基于MATLAB的汽车前照智能大灯设计

基于MATLAB的汽车前照智能大灯设计摘要：根据汽车转向和停车视距随车速变化的规律，建立了弯道随动系统的控制模型，并采用Matlab/Simulink设计仿真程序对其进行模拟。仿真结果表明，所搭建的系统模型能较好的实现预期结果。DesignBasedMatlabForAutomotiveIntelligentFrontLightSystemAbstract:Accordingtothevehiclesteeringandthestoppingsightdistancechangewithspeed,bendservosystemcontrolmodeloffrontlightintelligentsystemisestablishedandusingMatlab/Simulinkprogramtosimulate.Theresultsshowthatthebuiltsystemmodelcanbetterachievetheexpectations.一、前言1.1AFS国内外现状汽车行驶安全是当今世界研究的一大主题，而夜间行车照明不佳是导致交通事故的主要原因。研究表明，82%的汽车都是在夜间照明状况不佳的情形下发生。据相关文献统计显示，夜间行车发生重大事故的次数的比例约为白天的1.5倍，而且60%的事故是发生在照明不佳的弯道处[1]。为了改善汽车照明状况，近些年出现了汽车自适应前照大灯系统AFS（AdaptiveFrontlightSystem）。AFS前照灯系统是车灯技术的一项重大突破，它使夜间行车的安全性得到了飞跃性的提高，同时也大大提升了行车照明的舒适性，这一点已在世界各大汽车厂商中达成共识。对于AFS前照灯系统的研究在国外已经取得了很大进展，技术方面相对成熟，日本、欧美等国家地区的知名汽车制造商都相继推出了AFS产品，并装配在高档和部分中低档轿车中，如奥迪A8、奔驰E系和M系、BWM5系等。近年来国内也有多家厂商和机构展开了对AFS的研究，并取得了巨大的进展，许多已经装车配备。如北京经纬恒润科技所生产的AFS产品已装在长城汽车的H2、H6、H8和一汽轿车的奔腾B90、X80、红旗H7等车中，并成为长城、一汽、北汽等汽车厂商的唯一供应商。现有AFS系统都不是真正意义上的自适应前照灯系统。真正意义上的AFS系统应是随动转向照明、高速公路照明、城镇乡村照明和不利天气照明功能的集合，并且车辆能根据所检测到的车身和环境状况自动选择工作模式[2−3]。但是由于汽车的工作状况十分复杂，在技术上实现真正意义上的AFS仍有许多难题需要攻克，因此真正意义上的AFS的出现还需各个厂家和研究机构继续努力。本文也仅仅论述了汽车前照大灯弯道随动系统的设计。1.2AFS工作原理现如今较成熟的AFS系统具有两个步进电机，一个用于控制水平方向的大灯旋转，一个用于控制灯光轴线与水平方向的夹角，这两个步进电机使得汽车前照灯系统能根据车辆状况和外界环境如负载、车速、天气、坡道和弯道等的变化自动调节车灯照射距离和角度，以适应各种道路条件下的汽车安全照明。AFS通过传感器检测到车速、方向盘转角等信息后输送至ECU中，并通过内部算法计算出水平方向上需要调整的角度，最后转化为步进电机的旋转信号输送至安装在大灯下方的步进电机使其旋转相应的角度。水平方向调整的示意图如图1.1和1.2。图1.1无弯道随动系统图1.2有弯道随动系统AFS通过传感器检测到车身纵向倾角的变化，通过ECU控制高度方向上步进电机旋转调节灯光轴线的倾角，其示意图见图1.3和1.4。图1.3无车身纵倾调光功能图1.4有车身纵倾调光功能从上图示意图可以看出，弯道随动系统可以让司机清楚观察道路状况，降低了事故发生的可能性。因此，设计汽车前照大灯弯道随动系统是非常有必要的。二、前照灯偏转角的计算2.1转向模型的建立本文采用阿克曼转向模型，并假设：1.车体刚性；2.车轮纯滚动；3.不考虑轮胎的变形；其转向示意图见图2.图2.1阿克曼转向模型图中δ表示转向轮平均转向角，L表示汽车轴距，D表示轮距，R为转向半径。阿克曼转向模型指汽车转弯时所有车轮均围绕一个圆心转动，且该圆心在汽车后轴轴线上。由图2.1可以得出，转向半径R与转向轮平均转角δ的关系为R=L/tanδ——2.12.2停车视距的拟合函数前照大灯弯道随动系统工作原理是根据汽车行驶速度及方向盘转角确定转弯半径，并以保证安全性的距离点与车头中点做直线与从车头中点做转弯弧线的切线的夹角作为前照大灯灯光轴线旋转的角度。调查研究表明，在紧急情况下，驾驶员倾向于采取制动措施[4]。制动距离为从驾驶员开始操纵制动装置到汽车完全停止所驶过的距离，而停车视距为驾驶员自观察到障碍物时起到障碍物前安全停车所需的最短行车距离。因此此处保证安全性的距离选择停车视距。道路设计时速与停车视距的关系见表2.1：表2.1设计时速（km∙ℎ−1）2030406080100120停车视距/m20304075110160210求解拟合函数程序：x=[2030406080100120];y=[20304075110160210];z=polyfit(x,y,n)s=polyval(z,x);plot(x,y,'+');holdon;plot(x,s,'-r');holdoff;r=sum((s-y).