汽車自適應前照燈控制系統的設計＊

郭 海，聞士碩，董高越，陳佩江

（臨沂大學機械與車輛工程學院，山東 臨沂 276002）

汽車前照燈自適應控制系統是現今汽車電子產業的必然產物，它通過對車速、方向盤轉角信號的采集然后進行數據分析，從而實時調整兩側大燈的照射范圍，使得燈光與汽車的前進方向始終保持一致，使駕駛員有更為合適的視野范圍，確保了駕駛員在任何時刻都擁有最佳可見度，大大提高了夜間行車的安全[1]。汽車自適應照明系統目前正處于迅速發展時期，國內研究尚處于起步階段，基礎理論還不完善，這給研究工作帶來很大的機遇和挑戰。本項目針對傳統汽車照明系統光型單一、無法進行故障預知、安全系數不高的現狀，整合了全車燈光系統，設計了一種自適應的照明系統。以最簡單的方式實現了汽車的低成本、智能化照明。

1 汽車自適應前照燈控制系統的總體設計

汽車自適應前照燈控制系統主要由獲取必要汽車行駛信息的各傳感器（包括車速和方向盤轉角等）、信號采集處理電路、驅動電路、執行電機等部分組成[2]，系統主要可分為以下幾個模塊，如圖1 所示。

圖1 自適應前照燈控制系統的結構

前照燈控制模塊主要包括調整燈光左右隨動的步進電機。AFS 主控制器包括微控制器、信號處理電路、電機控制電路、指示部分電路及開關電路。傳感器模塊包括速度傳感器模塊和方向盤轉角處理模塊。

1.1 汽車行駛速度測量電路設計

根據霍爾傳感器的工作原理，為讓霍爾集成電路起傳感作用，需要用機械的方法來改變磁感應強度。用一個轉動的葉輪作為控制磁通量的開關，當葉輪葉片處于磁鐵和霍爾集成電路之間的氣隙中時，磁場偏離集成片，霍爾電壓消失。于是可把霍爾傳感器安裝在汽車的后輪上，以實現對汽車行駛速度的測量。

為了保證汽車車輪轉動的圈數和強磁材料轉動的圈數相同，把霍爾傳感器安裝在汽車車輪中間軸承上不旋轉的部分，而在車輪的輪轂上安裝強磁材料。這樣安裝后強磁材料就會隨著汽車車輪一起轉動，每當強磁材料轉過一周后霍爾元件的磁阻就會發生變化，由于霍爾傳感器的磁阻發生了變化，就會使霍爾傳感器的信號線輸出也發生變化。

傳感器無脈沖信號時為低電平輸出，當汽車車輪轉動一周時傳感器就會產生一個脈沖信號，例如在主控制器的一個計數周期內，通過脈沖信號的數量進而確定車輪轉動的的圈數，若產生N個脈沖信號，則汽車轉動的圈數為N，又已知汽車車輪半徑為R，通過公式可得汽車車輪轉動一圈的時候汽車前進的距離L0=2πR。所以在一個計數周期內汽車轉動N轉，則前進距離LN=2NπR。根據以上數據即可計算出汽車的輪速V=2NπR/T。

1.2 方向盤轉角信號的采集電路

采用電位器模擬轉角信號，模擬信號均為0～5 V線形變化電壓信號，這就需要進行AD 轉換，本系統用PCF8591 是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8-bitCMOS 數據獲取器件。

PCF8591 具有單電源，工作電源電壓為2.5～6 V，低待機電流，通過12c 總線串行輸入/輸出，地址由3個硬件地址引腳決定，采樣率由12c 總線速度決定，給出4 個模擬輸入，可編程為單端或差分輸入、可選擇自動遞增通道、模擬電壓范圍從Vss到Vdd、片上跟蹤和保持電路、8 位逐次逼近A/D 轉換、一個DAC 模擬輸出的特性信號采集電路圖如圖2 所示。

圖2 方向盤轉角信號的采集電路

1.3 控制電路的設計

基于系統架構，設計了電機旋轉角度控制系統硬件平臺。控制器主要負責控制電機驅動器、CAN 總線以及旋轉角度感器，控制芯片為MC9S12XS128，該控制器內部集成了CAN、LⅠN 雙總線收發器以及12 位精度ADC 轉換器，主頻達到90 MHz，完全能夠滿足系統的需求。為了增強系統的兼容性，降低車身線束復雜程度，旋轉角度控制系統的數據傳輸使用CAN 總線實現。對電機旋轉角度測量的采用MURAT 公司的防塵型旋轉角度傳感器SV01A103。SV01A103 的測量范圍為0°～360°，輸出信號為0～5 V 模擬量。電機驅動模塊采用7TPSM4220 集成微型步進電機驅動器，該步進電機驅動器可同時驅動兩路步進電機[3]。

轉向自行機構系統電路結構圖如圖3 所示。

2 自適應前照燈系統的控制策略

自適應前照燈的工作原理是：在車輛經過彎道或變更車道等情況下，需要觀察車輛即將經過地區的路況時，MCU 通過采集汽車的行車速度和方向盤轉角的變化，判斷是否需要對前照燈進行水平調節，并進一步計算出兩燈在左右方向上的調節角度，然后轉換成各步進電機運動狀態控制參數，步進電機按照參數進行運動，從而完成對燈光的調節[4]。

當車輛遇到前方發生事故，前車突然變道或轉向等緊急狀況時通常需要駕駛員緊急制動來解決，自適應前照燈系統可以采集車輛方向盤旋轉角度、汽車速度等一系列車輛數據來計算車輛燈光的偏轉角度，使駕駛員可以更好地觀察路面情況，從而滿足車輛應對緊急狀況的需要。

2.1 前照燈轉彎水平方向偏轉模型設計

前照燈轉彎水平方向偏轉模型如圖4 所示。

由圓弧長公式和前照燈轉彎水平方向偏轉模型圖中的幾何關系可得L=2Rφ，其中L為圓弧長[5]。

由轉彎時系統的照明要求可得：

式（1）中：V為車速；t為反應時間；S為制動距離。

轉彎半徑為：

式（2）中：L軸為汽車軸距；β為車輪轉過角度。

方向盤和車輪轉角的關系為：

式（3）中：K為轉向特征系數；α為方向盤轉角。

可得φ=sin（Kα）（Vt+S/2L軸）。

此表達式即為計算前照燈轉向轉角的經驗公式，也是前照燈左右隨動轉角控制策略的重要依據。

2.2 水平轉彎模式補償算法及程序實現

系統檢測到汽車的轉向盤轉動，則判斷汽車進入水平轉彎模式的時候，此時通過汽車轉向盤轉動角度和汽車的速度計算出自適應前照燈的補償角度，隨即調整前照燈執行左右轉動模式，使得自適應前照燈系統實現彎道內側水平方向盲區補償，水平方向角度補償算法程序流程如圖5 所示。

圖5 水平方向角度補償算法程序流程圖

3 結束語

本文研究了汽車彎道自適應照明系統的控制原理，建立了AFS 系統的數學模型，并給出了系統的總體設計方案。汽車自適應前照燈對于改善夜間彎道燈光利用效率差、夜間經過彎道存在盲區等問題有著很大作用，對于今后AFS 的研究有著重要意義。

中國的AFS 系統還存在很大的發展空間，有很多方面需要改進?？梢詮囊韵? 點進行優化升級：利用LED 燈進行燈光的照射范圍調節，以適用于不同道路的燈光要求，如鄉間小道、高速公路等；利用GPS 的定位系統完成信息采集，再根據目的地的導航做到全自動自適應前照燈。