汽車前照大燈應用發展探討

梁健龍 梁立君,2 陳然 謝奕翔 馬海倫 周磊 羅德智 關圳

1天津工業大學電氣工程與自動化學院，天津300387

2天津工業大學大功率半導體照明應用系統教育部工程研究中心，天津300387

0 引言

汽車前照大燈一般指安裝于汽車頭部兩側，用于夜間行車時提供照明的一種裝置，可以擴大司機的視野范圍，提高駕乘人員以及行人安全。社會的發展與進步對汽車廠商制造的前照大燈提出了更加嚴苛的設計使用要求，既要有良好的照明范圍滿足配光要求、避免使迎面來車駕駛員產生眩光，又要安全、節能、可靠。汽車作為高科技融合的一種產物，先進性、智能化程度越來越高，汽車前照大燈的技術水平往往代表著一款汽車的安全性和品質如何提供更加安全可靠、節能舒適的前照大燈系統，是未來業界繼續研究的重點。汽車前照大燈一般集成了遠光燈、近光燈、轉向燈、日行燈、示寬燈、霧燈光源系統中的兩種或多種，而設計師對車燈的設計也日趨個性化、一體化，極大地提高了汽車品牌的辨識度。

1 光源的應用與發展

汽車前照大燈使用的光源類型大致歷經了白熾鎢絲燈、鹵素燈、氙氣燈、LED燈。白熾鎢絲大燈應用最早，由于受當時汽車電氣設備系統的制約，直到1925年才在汽車上廣泛應用，目前已被淘汰使用。鹵素大燈和氙氣大燈技術成熟、應用廣泛，鹵素大燈種類較多，其中H1、H2、H3是汽車主要光源，H8、H9、H11是新型鹵鎢汽車光源的代表，它們在燈具內定位更精確。氙氣大燈發光強度大，相關色溫更高，可為駕駛員創造更好的視覺條件。LED光源憑借節能、體積小、壽命長等諸多優點發展迅速，其在中高端汽車上應用較多。繼LED大燈后，有學者預測激光燈為前照大燈未來應用的新方向，它擁有LED絕大部分的優點，相比之下體積更小，可大幅度減小汽車大燈的設計尺寸，但目前在汽車大燈上的應用極少。幾種光源類型的對比見表1[1-2]。

表1 汽車前照大燈光源類型

傳統燈具發熱量非常高，但波長和光通量相對穩定，受溫度的影響較小；LED大燈目前雖然應用較多，但LED光源受溫度影響較大，隨著PN結結溫的升高，會引起發光效率下降、色溫漂移，直接影響汽車大燈的可靠性。汽車前照大燈光源的發展與應用助推了汽車車燈設計的多樣化、智能化，這為設計師們提供了更多可能，汽車前臉的設計將產生革命性變化。隨著新能源汽車的應用與發展，對大燈的光源選擇也提出了更高的要求，需要更加節能環保的光源，以降低汽車能耗，提高續航里程，這也助推了LED前照大燈、激光前照大燈的研究與應用。

2 汽車前照大燈技術的應用與發展

由于道路環境復雜，受自然天氣影響較大，特別是大霧、雨雪、沙塵天氣，夜晚黑暗環境下高速路段、彎道路段、路口及多路口路段等都需要可靠的汽車照明。現今汽車前照大燈的發展除了滿足功能性照明、提高安全降低交通事故率外，已逐步向更加安全舒適、智能可靠、提高駕乘體驗方向快速發展。然而，自適應前照燈系統(AdaptiveFrontLightingSystemAFS)是目前在車燈照明上應用較多的一種技術[3-4]，它能夠根據不同的天氣條件、道路情況、道路幾何狀態、車流密度等，來改變光照的形狀、相對強度以及照射的方向[5-6]。如前照燈彎道自適應技術、矩陣式 LED大燈光束自動調節技術、防炫目前照大燈自動調節技術等。AFS系統的使用不單單是為了實現智能化、方便駕駛，更主要的是出于安全考慮，以便應對復雜的道路交通環境。

2.1 機械式前照燈系統

傳統的前照大燈只有一種燈光模式，且只能滿足行車時的基本照明要求，由手動開關開啟、關閉。隨著技術的進步，傳統前照大燈逐步發展為機械式前照大燈燈光系統，包含了遠光和近光照明，通過手動旋鈕、撥片方式可開啟并調節遠近光燈的變化，但沒有自動輔助照明控制系統。目前，市面上大部分汽車的前照燈系統都是手動機械式前照燈系統。

