CN109435833B - 基于汽车转弯特性及车灯光型的前照灯水平转角控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于汽车转弯特性及车灯光型的前照灯水平转角控制方法,步骤一:在汽车线性二自由度模型图上建立车灯运动轨迹,并分析得到考虑转弯时前轮侧偏影响的前照灯运动方向与车身纵向之间的夹角θ1;步骤二:基于车灯光型和安全刹车距离确定车灯转角ω,并考虑法规对车灯转角ω的限制;所述车灯光型是根据H7卤素灯的工况及三级公路平均照度的最低要求计算出8lx的照度可见区域;所述安全刹车距离S0包括驾驶员反应时间的行驶距离S1和制动距离S2;步骤三:根据步骤一的θ1及步骤二中的ω,在汽车线性二自由度模型图上得到汽车转弯时车灯的实际转角α=θ1+ω。本发明通过分析前照灯运动方向与车身纵向之间的夹角θ1和车灯光型对转角的影响,改善汽车夜间弯道行驶的照明条件。
Description
技术领域
本发明属于汽车电子控制系统领域,,具体涉及一种基于汽车转弯特性及车灯光型的前照灯水平转角控制方法。
背景技术
汽车自适应前照灯(AFS)的水平转向功能可改善汽车夜间弯道行驶的照明条件,降低夜间事故发生率;为有效利用光源,车灯转角规律的研究便至关重要。现有技术方案中多以汽车停车视距或者汽车安全刹车距离为依据分别得出车灯转角θ=90S′/(π·R)、θ=arcsin(S/2R)的结论,而汽车转向行驶时不可能出现车身与前轮运动轨迹相切的情况,汽车车身纵向与前照灯运动轨迹的切线应存在一定的夹角。申请号为201410200725.5的技术方案仅仅基于弯道几何照明距离的几何关系图及最小照明宽度、转弯半径等的限制而建立水平转角控制算法模型,没有对汽车转弯时车轮侧偏对前照灯水平转角的影响进行考虑,而汽车转弯过程中由于侧偏,前轮转角β并不等于前照灯运动方向与车身纵向之间的夹角θ1(图2)。另外,现有技术方案在建立转角模型时均用光轴来替代光型,并没有考虑光型的宽度(2H)。针对以上问题,本发明将在汽车线性二自由度模型图上结合夹角θ1和车灯光型,以汽车安全刹车距离为依据,建立符合实际的汽车自适应前照灯弯道水平转角控制模型,以提高汽车弯道行驶的安全性。
发明内容
为解决现有技术中的不足,本发明提供一种基于汽车转弯特性及车灯光型的前照灯水平转角控制方法,解决了现有技术中汽车前照灯转向角度存在偏差的技术问题。
为了实现上述目标,本发明采用如下技术方案:
基于汽车转弯特性及车灯光型的前照灯水平转角控制方法,步骤一:在汽车线性二自由度模型图上建立车灯运动轨迹,并分析得到考虑转弯时前轮侧偏影响的前照灯运动方向与车身纵向之间的夹角θ1;
步骤二:基于车灯光型和安全刹车距离确定车灯转角ω,并考虑法规对车灯转角ω的限制;所述车灯光型是根据H7卤素灯的工况及三级公路平均照度的最低要求计算出8lx的照度可见区域;所述安全刹车距离S0包括驾驶员反应时间的行驶距离S1和制动距离S2;
步骤三:根据步骤一的θ1及步骤二中的ω,在汽车线性二自由度模型图上得到汽车转弯时车灯的实际转角α=θ1+ω。
作为本发明的一种优化方案,前述的基于汽车转弯特性及车灯光型的前照灯水平转角控制方法,步骤一中前照灯运动方向与车身纵向之间的夹角θ1的计算方法是:根据汽车在稳态工况下的二自由度微分方程求得汽车的质心侧偏角β,再根据车前轮运动方向与汽车线性二自由度模型图中x轴之间的夹角为转向角ξ、汽车的横摆角速度ωr及稳定性系数K计算得到。
式中:β是汽车的质心侧偏角,a是前轴轴距(m),b是后轴轴距(m),k1是前轮侧偏刚度(N/rad),k2是后轮侧偏刚度,β是质心侧偏角(rad),u是沿x轴的前进速度(m/s),ωr是横摆角速度(rad/s),δ是前轮转角(rad),L是前后轴距(m);
车前轮运动方向与汽车线性二自由度模型图中x轴之间的夹角ξ、汽车的横摆角速度ωr及稳定性系数K分别是:
