汽车自适应前大灯控制系统的设计

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车

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灯

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同组成员：。。。

指导教师: 。。。

目录

1前言 (4)

2汽车AFS系统的国内外研究现状 (5)

3自适应前大灯研究的意义 (7)

4汽车自适应前大灯系统总体设计 (8)

4.1 汽车AFS系统的结构组成与基本功能 (8)

4.2 汽车AFS系统的基本原理 (10)

4.3汽车AFS系统建模 (10)

4.3.1线性二自由度汽车模型 (11)

4.3.2前大灯光轴水平方向模型 (11)

4.3.3步进电机模型 (13)

4.3.4前大灯光轴垂直方向调节模型 (13)

4.4PID控制 (14)

4.5云模型控制 (16)

5 汽车AFS控制系统硬件电路设计 (18)

5.1 STC12C5A60AD单片机 (18)

5.2车速信号调理电路 (18)

5.3方向盘转角信号调理电路 (18)

5.4步进电机驱动电路 (19)

5.5电源及断电保护电路 (20)

6汽车AFS控制系统软件设计 (21)

6.1系统软件功能分析 (21)

6.2系统软件设计 (21)

7结论 (23)

摘要：本设计主要完成以传感器作为检测器并通过软件的设计实现适时地对前

大灯灯光调节，从而实现对汽车灯光的自适应控制。这次设计是传感器技术和现代控制技术在汽车制造业中的应用，并且设计了控制系统的硬件电路设计，通过传感器检测到车速和方向盘转角，车身高度的变化，把信号输入单片机中通过程控步进电机执行组件的动作。步进电机的实际转动位置通过位置传感器回馈给MCU，MCU根据不仅电机目标位置与实际位置之差发出调节修正指令，完成调光过程。此设计能免去驾驶员对灯光的反复操作。提高了驾驶安全性和舒适性，减少由于驾驶员对灯光操作及灯光的阴影区多带来的交通事故，也大大挺高了汽车前大灯运行的可靠度。

关键词：汽车、自适应、控制；

1前言

有统计表明，90%的交通事故是由于人的因素造成的，危险来源于复杂的交通状况，包括不合理信息、过度紧张等一系列的原因。灯光是夜间和雨雾天气驾驶员仅有的信息载体，它让人们更加清楚地了解交通状况，判断可能存在的危险并及时采取措施。有统计表明，在欧洲由于照明引起的交通事故（如果在白天或者照明好的条件下交通事故会减少30%以上）汽车自适应前大灯系统（Adaptive Front-light System，AFS）是使会车用前照灯（即近光灯）的光照射线随车辆行进方向作水平方向偏转，并根据车辆的俯仰作垂直方向的调整，为驾驶员在路口、弯道及颠簸不平的路面提供最佳的照明效果。在国外，AFS系统已经开始得到广泛应用，然而由于进口的AFS系统大多是生产厂商为本国道路考虑，而且国内道路状况与国外差别较大。另外，进口的AFS系统价格也非常高，因此进口AFS 系统在国内的普及应用存在的阻力较大。目前，国内对AFS系统的研究还较少，基本上还停留在在仿真实验阶段，在为数不多的涉及AFS系统的实验研究中，主要采用信号单线通讯，线束数量较大，不仅给整车线束集成和分类带来困扰，而且由于需要依赖较多的硬件辅助，导致信号传输存在迟滞现象。所以说无论是在国内还是国外都有广阔的市场开发前景。

在总结前人的研究成果的基础上，对汽车自适应前大灯系统设计，归纳如下几点：

（1）根据汽车动力学理论建立了汽车自适应前大灯系统数学模型，其中包括前大灯光轴水平方向调节，前大灯光轴垂直方向调节及步进电机模型。

（2）以AFS系统数学模型为基础，分别对PID控制和云模型控制进行分析，发现云模型控制适应性强，有较好的控制效果。

使用STC12C5A60AD芯片作为运算核心部件，对汽车自适应前大灯系统的软硬件包括，单片机最小系统电路、车速信号调理电路、步进电机驱动电路、方向盘转角信号调理电路、电源断电保护电路等。整个系统的软件开发是在集成开发环境下进行的，整体流程，实现了自适应前大灯系统的基本功能。

2汽车AFS系统的国内外研究现状

国外对汽车自适应前大灯系统的雅尼局比较早，在80年代，在实验室就完成了静态自适应前大灯系统的开发和实验。自1992年起静态自适应前大灯系统就被列为欧共体尤尼卡（EURE2KA）的1403号项目，在欧猪的各大汽车公司和美国、日本的部分公司都参与了此项目。90年代末期，静态自适应前大灯系统进入生产阶段，并成为豪华轿车的一个新卖点。2003年，意大利玛涅马瑞利车灯公司在汽车上安装了动态AFS系统奠定了基础。目前，汽车（电装）DENSO 公司的AFS、德国HELLA、法国（法雷奥）V ALEO和上海的小么等。

