CN103991407A - 汽车前照灯水平转角控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制汽车前照灯水平转角的方法，其特点是，针对汽车弯道行驶受前照灯照明范围的限制容易出现照明死区的情况，选取汽车弯道几何照明距离为分析参数；基于弯道几何照明距离的几何关系图建立前照灯水平转角与车速、转弯半径的关系式，获得前照灯转角的理论计算模型；综合评价了前照灯最大转角的实际限制条件，如最小照明宽度、转弯半径的极限值、照明系统安装高度的规定等，得到结合实际的水平转角控制算法模型。本发明提出的前照灯转角控制算法结合了汽车前照灯转角的理论计算模型和最大转角的实际限制条件，可以有效提高汽车弯道行驶的安全性。

Description

汽车前照灯水平转角控制方法

技术领域

本发明涉及汽车电子控制系统领域，特别涉及一种汽车前照灯水平转角的控制方法。 

背景技术

传统汽车前照灯的角度不会随汽车的行驶状况及外界环境的变化发生变化。夜间或者恶劣天气时，当汽车行驶在有弯道的地方，由于前照灯照明范围的限制，汽车的两侧(主要是转弯内侧)会出现照明的死区，由此会影响驾驶员的判断，产生安全隐患。 

汽车前照灯控制系统(Adaptive Front-lighting System，简称AFS)可以根据汽车方向盘转角、汽车速度以及车辆转弯半径对前照灯的动作进行自动调节，使前照灯的照明方向与汽车当前的行驶方向相同，以确保为驾驶员提供最佳的视野，从而显著增强了汽车在夜间或天气状况恶劣的情况下驾驶的安全性。在弯道多或照明条件不佳的路况中，AFS系统的存在不仅可以最大程度地扩大驾驶员的视野，还可以避免使对方来车驾驶员产生眩目。 

目前AFS系统的控制方式主要有基础照明模式、城市照明模式、高速公路照明模式等。基础照明模式应用于普通道路的行驶，其功能与普通的近光灯相类似，AFS系统的前照灯只能通过光敏传感器感知驾驶环境光照强度的变化而自动开启或者关闭，而不会在垂直或水平方向上做出任何的调整。对于城市道路来说，虽然有路灯等道路照明设施照明，但道路比较复杂，车流量相对较大，此时最重要的就是防止产生眩目。会车时，要求前照大灯照射到对方车辆的光照强度低于一定的值。根据当前的车速及驾驶环境的光强度决定是否开启城市照明模式，从而调节灯光亮度和照射高度，并在交叉路口使用更宽的光型以获得较好的照明。在高速公路上时，车辆具有较高的车速，但两边的干扰以及车辆密度都比较小，所以前照灯的照明范围可以变得更远、更窄。当汽车行驶速度大于70km/h时，AFS系统应用高速公路照明模式，调高前照灯的照射高度使照射范围更远，以确保能尽早发现危险并及时采取相应 措施。 

可见，常规的AFS系统主要专注于前照灯灯光光型、照射亮度和照射高度的调节，而对水平调节的策略研究较少。当汽车转弯时，由于传统前照灯的光线和车头的朝向一致，必然会产生车身侧面的照明死区，很容易忽视弯道边缘的路况而引发交通事故。因此车辆进入弯道时，AFS系统应该基于车辆各行驶参数进行评估和分析，调节汽车前照灯的水平转角，使前照灯能够照射到死区区域。本专利技术就是基于这样的背景展开研究的。 

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于设计一种基于汽车车速和转弯半径等参数调整汽车前照灯水平转角的方法。 

为实现上述目的，本发明提出一种汽车前照灯水平转角的控制策略，具体步骤为： 

1)建立汽车弯道照明距离的几何关系图，得弯道几何照明距离的关系式： 

S'＝R·θ·π/90 

2)选择停车视距作为弯道几何照明距离，基于停车视距和汽车车速的函数关系，建立前照灯转角与车速、转弯半径的理论关系式： 

θ＝90S_T/(π·R) 

