黃新，丁志中

(1.蕪湖技師學(xué)院，安徽蕪湖 241000；2.合肥工業(yè)大學(xué)計算機與信息學(xué)院,安徽合肥 230009)

0 引言

文獻[1]中指出，夜間發(fā)生交通事故的概率是白天的1.5倍，其中82%的事故都是源于缺乏充足的照明，所以自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)的研究對于提高交通安全有著重要的意義。相對于傳統(tǒng)的前照燈，自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)能根據(jù)行駛路況和狀態(tài)，由電子控制單元對車速、方向盤轉(zhuǎn)角和前后軸高度信號進行分析處理，進而驅(qū)動步進電機不斷對兩側(cè)大燈進行垂直和水平隨動，以提供更合適的照明范圍，確保駕駛員在任何時刻都擁有最佳的可見度。

目前自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)的研究在某些國家已經(jīng)相對成熟，例如歐洲和日本已經(jīng)實現(xiàn)了批量生產(chǎn)，并且針對自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)制定了相對完善的ECE R123[2]法規(guī)。而國內(nèi)起步相對較晚，仍然處于自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)的探究與研發(fā)階段。關(guān)于自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)的水平彎道算法，已見較多文獻報道。然而對于自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)的垂直隨動問題，研究報道并不多見。文獻[3]中在研究車輛俯仰角的基礎(chǔ)上,提出了建立垂直隨動下的自適應(yīng)最小均方濾波制動調(diào)光控制方法；文獻[4]中對前照燈水平和垂直方向的偏轉(zhuǎn)角度進行了簡單的運動學(xué)建模；文獻[5]中分析了自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)的垂直隨動對改善高速路況照明的意義；文獻[6]中分析了包括垂直隨動的自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)的功能。然而這些文獻沒有涉及到自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)垂直隨動的算法問題，而角度算法作為自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)的核心技術(shù)，對其研究關(guān)系著我國能否研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)。

文中通過建立車身姿態(tài)發(fā)生改變時對應(yīng)的前照燈垂直隨動的幾何模型，結(jié)合四自由度半車振動模型和路面輸入模型，提出了自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)垂直隨動方面的角度算法，給出了角度算法對應(yīng)的角度調(diào)整公式的詳細推導(dǎo)，并對角度算法進行數(shù)值仿真實驗分析其可行性，最后通過搭建簡單的自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)的樣機平臺進一步驗證了算法的有效性。

1 前照燈垂直隨動的幾何模型

路面狀況或者車輛負載的改變，都會導(dǎo)致車身重心移動或者車身俯仰等狀況的出現(xiàn)。這些狀況會導(dǎo)致前照燈光束照射過遠或者過近，從而影響照明效果[7]。

為了提高駕駛的安全性，需要在車身姿態(tài)發(fā)生改變的時候根據(jù)質(zhì)心位移和車身俯仰角的變化對前照燈照射距離進行調(diào)整，從而使前照燈發(fā)出的光型既能夠充分地照亮車輛前方的道路,又不會給對面來車駕駛員造成眩光,提高駕駛的安全性。

假設(shè)俯仰中心與車輛重心、車輛質(zhì)心位于同一點，前照燈旋轉(zhuǎn)軸線高度與車輛重心、車輛質(zhì)心同高，同時考慮到車身發(fā)生俯仰運動及跳動時，前照燈照射距離必須滿足車身姿態(tài)未改變時的照射距離，故車身發(fā)生前仰后俯時，對前照燈垂直隨動的幾何建模如圖1所示；當(dāng)車身發(fā)生前俯后仰時，對前照燈垂直隨動的幾何建模如圖2所示。

圖1 車身前仰時垂直隨動的幾何模型

圖2 車身前俯時垂直隨動的幾何模型

由圖1中的三角函數(shù)關(guān)系可得：

(1)

其中：y=H+z+(a+Lh)sinθ；x=Ll+[(a+Lh)-(a+Lh)cosθ]。

分析圖1中的幾何關(guān)系有：

φ=θ-(θ1-θ2)

(2)

根據(jù)公式(1)和(2)可得到：

(3)