DENSO公司的AFS系统如图1所示。系统从方向盘转角传感器、车速传感器、车身高度传感器分别取得转向轮旋转角度、车速和车身倾斜的精确信息。其中角度和速度信息通过中央控制电路，精确计算以后产生输出信号控制旋转步进机对前灯光轴进行水平旋转，倾斜度信息控制调高步进电机对前大灯光轴进行垂直旋转调节。

HELLA公司的AFS是由一个传感器组、传输通路、处理器和执行机构组成的系统。AFS的执行机构是由一系列的马达和光学机构组成的。一一般有投射式前照灯，对前灯垂直角度进行调整的高马大，对前灯水平角度进行调整的旋转马达。由于要对多重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的复杂系统。图2是德国HELLA公司AFS系统。

V ALEO的AFS主要由速度传感器、方向盘转角传感器、车身高度传感器、处理器、步进马达组成。通过速度传感器获取的速度和方向盘转角传感器获取角

度控制水平方向步进马达旋转。弯道外侧的大灯照亮范围角度7度，内侧的大灯照亮范围角度为15度，车身高度传感器获取的信息（倾斜度信息）控制垂直方向步进马达。

上海小么公司生产的AFS系统，是上汽与日本小么联合开发的AFS系统。自适应转向大灯系统的基本构成包括：

（1）两台步进马达，分别控制前照灯在水平和垂直方向的转动；

（2）传感器部件以及步进马达的驱动部件；

（3）微控制单元（MCU）；

（4）前照灯的机械结构部件；

（5）传递控制信号以及采集传感器数据的LIN总线，还有将传感器数据传递给其它控制装置。

国外的AFS系统已经日趋成熟。目前，在中高档汽车中，如奔驰E级、奥迪A8、凯美瑞等，已经加装了部分功能的AFS系统。在国外AFS系统已经得到了广泛应用，国内在这方面的研究还比较少，加之引进的AFS系统大多为生产商国道路状况也与欧洲的差别较大，有自己的道路特点，因此AFS系统并不能发挥到最大的作用，对AFS系统在国内的应用带来了阻力。虽然国内在AFS控制系统方面的自主研发起步晚，但是目前已经取得了显著进步，沈阳北方汽车大灯有限公司和天津欧华汽车研发中心等一些机构在进行自主研发，实际试验已经取得较好的效果，但还没有批量生产，相信不久的将来，国产AFS系统将会出现。

3自适应前大灯研究的意义

随着汽车技术的发展，对汽车的要求更为严格。大到动力性能，小到舒适性能，都要求可以做到最好。汽车照明，对交通安全有重要作用。由于交通密度增加，车速越来越快，加之行驶环境错综复杂，使得前照灯和其它车灯的设计者，面临日益严峻的多种挑战。有统计表明，90%的交通事故是由于人的因素造成的，危险来源于复杂的交通状况，包括不合理信息、过度紧张等一系列的原因。灯光是夜间和雨雾天气驾驶员仅有的信息载体，它让人们更加清楚地了解交通状况，判断可能存在的危险并及时采取措施。从自适应大灯的结构及工作原理，阐述了解决夜间行车的安全性问题，其优点在于保证汽车能在静态或动态行驶中，控制器一旦检测到加速或制动信号时，或者外界光的强度发生变化等不同工况时，都能自动改变照射光的位置，实现自我调节，减少交通事故率。

目前，AFS系统已经在中高档轿车中广泛使用，但是由于成本较高，并且大多采用开环控制，具有控制精度不高、累积误差大、反应时间滞后等问题。基于上述问题设计建立了二度自由汽车模型、前大灯水平偏转模型和垂直调节模型、步进电机模型，并得出前大灯转角与车速、方向盘转角、车身高度之间的函数关系，同时对本体系采用死循环控制，并采用了不同的控制策略，分析找出了一种相对优越的控制策略。在此及出生，设计了硬件电路，达到了预期的形容目的。

