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自适应前照明系统探讨
自适应前照明系统的探讨
摘要
随着科学技术的发展，汽车行驶去安全已经成为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高事故率的重要原因。
为了改善汽车照明状况智能化的照明系统投入了使用，以减轻驾驶员的负担，并进一步提高汽车行驶的安全性。
自适应前照明系统（AdaptiveFront-Lighting,简称AFS），是最近推出的一项主动安全技术，出现在了很多新上市的车型上。
它的功能伸缩性很大，根据在车辆照明实际使用过程中所遇到的所有问题而采取的技术革新，就目前能够实现的功能可以根据车辆的行驶状况、路况，以及天气等来适时自动的调节前照灯的照射角度、形状、光亮度以及照射时间，从而达到相应状况下的最优光照表现。
本文介绍了目前自适应前照明系统的技术和原理，通过分析自适应照明系统在各种工作环境下的功能和模式，对自适应照明系统的发展趋势进行了论述，指明了自适应照明系统前景广阔。
关键字：
照明，自适应，安全，LED
目录
第一章绪论3
1.引言3
2.自适应前照明系统原理3
3.自适应前照明系统技术现状4
第二章自适应前照明系统的功能与原理5
1.默认照明模式5
2.乡村道路模式5
3.城市照明模式6
4.高速公路照明模式7
5.弯道照明模式8
6.恶劣天气照明模式9
第三章自适应前照明系统的发展趋势11
1.预见型AFS11
2.传感器11
3.ECU的算法11
4.AFS光源12
结束语13
参考文献14
致谢15
第一章绪论
1.引言
随着社会的发展和技术的进步，汽车行驶的周边环境越来越复杂多样。
道路的限速不同、路面的照明不同、行人的密度不同、天气条件的环境不同，传统上只具有近光和远光两种照明模式的普通前照灯，已经无法满足人民日益增长的行驶安全需要。
因为汽车上安装的普通前照灯具有固定的照射范围，当夜间汽车在转弯时，由于普通前照灯无法改变调节照明角度的方向，常常会在弯道内侧出现“盲区”，司机的视线被禁锢在大灯光束照射的直线范围内，这对汽车夜间在弯道行驶时非常危险，极大地影响了夜间行车的安全性[1]。
所以人们普遍希望能在未来的汽车上安装一种能够显著提高行车安全性和舒适驾驶的照明系统，这种照明系统能根据周边的环境调整自身的配光方式，提供更大的照明范围和照明距离，同时也能改善前照灯的照明死角，这就是自适应前照明系统。
根据调查显示，在美国，有20％的致命车祸发生在午夜到早上6点这段时间。
目前国内外汽车自适应前照灯系统应用主要采用的是电脑ECU（electroniccontrolunit）控制盒进步电机驱动[2]。
我国当前使用的大量中低档汽车并未采用自适应前照灯系统，为了提高汽车战争夜间行驶的安全性，因此，对它的研究在线阶段具有重要意义。
2.自适应前照明系统原理
自适应前照明系统的工作原理如图1所示。
自适应前照明系统共由四部分组成：
传感器、ECU、车灯控制系统和前照灯。
汽车车速传感器和方向盘转角传感器不断地把检测到的信号传递给ECU，ECU根据传感器检测到的信号进行处理，把处理完后的数据进行判断，输出前照灯转角指令，使前照灯转过相应的角度。
汽车在转弯时，重点是要提前看到所转方向的障碍物，根据现实驾驶的经验，车灯一般只需转过O～15°即可，只需要所转方向侧的那只前照灯实现智能转向就可，另一侧前照灯还是保持原来的方向。
虽简化了控制，仍然能够达到预期的效果。
图1灯光随动系统的工作原理
3.自适应前照明系统技术现状
经过多年的研究和开发，各大汽车制造商均形成了独特且有效的AFS技术能力。
虽然这些技术的配合实现方式有所不同，但就其AFS的控制原理上来看基本一致：
电子控制单元（ECU）通过CAN总线从方向盘转角、速度、环境照明度灯传感器分布获得转向轮旋转角度、车速、道路照明情况的等信息。
中央控制电路将这些信息进行处理后，产生输出信号，控制执行机构来配置前照灯照明，使道路获得最合理的配光分布[3]。
第二章自适应前照明系统的功能与原理
AFS是一种智能式前照灯系统.它能根据周围环境的变化主动对前照灯做出调整以适应环境。
