法與根據(jù)2種不同的等照度曲線設(shè)定的AFS啟動(dòng)條件進(jìn)行了相關(guān)的研究分析，得到了較為準(zhǔn)確的汽車AFS系統(tǒng)控制策略.

在MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)，運(yùn)用改進(jìn)遺傳算法，對(duì)本文所研究的控制策略進(jìn)行了建模仿真分析，驗(yàn)證了所建立模型與控制策略的正確性和有效性.本文為汽車AFS的研究提出了一種新的思路，希望對(duì)今后的AFS研究提供一定的參考價(jià)值.

[1]遲海濤.自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)仿駕駛員預(yù)瞄行為的彎道照明算法研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2012.

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Research on Control Strategy in Automotive Adaptive Front Lighting System

DU Xiaofang1,2)ZHAO Yonghao1,2)XU Wenting3)XUE Liang1,2)

(HubeiKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyforAutomotiveComponents,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)1)(HubeiCollaborativeInnovationCenterforAutomotiveComponentsTechnology,Wuhan430070,China)2)(CATARCAutomotiveQualityInspectionCenter(Ningbo)Co.,Ltd.,Ningbo315336,China)3)

In order to solve the problems existing in the automotive AFS starting condition and control algorithm, the calculating formula of the vehicle headlight adjusting angle can be obtained by analyzing the two-freedom vehicle dynamic model. According to the analysis of the two different illumination envelope curves of the car lights, the AFS staring condition control model is obtained and its control algorithm is studied deeply. In addition, the related parameters of the improved genetic algorithm are deduced. Besides, simulations are performed by building AFS model in the MATLAB/Simulink platform. The simulation results show that the improved control algorithm can effectively control the overshoot and accurately determine the time of AFS start, which has important significance to the improvement of the safety of night driving.

AFS; control algorithm; automobile AFS starting condition; two-freedom dynamic model; simulation

2016-06-05

U463.65+1

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.04.016

杜小芳(1973- ):女，博士生，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)槠囓嚿砼c汽車動(dòng)力學(xué)