CN101817324B - 仿驾驶员预瞄行为的汽车智能前照灯系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿驾驶员前视预瞄行为的汽车前照灯系统。技术方案是：通过传感器获取汽车纵向和侧向加速度信号，并结合这一运动特征参数，建立曲线积分算法预估汽车未来一段时间的行驶轨迹，计算出驾驶员当前所关注的道路位置即所需照明的区域，从而得到了前照灯在水平方向需要转动的角度。驱动电机接收转角信号并控制前照灯在水平方向上的旋转。本发明可以合理控制前照灯的照明区域，保证夜间驾驶时驾驶员所关注的主要道路区域内始终有充分的照明，为处理道路前方出现的紧急情况提供了更为充分的反应时间，降低驾驶员的紧张程度，对夜间行车安全具有重要的意义。

Description

仿驾驶员预瞄行为的汽车智能前照灯系统

技术领域：

本发明涉及一种汽车智能前照灯系统，特别是涉及通过汽车当前运动状态预估车辆预期位置，即驾驶员的预瞄区域来计算相应的前照灯水平旋转角度的汽车前照灯系统。

背景技术：

汽车的照明系统对交通安全起着至关重要的作用。在汽车夜间行驶的过程中，传统前照灯的主要照射方向相对于车体而言是固定不变的，并不会随着道路或天气状况的变化而改变。在经过岔路口较多的乡间道路、弯道、十字路口等路况时，驾驶员并不能及时发现道路前方潜在的危险，极容易导致交通事故的发生。为了提高夜间行车安全性，汽车前照灯系统在不断地发展。迄今为止，已从最初的白炽灯，发展到卤素灯、自由曲面前照灯和投射系统前照灯。上世纪末更是出现了亮度更高、照明区域更大的气体放电灯系统，极大地提高了夜间照明的能力。为了追求更加安全的夜间行车条件，人们不断地探索更加智能的、更能够适应路况变化的前照灯系统。此外，关于前照灯系统的法规也并不统一。目前主要分为欧洲标准和美国标准。二者主要在近光配光上存在较大的差别。欧洲标准特别注重对眩光的控制，因此近光分布上存在15度的明暗截止线，这种截止线效应可以有效地防止对迎面车辆的眩光。然而在美国，道路大多比较宽阔，因此对眩光并没有特别的要求。但随着经济全球化进程的加快，人们迫切要求消除这种标准之间的差别，建立一个统一的国际标准。一种方法是将两种标准中合理的部分综合起来形成一个双方都能接受的标准，这就是所谓的国际协调。另外一种方法就是建立一个包括多种功能的前照灯系统，它能够根据不同的路况采取不同的照明方式。

为了解决上述行车安全及法规方面的问题，人们在2003年提出了自适应前照灯系统(AFS)，此系统可以根据汽车的运动状态信息，对前照灯的照明方式进行自适应调整，提供了更好的弯道照明并且解决了对迎面来车的眩光等问题，极大地提高了夜间行车安全性。目前在汽车上实现应用的AFS系统通常由如下三个部分组成：信息感知单元、中央控制单元和驱动执行单元。信息感知单元包括各种传感器如方向盘转角传感器、横摆角速度传感器和车身高度传感器等。中央控制单元接收传感器采集到的信息，由内置的数学模型计算车灯上下或左右的旋转角度，最后通过驱动控制单元中的步进电机控制前照灯的旋转。安装此系统后可以使得驾驶员能够看清前方实际路况，进而有充分的时间来应付紧急情况，降低驾驶员的疲劳程度和紧张程度，明显提高夜间行车的安全性。此外，若要使前照灯能够根据环境的变化调整光型的变化，还要安装湿度传感器、灯光传感器等，使其在雾天阴雨天等恶劣的环境下，也能达到最佳的照明效果。附图2展示了AFS系统的照明效果。可以看出，AFS系统开启比不开启时照明效果得到了明显的改善。

虽然现有的AFS系统极大地改善了夜间照明，但对前照灯的控制通常基于汽车当前时刻的运动状态，或与方向盘的转动而联动，并没有对汽车预期行驶轨迹进行估计或对驾驶员的实际驾驶意图进行判断。所以，对现有智能前照灯系统的改进还有待进行。

