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10.16638/jki.1671-7988.2018.12.019
杨才生，吴状肥，万国义
（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）
摘 要：目前汽车LEDAFS 仍存在光能利用率低和实时响应速度慢等问题。研究了目前车用LED 前照灯照明系统光能利用率低和弯道照明滞后于驾驶员意图等问题。提供了照明系统合理分配光能量的方法以及基于预测控制的前照灯转角控制方法，用来改进照明系统以适应各种复杂工况对前照灯的要求。 关键词：LED ；自适应前照灯；节能；车灯控制
中图分类号：U463.6 文献标识码：B 文章编号：1671-7988(2018)12-56-04
Energy Saving and Safety Lighting of LED Adaptive Headlight
Yang Caisheng, Wu Zhuangfu, Wan Guoyi
( SAIC General Wuling Automobile Co., Ltd., Guangxi Liuzhou 545007 )
Abstract: At present, there are still some problems in automobile LEDAFS, such as low utilization of li
ght energy, poor real-time identification of servo control system and slow real-time response speed.The low utilization ratio of light energy and the lag of bend lighting in vehicle LED headlamp lighting system are evaluated.The method of rationally distributing light energy in lighting system and the method of headlamp turning angle control based on predictive control are provided to improve the lighting system to meet the requirements of headlights under various complex working conditions. Keywords: LED; Adaptive headlamp; energy conservation; Lamp control CLC NO.: U463.6 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2018)12-56-04
引言
AFS 前照灯主要包括照明光学系统与照明控制系统。前照灯光线折射方式的组合即照明光学系统设计性能影响着前照灯对于光能的利用率；主动照明车灯控制系统的性能影响着车辆弯道照明的准确性和及时性，决定了弯道照明的安全性能。目前，LED 自适应前照灯仍然存在车灯光能利用率低，弯道照明准确性和及时性较差等问题。
如图1所示，对于照明系统来说，为了形成AFS 所需的各种光型，使前照灯的光照强度度满足法规的要求。照明光学系统需要由多个LED 灯泡组合的多个照明模块组成。可以通过不同照明模块与模块之间的点亮组合，叠加达到不同的照明效果。
照明光学系统的性能影响着系统的能耗与安全性。在满
足法规的硬性条件下，照明光学系统既要使照明光型符合法规要求也要保证有较高的光能利用率，因此如何提高照明光学系统的光能利用率就成了问题的关键。
图1 汽车LEDAFS 前照灯的工作流程图
Fig 1 The Working Flow Chart of The Automobile LEDAFS
对于照明控制系统来说，为了达到弯道照明随动的要求，汽车需要根据车速和转向盘转角为输入，进而通过控制器和
作者简介：杨才生，就职于上汽通用五菱汽车股份有限公司。
杨才生 等：LED 自适应前照灯的节能与安全照明
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执行器的运转来带动部分照明模块的转动以达到需求的转角。因此弯道照明控制系统的准确性和及时性是主动安全照明的关键。
2 汽车LED 自适应前照灯的节能照明
北京奇瑞4s店投射式结构是当前以LED 为光源的前照灯主要采取的形式，如图2所示。
图2 LED 灯光的传播路径
Figure 2 The Propagation Path of LED Light
