ALS自适应前照灯系统简介

-1-AFS专论1·AFS自适应前照灯系统简介AFS（AdaptiveFrontLightingSystem）自适应前照灯系统简介AFS是指能自动改变两种以上的光型以适应车辆行驶条件变化的前照灯系统。[1]AFS是目前国际在车灯照明领域最新的技术之一，同时也是一个和行车安全息息相关的主动式安全系统。AFS研发背景传统的前照灯系统是由：近光灯、远光灯、行驶灯和前雾灯组合而成。在城市道路行驶并且限速的情况下，主要采用近光；在乡间道路或者高速公路上高速行驶的时候，主要采用远光；雾天行驶的时候，应该打开雾灯；白天行驶，应该打开行驶灯（欧洲标准）。但是实际的使用中，传统的前照灯系统存在着诸多问题。例如，现有近光灯在近距离上的照明效果很不好，特别是在交通状况比较复杂的市区，经常会有很多司机在晚上将近光灯、远光灯和前雾灯统统打开；车辆在转弯的时候也存在照明的暗区，严重影响了司机对弯道上障碍的判断；车辆在雨天行驶的时候，地面积水反射前灯的光线，产生反射眩光等等。-2-欧洲汽车照明研究机构曾经就此作过做专项调查，结果显示，欧洲司机们最希望改善的是阴雨天气积水路面的照明，排在第二位的是乡村公路的照明，接下来依次是弯道照明、高速公路照明和市区照明。[1]上述这些问题的存在，就使得研制一种具有多种照明功能的前照灯成为必要，并且这些功能的切换，出于安全上的考虑，必须是自动实现的。所以欧洲和日本相继研制了这种自动适应车辆行驶状态的前照灯系统——AFS（自适应前照灯系统）。AFS功能简介阴雨天气的照明：如图1、图2所示，阴雨天气，地面的积水会将行驶车辆打在地面上的光线，反射至对面会车司机的眼睛中，使其目眩，进而可能造成交通事故。AFS有效的解决方法是：前灯发出如图所示的特殊光型，减弱地面可能对会车产生眩光的区域的光强。[1]-3-图1雨天积水反射的AFS光线（侧视）-4-图2雨天积水对AFS光线的反射（俯视）乡村道路的照明：在环境照明不好的乡村道路上高速行驶的车辆，需要的是照得远，照得宽的前照灯。同时AFS也不能产生使对面会车司机眩目的光线。转弯道路的照明：如图3所示，传统前灯的光线因为和车辆行驶方向保持着一致，所以不可避免的存在照明的暗区。一旦在弯道上存在障碍物，极易因为司机对其准备不足，引发交通事故。AFS解决的方法是：车辆在进入弯道时，产生如图4所示旋转的光型，给弯道以足够的照明。[2]-5-图3传统前灯的弯道照明问题-6-图4AFS的弯道旋转照明高速公路的照明：车辆在高速公路上行驶，因为具有极高的车速，所以需要前照灯比乡村道路照得更远，照得更宽。而传统的前灯却存在着高速公路上照明不足的问题，如图5所示。AFS采用了如图6所示更为宽广的光型解决这一问题。[3]图5现有前灯在高速公路照明的问题-7-图6AFS在高速公路上的照明城市道路的照明：城市中道路复杂、狭窄。传统前照灯近光如图7所示，因为光型比较狭长，所以不能满足城市道路照明的要求。AFS在考虑到车辆市区行驶速度受到限制的情况下，可以产生如图8所示的比较宽阔的光型，有效地避免了与岔路中突然出现的行人、车辆可能发生的交通事故。[3]以上是AFS完整的功能，在实际使用中，欧洲和日本研发的AFS对以上功能各有取舍。-8-图7传统前灯近光的照明的问题-9-图8AFS城市道路的照明AFS功能实现AFS是一个由传感器组、传输通路、处理器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是一个多输入多输出复杂的系统。图9是德国HELLA公司AFS的系统简图：[4]-10-图9HELLA的AFS模块化系统简图要实现不同的功能，AFS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；为了实现阴雨天照明的功能，就要从湿度传感器获得是否阴-11-雨的信息……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接受到的信息，除了车速，车身转角和车身倾斜角等等少数信息是可以定量的以外，其他传感器发回的信息大多只能到定性的程度。