式中：a為質(zhì)心到前軸的距離；H為車燈安裝高；Lh為前軸到前照燈的水平距離；θ1為正常情況下前照燈的初始照射角度；Ll為車身姿態(tài)未改變時的前照燈初始照射距離；θ2為車燈修正后與水平方向所成的角度；φ為車燈調(diào)整的角度；θ為車身俯仰角；z為車身質(zhì)心垂直位移。

與圖1分析類似，由圖2有：

(4)

φ=θ+(θ1-θ2)

(5)

式(4)與式(1)不同的是，其中：y=H-z-(a+Lh)sinθ，x=Ll+[(a+Lh)-(a+Lh)cosθ]。

結(jié)合式(4)和式(5)，當(dāng)運動中車身發(fā)生前俯后仰時，對前照燈的調(diào)整角度如下：

(6)

其中：ECE R123中規(guī)定車燈安裝高度H為0.68 m；另外式(3)和式(6)中車燈的初始照射角度為θ1，由文獻[8]可知為0.6°，同時為了滿足車輛行駛安全性，初始照射距離至少應(yīng)該達到安全制動距離，即Ll=s(v)，其中安全制動距離s(v)與車速v的關(guān)系如下：

s(v)=0.009 4v2+0.605 7v+3.173 0[9]

(7)

2 車身俯仰角與質(zhì)心位移的計算模型

通過對前照燈系統(tǒng)垂直隨動幾何模型的分析，可知前照燈的調(diào)整角度與車身俯仰角、質(zhì)心位移有關(guān)?？紤]到全車模型結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，不易實現(xiàn)，四分之一車輛模型過于簡單，不能表征車身俯仰角和質(zhì)心位移，下面基于四自由度的半車振動模型建立車身俯仰角與質(zhì)心位移的計算模型[10]。

如圖3所示，這4個自由度分別是質(zhì)心垂直位移z、俯仰角θ、前軸垂直位移z1和后軸垂直位移z3。圖中mhb是半車質(zhì)量，mf、mr分別是前、后輪的質(zhì)量，F(xiàn)f、Fr分別是前、后懸架力，a、b分別是質(zhì)心到前、后軸的距離，z2、z4分別是以點1、2為原點的位移，z0是地面的垂直位移，由車輛前、后軸高度傳感器分別得到H1(t)=z2(t)-z1(t)，H2(t)=z4(t)-z3(t)。

圖3 四自由度半車振動模型

由牛頓第二定律和轉(zhuǎn)動定律建立動力學(xué)方程，求解質(zhì)心位移和車身俯仰角如下：

(8)

(9)

其中俯仰角較小時，以點1、2為原點的位移z2、z4與質(zhì)心位移z有如下近似關(guān)系[11]：

另外：

(10)

(11)

式中：ksf、ksr分別是前、后懸架的彈性系數(shù)；csf、csr分別是前、后懸架的阻尼系數(shù)；ktf、ktr分別是前、后輪的彈性系數(shù)。

粗糙度不同的路面，地面垂向位移也不同，z0(t)可用時域路面輸入模型來描述，為了更真實地反映路面譜在低頻范圍內(nèi)近似為水平的實際情況，在路面譜模型中引入一個下截止頻率f0[12]。

(12)

式中：G0為路面不平度系數(shù)；w(t)為均值是零的高斯白噪聲。

車輛以不同的速度行駛在粗糙度不同的路面上，車身質(zhì)心位移和車身俯仰角度也會相應(yīng)發(fā)生變化。利用路面輸入模型模擬真實的路面，然后基于四自由度半車振動模型求解車身質(zhì)心位移和車身俯仰角，進而可以利用相應(yīng)的幾何模型得到車燈的調(diào)整角度。

3 仿真結(jié)果分析

顛簸路面以及車輛負載導(dǎo)致車身姿態(tài)發(fā)生改變時，由車速傳感器和前后軸高度傳感器得到車速和前后軸高度信號。首先根據(jù)前后軸高度信號判斷車身的俯仰情況，若車身發(fā)生前仰后俯時由公式(3)計算出前照燈在垂直方向?qū)?yīng)的調(diào)整角度，若車身發(fā)生前俯后仰時由公式(6)計算出前照燈在垂直方向的調(diào)整角度，最后通過反向調(diào)整前照燈的照射角度以達到最佳照明。