4汽车自适应前大灯系统总体设计

4.1 汽车AFS系统的结构组成与基本功能

汽车自适应前大灯的整体框架包括传感器、MUC、步进电机、前大灯，如图5所示：

目前，汽车AFS系统主要实现以下几种道路照明系统的功能：调整公路照明模式、城市道路照明模式、乡村道路照明模式、恶劣天气照明模式等。

（1）高速公路照明模式：调整公路上的交通事故频繁发生，并且为重大交通事故，往往造成重大人员伤亡和财产损失。改善高速公路上汽车照明条件下对行车安全有十分重要的意义。汽车在高速公路上行驶时，车速很高，车辆密集度相对较低，侧向干扰较少，所以要求自适应前大灯必须比普通前大灯照的更远、更窄，要求车速越高，光型越长。同时，光型的长度和汽车的速度成正比，车速越低，光型越短，这样一方面可以提前发现前方障碍，避免交通事故的发生，另一方面可以避免给对方驾驶员造成炫目，拉长视野，给高速行驶的汽车提供安全保障，AFS系统高速公路模式如图3所示，图3为进入高速公路模式，图4为未进入高速公路模式。

（2）城市道路照明模式：对于城市公路来说，一班都有路灯照明，但是道路复杂交错，人流车流大，前照灯的法规法定在会车时对对面驾驶员的光照强度不超1000CD。是否进入城市道路照明模式由光敏传感器和汽车车速传感器或者传感器GPS来判断。当光强度达到设定值，车速不超过规定值时，城市道路照明模式自动开启。

（3）乡村道路照明模式：乡村道路一般道路狭窄，弯道多，部分道路还凹凸不平、起伏不定。有较多的人和牲畜。同时，由于乡村道路照明条件较差，因此改善汽车前大灯在乡村道路照明条件，对于减少道路交通事故有重要意义。是否进入乡村道路照明模式由光敏传感器和汽车车身高度传感器或者GPS来判断。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，右灯的灯光要偏转一定的角度，以照射到边缘路面，效果如图6所示。

（4）恶劣天气照明模式：在恶劣天气，如雨、雾雪等天气状况下，由于驾驶员的能见度较低，视野不清，容易产生错觉，同时由于路面湿滑车辆制动性能差，因此交通事故频繁发生，为了降低恶劣天气下的交通事故率，除了要减缓车速外，改善汽车前大灯条件要很重要。在恶劣天气状况，大雾或者大雨环境下，为了扩大驾驶员的视野范围，需要输出较强和较远的光型，以拉长驾驶员的可视距离，从而保证行车安全。

4.2 汽车AFS系统的基本原理

当车辆进入弯道或者其它道路状况时，MCU通过采集车速和方向转角、车身高度的变化，判断是否对前大灯光轴进行调光，并进一步计算出两灯在左右、上下方向的调节角度，然后转换成各步进电机运动状态控制参数，控制相应步进电机动作，步进电机的实际转动位置通过位置传感器回馈给MCU，MCU根据步进电机目标位置与实际位置之差，发出调节修正指令，完成调光过程。图7为对比图。通过两图对比可以看出有AFS系统的汽车驾驶员的视野范围更开阔，并弯道内侧的盲区也被照亮了。

4.3汽车AFS系统建模

系统建模是分析系统动态特性的基础。根据汽车动力学原理建立AFS系统数学模型，然后分别利用PID控制、云模型控制对汽车AFS系统进行控制算法的研

究，再通过MATLAB仿真曲线对三种控制算法的性能进行比较从而得到较优的控制算法。

4.3.1线性二自由度汽车模型

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出的响应来研究，作为刚体它有6个自由度，但是根据不同的研究目标，汽车动力学模型的复杂程度也不相同。为了便于理解，需要简化模型，把多自由度简化为只有横摆角速度和质心侧偏角的二自由模型。对汽车模型做了如下假设：第一、汽车只做平行于地面的平面运动，无垂直方向运动，也无俯仰和侧倾运动，第二、忽略悬架作用及转向系影响直接以前轮角作为输入。第三、忽略左右轮胎由于载荷的辩护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X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二轮摩托车型。上述情况下二自由度汽车模型精度足够，模型如图8所示。

4.3.2前大灯光轴水平方向模型

当汽车在弯道上行驶时，驾驶员在安全视野应该在AFS的调节下自适应弯道，为了保证弯道行车安全，SAE法规规定非对称光型分布的前大灯系统光束的明暗截止线课调整为大灯光的100倍，即S=100*H，式中，H为汽车前大灯中心距地

面高度。

图9中R为汽车转变半径，￥为车灯光轴转角，O为圆心，线段AB为车灯照射距离，其中AB=S。根据图9的几何关系得：

R

S 2sin 1

-=θ 汽车由于向心力的作用而转弯，而向心力是由路面和车轮的静摩擦力提供，单纯的求静摩擦力是非常困难的。在汽车行驶中。前后侧偏角是很小的。在前后轮侧偏角忽略不计的情况下通过求解向心加速度来求向心变得比较容易了。由于向心加速度公式不难得到瞬间转弯半径：

y

a U R 2

= 由R

S 2sin 1-=θ和图8关系得出()r y w u a +=β可知： ()??

