搜索
1武进职教中心汽车部郑晓辉智能前照灯系统(AFS)研究现状武进职教中心郑晓辉213164摘要：随着科技的不断进步，现有的前照灯系统存在隐患，人们日益关注汽车驾驶的安全性问题，从而使智能前照灯系统得以广泛发展和应用。本文简要介绍了前照灯技术的发展历程和弊端，阐述了传统AFS系统的以及更为先进的可预见AFS系统的原理，控制方式和功能，最后分析了AFS系统的发展趋势。关键词：前照灯控制可预见AFSAbstract：Becauseoftheincessantprogressunremittinglyoftechnologyintheworldandsomehiddentroublesinthecurrentsystemofheadlamp,peoplepaymoreattentiontothesafetyproblemofdrivingacarincreasinglysothatAdvancedFrontLightSystemcandevelopandapplyextensively.Thearticleintroducesthecourseandabuseofthedevelopmentoftheheadlampbriefly,andexpatiatesonthetheories,controlandfunctionsofconventionalAFSsystemandPredictive-AFSsystem.Finally,thearticleanalysesthedevelopmenttrendoftheAFSsystem.Keywords:HeadlampControlPredictive-AFS1．前言1.1氙气车灯在20世纪80－90年代，为确保汽车在高速公路上稳定和安全地行驶，对汽车前照灯的照度提出了更高的要求，汽车上开始应用高强度气体放电灯（HighIntensityDischargeLamp，HID）。HID灯与卤素车灯相比，亮度增加了3倍，投射范围既远又广，而它所消耗的能量却比一般的卤素车灯节省45％，其使用寿命比卤素车灯的寿命延长5倍，一般可达到3000小时。目前，欧洲对HID灯的需求正以每年13％的速度增长；在日本，中、高档汽车都安装了HID前照灯；国产车中也有很多车型安装了HID灯。1.2LED灯在20世纪90年代中期以后，LED作为汽车尾灯已经获得了人们的广泛接受，近年来，随着LED亮度的逐渐增加，2003年高亮度LuxeonTM的市场投放，LED开始在汽车前照灯领域崭露头角，它以体积小、寿命长、环保、聚焦距离短等优势受到人们普遍的关注和青睐。以LED作为汽车前照灯的新车型已经在底特律，东京，法兰克福，日内瓦，巴黎等各大城市登场，引起极大轰动。然而，众所周知，氙气和LED前照灯技术只能工作在一种模式，即一种固定的光型下，但是，实际的道路使用状况、环境状况、气候状况等等情况非常复杂。数据显示，超过80％的车祸是在夜间和恶劣天气下发生的，为了在夜间或者是恶劣天气下能达到更好的视觉效果，要求前照灯光线随着不同的驾驶环境而改变。这就需要设计一种灵活的前照灯系统，此系统能根据行车的方向，速度及天气状况的变化自动适应，将前照灯的灯光进行自动光照调节控制。这就是智能化自适应前照灯照明系统（AFS：AdvancedFrontLightingSystem）。2．传统AFS系统动态照明系统这个概念是20世纪90年代初被提出，经过十多年的发展，智能化自适应前照灯照明系统AFS正式亮相。这个系统可以根据汽车行驶的速度、偏离速率以及转向角等表示汽车运动状态的参量来计算照明的方式。随着2003年静态转弯照明系统在欧洲汽车市场上的投放，2004开始尝试引入动态转弯照明系统，并很快受到欢迎和推广。尤其在城镇、乡村、高速公路等不同复杂路况条件下以及恶劣天气中的应用，将一定能有益于驾驶安全性的提2武进职教中心汽车部郑晓辉高。