汽车自适应前照灯系统建模与仿真

汽车在水平路面 上等速行 驶 时的操 纵稳定 性 主要 是通 过 转向盘角输入或力输人 的响应来研 究 ， 作为刚 体它具有 ６ 个 自由度 。为 了获得满意 的计算精度 ， 常利 用 ４ ５个 自由 通 、 度非线性数学模型来模拟 ， 即横摆 角速度 、 质心 的侧偏 角 、 车 身侧倾角 、 轮转 角和 转 向盘 转角 为 自由度 ， 前 并考 虑轮胎 侧
信 号
处 理 电 路
为 Ｏ 、 ：质心速度为 Ｖ Ｕ和 为 在 轴和 Ｙ轴上 的分量 。 ＬＯ ， 。／ ，
主ＭＣ３ Ｉ
、
Ｆ 分别 为地 面对前 、 轮 的侧偏 反 作用 力 ， 挖 后 占为前 轮转
角 ，． ａ ｂ为质心距前 、 轮的距 离 ， 为车辆绕 轴的横摆角 后 可， 速度 ， 质心的侧 偏角为 卢， ｖ ｕ 卢＝ ／ 。
ｓ ｎｅ ｂ ｔ ｌ ａ ｉ ｃｕａｙａｄｌ ｓ ｖｒ ｏｔ ｇ ｏ ｐ ｓ ， ｕ ｓ ｈ ａｈ ａｃｒｃ ｎ ｓ ｅ ｈｏｉ ． ａｏ ｓ ｈ ｇ ｅ ｏ ｓ ｎ
ＫＥＹＷ ＯＲＤＳ： ｄ ｐ ｖ ｏ ｔ ｉｈ ｙ ｔｍ ｆａ ｔｍｏ ｉ Ａ ａ ｔ ｅ ｆ ｎ —ｌ ｔｓ ｓ ｉ ｒ ｇ ｅ ｏ ｕ ｏ ｂ ｌ ｅ；Ｓ ｅ ｐ ｒｍｏｏ ；Ｉ ｃ ｅ ｎ Ｉ ｔ ｐ ｅ ｔｒ ｎ ｒ ｍｅ ｔＰ Ｄ
大于最小转弯半径的。汽车在弯道上行驶时车速和方 向盘 况下二 自由度 汽车模 型精度 足够。模 型如图 ２所示 。
础， 根据汽车转弯时 的几 何关 系推导 出 Ａ Ｓ系统数 学模 型 ， Ｆ
建立 了基 于 增 量 式 ＰＤ的 Ａ Ｓ控 制 算 法 ， 在 ＭＡ Ｌ Ｂ Ｉ Ｆ 并 ＴＡ ／ ｓ ｕｉｋ下进行了仿真验证了该方法 的可行性 。 ｉ ｌ ｍ ｎ
ｗ ｅｌ ｎｌ ａ ｄｓｅｄｃ ａｇｓｏａｊｓｌ ｈ ｘ ｎ ｌ ａ ｄｔ ｌ ｈ ｐｔｅｒａ ｅｆ ｎ， Ｏｔ ｒ ｅ ’ｅｕｉ ｈｅ ａｇ ｎ ｐｅ ｈ ｅ ｄｕｔｉ ｔ ｉ ａｇ ｇｔ ｄｉ ｔ ｏｔ Ｓ ｅｄｉ ｒ ｓｃｒｙ ｅ ｎ ｔ ｇ ａ ｓ ｅｎ ｏ ｉ ｕ ｈ ｏ ｎ ｈ ｒ ｈ ｖｓ ｔ
自适应 前照灯 的工作 原理 ： 当车辆进 入弯道 时 ， Ｕ通 ＭＣ 过采集车速 和方 向盘转角 变化 ， 判断是否 对前照灯进 行水平 调光 ， 并进一步计算 出两灯 在左 右方 向上 的调节 角度 ， 然后 转换成各步进 电机运动状 态控制参数 ， 制相应步 进电机动 控 作， 步进 电机 的实际转动位 置通过 位置传 感器反 馈给 Ｍ Ｕ， Ｃ Ｍ Ｕ根据步进 电机 目标位 置与 实 际位置 之差 ， 出调 节修 Ｃ 发