^2)将拟合阶数n分别取2,3,4；表2.2n拟合函数s误差平方和r2S=0.0094𝑣2+0.6057v+3.1730r=19.34663S=−0.0000𝑣3+0.0612𝑣2+0.1895v+10.0122r=14.80144S=−0.0000𝑣4－0.0000𝑣3+0.0107𝑣2+0.3916v+7.6066r=14.6822对比可知，较为合适的有3阶拟合函数和4阶拟合函数，而两个差别很小，因此，为减小计算量，选取三阶拟合函数作为停车视距与车速的关系函数，即停车视距S=−0.0000𝑣3+0.0612𝑣2+0.1895v+10.0122——2.2拟合程度见图：图2.22.2偏转角计算采用停车视距计算偏转角时其关系如图2.3图2.3偏转角与停车视距图中𝑆为停车视距，𝑆’为有效照明距离，𝑅为转弯半径，α为大灯灯光轴线偏转角。𝑆=𝑅∙α∙π/90——2.3整理得，偏转角α=90𝑆/（π∙𝑅）——2.4在某一特定车速下，偏转角关系与转弯半径R的关系如下图：图2.4可以看出，在转弯半径一定时，随着车速的增加，偏转角增大；在车速一定时，随着转弯半径的增大，偏转角减小。求解程序：r=0:5:500;v1=10;v2=20;v3=30;v4=40;v5=50;v6=60;a1=(90*(-0.0000.*v1.^3+0.0612.*v1.^2+0.1895.*v1+10.0122))./(pi.*r)a2=(90*(-0.0000.*v2.^3+0.0612.*v2.^2+0.1895.*v2+10.0122))./(pi.*r)a3=(90*(-0.0000.*v3.^3+0.0612.*v3.^2+0.1895.*v3+10.0122))./(pi.*r)a4=(90*(-0.0000.*v4.^3+0.0612.*v4.^2+0.1895.*v4+10.0122))./(pi.*r)a5=(90*(-0.0000.*v5.^3+0.0612.*v5.^2+0.1895.*v5+10.0122))./(pi.*r)a6=(90*(-0.0000.*v6.^3+0.0612.*v6.^2+0.1895.*v6+10.0122))./(pi.*r)plot(r,a1)holdall;plot(r,a2)plot(r,a3)plot(r,a4)plot(r,a5)plot(r,a6)holdoff;axis([0500050]);gridon;h=legend('10km/h','20km/h','30km/h','40km/h','50km/h','60km/h',1);以汽车前进方向左方为转向负角度，右方为转向正角度。取汽车方向盘转角β为−512°~512°,转向传动比为18:1，轴距L选为2.5m，不考虑转向盘自由行程，则对应车轮平均转角范围为−28.44°~28.44°，即方向盘每转18°，车轮平均转1°。偏转角α=90𝑆/（π∙𝑅）——2.5𝑆=−0.0000𝑣3+0.0612𝑣2+0.1895v+10.0122——2.6R=2.5/tanδ——2.7δ=（β*π/180）/18——2.8即得偏转角α=90（−0.0000𝑣3+0.0612𝑣2+0.1895v+10.0122）tan(（β∗π/180）/18)2.5𝜋——2.92.3前大灯偏转角限值根据相关标准规定，文献2，当汽车车速大于等于100Km/h时，道路圆曲线最小半径的一般值已经超过汽车车灯ECER48法规规定的汽车车灯转弯模式开始工作时的最大转弯半径500m。因此，选取汽车行驶速度低于100km/h及其停车视距设计汽车前照大灯轴线偏转角。国家法规关于水平方向角度调整做出了规定：”为了形成弯道照明，可以改变一只或两只近光灯的水平方向，但是当移动整个光束或明暗截止弯曲肘部时，明暗弯曲肘部不得与离车辆前面的距离为相应近光灯安装高度的100倍的车辆重心轨迹相交，且车辆重心轨迹曲率半径应不大于500m”[5]。既有最大调整角度为：αmax=(180/π)*arcsin100𝐻2𝑅——2.11其中αmax为国家标准规定的前照灯最大偏转角度，H为前照灯基准中心高度，取0.75m，αmax=(180/π)*arcsin37.5𝑅——2.12目前，在汽车前照灯的标准方面有欧洲标准和美国标准，两者主要在近光配光上有较大的差别。欧洲标准特别注重对眩光的控制，因此，在其配光上存在15°的截止线，并且照度也低。在美国，道路大多比较宽阔，因此对眩光没有什么特别的要求。我国道路交通情况与欧洲相近，且国标GB4785—1984《汽车及挂车外部照明和信号装置的数量、位置和光色》的规定是参照欧洲经济委员会ECENo.48/01法规制定的。因此，此处选取15°为偏转角最大值。α={90Stan(（β∗π/180）/18)2.5𝜋,α≤min{15,(180/π)∗arcsin37.5𝑅}min{15,(180/π)∗arcsin37.5𝑅},α≥min{15,(180/π)∗arcsin37.5𝑅}三、模型的建立该系统模型的搭建见图3.1，数据从lgtdata.mat中读取，其中车速为20:0.75:79.25；方向盘转角输入为0:6.5:513.5；组成80x80的数据输入所搭建的模型，从模型中返回大灯偏转角数值，最后用surf函数输出三维模型，执行效果图见图3.2。图3.1系统模型图3.2仿真结果参考文献[1]蒋勇平.汽车主动转向头灯系统的研究[D].华南理工大学，2010[2]陈建林，吴青等.汽车AFS系统车灯转角动态模型研究[J].汽车技术，2010:45-47[3]杨妙梁.丰田推出新型安全系统—电控可变配光与预警防撞系统的组合安全装置[J].汽车与配件，2003（30）：30-33[4]陈雪梅，魏中华，高利.紧急情况下驾驶员行为研究.北京工业大学学报，2007[5]GB4785—1984《汽车及挂车外部照明和信号装置的数量、位置和光色》