下面對自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)的垂直調(diào)光算法進行仿真實驗，首先用濾波白噪聲積分法生成隨機路面，然后用Simulink對公式(8)—(12)進行建模求解，得到車身俯仰角和質(zhì)心位移，再分別根據(jù)公式(3)和(6)對調(diào)整角度進行仿真實驗，求解過程中涉及到的參數(shù)見表1[3]。

表1 半車模型參數(shù)

為了保證時域路面輸入位移與實際譜一致，下截止頻率f0取0.062 8 Hz。另外在路面等級中C級表示路面基本沒有坑洞，D級以下代表的是粗糙的路面，由于車身姿態(tài)改變引起的垂直隨動主要是針對崎嶇路面，故G0分別取C、D、E級路面振動對應(yīng)的功率譜密度256×10-6、1 024×10-6、4 096×10-6m-1進行仿真。

路面級數(shù)不同，車身前后軸高度傳感器采集的數(shù)值就不同，此時設(shè)車輛行駛速度v=20 km/h，圖4、圖5分別是在C、D、E級路面下仿真出的前照燈垂直向下和向上的調(diào)整角度。

圖4 不同路面對應(yīng)的向下調(diào)整角度

圖5 不同路面對應(yīng)的向上調(diào)整角度

圖4是車輛在行駛過程中當(dāng)車身發(fā)生前仰后俯時，根據(jù)公式(3)計算出來的前照燈調(diào)整角度的仿真曲線，可以看出調(diào)整角度為負數(shù)，即需要向下調(diào)整對應(yīng)的角度，且路面級數(shù)越高調(diào)整幅度越大，對于相對平坦的C級路面，調(diào)整角度在0.55°左右小幅波動，對于比較粗糙的E級路面，對應(yīng)的調(diào)整角度在0.32°～0.76°之間有相對較大幅度的波動；圖5則是當(dāng)車身發(fā)生前俯后仰時，根據(jù)公式(6)計算出來的前照燈調(diào)整角度的仿真曲線，同樣路面級數(shù)越高所需調(diào)整幅度越大，對于E級路面前照燈最大調(diào)整角度為0.73°。

前照燈垂直調(diào)整角度與前后軸高度、車速有關(guān)。前后軸高度可以通過設(shè)置不同的路面級數(shù)反映出來，以上分析了在不同路面級數(shù)以同一車速運動時前照燈的垂直調(diào)整角度?，F(xiàn)在G0取E級路面振動的功率譜密度4 096×10-6m-1，分析車輛分別以速度v=20、40、60 km/h行駛時，對應(yīng)的前照燈垂直向下和向上的調(diào)整角度分別如圖6和圖7所示。

圖6 不同車速對應(yīng)的向下調(diào)整角度

圖7 不同車速對應(yīng)的向上調(diào)整角度

圖6是車輛以不同速度行駛時，根據(jù)公式(3)計算出來的前照燈調(diào)整角度的仿真曲線。圖7是根據(jù)公式(6)計算出來的前照燈調(diào)整角度的仿真曲線。其中調(diào)整角度為負時，代表前照燈需要向下調(diào)整對應(yīng)的角度。車速越大時，調(diào)整角度對前照燈照明的影響越大，故車速較大時調(diào)整幅度不易過大。由圖6和圖7可以看出，車速越大時，前照燈調(diào)整幅度相應(yīng)變小，符合駕駛安全性的規(guī)律。同時前照燈向下調(diào)整的角度最大為0.76°，向上調(diào)整的角度最大為0.73°。

以上基于MATLAB/Simulink的仿真實驗證明了垂直調(diào)光算法的合理性，進一步在實驗室搭建一個簡單的AFS系統(tǒng)樣機實驗平臺，在樣機平臺上對自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)的垂直調(diào)光算法進行驗證，實驗平臺如圖8所示。

圖8 自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)樣機平臺

該系統(tǒng)的前照燈采用的是上海大眾斯柯達昊銳SK-98760型前照燈，核心控制部分采用臺灣民生單片機CS8959芯片，前后軸高度傳感器信號和車速信號分別采用電位器和波形發(fā)生器進行模擬，通過設(shè)置不同的前后軸高度值和車速值查看車燈的調(diào)整角度。車燈調(diào)整角度主要通過覆蓋在車燈上的量角器測得，經(jīng)測試角度旋轉(zhuǎn)范圍為-1°～1°，跟仿真角度基本吻合。

4 結(jié)束語