ｌ ｔ ｎｍ ｄｌ ｆｈ ｌｒ ｔ ｌ ｉ ａ ｅ ｐｒ ｔ ｄ ｌｏ Ａ Ｓｏ ｈｃ ｕｎｎ ｏ ｒ ｅ ｄ ｈ ｆ ｃ ｏ ｏｅ ｏ ｅ ａ ｆ ｎ — ｉ ｔ ｘｓ ｄｓ ｐ ｅ ｏ ｒ ｏ ｅ ｆ Ｆ ｆ ｅｉ ｅｒｎ ｉ ｎａｃｏｋ ｄｒａ．Ｔ ｅ ｅｉ ｔ ｃ －ｏ ｈ ｇ ａ ｎ ｔ ｍ ｏｍ ｒ ｖ ｌ ｇ ｏ ｏ
围。当汽 车夜 间在弯道上行驶时 ， 前照灯无 法调节前 照灯 光
轴方 向， 常常会在弯道 内侧 出现“ 区” 驾 驶员 的视线被 禁 盲 ， 锢在大 灯 光 束 照 射 的直 线 范 围 内 ， 而 带 来 交 通 安 全 隐 从 患 。而汽车 自适应 前 照灯系 统 （ Ｉ ） 过对 前照 灯光 轴 Ａｒ 通 Ｓ
２ 汽 车 自适 应前 照灯 的组 成及 工作 原理
汽车 自适应前照灯 系统包括传 感器 、 Ｃ 步进 电机 、 Ｍ Ｕ、 前
照灯 ， 如图 １ 示。 所
左前大 灯 右前 大灯
图 ２ 二 自由 度 汽 车模 型
输
入
图 ２中汽车前 、 后轴 中点 的速度 分别为 ｕ 和 ｕ ， 侧偏角
统应用 于实车批量 生产 的还没 有 出现。国 内不少专 家也对 Ａ Ｓ系统的数学模型做 了一些深 入 的研 究 ， 中文献 ［ 从 Ｆ 其 ４］ 阿克曼 转角角度出发对 Ａ Ｓ弯道 照明规律 进行 研究 分析 ， Ｆ 文 献［］ ５ 利用 汽车稳 态情 况下的方向盘转角和速度及转弯半径 的关系对 Ａ Ｓ进行建模分析 。汽车在弯道行驶 时 ， Ｆ 由于受到 道路和环境 等不 同 方面 的影 响 ， 纯从 前 轮转 角 之 间的关 单 系， 不考虑车速 的 变化来 判 断 前照灯 的转 角大小 是 不 全 面 的， 因为前 照灯转 角的大小不仅跟方 向盘转 角而且跟 车速大 小有直接 的关系 。而利用 稳态情 况 车速和方 向盘 转角 的关
Ｍ ｏ ｅｉ ｇ ａ ｉ ｕ ａ ｏ ｏ ｄ ｌｎ ｎｄ Ｓ ｍ ｌ ｔ ｎ ｎ Ａｕｔ ａ ｉｖ ｏ ｉ ｏ Ａｄ ｐｔ ｅ Ｆｒ ｎｔ— ｌ ｈｔＳ ｓｅ ｉ ｙ ｔｍ ｇ
Ｗ ＡＮＧ ｎ Ｈｏ ｇ—ｐ ｉ ＧＡＯ ｏ ｇ， ＯＮＧ ｎ ｅ， Ｓｎ Ｓ Ｂｉ ｇ—ｙ Ｗ ＡＮＧ ｎ ｕ， Ｘｉ
摘要 ： 研究汽车照明优化控制问题 ， 针对传统车灯照明无法调整 ， 车前出现盲 区。为了照亮前方道 路 ， 从而提高 驾驶 员的安
全视野 ， 使汽车弯道 自适应照明系统可根据车速和方 向盘转角的变化来调整前 照灯光轴照射 角度 ， 出建立 了线性二 自由 提 度汽车模型 、 前照灯光轴水平方 向调节模型和前照灯步进电机模型 ， 然后根据增量 式 ＰＤ控制 的 自适应前照 灯系统控制算 Ｉ
到广泛 应用 ， 国内引进 的 Ａ Ｓ系统大多为生产商本 国道路状 Ｆ 况考虑 ， 国内道路 和 国外 道路 差别很 大 ， 且 使得 引进 的汽 车 Ａ Ｓ系统在 国内的普及应用存在很 大的阻力 。目前 ， Ｆ 国内