投射式结构主要由LED 光源、椭球反射器、光型挡板和透镜组成，从能量传播的角度来看，汽车投射式LED 前照灯在形成近光过程中，在经过椭球反射器和光型挡板时分别损失了15%和20%的光能，再考虑到LED 的发光效率，投射式LED 前照灯对光能的实际利用率仅为48%。尽管研究人员对投射式结构进行了改良，达到了理论上70%的利用率，但由于设备的局限性同样会造成光能的损耗，难以使LED 的光能得到充分的利用。
运用逆向设计过程，按照我国《汽车LED 前照灯》标准（GB25991-2010）即根据已知光源分布于目标平面的光照度分布来设计照明光学系统。重新设计的光学系统合理分配光照能量，同时也兼顾了光能的传输效率。非成像光学与传统成像光学只考虑照明的质量不同，主要关注是能量的传输与分配，因此从节能的角度出发，非成像光学更加合理。
在非成像光学的设计上，能量网格法相比于微分方程法更加合适，这里就不过多的解释二者的区别了。
能量网格法主要是用来设计透镜的型面，也就是自由曲面。经过算法的推演，在入射光线与出射光线均已确定的前提下，可知自由曲面的求解就变成了自由曲面法向矢量与自由曲面坐标点的转化问题。根据非成像光学基本原理，若入射光的边缘光线经过折射后与出射光的边缘光线对应，也就是说要保证LED 光能分布的边缘与目标照明面边缘对应才能保证自由曲面具有较高的光能利用率。因此，应根据光源的能量分布划分出N 个空间立体角微元，然后根据不同的照明要求，同样的把目标平面分为N 个照明微元，从而建立立体角微元边缘与目标平面微元边缘一一对应的关系。根据边缘光线理论，若希望立体角微元能够传输到对应的照明面微元上，则需要确保立体角微元的边缘光线能够投到对应的照明面微元边缘位置。如下图3所示。综上所述，利用能量网格法可确定自由曲面表面，从而得到照明系统节能的设计曲面。
图3 自由曲面坐标系
Fig 3 Coordinate System of Freeform
碰瓷女猛撞路虎车3 汽车LED 自适应前照灯的主动安全照明
3.1 传统应前照灯的缺陷使汽车AFS 照明系统发展
汽车在夜间行驶射，装有传统前照灯的汽车转弯时，前照灯相对于车灯固定不动，则在转弯弯道内侧
会形成一个如图4所示盲区，导致驾驶员在夜间不能及时地发现可能存在的障碍物，这是传统前照灯夜间弯道行驶隐藏风险。
图4 传统前照灯弯道照明区域
Fig 4
Bend Lighting Area of Traditional Headlamp
图5 传统前照灯弯道照明区域
Fig 5 Bend Lighting Area of Traditional Headlamp
分析装有传统前照灯的汽车夜间转弯行驶时产生盲区的原因：
（1）汽车即将进入弯道时，驾驶员转动方向盘，但由于车身响应的滞后性。此时前轮偏转较大，车身偏转较小或未出现偏转，并且由于车灯相对于车身位置固定，仍与车身纵轴线方向保持一致，导致车辆转弯时存在盲区。
（2）汽车在较大的弯道上行驶时，驾驶员以一定的角速度转动方向盘，车身纵轴线与前轮行驶方向，
由于响应时间滞后的原因始终存在一定的角度差，致使前照灯即将照亮的区域不能完全覆盖车辆将要行驶的路段，出现行驶盲区。
针对传统前照灯的缺陷，研制出了AFS 前照灯系统：AFS 系统能够根据行驶路况（如坡道、弯道、高速路段、城镇路段）和车辆状态，自动对前照灯照射区域进行调节的系
汽车实用技术
58 统，以满足驾驶员对前方路况的准确判断。 3.2 AFS 系统夜间弯道照明的随动系统
当汽车已在弯道上行驶时，AFS 系统可根据车速传感器、方向盘转角传感器提供的输入信息，经过ECU 信息处理可计算出前照灯在通过弯道时应偏转的角度，进而通过电机控制前照灯在转弯时的偏转，减少汽车转弯时前方的盲区如图5所示，可以让驾驶员及早的发现盲区处的障碍物和行人，提供驾驶员足够的时间采取规避措施，提高了行车安全性。
当汽车即将进入弯道时，由于控制系统时间上的滞后，前照灯的转动角度并不能很好的解决弯道行驶时的盲区问题，始终落后于驾驶员的意图。为解决这类问题，有的学者提出来预测式前照灯的转角控制系统。目前测式前照灯的转角控制系统的构造都较为复杂，且通常需要外加设备来帮助进行弯道判断，比如运用GPS 定位、电子地图和人眼预瞄检测来判断未来车辆的行驶轨迹，进而对前照灯进行提前调整。但由于GPS 和电子地图的精度不高和传输滞后，以及人眼预瞄系统成本过高等问题，使得该系统的经济性和稳定性都较差。
3.2.1 LED 自适应前照灯系统的安全照明原理
如下图6所示，为了便于叙述，我们将汽车在弯道行驶时，汽车行驶半径与光轴所截的圆弧长度定义为弯道照明距离。
图6 弯道照明距离
Fig 6 Distance of Curve Lighting
查阅文件可知，当车速低于100km/h 时，驾驶员看到障碍物到安全停车所需要的行车距离如表1所示：