? ??+=-u w S 2sin 1βθ 4.3.3步进电机模型

步进是一种将电脉冲信号转化为相应角位移或线位的执行器，可以直接实现数字控制。它的机械角位移与输入的数字脉冲信号有着严格的对应关系：一个脉冲信号可以使步进电机前进一步，是一种比较理想的执行组件。在AFS 系统中，MCU 将采集的车速信号，方向盘转角信号和车身高度信号、位置传感器信号通过一定的公式计算，将计算出的角度通过A|B 转换，转换成脉冲信号，然后通过总线传送到步进电机驱动执行单元，通过驱动执行单元将左右两个弯道照明步进电机转动至相应位置，以适应弯道照明。

4.3.4前大灯光轴垂直方向调节模型

前大灯光轴垂直调节模型即前大灯光轴照射角度上下调节模型，之所以要对车灯光轴做垂直调整，主要是为了扩大本车驾驶员的视野范围和避免对向车辆驾驶员眩晕，提高行车安全性，引起车灯光轴垂直调整的因素有很多，总起来说主要有两个方面：车速的改变和车身的改变。

车速的改变会对驾驶员的视力产生很大的影响。车速越低，视野范围越开阔，车速越高，视野范围越狭窄，因此车速会对驾驶的安全性产生很大的影响。

为了提高夜间行车安全性，汽车前大灯的照射距离应当与汽车行驶速度成一定的对应关系，车速提高照射距离拉长，视野范围宽，事故率降低，根据

GB4599-94推导出的垂直调整角度与车速间的对应关系。垂直调整角度在上下0.6之间。初始位置为水平向下0.6度。向上调节角度记为θ则θ在0度到0.6度之间，θ和v 的函数关系为：

h km v v v /6.737476

.20803.0012.067.0arctan 6.02>++-=θ 当v 小于或者等于73.6km|h 时，汽车前大灯上下调整角度￥固定为0度，当v 大于73.6千米每小时时，就转化为载重路面等因素了，如下图所示：

汽车前倾后仰时，前大灯的垂直调整角度。通过采用安装在车体前后桥中的两个车身高度传感器，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。车身纵倾角度的变化量就是前大灯光轴垂直角度的变化量，通过步进电机的动作，反向调整此角度变化，就可以使前大灯光轴回复到原先的状态，保持水平。

4.4PID 控制

PID （比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID 控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。

PID 控制器由比例单元（P ）、积分单元（I ）和微分单元（D ）组成。其输入e （t ）与输出u （t ）的关系为

()()()()[]

dt t de TD dt t e TI t e kp t u //1*++=? 式中积分的上下限分别是0和t ，因此它的传递函数为：

()()()()[]s TD s TI kp s E s U s G *+*+==/11/

其中kp 为比例系数；

TI 为积分时间常数；

TD 为微分时间常数；

对汽车自适应前大灯光轴的控制，实际上是对步进电机的控制，由于PID 控制在多数情况下能满足控制要求，所以对步进电机的控制采用PID 算法，常规PID 系统原理框如图11所示：

PID 控制器主要适用基本线性和动态特性不随时间变化的系统，它根据给定值r （t ）与实际输出值构成控制偏差：

()()()t c t r t E -=

控制量由偏差的比例（P ）、积分（I ）和微分（D ）通过线性组合构成，对被控对象进行控制，称PID 控制器。控制霍尔规律为：

()()()()?????

?++=?dt t de T dt t e T t E k t u d i p 1

或写成传递函数形式：

()()()???

? ??++==s T s T K s E s U s G d i p 11 式中Kp 为比例常数

T1为积分时间常数

Td 为微分时间常数

在工业过程中经常碰到大滞后、时变、非线性的复杂状况，而常规PID 调节器不能很好的满足控制要求，从而影响其控制效果的进一步提高。针对上述状况采用一种应用较为广泛的自整定模糊PID 控制。模糊自整定PID 控制器的以偏差变化率EC 对PID 参数自整定的要求，从而达到较好的动静态。如图所示:

4.5云模型控制

云模型是指随着不确定性研究的深入，越来越多的科学家相信，不确定性是这个世界的魅力所在，只有不确定性本身才是确定的。在众多的不确定性中，随

机性和模糊性是最基本的。针对概率论和模糊数学在处理不确定性方面的不足，1995年我国工程院院士李德毅教授在概率论和模糊数学的基础上提出了云的概念，并研究了模糊性和随机性及两者之间的关联性。自李德毅院士等人提出云模型至今短短的十多年，其已成功的应用到数据挖掘、决策分析、智能控制、图像处理等众多领域。前大灯自适应系统云模型控制器所实现的是输入和输出控制的关系，本质是一和映射关系。从前大灯光轴理论转角输入到前大灯光轴实际转角吟出映像。系统运用了一维云模型进行控制，前大灯光轴转角一维云模型控制系统如图所示，系统运用了3个一维云模型发生器分别在控制前大灯光轴转角偏差的比例e微分ec和积分ei类似于传统PID控制，信号u=Ku（z+y+w）,其中Ku 为控制量放大倍数，￥为前大灯光轴理论转角，&为前大灯光轴实际转角。

5 汽车AFS控制系统硬件电路设计

5.1 STC12C5A60AD单片机

STC12C5A60AD是STC12系列单片机，采用RISC型CPU内核，兼容8051指令集，片内含有60KB Flash 程序内存，1028B RAM 数据存储器，具有EPROM功能，同时还有看门狗（WDT）；片内集成MAX810专用复位电路。8信道10位ADC以及2通道PWM；具有在线系统编程（ISP）和在线应用编程（IAP），特别适合电机控制和干扰较强的场所，并且片内资源丰富、集成度高、使用方便。单片机的外围电路包括传感器的信号输入、步进电机的脉冲输出信号，电源、复位和震荡电路。单片机的XTAL1与XTAL2引脚上接石英晶体和微调电容构成震荡器。C1，C2起稳定震荡频率、快速起振的作用。如图附录1所示。

5.2车速信号调理电路

汽车自适应前大灯系统需要实时检测车速值，车速值的检测是通过霍尔效应传感器开始产生一连串脉冲信号，脉冲的个数将随车速增加而增加，但位置的占空比在任何速度下保持恒定不变。本系统采用的是触发轮齿的霍尔式传感器，型号为AH3503，这类传感器的机构简单、工作可靠、精度较高。为了改善波形，在输入捕捉定时器管脚外添加调理电路，对脉冲信号进行调理，这里我们通过稳压、施密特整型以及输入隔离的方法进行处理。如图14所示。

5.3方向盘转角信号调理电路

根据旋转编码器的工作原理，当方向盘转角发生变化时光编码便会发出A、

B两路相位差为90度的数字脉冲信号。正转时A超前B为90度，反转时B超前A为90度。脉冲的个数与角度成比例的关系，所以通过对脉冲的计数就可以得到方向盘转角的大小。因此本系统对方向盘转角的测量选用EPC-755A光电编码器作为传感器，其输出电路选用集电极开路，这种编码器体积小，有良好的使用性能，在角度测量时抗干扰能力强，稳定可靠的输出脉冲信号。考虑到汽车方向盘转动是双向的，同时最大旋转角度为两圈半，选用分辨率为360个脉冲/圈的编码器，其最大输出脉冲为900个，需要对编码器的输出信号进行鉴相后才能计数。光电编码实际使用的鉴相与双向计数电路，鉴相电路用1个D触发器和2个与非门组成，计数电路用3片74LS193组成。

在系统上电初始化时，先对其进行复位，再将其初始值设为800H，如此，当方向盘顺时针旋转时，计数电路的输出范围为2048到2948间，当方向盘逆时针旋转时，计数电路的输出范围是2048到1148之间；计数电路的数据输出D0至D11送至数据处理电路，如图附录2所示。

5.4步进电机驱动电路

本系统使用的是两相混合式步进电机，步距角为 1.8度，工作频率为200-1000Hz。它作为一种电脉冲到角位移的转换组件，有价格低廉，易于控制，无积累误差、输出力小、响应速度快、可以调节、噪声低等优点。

为了使步进电机能够输出足够的功率，单片机的驱动电路一般由两部分组成，一部分是环形脉冲分配器，它决定步进电机各相绕组的通电顺序。本设计采用的日本SANYO公司生产的L6506与L298N步进电机驱动芯片。如图15所示。

5.5电源及断电保护电路

汽车蓄电池提供12V左右的电源，而该控制系统需要两路电源：+5V和+12V 电源。5V电源用于给STC12C5A60AD单片机、步进电机驱动芯片和车速、方向盘转角信号调理电路等供电。12V电源给步进电机驱动芯片等供电。选用LM78H05芯片作为电源转换芯片。为了在掉电的时候可以及时的保存数据，在电源地输入端加一个1000F的电解电容，当电源断开的时候，大电容可以维持单片机电源足够长的时间，使得单片机可以完成外部中断的服务程序。如图16所示。