als自适应前照灯系统简介

AFS专论 1AFS自适应前照灯系统简介 AFS（Adaptive Front Lighting System） 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。1AFS 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。 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， - 2 - 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 4 AFS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 6 AFS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。 - 18 - 图 7 传统前灯近光的照明的问题 - 19 - 图 8 AFS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 - 20 - 图 9 HELLA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雨的 - 21 - 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。系统从方向盘角度 - 22 - 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 10 DENSO公司 AFS系统简图 - 23 - 图 11 DENSO的 AFS控制电路 图 12 DENSO的 AFS的旋转马达 - 24 - 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 图 13 DENSO的 AFS - 25 - 图 14 HELLA的 AFS - 26 - 图 15 VALEO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，恐怕在这 - 27 - 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 Adaptive Front Lighting System, Eureka Project EU 1403, Presentation to 48th Session of GRE, 9-12 April 2002. 2 Advanced Lighting Technology, AutoBusiness Ltd., Company Profiles. 3 Modern Lighting Technology for the cars of today and tomorrow, Hella Corp. 4 Technical Information ElectronicsLighting Electronics, Hella Corp., 2003. 5 Adaptive Front Lighting System, Denso Products, Tokyo Motor Show 2003. 6 DENSOs Lighting Technologies, Denso Corp., Company Profiles, 22 Oct 2004. 7 Adaptive Front Lighting System (AFS)Bending Light, Valeo Sylvania, Company Profiles. 05-3-13 - 28 - AFS专论 2AFS计算基础 2007-02-21 11:56 AFS专论 2AFS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： 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 - 33 - 和照明范围，其差异是非常明显的。 图 1 车身纵倾对前灯照明产成的影响 - 34 - 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_Dynamical Headlamp Leveling）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。 - 35 - 图 2 车身纵倾角的计算图 弯道旋转功能： - 36 - 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 （0.531lux），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。 - 37 - 图 3 25m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。 - 38 - 图 4 由等照度曲线生成的空间光网（1lux） - 39 - 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，但这不能 - 40 - 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。 - 41 - 图 6 固定光轴的前灯不能发现弯道上的危机 - 42 - 图 7 双灯做不同角度的旋转使得照明区域覆盖大部分弯道 车辆在弯道转向时存在着侧倾，取得的横向加速度信号并不能用来直接计算转弯半径，再者加速度信号本事也是 个瞬态信号，很难稳定选取；方向盘转角对应到前轮转向角，结合车速计算转弯半径的经验公式是有的，但此算法需要 考校前后轮的抗偏刚度、前后轴重心距等不定量，并且它们会随着车身载荷而发生变化，也是一个算不准的信号。当然 还是有办法解决这个问题的，电喷那么复杂的多参数计算都能搞定，更何况还比较简易的弯道计算呢！具体的解决方法 请参照后续几章的内容，捎带说一下：有很多实际的解决策略是参照电喷的制定的。 - 43 - 图 8 SAE推荐的前灯横向转角计算图 - 44 - 阴雨天灯光遮挡功能： 阴雨、坏天气下的照明一直是影响夜间行车安全的主要因素，恐怕很多人都会有被图 9的前灯反光晃倒的经历。车 辆前灯分为远光和近光的原因，就是因为近光灯能有效避免光线直射到对面会车驾驶员的眼中，但在路面积水的状况下， 这种精心的设计完全失效。 所以 AFS具备功能首位的就是坏天气下的照明，即将如图 10中经过反射后射进会车的光线（红色区域）遮挡。对 应到 25m测试屏等照度曲线上的遮挡范围见图 11的左下方的白色区域。 目前笔者尚未接触到能够感知路面积水的传感器，只是听说可以采用自动雨刮的雨量传感器替代。遮挡需根据反射 光线逆推到等照度曲线，并根据前灯的实际配光效果作细致的调整，这些都属于配光设计的范畴，已不在控制计算的讨 论之列。 - 45 - 图 9 阴雨天气下前灯反光强烈 图 10 前灯对会车影响的反光区域 - 46 - 图 11 对应在 25m测试屏等照度曲线上的遮挡区 其他的功能实现，也都是在识别的基础上做出的配光改变，技术难点是在如何感知和如何识别上，目前笔者也未 进行相关的研究。 史蒂芬霍金曾经在时间简史里说：再好的文章，只要出现一个公式，也会吓走一半的读者。所以笔者在专论 - 47 - 中尽量避免使用复杂的公式，毕竟文章写出来，还是要给人看得么！ 07-2-19 AFS专论 3系统的软硬件（上） 2007-02-24 13:56 AFS专论 3系统的软硬件（上） 车载控制系统的硬件指的是传感器、执行机构、控制单元和线束，软件主要指的是控制单元 ECU中的程序。 AFS系统以实现不同功能为目的，选择性配装，所以其软硬件变化比较大，特别是灯具中安装的旋转核心机构，每个 公司都会有独特的设计。 前灯旋转核心： 目前大致共有两大类旋转核心机构：自由曲面旋转核心和投射单元旋转核心。图 1前灯下部的自由曲面旋转前 灯在测试屏上的打光效果如黄色区域，可左右移动。 - 48 - 图 1 自由曲面旋转核心 - 49 - 图 2 投射单元旋转核心 - 50 - 图 3 投射单元旋转核心的结构 图 2中的投射式旋转单元在测试屏上的打光效果如中图，可左右移动。 目前批产的 AFS系统多见使用投射单元的旋转核心，其大致的结构如图 3所示，一个普通旋转核心包括水平旋 转电机、旋转框架、PES 单元和旋转轴等部件。如果系统有自动调平功能还要在后灯壳上安装调光电机，如图 4所示， 实现上两种功能的旋转核心完整结构参见图 5。 - 51 - 图 4 调光电机的安装位置 - 52 -图 5 某旋转核心的完整结构 实现远近光切换和阴雨天遮挡的投射式单元，要采用电磁线圈拉动的遮光板。图 6上部是正常的近光光型，中部是 拉动下部遮光板变作远光光型，下图是上遮光板也被拉动，遮挡靠近车身的光线，减少因路面积水而产生的反光。 图 6 线圈拉动遮光板改变光型 图 7 加装了旋转电机、电磁线圈的 AFS旋转核心和常规变光 PES单元对比图 执行电机： 比较常用的调高电机主要分为直流电机和步进两种，直流电机通过涡轮蜗杆传动后，输出力较大，但同时响应 速度变慢且不可调节，寿命短、噪音也大一些；相比之下，步进电机输出力小，响应速度快可以调节、寿命长、噪音低。 笔者曾参与开发直流调高电机总成由专用驱动芯片控制，并且有传动杆进给量的反馈信号输出，但曾经使用过日本的某 款步进调高电机总成则无反馈，有反馈在系统设计上能省去不少麻烦，所以电机总成设计必须要从系统控制的角度详加 考虑。 图 8 直流调高电机总成 图 9 步进调高电机总成 旋转电机总成的设计方法分为日式设计和德式设计两种，图 3是日式设计，图 7是德式设计。图 10是一款日式 旋转步进电机的剖视图，包括步进电机、齿轮组合、霍尔角度传感器几部分组成。采用齿轮传动的日式旋转电机总成， 响应速度可以调节，但存在一个必须通电保持不能自锁的缺陷，步进电机每相都需要几百 ma的电流，所以是非常耗电的。 如果从传动的机械角度考虑到自锁性能，就可以为整个系统工作节省大量的电能，德式设计具备了上述的优点，而且结 构更加的紧凑。但德式的电机传动部件和旋转框架结合紧密，装配比较复杂。 图 10 旋转电机总成剖视 - 53 - 系统的软硬件（下）_1 2008-09-03 23:13 AFS专论 3系统的软硬件（下）_1 传感器： 车速传感器： 常用的车速信号的通常来自变速器的转速信号或者 ABS的轮速信号，一般不建议从轮速信号传感器直接取得信号，因 为四轮转速各自不同和车速也不同，要取轮速信号也只能从 ABS的 ECU中取经过处理后的信号。 