表1 停车视距
Table 1
Stopping Sight Distance
拟合上述数据可得车速与安全停车距离的关系：
（1）
用公式（2）可以计算出汽车行驶的转弯半径：
（2）
其中：R 为转弯半径，D 为前轮轴间距δ0为外侧前轮转角
在方向盘转角保持不变前提下，汽车的转弯半径也保持
不变，当汽车转向时LED 自适应前照灯系统控制电机使车灯转过相应的角度θ，使前照灯的光轴与汽车转弯半径相交。如下图7所示：
图7 汽车转弯半径和弯道照明距离的关系
Fig 7 Relationship Between Turning Radius and Lighting
Distance of the Bend
考虑到汽车转角较小时，用S 代替安全停车距离，其与转弯半径，车灯转角有如下关系：
（3）
则车灯转角也可表示为：
（4）
由上式可知，在不同车速的条件下，LED 自适应前照灯的转角与汽车转弯半径有如图8关系：
图8 汽车转弯半径与前照灯转角的关系
Fig 8 Relationship Between Turning Radius of Car and Angle of Headlamp
由上图可知，当转弯半径相同的情况下，汽车车速高对应的前照灯转角更大；当车速相同的情况下，汽车的转弯半径小对应的前照灯转角更大。
3.2.2 主动安全照明LEDAFS 的预测控制
利用方向盘转角与当前车速可大致推算出前照灯的转角，但是由于数据处理和传输上的迟滞、机械传动装置的结构上的误差，以及转向盘转角和汽车转弯半径处于动态的变化当中，所以按照实时测量出的数据，计算出的前照灯转角偏转量，实际上已经滞后于实际所需的偏转量。这种情况就导致了汽车转弯时，AFS 前照灯转角滞后于驾驶员的意图了。
导致这种滞后的原因有如下三个部分：
（1）控制系统时间上的滞后时间T1：输出信号与输入信号滞后的时间差，这是整个前照灯控制系统产生滞后的主要原因。
（2）机械传动系统间隙、变形产生的滞后时间T2：由于自适应前照灯传动齿轮大多塑料且多达4对，控制车灯转
杨才生 等：LED 自适应前照灯的节能与安全照明
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动时塑料齿轮会产生变形，这部分导致的迟滞不容忽视。
通过实验我们可以直接获得 T1+T2≈40ms
（3）CAN 总线传输时间上的迟滞时间T3：根据文献可查得信息系统的滞后时间
。
因此整个系统的总滞后时间：。
我们通过对驾驶员意图的判断进行转角滞后量的计算，
从而解决该滞后问题。
汽车刚开始转弯时，驾驶员根据弯道不断地调整方向盘转角，因此方向盘转角的变化速率体现了驾驶员的意图。
图9表示出了，方向盘转角不断增加的情况下，实际弯道与初始转弯半径的关系：
图9 初始弯道的变化关系
Fig 9 Relationship between Actual Curve and Intial Turning Radius
驾驶员通过对车速和弯道半径来逐渐调整方向盘转角，方向盘转角越大转弯半径越小，因此我们可以算出方向盘转动下一时刻前照灯的转角θr ：
（5）
其中，
上海通用五菱δr 为转动后外侧前轮转向角。
（a ）转角变化率为180°/s 时转角预测量与转向盘转角关系
（b ）转角变化率为360°/s 时转角预测量与转向盘转角关系
图10 方向盘转角与自适应前照灯转角预测量的关系
上海电动车品牌Fig 10 Relationship Between Steering wheel Angle and Prediction
of Adaptive Headlamp Corner
由式（5）可知，可以利用转弯半径的变化去计算出下一时刻前照灯的转角。
为了较为简单的叙述车灯转角滞后量与控制系统滞后的关系，可将转向盘视为匀速变化且车速恒定，可得车灯转角的预测量如下表述：
（6）
其中，A 为外侧车轮转角变化率；
δ0为外侧车轮转角。
根据以上模型对转向盘转角变化率为180°/S 和360°/S 进行了模拟计算，计算结果如下图10。
整合以上信息可知，为了能使前照灯转角及时体现驾驶员意图，达到照明安全的目的，可以在传统的转角计算方法上加入前照灯转角预测量。
4 总结
随着LED 产业的发展，LED 灯泡的光效将越来越高，规模化的同时制造成本也将逐步降低，普遍应用到汽车前照灯上也是水到渠成，因此本文对LED 自适应前照灯的节能和安全照明性能的提高进行了研究，提出了LED 自适应前照灯节能设计方法和增加弯道照明反应及时性的预测方法，并完成理论上的证明。将有利于汽车LED 自适应前照灯的发展，
华泰现代具有较好的应用和发展前景。
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