下面将针对不同的环境分6种照明模式对AFS的功能与原理进行详细阐述。
1.默认照明模式
原理：
AFS根据根据光敏传感器感知光线的变化自动选择打开或关闭前照灯。
当黄昏时分，光线强度下降到一定大小时，前照灯也会自动打开，似乎可以感知夜晚的即将到来，相反，当黎明到来.光线强度升高到一定大小时，前照灯会自动关闭。
功能：
根据外界的光线强度觉得是否开启后关闭车灯。
例如当白天车辆穿过隧道和桥梁或遇到恶劣天气时，前照灯会自动打开以补充照明。
2.乡村道路模式
原理：
AFS根据光敏传感器和车身高度传感器或GPS发给ECU的数据来判断是否进入乡村照明模。
以右行国家为例，当汽车进入乡村时，左右近光灯的驱动功率均增大，从而增加亮度以补充照明，且右灯的灯光要偏转一定角度，以照射到边缘路面，效果如图3所示。
功能：
乡村道路岔路口多，且光线较暗，不便及时发现边缘障碍物。
部分道路还凹凸不平、起伏不定，造成车身倾斜，如图2所示，车身倾斜对前照灯照射俯仰角度影响很大。
若遇到起伏不平的路况，则AFS会根据前轴和后轴高度差的变化量来自动调整前照灯的投射俯仰角度，尽量使光轴回复到原先的水平状态，以能达到良好的照明效果，又不会对迎面车辆的司机造成眩目。
图2车身倾斜对照明产生的影响
图3AFS乡村岔路口效果图
3.城市照明模式
原理：
AFS根据光敏传感器和车速传感器或GPS判断是否进入城市照明模式。
当光强达到阈值，且车速不超过60km/h时，城市道路照明模式便自动开启，左右近光灯的驱动功率均减小以降低亮度，且前照灯在垂直方向上会向下偏转一定角度，从而降低射进对面驾驶员眼中的光照强度。
图4为进入城市前后的照明效果对比图。
功能：
眩光分为直接眩光和反射眩光，这里主要为直接眩光。
一般要求，在会车时，射向对面驾驶员的光照强度不要超过1000cd。
对于城市公路来说，照明条件较好，且车流人流密度都明显增大，防止眩目就显得尤为重要。
而此模式能够通过自行调低车灯照射的角度与减小车灯功率，来减小眩目发生的可能性，提高安全性。
图4AFS城市照明模式对比图
4.高速公路照明模式
原理：
当车辆进入高速公路且速度>70km/h时[4]，AFS通过车速传感器或GPS获知此信息，然后通过调高近光灯的水平高度予以实现。
而且随着车速的加快，近光灯也会调得越高，以保证能在安全刹车距离之外发现危险。
图1为进入高速公路前后的前照灯的灯光光型分布图，从图5中可以看出，AFS工作时车辆的照明效果明显比未工作时好。
功能：
当汽车在公路上行驶发现危险时，司机的第一反应就是制动，司机发现紧急情况到刹车发生制动作用的这段时间称为反应时间，反应时间内车辆以初始速度行驶的距离称为反应距离，从刹车发生制动作用直至汽车停止这段时间内车辆行驶的距离称为制动距离，反应距离和制动距离都与汽车的初始速度成正比。
刹车距离为反应距离与制动距离总和，且刹车距离必须在前照灯的照明区域内才能保证汽车的安全行驶。
车辆在高速公路上行驶时，车速很快，车辆密度相对较低且侧向干扰较少，所以要求前照灯照得更远、更窄，且要求车速越高，光型越长，这样才能提前发现前方障碍物，避免交通事故的发生。
此模式能根据车速调整车灯照射高度，为司机延长反应时间，增加行车安全性。
图5AFS高速公路照明模式对比图
5.弯道照明模式
原理：
AFS根据弯道照明模式由汽车的方向盘转角传感器和车速传感器或GPS决定是否进入弯道照明模式。
当转向角超过12°并且车速超过30km/h时开始工作，当转向角<9°或车速<5km/h时停止工作[2]。
当AFS获知车辆进入弯道时，前照灯会旋转一定角度，给弯道以足够的照明.效果对比图如图6所示。
为了正面照明的需要，AFS并不是同时控制左右近光灯的，如果车辆向右转弯，则右灯向右侧旋转，如果向左转弯，则左灯向左侧旋转。
同时，左右近光灯的最大调节角度也是不同的，对于交通法规规定靠右行驶的国家，右侧近光灯变化角度最大为5°，左侧为15°[2]。
功能：
当汽车在弯道上行驶时，因为前照灯的光线和车辆的行驶方向一致，所以不可避免会存在照明暗区，极易因为不能及时发现弯道上的障碍物而引发交通事故。