式中:ξ是车前轮运动方向与x轴之间的夹角,ωr是汽车的横摆角速度,K是稳定性系数,a是前轴轴距(m),b是后轴轴距(m),k1是前轮侧偏刚度(N/rad),k2是后轮侧偏刚度,β是质心侧偏角(rad),u是沿x轴的前进速度(m/s),ωr是横摆角速度(rad/s),δ是前轮转角(rad),L是前后轴距(m);
根据式(1)及式(2)计算出汽车前轮运动方向与x轴之间的夹角ξ,即为前轮转角。
由于车灯离外侧车轮的距离相对转弯半径很小,可以忽略,即K=0,所以可得前照灯运动方向与车身纵向之间的夹角θ1:
式(3)与式(4)中:ξ是车前轮运动方向与x轴之间的夹角,ωr是汽车的横摆角速度,K是稳定性系数,a是前轴轴距(m),b是后轴轴距(m),k1是前轮侧偏刚度(N/rad),k2是后轮侧偏刚度,β是质心侧偏角(rad),u是沿x轴的前进速度(m/s),ωr是横摆角速度(rad/s),δ是前轮转角(rad),L是前后轴距(m),R0是车速及侧向加速度看作零时的稳态转向半径,R是车速及侧向加速度不等于零时的实时转向半径。
作为本发明的一种优化方案,前述的基于汽车转弯特性及车灯光型的前照灯水平转角控制方法,步骤二中根据H7卤素灯的工况及三级公路平均照度的最低要求计算出8lx的照度可见区域的具体做法是:用光学仿真软件lucidshape对H7卤素灯进行仿真,在汽车线性二自由度模型图上测绘得其投射到路面大于8lx的照度区域,具体做法是:
H=3.598-1.943cos(0.1228S)+1.113sin(0.1228S)
-0.1407cos(0.2456S)-0.5013sin(0.2456S) (5)
式中H为光型宽度,S是当车灯光型照度边界至车灯光轴的距离为H时,照度边界和车灯运动轨迹的交点到车灯的距离。
作为本发明的一种优化方案,前述的基于汽车转弯特性及车灯光型的前照灯水平转角控制方法,取驾驶员反应时间为1s,可得汽车安全刹车距离S0=0.28118V+0.00451V2,取S'>=S0,同时为了保证弯道外侧有尽可能多的照明,取S'=S0,S'即车灯光轴与车灯运动轨迹的交点到车灯的距离,根据S'及照度区域得出车灯的实际转角α,具体做法是:
α=θ1+ω
将式(5)、(6)带入式(7)求得车灯转角ω,α=θ1+ω
式(6)、(7)中:θ是当车灯光型照度边界至车灯光轴的距离为H时,照度边界和车灯运动轨迹的切线方向的夹角,ω是车灯光轴与车灯运动轨迹切线方向的夹角,R是一定车速下有一定侧向加速度时的实时转向半径,θ1是车辆坐标系的X轴与车灯运动轨迹在车灯前部切线的夹角,θ2是当车灯光型照度边界至车灯光轴的距离为H时,照度边界和车灯运动轨迹的交点与车灯所在直线与车灯光轴的夹角,S是当车灯光型照度边界至车灯光轴的距离为H时,照度边界和车灯运动轨迹的交点到车灯的距离。
作为本发明的一种优化方案,前述的基于汽车转弯特性及车灯光型的前照灯水平转角控制方法,步骤二中的法规是对车灯转角ω的限制是ECE R48,具体是:
S1不得大于100倍车灯安装高度,可得S1≤100h,从而可得:
ω≤arcsin(100h/2R) (8)
式(8)中:S1是车灯光轴与车灯运动轨迹交点到车灯的距离,h是车灯的安装高度,R是一定车速下有一定侧向加速度时的实时转向半径。
作为本发明的一种优化方案,前述的基于汽车转弯特性及车灯光型的前照灯水平转角控制方法,步骤三中汽车转弯时车灯的实际转角α=θ1+ω,
具体做法是:
其中,
S=2Rsinθ
H=3.598-1.943cos(0.1228S)+1.113sin(0.1228S)
-0.1407cos(0.2456S)-0.5013sin(0.2456S) (S≤52m)
式中:ξ是车前轮运动方向与x轴之间的夹角,ωr是汽车的横摆角速度,a是前轴轴距(m),b是后轴轴距(m),k1是前轮侧偏刚度(N/rad),k2是后轮侧偏刚度,u是沿x轴的前进速度(m/s),ωr是横摆角速度(rad/s),δ是前轮转角(rad),L是前后轴距(m),R0是车速极低、侧向加速度接近于零时的稳态转向半径,R是一定车速下有一定侧向加速度时的实时转向半径。θ1是车辆坐标系的X轴与车灯运动轨迹在车灯前部切线的夹角,θ2是当车灯光型照度边界至车灯光轴的距离为H时,照度边界和车灯运动轨迹的交点与车灯所在直线与车灯光轴的夹角,θ3是车灯转角最大值,S是当车灯光型照度边界至车灯光轴的距离为H时,照度边界和车灯运动轨迹的交点到车灯的距离。