对 Ａ Ｓ的研究还停 留在 仿真 和实 验 阶段 ， Ｆ 自主研发 Ａ Ｓ系 Ｆ
ｖ ｓｏ ｓ ｉ ｒ ｖ ｄ ｉｉ ｎ ｗａ ｍｐ ｏ ｅ ．Ａｔ ｒ ｔ ｈ ｅ ｄ ｌ ｅ ｅ ｅ ｔ ｂｉｈ ｄ， ｎ ｌ ｄ ｎ ｗ ｓ ，ｔ ｒ ｅ ｍｏ ｅ ｓｗ ｒ ｓａ ｌ ｅ ｉ ｃ ｕ ｉ ｇ ｔ ｏ－ｆｅ ｄ ｍ ｕ ｏｍｏ ｅ ｄ ｈ ｒｚ ｎ ａ ｅ ｉ ｆ ｓ ｒ ｅ ｏ ａ ｔ ｄ ｌ ｎ ａ ｏ ｉｏ ｔｌｄ －
第 ８ 第１ ２卷 Ｏ 期
文章编号 ：０６－ ３ ８ ２ １ ） ０ ０ ４ — ５ １０ ９ ４ （０ １ １ — ３ ９ ０
计
算
机
仿
真
２１ ０ ０ 年１月 １
汽 车 自适 应 前 照 灯 系统 建 模 与仿 真
’
王 洪佩 ， 高
松， 宋炳 雨 ， 王
鑫
（ 山东理工大学交通与车辆工程学 院， 山东 ， 淄博 ，５ ０ ９ ２５４ ）
ＡＦ ｏ ｔ ｌａｇ ｒ ｈ ｂ ｓ ｄ ｏ ｎ ｒ ｍｅ ｔＰ Ｄ ｗａ ｒｐ ｓ ｄ ｈ ｅ ｃ ｎ ｒ ｌ ｙ ｔｍ ｒＡＦ ｓ ｓａ ｌ ｈ ｄ ａ ｄ ＭＡＴ Ｓ ｃ ｎｒ ｏ ｔ ｍ ａ ｅ ｎ ｉ ｃ ｅ ｎ Ｉ ｓｐ ｏ ｅ ．Ｔ ｏ ｔｏ ｓ ｏ ｌ ｉ ｏ ｓ ｅ ｆ Ｓ Ｗａ ｅ ｔｂ ｉ ｅ ｏ ｓ ｎ ． Ｌ ｉ ｌｔ ｎ Ｗａ ａ ｒ ｄ ｏ ｔ ｈ ｅｒ ｓ ｌ ｉ ｄｃ ｔ ｓｔ ａ ｅｃ ｎ ｒ ｌ ｔ ｏ ｏ ｎｙ ｈ ｓｔ ｅ ｃ ａ ａ ｔｒ ｔ ｆ ａ ｔ ｅ ＡＢ ｓｍｕ ａ ｏ ｓ ｃ ｒｉ ｕ ．Ｔ ｅ ｕｔ ｎ ｉａ ｅ ｔｔ ｏ ｔｏ ｈ ｄ ｎ ｔ ｌ ａ ｈ ｒ ｃｅ ｓ ｃｏ ｓ ｒ — ｉ ｅ ｈ ｈ ｍｅ ｏ ｈ ｉｉ ｆ
正指令 ， 完成调光过程 。
式 中， ｋ 分别为前 、 ｋ 、： 后轮侧 偏 刚度 ， 为汽车质 量 ， 为 车 ｍ
辆绕 ｚ 轴的转 动惯 量 ， 是 ｕ 与 轴的夹角 ， 车质心绝对 。 汽
加速度沿横轴 ｏ ｙ上的分量为
口 ＝“Ｊ （ Ｂ＋曰 ） （） ３
若 １ ， 为状态量 ， 由（ ） ２ 式可以求出 可 ， 。 Ⅲ，３ ／ 则 １（）
二 自由度汽 车运动 微分方程 如下 ：
１ ．
（１ ｋ） ＋ ａ —ｋ） 一 ｌ＝ （Ｂ “ ）（） ｋ＋ ２ ÷（ｋ ｂ ， ｋ ｍ ＋ 可， １ 卢 ｌ ２ ６
图 １ 汽车 自适应前照灯 系统结构图
（ ｌｂ ）＋ ａｌｂ２ ，ａ６ ， （） ａ —ｋ卢 ÷（ ｋ＋２） 一ｋ ＝ ２ ｋ ２ ２ ｋ田 ｌ
．
ＡＢ Ｔ ＡＣＴ： ｄｐｉ ｏ ｔ ｉｈ ｓｓ ｍ（ Ｆ ）ｏ ｅ ｉｅｒｎｉｇｏ ｒｏ ｅ ｏｄＷ Ｓｂｓｄｏ ｅｓ ｅ ｎ ＳＲ Ａ ａｔ ｅｆ ｎ —ｌ ｔ ｙｔ Ａ Ｓ ｆｖｈｃ ｕ ｎｎ ｎａｃ ｋｄ ｒ ａ ａｅ ｎｔ ｔ ｒ ｇ ｖ ｒ ｇ ｅ ｌ ｏ ａ ｈ ｅｉ