进一步，考虑城市道路照明标准规定的最小照明宽度，建立最大转角的关系式： 

θ_max＝180°×arccos[(R-h_max)/R]/π 

进一步，考虑国家公路工程技术标准的规定，确定汽车转弯半径的最小值为30m。 

进一步，基于照明法规中对AFS系统安装高度的规定，确定最大转角的关系式： 

θ_max＝180°×arcsin(34/R)/π 

进一步，综合前照灯最大转角的上述限制条件，建立水平最大转角的关系式： 

进一步，结合汽车前照灯水平转角的理论计算公式和水平最大转角的限制条件，得到本 发明提出的水平转角的控制算法模型： 

$\mathrm{\θ}=\left\{\begin{array}{cc}90S_T/(\mathrm{\π}\·R)& \mathrm{\θ}\≤{\mathrm{\θ}}_{\max }\\ {\mathrm{\θ}}_{\max }& \mathrm{\θ}\≥{\mathrm{\θ}}_{\max }\end{array}\right.$

本发明的优点在于：提出一种基于汽车车速和转弯半径等参数调整汽车前照灯水平转角的方法。传统前照灯的转角控制很少考虑汽车行驶状况及外界环境的变化。在夜间或者恶劣天气时，当汽车行驶在有弯道的地方，由于前照灯照明范围的限制，汽车的两侧会出现照明的死区，从而影响驾驶员的安全行驶。本发明基于弯道几何照明距离的几何关系图建立前照灯水平转角与车速、转弯半径的关系式；综合评价限制转角最大值的条件，如最小照明宽度要求、转弯半径的极限值、弯道照明距离与安装高度的关系等。本发明提出的前照灯转角控制方法全面考虑了汽车车速、转弯半径、相关道路行驶标准等因素，结合了汽车前照灯转角的理论控制模型和实际最大转角的限制条件，切合实际道路行驶规范，可以有效提高汽车弯道行驶的安全性。 

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中： 

图1为弯道几何照明距离与汽车转弯半径的几何关系图； 

图2为汽车前照灯转角与转弯半径的关系图； 

图3为前照灯转角几何关系图； 

图4为前照灯水平最大转角与转弯半径的关系图。 

具体实施方式

利用汽车方向盘转角并根据阿克曼转向的几何原理可以计算出汽车当前行驶弯道的转弯半径。在理想情况下，当方向盘转角为固定值，转弯半径为半径的圆弧使汽车的拟行驶轨迹。当汽车开始转弯时，AFS系统的步进电机将带动前照灯转过一定的角度θ，使前照灯光轴与汽车拟行驶轨迹相交。由圆的弦切角、弧长及其所对应的圆心角之间的关系，可以得到在转 弯时汽车弯道照明距离(前照灯光轴与汽车拟行驶轨迹的交点与汽车前端之间的弧长)与汽车转弯半径的几何关系图，如图1所示。 

图1中，S表示汽车前端到前照灯光轴与汽车拟行驶轨迹的交点的直线距离；S'表示前照灯的弯道几何照明距离(弯道所在圆周的弧长)；R表示汽车转弯半径；θ表示汽车AFS系统水平转角。 

S与R、θ的关系可以表示为： 

S＝2R·sinθ    (1) 

S'与R、θ的关系可以表示为： 

S'＝R·θ·π/90    (2) 

大部分汽车的AFS系统前照灯水平转角的控制算法通常以汽车安全制动距离为依据。汽车的停车视距通常大于其安全制动距离，因此选择停车视距作为汽车AFS的弯道几何照明距离具有更高的安全性。对式(2)进行整理，可以得到汽车前照灯的转角关系式： 

θ＝90S_T/(π·R)    (3) 

式中S_T为停车视距，其具体参数值在我国《公路路线设计规范》里有着明确的规定。基于式(3)可以绘制出不同车速下汽车前照灯转角与转弯半径之间的关系图，如图2所示。 

由图2可见，当转弯半径相同时，汽车的车速越高，前照灯的转角越大；在同样的车速下，转弯半径越小，前照灯的转角越大。图2所示的汽车前照灯转角的变化范围很大。当前照灯转角过大时，虽然增强了弯道内侧的照明效果，但有可能因为弯道外侧照明的不足而导致照明效果变差，使汽车子那个是速度和安全性降低。如果既要加强弯道内侧照明，又不会导致外侧照明变坏，就必须对前照灯的水平转角在一定转弯半径下设置最大值。最大值主要以下三个条件决定： 

①弯道外侧和最小照明宽度要求 

《城市道路照明设计标准》中规定，城市四级公路的平均光照不能低于5lx，这基本上能够满足驾驶员视觉的要求。所以在设计前照灯水平转角模型时，选择将5lx等光照度曲线作为前照灯转角的设计依据。若将汽车前照灯可见范围定为5lx等光照曲线内的范围，其最大宽度约为15m，且在光照曲线范围内对称分布于光轴两侧，则光轴一侧的最大宽度约为7.5m。 