2.1传统AFS系统基本组成及控制2.1.1传统AFS系统组成AFS系统是一个由传感器组、传输通路、电控单元和执行机构组成的系统。由于需要对多种车辆行驶状态做出综合判断，客观上决定了AFS系统是一个多输入多输出复杂的系统。图1和图2为AFS在车上的示意图和模块化系统简图。（1）前照灯：卤素车灯，HID灯或LED灯等。（2）传感器(角度传感器和速度传感器等)：用来改善灯光照明，随着速度和方向盘角度的改变，控制灯具给出最适宜的光分布来照明。电子控制单元(ECU)收集所有传感器传来的数据，连接到CAN总线上，并在理论上给出最合理的光分布。（3）自适应巡航控制器：可探测出与前方车辆的距离。控制器被放置在前照灯内，而合理的光分布则依赖于车辆的密度。如果密度大，那么降低照准位置则可避免对其它驾驶者产生眩目；车辆密度低，提高照准位置可以给出最优化的可见距离，这样就允许驾驶者以更高的速度开车。（4）夜间可视系统：作为一个单独的可视增强系统来开发，主要使用远红外线和近红外线的特性，这两种都能应用在支持夜间可视的前照灯系统中。作为一个综合系统，可视光源和红外线的组合应用是识别障碍物、步行者和其它物品的最好选择。（5）雾探测器：可以在恶劣天气尤其是浓雾条件下给出真实的实际可视距离。自动雾探测器可根据雾量大小给出正确的判断，并采取适当的照明方式，提高雾天驾驶的安全性。图1AFS在车上的示意图图2AFS的模块化系统简图2.1.2AFS系统的控制方式AFS要实现不同的功能必须要从不同的传感器取得不同的车辆行驶信息。比如，为了实现弯道旋转照明的功能，除了要从车速传感器获取车速、方向盘角度传感器获取方向盘转角、车身高度位移传感器获得车身倾斜角度以外，还必须通过一些特殊的传感器，获取车辆实际转向角度的信息。因为在通常的情况下，AFS所需获得部分信息也被其他的控制系统采用，即AFS实际上要和其他的系统共用一些传感器，所以，必须通过总线这一传输通路以后，才能实现这些传感器信息的共享。AFS的执行机构是由一系列的电机和光学机构组成的。一般有投射式前照灯，对前照灯垂直角度进行调整的调高电机，对前照灯水平角度进行调整的旋转电机，对基本光型进行调整的可移动光栅，此外还有一些附加灯，如角灯等等。电控单元ECU通过CAN总线从方向盘角度传感器、车速传感器、车身高度位移传感器分别3武进职教中心汽车部郑晓辉取得转向轮旋转角度、车体速度和车身倾斜度的精确信息。其中角度和速度信息通过中央控制电路精确计算以后产生输出信号控制旋转电机对前照灯进行水平旋转，倾斜度信息控制调高电机对前照灯进行垂直旋转。如图3所示。图3AFS系统简图2.2AFS系统工作情况当车辆进入弯道或其他特殊的道路状况时，由于方向盘角度和速度发生变化，角度传感器和速度传感器传输到电控单元(ECU)的信号就相应的发生了变化，ECU捕捉到这些信号的变化，同时进行判断车辆进人了哪种弯道，并发出相应的指令给前照灯的执行机构，并由执行机构来改变前照灯的水平照射位置。AFS并不是同时控制左、右近光灯的配光，因此，在车辆右转弯时，只有右近光灯旋转照亮右侧道路；而左转弯时，只有左近光灯旋转照亮左侧道路。之所以不同时控制左右近光灯，是要保证车辆正前方的照明需要，也就是车辆正前方和转弯内侧路况都必须严格监视，这样才能提高车辆驾驶安全性。AFS左右近光灯的调节角度也是不同的。按照交通法规规定右侧行驶的国家，右近光灯的调节角度最大可达到5°，左边近光灯的调节角度最大可达到15°，反之亦然。AFS系统的工作范围是由转向角和车速决定的，当转向角超过12°时开始工作，小于9°时停止工作。当车速超过30km/h时开始工作，小于5km/h时则停止，而对于在高速公路行驶时还要求提前3S照明前方道路。图4AFS前照灯与传统照明比较图4所示为AFS系统与未使用AFS系统道路照明对比。与传统前照灯相比较，该功能能够在弯路上提供更多需要的照明。其中虚线表明无转弯随动功能的前照灯照明范围，实线内区域表明有转弯随动功能的前照灯照明范围，从图中我们可以清楚的看到转弯随动功能给驾驶员带来了更多的有效照明，为对面车辆或路边行人减少了眩光。