徐健，王劉，鄧婕

常州星宇車(chē)燈股份有限公司研究院，江蘇常州 213000

0 引言

汽車(chē)作為現(xiàn)代社會(huì)重要的交通工具，是衡量一個(gè)國(guó)家物質(zhì)生活水平高低的重要指標(biāo)。因此，各個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展極其重視。中國(guó)汽車(chē)工業(yè)正在高速增長(zhǎng)，據(jù)交管部門(mén)統(tǒng)計(jì)，70% 的交通事故都發(fā)生在夜間[1-2]。其中，照明條件不良是主要原因。為保證駕駛員在不同道路和不同行駛狀況下都能獲得較好的視場(chǎng)條件，迫切需要前照燈的照射光型及角度的自適應(yīng)變化[3]。因此，汽車(chē)自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)的研究和發(fā)展成為改善汽車(chē)夜間行駛安全的關(guān)鍵方向。

目前現(xiàn)有技術(shù)中，在前照燈高度調(diào)節(jié)方面普遍應(yīng)用了車(chē)身高度傳感器。通過(guò)安裝在車(chē)輛前左、前右、后左、后右4處車(chē)輛懸掛處的車(chē)身高度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)輛的姿態(tài)，并將車(chē)輛姿態(tài)信息發(fā)送給前照燈控制器，以實(shí)現(xiàn)最佳的前照燈高度調(diào)節(jié)。由于現(xiàn)有技術(shù)方案使用了較多的傳感器，同時(shí)信號(hào)傳輸多為模擬信號(hào)，即通過(guò)不同的電平值以表示車(chē)身不同的姿態(tài)[4-5]。因此，現(xiàn)有技術(shù)方案不但系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜、生產(chǎn)成本高，而且抗干擾與可靠性都相對(duì)較低。

為了解決上述問(wèn)題及滿(mǎn)足行業(yè)發(fā)展的需求，提出了一種基于加速度傳感器的車(chē)燈控制系統(tǒng)及其控制方法，加速度傳感器的采樣靈敏度高，可以檢測(cè)出任意的異常抖動(dòng)，當(dāng)汽車(chē)遭遇顛簸干擾時(shí)，加速度傳感器的輸出值高于正常狀態(tài)，因此可以實(shí)時(shí)檢測(cè)車(chē)身姿態(tài)。本文采用一個(gè)加速度傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)技術(shù)方案中的4個(gè)車(chē)身高度傳感器，簡(jiǎn)化系統(tǒng)構(gòu)成，提高采樣精度；同時(shí)使用數(shù)字信號(hào)線(xiàn)代替模擬信號(hào)線(xiàn)，有效提升系統(tǒng)信號(hào)傳遞的可靠性。

1 車(chē)燈控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本文提出的車(chē)燈控制系統(tǒng)包括BCM、G-sensor控制單元、車(chē)燈控制單元3個(gè)部分。BCM為車(chē)身控制模塊，主要提供車(chē)輛狀態(tài)信息、前方道路狀態(tài)信息。G-sensor控制單元主要有加速度傳感器、MCU芯片、CAN收發(fā)器和LIN收發(fā)器，加速度傳感器測(cè)算當(dāng)前車(chē)輛的縱向加速度值(簡(jiǎn)稱(chēng)G值)，并實(shí)時(shí)將G值發(fā)送給MCU芯片，MCU芯片根據(jù)接收到的G值，判斷出當(dāng)前車(chē)輛的車(chē)身姿態(tài)。車(chē)燈控制單元主要有MCU芯片、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、LED驅(qū)動(dòng)芯片、LED矩陣管理芯片及CAN收發(fā)器和LIN收發(fā)器，接收G-sensor控制單元的車(chē)身姿態(tài)信號(hào)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的姿態(tài)調(diào)節(jié)值對(duì)前照燈高度進(jìn)行調(diào)節(jié)。BCM與G-sensor控制單元之間通過(guò)CAN總線(xiàn)相連，G-sensor控制單元與車(chē)燈控制單元通過(guò)CAN總線(xiàn)和LIN總線(xiàn)相連，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2 車(chē)燈控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