2.2 傳感器前照燈系統

系統主要由不同傳感器組件、ECU (大燈照程調節控制單元)、執行器 (燈光調節電機)三部分組成。傳感器包括車速傳感器、車身高度傳感器、方向盤轉角傳感器、雨量傳感器、光敏傳感器等，系統根據行車數據、外界天氣變化等信息自動調整，車輛傳感器會監控這些變化并啟動燈光自動控制，將前照燈的燈光調整成遠光、近光或者適合轉彎時的燈光[7]，提高照明范圍，擴大司機視野。

2.3 車載紅外前照燈系統

系統通過車載紅外夜視儀，將夜間汽車前方道路上的目標與背景相應地轉化為灰度圖像信息，由灰度值的大小反映視覺場的信息。根據熱成像技術獲得同一時間和空間的目標，以及背景在圖像坐標系中的相對位置，并通過檢測與識別技術對道路中的行人和動物進行識別[8]，進而調節前照大燈照射范圍，實現燈光變換或為司機提供提前預判、警告行駛過程中存在的潛在危險等。系統還可輔助使用導航系統、GPS定位信息提前識別行駛路線，提前優化照明角度進而有效擴大照明范圍，擴大駕駛員夜間的視野，提高安全指數。

2.4 毫米波雷達與車載相機前照燈系統

系統融合了毫米波雷達和圖像的聯合識別策略，可實現不同天氣、光線條件下的多目標識別，提升智能前照大燈系統對夜間前方行車、路牌、車道線的識別率，提高智能前照大燈系統的實時性、可靠性。系統總體分為三個部分：輸入模塊、處理控制模塊、執行模塊。輸入模塊包括毫米波雷達、相機，用來獲取原始數據；處理控制模塊包括ARM平臺的CPU、GPU，以及FPGA模塊；執行模塊主要包括前照大燈系統。系統采用 CAN總線完成毫米波雷達與系統之間的通信、千兆以太網將圖像數據傳送給處理系統，車載相機獲取外界行車環境信息，雷達獲取前方車輛、物體的位置與信息，來自動控制汽車前照大燈燈光系統以實現安全駕駛。雷達和圖像識別的聯合判別策略，可實現在夜晚模式的遠距離識別，系統可單獨或同時開啟毫米波識別和視覺識別，來提高系統的識別速率，通過對目標的有效識別和跟蹤，完成前照大燈遠近光的調節、光型以及光線照射方向的變化。

2.5 矩陣式激光前照燈系統

系統設計思路來源于矩陣式LED大燈，由激光二極管和數字微反射鏡裝置 (Digital Micromirror Device DMD)構成矩陣式激光大燈。該裝置有百萬個微反射鏡，且每一個可進行單獨尋址[9]。融合了多種傳感器技術的矩陣式激光大燈，當傳感器檢測到外界環境的變化時將采集到的信息轉化為數字電壓信號，利用數字電壓信號尋址控制微型反射鏡執行機械轉動，實現對光線的控制，最終輸出最適合的照明光型方案。從技術層面來看，在應對復雜多變的道路環境時，DMD技術可以讓矩陣式激光大燈擁有無限種可能的光型輸出方案，是一種空間光調制技術，未來應用潛力巨大。

3 改善方向

目前，汽車前照大燈光源和AFS技術仍存在許多不足之處，針對突出問題提出兩點改善方向：

（1）LED汽車大燈雖然目前應用廣泛，但故障率較高，結構、工藝，特別是散熱問題亟待解決；

（2）會車時如何有效解決前照大燈產生的眩光問題是智能輔助系統應進一步研究的重點。

4 總結與展望

前照大燈遠近光的切換、燈光照射角度的調節、轉彎時輔助光源系統的啟用、遠近光光型的變換都是汽車前照大燈智能化的體現。LED技術的發展極大地推動了智能化功能在汽車前照大燈系統上的實施應用。隨著國內大數據、先進傳感器的應用，以及5G的發展與普及，萬物將實現物聯，車與車之間、車與燈桿之間、車與監控之間將實現信息的共享與交換，更好地了解交通、天氣、路況信息。到時汽車前照大燈系統將集成各種先進傳感器、燈光系統、控制系統，創新性地實現照明與光型的自適應控制輸出，適應復雜多變的駕駛環境，將汽車前照大燈照明帶入數字化照明時代。