3．可预见AFS系统4武进职教中心汽车部郑晓辉随着科技不断进步，汽车前照灯技术的日臻完善，已经出现了具有预知功能的P-AFS（Predictive-AdvancedFrontLightingSystem）系统。传统AFS系统是不具备可预见性的，它与驾驶环境无关，而P-AFS系统将与驾驶环境息息相关。3.1P-AFS系统描述近年来，一种增强的导航系统已经出现，这个导航系统拥有一种算法，它能够识别出当前车辆在地图中的位置，同时从已经计算出的位置预测一系列可能的驾驶路线。该导航系统能够通过车辆信号输入来确定最可能的路线，并且为此路线提供可信度。在一个可变的“预测距离”内，算法计算出最可能路线的曲率值。最近的智能驾驶员辅助系统（AdvancedDriverAssistanceSystems）的路况信息能够足够可信的预测在车辆前方的道路弯曲。ADAS系统是一种具有预知功能的AFS，它特有的优良性能使得出射的光束偏离道路走向的角度更小。它包括5个方面的应用：导航、速度协助、冲突避免、十字路口支持和道路预测。ADAS系统的路况信息包括：高精度几何学，高精度道路位置和道路轮廓信息，经过选择的信息（速度限制信息，弯道的数量和道路倾斜度信息）。其中道路轮廓信息是用来预测最理想的前照灯照射位置，并且提醒驾驶者注意不要进弯太快。图5可预见AFS系统结构图5描述了可预见AFS系统的架构。导航单元包括一个GPS传感器、地图信息数据库、偏航率传感器和速度传感器。为了达到执行地图匹配的目的，就必须要用到以上所有的传感器。增进软件模块计算出车辆前方的最可能路线和该路线的曲率值，从而得到弯道速度警告信号来提醒驾驶者限制速度，弯道速度警告信号是基于车辆信息（车辆型号，速度，天气状况）和很多的计算值的。可预见AFS模块接收到这些计算值，例如最可能路线的可信度，曲率和道路等级等，来驱动左右前照灯工作，以达到改善照明的效果。此外，可预见AFS模块还会接收传统AFS系统传感器的信号（车辆速度，方向盘转角和偏航角），如果导航单元的道路信息不值得信赖时，车辆能够在可预见和传统AFS系统中转换。3.2可预见AFS系统功能可预见AFS算法用来在单独道路几何模式下利用导航单元预测道路信息，并且在道路分支模式下转会传统的基于偏航率的系统。可预见算法的一个基本概念是保持结点，该结点是车辆前照灯与道路中线的交点。前照灯光线的角度取决于很多沿“预测距离”上道路的曲率值，这样可以保证驾驶员在急转弯和S型弯道上能够获得最大的可视范围。5武进职教中心汽车部郑晓辉图6可预见算法此外，利用道路等级信息执行高速公路光照和城市光照之间的自动转换。传统的AFS系统不能清晰地识别驾驶环境，而只能根据车辆速度和花费的时间来决定高于或低于阈值。图7和图8示意性的比较了传统和可预见AFS系统的前照灯光照范围。在图中我们可看到，无论是进弯，出弯或S型弯道，可预见AFS系统都提高了驾驶员的可见范围，即使在恶劣的天气条件下，驾驶员也能够看到即将来临的道路轮廓。在弯道中，可预见AFS系统能够比传统的AFS系统使前照灯光照更加准确的照射到道路的中央。图7进入弯道与离开弯道图8S型弯道4．AFS系统未来发展趋势目前全球各大汽车展中，都能看到以LED作为汽车前照灯的概念车型，随着LED技术的不断发展，LED的功率越来越高(1W到3W)，且效率也不断提高，如果能够用于前照灯替代比较节能的气体放电灯，其节能的优势仍然非常明显。且灯具寿命可达到10000h，与整车同寿命。而AFS系统能主动的消除各种不同路面类型和天气变化所带来的不利影响，并能给出最佳的照明方式，为安全驾驶提供有力保障。因此，AFS系统与LED前照灯的结合已成为未来汽车前照灯照明的发展趋势。例如，对6武进职教中心汽车部郑晓辉多个LED进行不同的开关控制可实现AFS功能需要的不同光型，其可使系统节能性和可靠性更为突出。两者有机结合，相辅相成，不仅使车辆外观变化多