发明内容：

本发明的目的是提供一种仿驾驶员预瞄行为的汽车智能前照灯系统，在汽车夜间弯道行驶时，可以控制前照灯在水平方向转动相应的角度。参阅图2所示，安装此系统后，可以为驾驶员提供充分的弯道照明，有效地提高了夜间行车的安全性。

本发明的上述目的可通过以下技术方案实现：

一种仿驾驶员预瞄行为的汽车前照灯系统，该系统包括由加速度传感器组成的信息感知单元、内置仿驾驶员预瞄行为的前照灯转角计算程序的中央控制单元和由步进电机组成的驱动执行单元，其中纵向和侧向加速度传感器采集车辆的运动状态信息，通过车内的信号传输网络传输给中央控制单元，中央控制单元计算出前照灯的旋转角度后，将角度信号传输给驱动执行单元中的步进电机，控制电机进行相应的动作。

所述的加速度传感器用来测量车辆纵向和侧向的加速度变化。

所述的中央控制单元，用于根据纵向和侧向加速度传感器采集的加速度信号，通过内置的仿驾驶员预瞄行为的前照灯补偿角度数学模型计算出前照灯水平方向应旋转的角度。

以下结合附图进一步说明本发明的技术方案，本系统包括三个基本模块：信息感知模块--即安装在汽车上的传感器。前照灯驱动控制模块以及内置转角计算数学模型的中央控制单元。其特征还在于安装在汽车上的加速度传感器用来测量汽车的侧向加速度和纵向加速度。传感器和中央控制单元连接在一起，将车辆的运动状态信息传输给控制模块。而中央控制单元将计算出的转角信号传输给驱动执行单元中的步进电机，控制前照灯进行相应的转动。

其中，中央控制单元内写入了仿驾驶员预瞄行为的转角计算程序。其特征在于：通过模拟驾驶员在通过大曲率弯道时的前视预瞄行为，参考车辆状态信息，预估汽车行驶轨迹，计算出前照灯水平方向补偿角度，参阅图3所示。

所谓驾驶员的前视预瞄行为，就是驾驶员根据实际驾驶经验，在驾驶过程中为了能够控制汽车当前的运动使汽车达到预期位置，通常会向前方观察一定范围内的道路状况。同时据自己对汽车动力学和运动学特性的认识和掌握，利用汽车的当前状态和汽车的稳态响应来估计汽车的预期行驶轨迹。具体实现方法如下：由于需要计算经过预瞄时间Tp后车辆的运动状态及前照灯的水平转角，则取车辆坐标系为参考坐标系，因此在t时刻的纵向位置x0横向位置y₀和横摆角

均为零，且由安装在汽车上的纵向和侧向加速度传感器测得的当前时刻t的纵向加速度稳态值为

横向加速度稳态值为

由于汽车的瞬态响应时间相对于前视时间非常小，因此可以认为汽车在t时刻到t+Tp时刻的这段时间内按照稳态特性运动，在前视时间内(通常为1～2s)，可以认为汽车的纵向和侧向加速度是不变的，汽车的速度控制特性和方向控制特性近似于一个一阶线性参考模型。通过获得的汽车状态和位置参数，就可以对汽车在未来的一段预瞄时间Tp内的预期形式轨迹进行预估。从而可以得到车辆预期位置与车辆纵向轴线之间的夹角即相对应的前照灯水平旋转角度。

由上述分析可知，与现有AFS系统控制策略相比，本发明能够取得更好的控制效果：传统的控制方法仅根据当前汽车的运动状态信息对前照灯进行控制，并没有对驾驶员的驾驶意图进行判断。本发明通过对车辆未来行驶轨迹的预估，确定驾驶员开车时的预瞄区域，控制前照灯使其旋转到最佳的照明位置，最大限度地满足驾驶员对光照的需要。

附图说明：

图1为仿驾驶员预瞄行为的AFS系统模块简图；

图2为装配AFS前后夜间弯道照明效果对比图；

图3为前照灯水平转角数学模型建立示意图。

图中：1.近光灯 2.纵向调高步进电机 3.水平旋转步进电机 4.未装配AFS 5.装配AFS后 6.前照灯照射区域

具体实施方式：

下面结和附图所示实施例进一步说明本发明的具体内容及其实施方式：

图1所示为本发明所述的汽车智能前照灯系统结构图。包括：测量汽车纵向和侧向加速度的传感器，内置转角计算数学模型的中央控制单元和前照灯驱动控制模块。加速度传感器的输出端与中央控制单元输入端相连接，而中央控制单元的输出端与驱动控制模块连接在一起。