G-sensor控制單元中的MCU芯片硬件原理如圖2所示，加速度傳感器硬件原理如圖3所示。MCU芯片的PTB0腳、PTB1腳、PTB2腳和PTB3腳分別與加速度傳感器芯片的CSB腳、MISO腳、SCK腳和MOSI腳相連。其中，CSB腳為加速度傳感器芯片的片選信號(hào)腳，屬于芯片控制信號(hào)腳的一種；MISO腳為加速度傳感器芯片的信號(hào)輸入腳，用于接收MCU芯片的配置及控制命令；MOSI腳為加速度傳感器芯片的信號(hào)輸出腳，用于將其檢測(cè)到的信號(hào)輸出至MCU芯片；SCK腳為時(shí)鐘信號(hào)腳，用于向加速度傳感器芯片輸入所需的時(shí)鐘信號(hào)。

圖2 MCU芯片硬件原理

圖3 加速度傳感器硬件原理

CAN收發(fā)器硬件原理如圖4所示。MCU芯片的PTE5腳和PTE4腳分別與CAN收發(fā)器U2的TXD腳和RXD腳相連，CAN收發(fā)器U2的CANH腳和CANL腳與BCM端相連，用于接收BCM發(fā)送的車(chē)輛狀態(tài)和前方道路狀態(tài)等信息，并最終傳送至MCU芯片。

圖4 CAN收發(fā)器硬件原理

LIN收發(fā)器硬件原理如圖5所示。MCU芯片的PTD6腳和PTD7腳與LIN芯片的RXD與TXD腳相連，LIN芯片的LIN腳與左、右車(chē)燈控制器端相連。MCU芯片通過(guò)LIN信號(hào)線(xiàn)向左、右車(chē)燈控制單元實(shí)時(shí)發(fā)送前照燈高度調(diào)節(jié)指令。MCU芯片的PTC17腳和PTC16腳分別與CAN收發(fā)器U3的TXD和RXD腳相連，CAN收發(fā)器U3的CANH腳和CANL腳與左、右車(chē)燈控制單元相連，并通過(guò)CAN總線(xiàn)向左、右車(chē)燈控制單元實(shí)時(shí)發(fā)送燈光的亮/滅，以及燈光亮度控制指令。

圖5 LIN收發(fā)器硬件原理

作為優(yōu)選，本文所述的G-sensor控制單元中的MCU采用NXP公司的S32K144-64芯片，加速度傳感器采用村田公司的SCA3300-D01芯片，CAN收發(fā)器U2采用NXP公司的UJA1169芯片，CAN收發(fā)器U3采用德州儀器公司的TCAN1042，LIN收發(fā)器采用NXP公司的TJA1021T芯片。進(jìn)一步，G-sensor控制單元安裝于車(chē)輛中軸線(xiàn)上，并置于車(chē)輛前部。作為優(yōu)選，本文所述的G-sensor控制單元安裝于駕駛艙內(nèi)的前擋風(fēng)玻璃下方，車(chē)機(jī)的后部區(qū)域；或者安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的前防撞橫梁上。

3 車(chē)燈控制系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)

3.1 算法流程

在完成硬件電路圖設(shè)計(jì)后，本文還設(shè)計(jì)了一種包含角度過(guò)濾器的算法，可直接過(guò)濾顛簸干擾，提高角度計(jì)算準(zhǔn)確性。該算法包含加速度傳感器、角度直接計(jì)算單元、角度過(guò)濾單元、角度輸出單元和控制單元，算法流程如圖6 所示。

圖6 算法流程

在系統(tǒng)上電后，加速度傳感器周期性測(cè)算當(dāng)前車(chē)輛的加速度G值，并實(shí)時(shí)將G值發(fā)送到角度直接計(jì)算單元，計(jì)算車(chē)輛瞬時(shí)俯仰角θT，角度過(guò)濾單元進(jìn)行車(chē)身穩(wěn)定性判斷，并過(guò)濾波動(dòng)期間的瞬時(shí)角度，角度輸出單元計(jì)算車(chē)身真實(shí)角度θA，并輸出給控制單元進(jìn)行光軸調(diào)節(jié)。