而AFS则可以随着转弯，前照灯光线照射角度也随着改变，给于弯道足够的照明，如此司机便可提前做好准备。
图6AFS弯道照明模式对比图
6.恶劣天气照明模式
6.1阴雨天气照明方式
原理：
AFS由雨量传感器获得的数据即可判断当前是否下雨，并能够进一步获知雨量的大小。
一般汽车前面距离为5~25m的路面可以产生反射眩光，AFS可根据雨量大小适当降低前照灯的高度，对此范围内的照度进行限制，从而避免反射眩光对车辆前方60m[2]
范围内的驾驶员造成眩目。
功能：
阴雨天气时，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，使其眩目，如图7所示。
法国的一项民意调查表明，83%的驾驶员认为，夜晚的反射眩光比直接眩光更令人感到不安[4]。
而此模式通过适当降低前照灯的高度，以此来降低阴雨天气产生的反射眩光，减少事故的发生。
图7AFS阴雨天气照明模式对比图
6.2雾霾天气照明方式
原理：
由雾传感器感知雾的大小和光敏传感器感知光线的强弱从而启动AFS。
AFS会提高前照灯的驱动功率和抬高前照灯的垂直高度，而且还会启动车灯清洗装置，冲洗前照灯上的小水珠，以增强前照灯光束的亮度和穿透力，从而提高前方道路的能见度与清晰度。
功能：
雾霾天气时，前照灯光线产生漫射且前照灯上布满小水珠，使前照灯的亮度和穿透力降低，导致前方景像难以看清，司机的能见度很低，给交通带来很大不便。
此模式通过自动启动车灯清洗装置与增强车灯光束的亮度和穿透力来提高前方道路的能见度与清晰度，为行车安全做足准备。
6.3沙尘暴天气照明方式
原理：
由风速传感器、颗粒物传感器和光敏传感器判断是否进入沙尘暴照明模式。
这时，AFS同样会提高前照灯的驱动功率和抬高前照灯的垂直高度，同时启动车灯清洗装置，洗净前照灯上的灰尘，此外，其中一只前照灯会向外侧旋转一定角度以及时发现被风刮来的障碍物。
功能：
沙尘暴天气和下雾天气情况类似，虽然此时不存在小水珠，但是在沙尘暴天气下会有大风，使前照灯上布满灰尘，且四周随时可能刮来不明物体。
此模式能自行判断启动车灯清洗装置，清洗车灯上的灰尘，并通过提高车灯功率与抬高车灯垂直角度来提高照明效果，增加驾驶安全性。
第3章自适应前照明系统的发展趋势
为了改善汽车的传统照明系统，各大汽车制造商在智能灯具研发上投入了极大的热情。
虽然对于新一代的AFS，研发者们都有自己独特的想法和概念，但智能化和节能是大家共同的研究方向。
1.预见型AFS
事实上现在世界上使用的所谓AFS系统并不是真正意义上的AFS，现在的AFS只是在自动动态调光系统的基础上增加了转弯照明的功能。
而真正的AFS系统，不但需要对车辆所处的当前环境状况具有正确的了解，同时应对未来的环境状况具备有效的预知，并在此基础上输出控制信号，通过操作系统对照明系统进行自动配光，这类具有预知功能的AFS（PredictiveAFS）.譬如，基于巡航控制系统下的弯道照明技术，要求车辆在进入弯道之前，便能发现前方道路的变换，从而能提前开启弯道照明功能，但就目前GPS所能提供的车辆位置信息和电子地图精度还是无法满足功能需要。
预见型AFS也是目前各大汽车制造商研制开发新型AFS的主要方向。
其概念主要基于车辆内部传感器和外部传感器所获得的车况和环境状况信息，以及对这些信息的处理方法。
鉴于各类传感器所提供的信息量非常巨大，一种能对信息进行高效处理的算法尤显重要。
2.传感器
传统EPS系统所使用的一些车辆内部传感器（方向盘转角传感器、加速度传感器以及车轴转速传感器）可以提供车辆当前行驶状况信息，并通过数据库获得对车辆转向角度的预测。
此外，还可通过环境传感器譬如影响传感器来获得车辆前方道路的信息。
这类影像预测系统能对图像中的道路进行识别处理。
为了获得道路的三维数据，影像传感器需在车前安装两个单色摄像头，如图8。
所获得的数字影像传给图像采集器，就如人的眼睛一样，三维图像可以由两种不同位置的二维图像获得。
3.ECU的算法
对于预见型AFS的ECU来说，相比于传统型AFS的ECU，预见型的ECU无疑需要运算的数据更多，不仅要对一般传感器的数字信息进行处理，还要对影响传感器的图像数据进行识别分析，所以一好的算法对于预见型AFS的性能影响是巨大的。