其中加速度传感器用来测量汽车在纵向和测量的加速度变化，测量得到的加速度信号用于计算前照灯的水平转角。在中央控制单元中写入了仿驾驶员预瞄行为的前照灯转角的控制算法。控制算法结合汽车当前运动状态，对汽车预期路径做出判断，从而得出更加合理的前照灯转角控制信号。驱动执行单元的作用是接收中央控制单元发出的旋转角度信息，通过步进电机控制前照灯在水平方向上旋转，实现在弯道处对光照方向的调节。

为了更清楚地阐释本发明中前照灯控制的原理，下面对前照灯水平转角的计算作进一步说明：

计算方法的基本思想如下：通过模拟驾驶员在通过大曲率弯道时的前视预瞄行为，参考传感器采集到的车辆状态信息，利用车辆稳态响应特性对汽车在未来一段时间后的预期行驶轨迹进行预估。同时考虑横摆运动对航向角的影响，建立了汽车预期轨迹曲线积分算法，计算出经过预瞄时间后汽车所达到的相对位置，从而得到相对于汽车纵向轴线的偏转角度即自适应车灯的水平旋转角度。

所谓驾驶员的前视预瞄行为，就是驾驶员根据实际驾驶经验，在驾驶过程中，通常会向前方观察一定范围内的道路状况，并根据自己对汽车动力学和运动学特性的认识和掌握，利用汽车的当前状态和汽车的稳态响应来估计汽车的预期行驶轨迹，从而控制汽车的当前运动，使汽车达到驾驶员所预瞄的位置。

对行驶轨迹预估的具体实现方法如下：由于需要计算经过预瞄时间Tp后车辆的运动状态及前照灯的水平转角，则取车辆坐标系为参考坐标系，因此在t时刻的纵向位置x₀横向位置y₀和横摆角

均为零，且由安装在汽车上的纵向和侧向加速度传感器测得的当前时刻t的纵向加速度稳态值为

横向加速度稳态值为

由于汽车的瞬态响应时间相对于前视时间非常小，因此可以认为汽车在t时刻到t+Tp时刻的这段时间内按照稳态特性运动，在前视时间内(通常为1～2s)，可以认为汽车的纵向和侧向加速度是不变的，汽车的速度控制特性和方向控制特性近似于一个一阶线性参考模型。通过获得的汽车状态和位置参数，并模拟驾驶员在开车过程中的前视预瞄作用，就可以对汽车在未来的一段预瞄时间Tp内的预期行驶轨迹进行预估。

具体计算方法如下：从汽车运动学的角度讲，汽车在未来t+Tp时刻所能达到的位置可以认为是由汽车当前运动状态和汽车的纵向、横向加速度决定的。因此，可以根据当前时刻t汽车的状态预测未来时刻t+Tp的运动状态

将前视时间Tp划分成均等的离散时间片，在每个时间片内，由于时间很短，使用刚体运动学原理计算车辆的状态，然后逐步累加获得t+Tp时刻车辆的状态。由于车辆横摆运动的影响，相邻两个时刻之间车辆的航向角

发生了变化，因此车体坐标系在不同的时间片是不同的。但是汽车状态都是在前一时刻的车辆坐标系下进行计算的，因此必须进行坐标变换，将其从不同车体坐标系转换到初始坐标系下才能累加，获得该时刻的车辆状态。在计算t+Tp时刻车辆状态的过程中始终以t时刻车辆坐标系为基准，从坐标系(x_j，y_i)到坐标系(x₀，y₀)的转换矩阵为：

从而汽车在预期轨迹点Pj的状态由下列计算获得

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·\·}{x}}_j\\ {\stackrel{\·\·}{y}}_j\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·\·}{x}}_0\\ {\stackrel{\·\·}{y}}_0\end{array}\right],$