转角是不断变化 的， 是一个瞬态的变化过 程。上述 问题 的存 在， 使得现有的 Ａ Ｓ系统和理论 还不能完全应用在实际 中。 Ｆ 本文从汽车动力学理论 出发 ， 以二 自由度 汽车模 型为基
化而引起 轮胎特性的变化 以及轮胎 回正力矩 的作用 。第 四 、 汽车沿 轴方 向做等速运 动 ， 不考 虑地 面切 向力和 空气 阻力 作用 。这样实 际汽车 就简化 为 两轮摩 托车模 型 。在 上述情
的不断调整来适应弯道道路状况， 从而减少照明盲区， 提高
收稿 日期 ：０ ０—１ ２１ ０—０ ９
系求得转弯半径 ， 进而求 出前照灯 转角大 小 ， 也是 不 十分准
确的。因为稳态情况是一种非常理 想的状态 ， 是在车速 极低
．．．．— —
３ ４９ ．— ． ． ． —
的情况下 的等速 圆周运动 ， 据此所计算 出的转弯半 径是该速 度下， 以一定方 向盘转 角 时的最 小转 弯半径 ， 在实 际行车 而 时是很少存在 的。现 实 中汽车在 弯道 上行 驶 的转 弯半 径是
夜 间行 车安 全。 目前 ， Ｆ Ａ Ｓ系统 在欧美和 日本 等 国家已经得
１ 引 言
汽车前照灯是汽车最重要 的安全部 件之一 ， 照灯的照 前 射范 围和亮度对行 车安全有直接影 响。根据 国外统计显示 ，
虽然夜 间的车 流量 不到 白天流量 的五分 之一 ， 但夜 间发生 的 交通 事故 ， 却超过 交通事 故总 数 的四分之 一 ， 而其 中在 弯道 行车造成 的交 通 事故 ， 是 占 了夜 间交 通 事 故 的 ８ ％ 以 更 ０ 上 … 。传统 的前汽 车前 照灯 大都具 有 固定 的照射 角度 与范
（ ｃｏｌ ｆ ｒｎｐ ｒ ｔ ｎａｄＡ ｔｍ ｂｌ Ｅ ｇｎｅ ｎ ， ｈ ｎｏ ｇＵ ｉ ｒｉ ｆ ｅｈ ｏｏｙ Ｓ ｈｏ ｏ ａｓｏｔｉ ｎ ｕｏ ｏｉ ｎｉｅｒ ｇ Ｓ ａｄｎ ｎｖ ｓｙｏ ｃｎｌ ， Ｔ ａｏ ｅ ｉ ｅ ｔ Ｔ ｇ
Ｚｂ ｈｎ ｏｇ２５ ４ Ｃ ｉａ ｉｏＳ ａｄ ｎ ５ ０９， ｈｎ ）
３ ２ 前照灯光轴水平方 向调节模型 ．
当汽车在 弯道上行驶时 ， 驾驶 员的安全 视野应该 在 Ａ Ｓ Ｆ
３ 汽车 自适应 前照 灯 系统建模
３ １ 线 性 二 自 由度 汽 车 模 型 ．
的调节下 自动适 应弯道 ， 了保证弯 道行车 安全 ，Ａ 为 Ｓ Ｅ法 规 规定 非对称光型分布 的前照灯 系统 光束 的 明暗截止 线 可调
法。 建立 了汽车弯道行驶 自适应前照灯控制系统模型并在 Ｍ Ｔ Ａ Ａ Ｌ Ｂ上进 行 了仿 真。仿真结果 表明 ， 控制 系统响应 快、 超调
量小 、 精度高 ， 有可行性 。 关键 词 ： 汽车 自 应前 照灯系统 ； 适 步进 电机 ； 增量式 ＰＤ Ｉ
中图分 类号 ：４ ３ Ｕ ６ 文献标识码 ： Ａ