诸如，地面平不平，雨下得大不大等等车身之外的环境信息，都是不能精确量化的。这就使得AFS的中央处理器能够进行模糊的判断。并且很多信息之间是相互关联的。比如，在阴雨天气，路面积水的情况下，车辆的转角和晴天相比有极大的差异……AFS的中央处理器不仅要做模糊的判断，而且还要随着这种环境的改变不断的修整系统参数，这使得AFS最终成为一个自适应的模糊系统。AFS的执行机构是由一系列的马达和光学机构组成的。一般有投射式前照灯，对前灯垂直角度进行调整的调高马达，对前灯水平角度进行调整的旋转马达，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。下面以日本DENSO公司的AFS为例，进行简要的说明：[5]DENSO公司的AFS系统目前只能实现弯道照明的功能，所以其系统比较的简单，如图10所示。系统从方向盘角-12-度传感器、车体速度传感器、车身高度位移传感器分别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（图11）精确计算以后产生输出信号控制旋转马达（图12）对前灯（投射式）进行水平旋转，倾斜度信息控制调高马达对前灯进行垂直旋转。图10DENSO公司AFS系统简图-13-图11DENSO的AFS控制电路图12DENSO的AFS的旋转马达-14-AFS发展现状据日本的DENSO公司宣称，世界上第一个实际装车的AFS是由他们在2003年2月份完成的。[6]目前笔者所掌握的一些资料显示，德国的HELLA公司研发的系统和完整意义上的AFS最为接近，他们将在2005年，推出能够实现所有功能的AFS。[4]汽车照明的另一家公司法国的VALEO也开发了自己的AFS系统。[7]-15-图13DENSO的AFS图14HELLA的AFS-16-图15VALEO的AFS图13、14和15分别是三家装车后AFS的外观效果。目前已经有不少豪华车，诸如BMW5系、奔驰E级、奥迪A8、凌志R系列等等，开始加装AFS系统。最近有消息说在天津投产的TOYOTA的MARK2也要安装AFS。但相形见绌的是，国内现在对AFS的研发还处在萌芽状态，恐-17-怕在这新的一轮汽车照明革命的浪潮中，不得不又处于非常不利的地位。[1]AdaptiveFrontLightingSystem,EurekaProjectEU1403,Presentationto48thSessionofGRE,9-12April2002.[2]AdvancedLightingTechnology,AutoBusinessLtd.,CompanyProfiles.[3]ModernLightingTechnologyforthecarsoftodayandtomorrow,HellaCorp.[4]TechnicalInformationElectronics—LightingElectronics,HellaCorp.,2003.[5]AdaptiveFrontLightingSystem,DensoProducts,TokyoMotorShow2003.[6]DENSO’sLightingTechnologies,DensoCorp.,CompanyProfiles,22Oct2004.[7]AdaptiveFrontLightingSystem(AFS)—BendingLight,ValeoSylvania,CompanyProfiles.-18-05-3-13AFS专论2·AFS计算基础2007-02-2111:56AFS专论2·AFS计算基础目前研发的AFS系统要解决前述五大问题尚有难度，因为首要的难点就是缺乏有效、廉价的传感器能对基本道路状况的做出判断。