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_j\\ {\stackrel{\·}{y}}_j\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_{j-1}\\ {\stackrel{\·}{y}}_{j-1}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·\·}{x}}_j\\ {\stackrel{\·\·}{y}}_j\end{array}\right]\×\mathrm{\Δtp},$

$\left[\begin{array}{c}{x}_j\\ y_j\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_{j-1}\\ y_{j-1}\end{array}\right]+A_{j-\mathrm{1,0}}(\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_{j-1}\\ {\stackrel{\·}{y}}_{j-1}\end{array}\right]\×\mathrm{\Δtp}+\frac{1}{2}\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·\·}{x}}_j\\ {\stackrel{\·\·}{y}}_j\end{array}\right]\×{\mathrm{\Δtp}}^2),$

式中j＝1，2，…，J(J为等分时间片的个数)。其中x₀，x₀表示初始汽车的位置。

表示初始纵向和横向速度。

表示初始纵向和横向加速度的稳态值，

是初始车辆航向角，Δtp＝T_p/J，T_p为预瞄时间。通过以上计算可以得到t+Tp时刻在车辆坐标系内的质心位置坐标为(x_J，y_J)，那么便可以得到车辆预期位置与车辆纵向轴线之间的夹角即相对应的前照灯水平旋转角度 $\mathrm{\θ}=\arctan \frac{y_J-y_0}{x_J-x_0}.$

Claims (1)

1.一种仿驾驶员预瞄行为的汽车前照灯系统，其特征在于，该系统包括由纵向和侧向加速度传感器组成的信息感知单元、内置仿驾驶员预瞄行为的前照灯转角计算程序的中央控制单元和由步进电机组成的驱动执行单元，其中纵向和侧向加速度传感器采集车辆的运动状态信息，通过车内的信号传输网络传输给中央控制单元，中央控制单元计算出前照灯的旋转角度后，将角度信号传输给驱动执行单元中的步进电机，控制电机进行相应的动作；所述的加速度传感器用来测量车辆纵向和侧向的加速度变化；所述的中央控制单元，用于根据纵向和侧向加速度传感器采集的加速度信号，通过内置的仿驾驶员预瞄行为的前照灯补偿角度数学模型计算出前照灯水平方向应旋转的角度；其特征在于，

所述的前照灯补偿角度数学模型，通过模拟驾驶员的前视作用，利用车辆稳态响应特性对汽车在经过预瞄时间t+Tp后的运动状态

进行预估，从而得到相对于汽车纵向轴线的偏转角度即自适应车灯的水平旋转角度，

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·\·}{x}}_j\\ {\stackrel{\·\·}{y}}_j\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·\·}{x}}_0\\ {\stackrel{\·\·}{y}}_0\end{array}\right],$

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_j\\ {\stackrel{\·}{y}}_j\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_{j-1}\\ {\stackrel{\·}{y}}_{j-1}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·\·}{x}}_j\\ {\stackrel{\·\·}{y}}_j\end{array}\right]\×\mathrm{\Δtp},$

$\left[\begin{array}{c}{x}_j\\ y_j\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_{j-1}\\ y_{j-1}\end{array}\right]+A_{j-\mathrm{1,0}}(\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_{j-1}\\ {\stackrel{\·}{y}}_{j-1}\end{array}\right]\×\mathrm{\Δtp}+\frac{1}{2}\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·\·}{x}}_j\\ {\stackrel{\·\·}{y}}_j\end{array}\right]\×\mathrm{\Δ}{\mathrm{tp}}^2),$

式中j＝1，2，…，J为等分时间片的个数，其中x₀，y₀表示初始汽车的位置，

表示初始纵向和横向速度，

表示初始纵向和横向加速度的稳态值，

是初始车辆航向角，Δtp＝T_p/J，T_p为预瞄时间，

是坐标系(x_j，y_j)到(x₀，y₀)的转换矩阵，由于在汽车驶入弯道前AFS系统即开始工作，可以认为此时汽车侧向速度和加速度初始值为零，通过以上计算可以得到t+Tp时刻在车辆坐标系内的质心位置坐标为(x_J，y_J)，那么便可以得到车辆预期位置与车辆纵向轴线之间的夹角即相对应的前照灯水平旋转角度 $\mathrm{\θ}=\arctan \frac{y_J-y_0}{x_J-x_0}.$

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