汽車Matrix前部大燈控制系統設計及實現

黃 航，陳 朦，李運飛，張啟宇，龔和明

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

1 引言

在汽車發展的歷史長河中，大家普遍關心的問題是汽車安全性。由相關部門收集到的道路交通事故數據分析可知，夜間是交通事故的高發時期，占據交通事故總數量的71.4%。在這些交通事故當中，前方視野照明條件比較差、不良開閉車燈習慣等因素容易導致交通事故的發生。因此，安全有效的照明系統能夠更好地提升夜間駕駛安全，減少事故的發生。

近年來電子信息技術的快速發展，更具智能化的照明系統——自適應前部大燈隨之產生。自適應大燈經歷了以下3個主要時期［1］。

1.1 第1代自適應大燈

此種自適應大燈光束自我調整功能比較簡單，只有垂直方向的調整能力。當車身的水平方向發生傾斜時，即LWR傳感器檢測到汽車前后橋相對位置發生改變，就會通知大燈控制器發出控制指令，驅動設置在大燈腔體內的步進電機使大燈模組在垂直方向進行調節，從而使駕駛員獲得更佳照明視野。圖1為燈光高度調節示意圖。

圖1 燈光高度調節示意圖

1.2 第2代自適應大燈

相對于第1代自適應大燈，頭燈內的模組在可以上下調節的基礎上，還可以左右轉動和通過遮光板改變投射出來的光型，如圖2所示。第2代自適應大燈增加了多種照明模式，比較常見的有：鄉村模式、城鎮模式、高速模式和惡劣天氣模式等。

圖2 燈光左右調節示意圖

1.3 第3代自適應大燈

圖3為ADB大燈遮擋前部車輛的示意圖。ADB大燈是自適應前部大燈的一種，通過安裝在擋風玻璃前部的攝像頭采集到前部的視野，并對前部視野進行實時圖像化處理。在進行跟車、會車和經過各種交通標志時，不斷地轉動遮光板以改變前部大燈的燈光光型，照射出符合場景的光型，避免產生炫目，有效提升了駕駛員的視覺機能，保證了道路行駛安全。相比于第2代自適應大燈，第3代自適應大燈增加了更多形式的駕駛模式，涵蓋了更多的用車環境和使用場景，比如泊車照明模式、高速公路照明模式、動態彎道照明模式、防眩目遠光燈模式等，大大增加了駕駛者的燈光調節便捷性［2］。

圖3 ADB大燈遮擋過程示意圖

1.4 Matrix前部大燈

近年來，Matrix前部大燈照明系統技術發展迅速，并且在一些剛上市的車型上進行了使用。Matrix大燈是由多顆LED組合而成，布置成規則的一排或者多排，接收控制器的指令可以單獨控制每顆LED的亮滅，投射出來的照明形狀不再依靠遮光板進行調節，因此可以有效避免遮光機構由于長時間轉動造成的機械磨損和失效；另一方面，控制指令控制LED亮滅的反應速度更加敏捷，不易產生頓挫感，而且可以定制化投射出更符合照明情景的光型［3］。

2 Matrix前部大燈系統硬件設計

Matrix大燈控制系統和ADB自適應大燈相似之處都需要攝像頭采集并處理好的視野信息，然后通過燈光功能控制器的算法控制策略，驅動LED驅動器實時切換LED陣列的亮滅，切換出最適合的照明工況。根據輸入和輸出需求設計出Matrix燈光系統，系統框圖如圖4所示。

圖4 Matrix燈光系統框圖

3 系統軟件設計

為了實現燈具的Matrix功能，整個系統的控制信號流向如圖5所示。燈光控制單元所接受的信號來自兩方面：前部攝像頭和車身控制器［4］。燈光功能控制單元綜合起來這兩個方向的信號，通過自身的控制策略精準控制每顆LED的亮滅。

圖5 系統控制信號流向

3.1 來自前部攝像頭的信號

前部攝像頭就像人的眼睛一樣，將前部視野采集下來，并對采集下來的視野進行物體識別，最后將處理好的物體位置信息通過CAN總線以報文的形式告訴燈光功能控制器。因此，攝像頭能否準確識別出視野中各個物體以及其位置信息，決定了LED陣列能否精準及時點亮［5］。

攝像頭在識別前方視野中不斷變換車輛位置時，有其獨特的計算方法。假設于前方視野中有一個目標物體A，首先攝像頭會識別出物體A的大小和距離攝像頭的距離，然后基于已知的這些常量結合攝像頭本身的計算策略，計算出哪些LED需要熄滅。如果前部攝像頭識別出多個目標車輛時，同樣可以計算出另外一塊需要熄滅的LED陣列。以雙排LED陣列為例，當在行駛過程中攝像頭識別出前方視野中有2個目標車輛，此時將左右大燈中可以照射到這2個目標車輛的LED熄滅，如圖6所示。

圖6 行駛中遮擋前方車輛示意圖

3.2 來自車身控制器的信號

駕駛過程中往往會遇到各種各樣的道路場景，為了使Matrix前部大燈面對這些場景可以切換出最佳的照明工況，燈光控制器就需要更多的實車參數，往往這些實車參數由車身控制器提供。燈光控制器需要的基本信號有：車輛速度、周圍環境的亮度、雨刮是否啟動、大燈擋位、轉向盤轉動角度、前后橋的相對位置等。

4 道路測試

為了主觀評價Matrix矩陣大燈的照明效果，進行了實車道路試驗。Matrix遠光有一定的激活條件：道路光照條件比較差（路燈未打開）、達到一定的車速、雨量傳感器未檢測到雨量等。以單燈各自有2排LED陣列，每排有16顆LED為例，為了方便查看LED陣列中每顆LED PWM占空比（LED亮度）的變化情況，使用CANoe搭建了矩陣大燈的LED陣列模型。當接入來自實車的CAN信號，通過所搭建的CANoe Panel可以實時查看LED陣列中每顆LED的亮度值（矩形的高度值）的實時變化。

4.1 前方無會車車輛

車速和道路光照環境滿足激活條件，當前方無會車車輛時，Matrix控制系統會將全部的LED陣列打開，圖7為實際道路效果，CANoe Panel實時顯示情況如圖8所示。

圖7 視野中無目標車輛

圖8 無目標車輛時Panel顯示結果

4.2 前方有會車車輛

當前方有會車情況時，前部攝像頭檢測到前方車輛的位置，將位置信息通過CAN通信的方式發送給大燈控制器，進而將能照射到會車車輛位置的LED熄滅，使車輛被遮擋住，防止產生炫目效果，此時實際道路效果和CANoe Panel實時顯示情況分別如圖9和圖10所示。

圖9 視野中有目標車輛

圖10 有目標車輛時Panel顯示結果

5 結束語

本文設計的汽車Matrix矩陣大燈控制系統，能夠為駕駛用戶提供一種操作更加便捷，照明視野更優良，能有效提升駕駛安全的照明系統。在汽車行駛過程中，前部攝像頭采集到車輛前方不斷變換的視野，根據內部特有的算法識別出視野當中目標物體的位置，結合從車身控制器傳來的車輛實時狀態信息，通過CAN通信的方式把這些指令發送給大燈控制器，將所能照射到目標物體的LED進行熄滅或者降低發光亮度，從而達到避免眩目現象。把Matrix矩陣大燈進行實車夜晚道路測試，通過結果可以看到，Matrix大燈在復雜的夜晚行車中表現出了更加優秀的照明效果。