车速信号如果是数字信号，处理非常方便，但同时存在一个信号间隔的问题，即能不能在短时间通常是零点几秒之内 判断车辆是否处在加速或者是减速的状态。如信号间隔时间过长，则无法将其应用在动态调光的功能上，因为动态调光 需要根据的加速度值，计算车身的倾斜状态，调整灯光。车速信号如果是频率脉冲，采样方便，但处理比较复杂，在数 十到数百毫秒内精确判断车速和加速度，需要一定的信号处理技巧。相关方面的论文很多，就不加以赘述。另，静态调 光只需在车辆未启动之前调节即可，车速只相当一个功能开关信号。 车身高度传感器： 常用的车身高度传感器如下图 1所示是一种有源非接触转角传感器，因为此传感器放置于车身和悬架之间，感知悬架 - 54 - 振动的幅度，所以必须是有源抗干扰，非接触理论寿命无限的传感器。车身高度传感器使用连杆将车身与悬架间的距离 变化转变为角度变化，并通过输出电压的改变线性测得此角度的变化量。图 1的车身高度传感器在 0至 5V内可表征正负 40度的变化，并通过调节连杆的长度可以得到悬架在数十厘米间的变化量。 车身高度传感器随悬架振动变化剧烈，在车辆未启动之前尚可以通过求取多次均值的方法得到稳定的输出信号，一旦 有了速度不仅振动的幅度很难确知，甚至连振动的频率都是极难以描述的。建议动态调光车身纵倾根据加速度而变化的 角度，采用理论计算的方法要比直接采集信号容易、有效的多。 图 1 车身高度传感器 - 1 - 使用车速传感器和前后两个车身高度传感器，加上执行机构调光马达，就可以架构一个如图 3所示的动态自动 调光系统。 图 2 后悬车身高度传感器原理 - 1 - 图 3 动态自动调光系统的安装图 方向盘转角传感器 方向盘大致可以旋转 2.9圈，即 1044度，通过转向机构以固定的传动比带动前轮在左右 40度内变化。比较常见的方 向盘转角传感器通常有齿轮式（图 4）和光码盘式（图 5）两种。齿轮式是一种接触的有源角度传感器，而光码盘则是一 种非接触的有源角度传感器。都采用一个大盘带动两个小盘，通过两个小盘的相位差判断方向盘是正转还是反转。输出 的信号一般都是经过处理的数字信号，甚至有可能是 CAN信号。这种数字信号用控制器处理时，也存在信号的传送速率 和更新速率的问题，选择不当，就会影响系统的最终效果。 方向盘转角传感器的安装位置如图 6所示，在组合开关的下面，方向管柱从中间穿出。 图 4 齿轮式方向盘转角传感器 - 1 - 图 5 光码盘式方向盘转角传感器 图 6 方向盘转角传感器的安装位置 前面文章中曾经提出过采用方向盘转角而非横向加速度传感器计算转弯半径的问题，类似的问题也包括为何使用车 身高度传感器而非纵向倾角传感器。这种类型的非接触 MEMS（微机械）传感器芯片，使用简单，响应速度快，在车载传 感器领域的运用愈加广泛，但做一款控制系统的设计，必须从控制对象的特性出发。比如说底盘转向特性分为稳态和瞬 态的两种截然不同的情况，由于底盘复杂的避震系统，瞬态情况的振动时间特征曲线类似于一个二阶系统的冲击响应， 要想得到稳定的能反映转向特征的输出信号必须要在 0.5s以后，即打过方向盘后 0.5s后，采用横向加速度传感器读出 的稳定信号，才能用于转弯半径的计算，仅得到信号并数据处理的时间就已经超出了整个系统的响应时间。至于说纵向 - 1 - 倾角传感器，即存在 1度以下精度不够，又有上下坡和车身纵倾信号混叠等问题，使得这个方案也很难应用于实际系统。 但更高精度的非接触加速度和倾角传感器却能够很方便的应用于系统测试和数 AFS专论 3系统的软硬件（下）_2 2007-03-05 19:19 控制器 ECU： 目前市售的控制器可分别实现动态自动调光和弯道转向的两种功能，单独实现静态调光的控制器原理图如 7（因为 使用的是 DC电机的调光马达，达不到动态调光所要求的系统响应速度）。ECU 通过点火信号（IGN）和前灯点亮信号 （来自继电器）进入功能启动状态，同时开始处理速度信号，当车速为零的时候，处理来自于前后车身高度传感器发出 的在 0至 5伏之间的模拟信号，如图 8中的示意，计算此时车身的纵向倾角，并输出 0到 5伏间的电压控制直流电机， 以相反的角度调节灯光。车速不为零，则不处理车身高度传感器信号，直流电机为涡轮蜗杆的传动方式，即使断电也能 够自锁保持在原角度。同时系统运行状态指示信号输出给仪表，故障则报警。 动态调光控制器原理图类似于图 7，仅有的区别是使用步进调高电机替代 DC电机，因为步进电机总成的执行速度数 倍于直流电机，且可以调整。能够完成在加减速状态下的光轴的高速改变，但此种功能仅限于速度出现较大的变化。另， 当车速过高的时候，也要相应抬高光轴的角度，使前灯照射的更远。图 9是日本电装公司的 DHL控制器实物。 图 10所示 AFS控制器原理图中包括了动态调光、弯道转向功能，与动态调光控制器相比，AFS 控制器增加了变速箱档位 信号、方向盘转角信号，即在倒车状态不启动弯道转向功能。车速为零时，执行静态调光功能，车速高于某个值的时候， 启动 AFS功能。控制器检测到方向盘转角的信号，乘以固定传动比，得到前轮转向角，结合相应的车速计算出转弯半径， 输出多路 PWM脉冲，控制水平