在夜间或恶劣天气汽车转弯时，前照灯既要照射到汽车拟行驶的道路，还要照射到相邻的道路。汽车的拟行驶轨迹将5lx等光照度曲线划分成两个部分，较窄的转弯方向外侧宽度至少为1.5个车道宽度。由《城市道路照明设计标准》的规定，当设计车速为60km/h时，车 道的设计宽度应为3.5m，由此可知，转弯方向外侧的宽度应为3.5×1.5＝5.25m，得到前照灯光轴分割汽车行驶轨迹而形成的劣弧与对应的弦之间的最大距离为：h_max＝7.5-5.25＝2.25m。 

当汽车行驶在弯道上时，前照灯转角几何关系图如图3所示，根据几何学中有关定理可得： 

cosθ＝(R-h)/R    (4) 

将h_max＝2.25m代入到式(4)中，整理后得到： 

θ_max＝180°×arccos[(R-h_max)/R]/π    (5) 

②极限值的确定 

《国家公路工程技术标准》中规定，当道路设计的车速为30km/h时，弯道处半径的最小值应为30m，且汽车的转弯半径越小车速也应越低。因此，当汽车的转弯半径小于30m时，汽车的行驶速度已经非常低了，前照灯转角的增大时弯道几何照明距离会随之增大，但其对提高夜间汽车行驶安全性的意义已经不大，车灯的转角也就没必要继续增大，故前照灯的转角保持在转弯半径为30m时的前照灯转向角即可。 

③法规的规定 

虽然有了以上的算法可以确定前照灯的最大转角值，但还须遵循法规的要求。《ECE R48关于照明和信号装置安装认证的统一规定》中规定，前述的S最大值应该为AFS系统安装高度的一百倍。即有最大转角为： 

θ_max＝180°×arcsin(100H/2R)/π＝180°×arcsin(50H/R)/π    (6) 

上式中，θ_max表示遵循法规要求的最大转角； 

H表示车灯的安装高度，取H＝0.68m代入式(6)，得到遵循法规的最大转角为： 

θ_max＝180°×arcsin(34/R)/π    (7) 

综上所述，将上述的几个条件结合，在不超过最大值的前提下，在相同的半径下，选择式(5)和式(7)中较小的值作为该半径下前照灯水平转角的最大值；当超过极限值时选择极限值作为最大值。得到前照灯水平转角最大值表达式： 

应用MATLAB绘制式(8)所示的分段函数，得到前照灯水平最大转角与转弯半径的关 系图如图4所示。 

综上所述，计算前照灯的水平转角时，小于转角最大值的计算结果为有效转角，超过转角最大值时则用转角的最大值代替。由此，得到前照灯水平转角的控制算法模型： 

$\mathrm{\θ}=\left\{\begin{array}{cc}90S_T/(\mathrm{\π}\·R)& \mathrm{\θ}\≤{\mathrm{\θ}}_{\max }\\ {\mathrm{\θ}}_{\max }& \mathrm{\θ}\≥{\mathrm{\θ}}_{\max }\end{array}\right.$ 。

Claims (6)

1.一种控制汽车前照灯水平转角的方法，具体步骤为： 

1)建立汽车弯道照明距离的几何关系图，得弯道几何照明距离的关系式： 

S'＝R·θ·π/90 

2)选择停车视距作为弯道几何照明距离，基于停车视距和汽车车速的函数关系，建立前照灯转角与车速、转弯半径的理论计算公式： 

θ＝90S_T/(π·R)。 

2.根据权利要求1中所述计算前照灯水平转角的方法，其特征为：水平最大转角受到城市道路照明标准规定的最小照明宽度的限制： 

θ_max＝180°×arccos[(R-h_max)/R]/π 。

3.根据权利要求1中所述计算前照灯水平转角的方法，其特征为：基于国家公路工程技术标准的规定，汽车转弯半径的最小值确定为30m。 

4.根据权利要求1中所述计算前照灯水平转角的方法，其特征为：水平最大转角受到照明法规中规定的AFS系统安装高度的限制： 

θ_max＝180°×arcsin(34/R)/π。

5.根据权利要求1中所述计算前照灯水平转角的方法，其特征为：水平最大转角和转弯半径的关系式为： 

。

6.根据权利要求1中所述计算前照灯水平转角的方法，其特征为：结合汽车前照灯水平转角的理论计算公式和水平最大转角的限制条件，得到汽车前照灯水平转角的控制算法模型： 

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