当前对图像中的道路进行识别的算法很多，如霍夫变换（HoughTransform）或Canny边缘提取算法。
但由于图象数据所需处理信息非常巨大，这些算法都需很大的计算量。
处理图像信息外，为了建立三围道路模型，还需道路宽度、弯道曲率变化、倾斜角、偏航角等诸多参数信息，这些参数的由相应传感器获得，并通过例如卡尔曼滤波算法等算法进行处理，以此为基础，ECU对车辆所处位置进行评估，这样既可以确定当前位置，也可以预测将来位置[5]。
而后，通过将指令发送给照明设备发挥作用。
图8单色摄像头
4.AFS光源
传统的前照灯光源难以实现AFS的全部功能，相对于传统AFS的光源卤素灯或HID灯，LED明显的优势是体积小、重量轻，从而节省了非常有限的AFS灯具内部空间，较轻的重量也减小了电机的使用功耗。
此外，LED灯是公认的超长寿命。
由于单个LED功率太小，所以在LED前照灯的设计中，一般将很多个LED排列起来组成1只前照灯，如图9所示。
如果对多个LED进行不同的开关控制和旋转，就可实现AFS功能模式所要求的不同光型，并且系统更加节能和可靠。
LED灯作为一种新光源,已普遍应用于汽车的尾部信号灯具。
对于汽车前照灯高亮度的白光LED更符合其功能需要。
目前，真正使用了LED技术的前照灯正在慢慢进入消费者视线。
前组合灯中的近光、远光、昼间行驶灯、转向灯、位置灯都使用了LED光源。
LED技术与AFS的结合已成为未来汽车照明发展趋势[6]。
结束语
当前的AFS只有当车辆进入某种环境后才能根据传感器采集的相关信息对当前的驾驶环境做出判断，且只有当传感器收集的数据值在一定范围内才能做出反应，低于或高于此值AFS将不予理睬。
所以当前AFS的及时性和可靠性有待进一步改进。
而预见型AFS仍处于研究阶段，其在图像处理和运算效率上还需要进一步努力，就目前来看，只是一个概念性的产品。
真正进入实用阶段还需3~5年，甚至更长时间。
另一方面，LED技术在车辆照明灯具上的使用还处于初级阶段，虽然与当前流行的HID光源比较优势尚少，但随着LED新产品的不断开发，发光效率将越来越高，其在AFS中的应用将有很大的发展空间。
参考文献
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[2]房旭，姚勇，刘军，等.智能汽车前照灯系统（AFS）研究[J].天津汽车，2006（4）：
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[3]ECER48Revision5“uniformprovisionsconcerningtheapprovalofvehicles”:
78-80
[4]黄仁忠.汽车自适应照明系统开发[D].大连：
大连理工大学，2009.
[5]R.BASS.“KalmanFiltering;TheoryandPractice”.IEEE,vol84，issue2，1996；321.
[6]崔慧中，关志伟.智能前照灯系统（AFS）研究现状综述[J].天津工程师范学院学报，2008,3:
47~50.
致谢
三年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。
三年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能平静。
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感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。
在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚谢意！
同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。
最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。
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