3.2 算法工況驗(yàn)證

控制器會(huì)周期性地采集G-sensor的輸出值，實(shí)時(shí)判斷車(chē)輛角度的有效性。采樣周期內(nèi)采集的車(chē)輛瞬時(shí)角度的最大角度與最小角度的差值為ΔθAB，角度過(guò)濾閾值為θC，當(dāng)角度采樣周期內(nèi)ΔθAB值小于θC時(shí)，判定此時(shí)車(chē)輛為穩(wěn)定狀態(tài)，設(shè)置此采樣周期內(nèi)的角度為有效角度，并將此周期內(nèi)的瞬時(shí)角度發(fā)送至角度計(jì)算單元，然后輸出車(chē)輛實(shí)際俯仰角，最終控制光軸。當(dāng)角度采樣周期內(nèi)ΔθAB值大于θC時(shí)，判定此采樣周期內(nèi)車(chē)輛為顛簸狀態(tài)，設(shè)置此采樣周期內(nèi)的角度為無(wú)效角度，直接過(guò)濾此采樣周期的瞬時(shí)角度，并保持當(dāng)前的光軸位置，如圖7所示。

圖7 算法過(guò)濾信息

經(jīng)過(guò)角度過(guò)濾后，角度計(jì)算單元采樣到的角度均為有效角度，可以減少車(chē)輛劇烈的晃動(dòng)對(duì)最終車(chē)輛真實(shí)俯仰角的影響，增加了光軸位置計(jì)算的準(zhǔn)確性。

如圖8和圖9所示，坐標(biāo)軸t為時(shí)間軸，分為靜態(tài)、負(fù)載變化、負(fù)載穩(wěn)定3個(gè)時(shí)間段。坐標(biāo)軸θT表示車(chē)輛瞬時(shí)角度，每個(gè)采樣周期內(nèi)瞬時(shí)角度的上下閾值分別用θmax、θmin表示。靜態(tài)和負(fù)載穩(wěn)定時(shí)間段內(nèi)瞬時(shí)角度變化ΔθAB小于濾波閾值θC，此時(shí)判斷車(chē)輛瞬時(shí)角度為有效角度，采集該時(shí)間段的瞬時(shí)角度。負(fù)載變化區(qū)間內(nèi)，則可以瞬時(shí)角度變化ΔθAB大于濾波閾值θC，此時(shí)判斷車(chē)輛瞬時(shí)角度為無(wú)效角度，直接過(guò)濾此時(shí)間段的瞬時(shí)角度。

圖8 負(fù)載增加時(shí)角度信息采集

圖9 瞬時(shí)顛簸時(shí)角度信息采集

4 結(jié)論

本文針對(duì)現(xiàn)有車(chē)燈技術(shù)中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高及抗干擾與可靠性偏低等問(wèn)題，提出了一種基于加速度傳感器的車(chē)燈控制系統(tǒng)及其控制方法，可實(shí)現(xiàn)采用加速度傳感器替代現(xiàn)有車(chē)燈技術(shù)中的前后車(chē)身高度傳感器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)身姿態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，是對(duì)現(xiàn)有車(chē)燈ALS功能的一次技術(shù)升級(jí)。與傳統(tǒng)技術(shù)方案相比，本文所提出的方法具有以下兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

(1)系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)化，成本降低。通過(guò)本文所述的技術(shù)方案，作為前照燈高度調(diào)節(jié)的傳感器由現(xiàn)有技術(shù)方案中的4個(gè)減少為1個(gè)加速度傳感器。有效降低了線(xiàn)束成本、硬件成本及生產(chǎn)安裝調(diào)試成本。

(2)系統(tǒng)可靠性提升。通過(guò)本文所述的技術(shù)方案，將現(xiàn)有方案中的模擬信號(hào)線(xiàn)替換為數(shù)字信號(hào)線(xiàn)，通過(guò)數(shù)字信號(hào)本身的抗干擾優(yōu)勢(shì)，有效提升了系統(tǒng)信號(hào)傳遞的可靠性。