要完成路面积水、转弯道路、高速公路、乡村道路和城市道路的综合识别，即便是采用下一代基于CCD的图像识别技术还是一个不小的挑战。所以时下国外量产的AFS系统都是运用了间接判断，有限的实现个别功能。如采用车身高度传感器感知车身的纵倾角，使前灯保持和路面水平；采用方向盘转角传感器感知前轮转角，结合车速判断道路的弯曲状况，实现弯道旋转的功能；采用自动雨刮的湿度传感器感知雨量，实现前灯反光遮挡的功能。本文结合各种传感器就上述三个功能的基本计算辅以简要的说明。车身纵倾调光功能：-19-车身会因为前后负载的不同，改变纵倾的角度，安装在车身上的车灯射出光线的角度也会发生改变，对夜间行车安全产生不利的影响。如图1所示，上部是正常的前灯出射角度和照明范围，中下部分别是后倾和前倾情况下的前灯角度和照明范围，其差异是非常明显的。-20-图1车身纵倾对前灯照明产成的影响另外，车辆的加速和减速也能改变车身的纵倾角，图1下部前倾尤其在制动时常见。采用安装在悬架和车身上的车身高度传感器（详述见专论3），获取前轴和后轴的高度变化量，并依据轴距计算车身纵倾角度，计算见图2。车身纵倾角度的变化量，就是前灯光轴角度的变化量，通过调光电机的运作，反向调整此角度变化，就可以使光轴回复到原先的状态，保持水平。当然这只是一个理论公式，实际上，这种自动调光系统（DHL_DynamicalHeadlampLeveling）在何时调光、速度多快、精度多高，和车速及其变化都是息息相关的。例如，悬架是不停振动的，频率、幅度变化都很大，但DHL需要的因随着车身载荷和车身加减速导致的近稳态变化量，而并非随着路面不平度、轮胎受力、车辆侧倾等引起的瞬态变化。车身传感器信号的滤波、处理、识别才是真正令人头痛的问题。这些问题的讨论请见专论3，在本文提出，仅仅引起重视。-21-图2车身纵倾角的计算图-22-弯道旋转功能：传统国标对前灯照明有很严格的要求。如图3所示的25m测试屏上实测到前灯（单灯近光）的等照度曲线（0.5~31lux），经由计算各种不同能量的光线得到在空间中生成的光网，图4红线所围成的空间区域就是前灯（单灯近光）1lux的光网，则双灯能够照亮路面图5上蓝线围成的区域。-23-图325m测试屏上得到的前灯（单灯近光）的等照度曲线无疑此近光完全满足国标的配光要求，但这并不能保证驾驶员能发现弯道上近在咫尺的危险，因为横向固定光轴的传统前灯存在着盲区，如图6所示。如果前近光灯能够提前旋转一个角度，如图7中左灯旋转15度，右灯旋-24-转9度，可见区域就能覆盖大半个转弯半径37m左右的弯道，从而提早的发现道路上存在的危险，应对处理。图4由等照度曲线生成的空间光网（1lux）-25-图5由光网截成路面照明区域（双灯1lux）弯道上发现危机最极端的应对措施就是制动，前灯需要旋转的角度就是要保证这个有效的制动距离。一般来说从发现危机、踩下刹车到制动器启动需要1.5秒的时间，这段时间车辆以初始速度行驶；制动器工作后，如不出现甩尾、抱死的情况，其制动距离大致和直线制动相同。二者相加，所需的距离必须要在前灯旋转后的照明区域内。由上面的分析可知，每一款不同前灯的等照度曲线都是不同的，进而其在路面的照明区域也是相异的；同样，不同车辆的弯道制动特性也相差较大，甚至同一款车的负载、车况、路面改变后，制动能力也会受到很大的影响，所以要想精确计算前灯的转向角度是不现实的。图8中有一个SAE推荐的横向转角计算公式，应该算是一个经验公式，但这-26-不能表面上面的前灯光域的分析显得多余，毕竟要想使照明更有效的覆盖弯道，左灯、右灯的转角也还是有差异的。弯道转向最后剩下的问题就是如何求得R—车辆的转弯半径了，这也是一个相当让人感到头痛的问题。研发初期，有两派意见一直争执不下：一是主张使用横向加速度传感器结合车速计算转弯半径；二是主张沿用国外的方案使用方向盘转角传感器结合车速计算转弯半径。现在想来，两种方法都是很有问题的。