本发明所达到的有益效果:本发明是基于汽车转弯特性及车灯光型的前照灯水平转角控制方法,通过分析前照灯运动方向与车身纵向之间的夹角θ1和车灯光型对转角的影响,以汽车安全刹车距离为依据,建立符合实际的汽车自适应前照灯弯道水平转角控制模型,从而改善汽车夜间弯道行驶的照明条件,降低夜间事故发生率,提高汽车弯道行驶的安全性。
附图说明
图1本发明的流程图;
图2基于转弯特性和车灯光型的转角模型;
图3线性二自由度汽车模型;
图4大于8lx的照度区域图;
图5车灯转角示意图;
图6法规对夹角ω的限制;
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
本实施例公开了基于汽车转弯特性及车灯光型的前照灯水平转角控制方法:
首先在汽车线性二自由度模型图上建立车灯运动轨迹,并分析得到考虑转弯时前轮侧偏影响的前照灯运动方向与车身纵向之间的夹角θ1;
如图3所示:图3是二自由度汽车模型(具有侧向和横摆两个自由度),由汽车理论可知,稳态工况下的二自由度微分方程为:
可求得汽车的质心侧偏角:
再由汽车理论可得:
式(1)及式(2)中:m—整车质量(kg),k1—前轮侧偏刚度(N/rad),k2—后轮侧偏刚度,β—质心侧偏角(rad),u—沿x轴的前进速度(m/s),a—前轴轴距(m),b—后轴轴距(m),ωr—横摆角速度(rad/s),δ—前轮转角(rad),L—前后轴距(m)。以上的量都是可知的,从而联立公式(1)、(2)可求出车轮运动方向与x轴之间的夹角ξ,即为前轮转角。
由于车灯离外侧车轮的距离相对转弯半径很小,可以忽略,K是表征汽车稳态响应的一个参数,K是稳定性因素,K=0,表示是中心转向,K>0表示不足转向,k<0表示过多转向,本实施例是中心转向,即稳定系数K=0,
所以可得前照灯运动方向与车身纵向之间的夹角θ1:
式(3)与式(4)中:ξ是车前轮运动方向与x轴之间的夹角,ωr是汽车的横摆角速度,K是稳定性系数,a是前轴轴距(m),b是后轴轴距(m),k1是前轮侧偏刚度(N/rad),k2是后轮侧偏刚度,β是质心侧偏角(rad),u是沿x轴的前进速度(m/s),ωr是横摆角速度(rad/s),δ是前轮转角(rad),L是前后轴距(m),R0是车速及侧向加速度看作零时的稳态转向半径,R是车速及侧向加速度不等于零时的实时转向半径。
然后基于车灯光型和安全刹车距离确定车灯转角ω,车灯光型是根据H7卤素灯的工况及三级公路平均照度的最低要求计算出8lx的照度可见区域;安全刹车距离S0包括驾驶员反应时间的行驶距离S1和制动距离S2;在考虑车灯光型和安全刹车距离确定车灯转角ω时,还应考虑法规对车灯转角ω的限制。
城市道路照明设计标准规定了三级公路的平均照度要求为8lx,该照度是公路平均照度的最低要求,基本可以满足驾驶员的作业需求,可将大于8lx的照度区域作为可见区域。如图4所示:用光学仿真软件lucidshape对H7卤素灯进行仿真,测绘得其投射到路面大于8lx的照度区域:
为方便夹角ω的计算,需建立S和光型宽度H的关系,而8lx等照度光型边界是不规则的,必须通过曲线拟合来建立S和H的函数关系。以S为自变量,H为因变量,将采集的边界数据点输入Matlab软件,再通过工具箱“Curve Fitting tool”对数据进行拟合,得出如下关系式:
H=3.598-1.943cos(0.1228S)+1.113sin(0.1228S)
-0.1407cos(0.2456S)-0.5013sin(0.2456S)(S≤52m)(5)
式(5)中H为光型宽度,S是当车灯光型照度边界至车灯光轴的距离为H时,照度边界和车灯运动轨迹的交点到车灯的距离。
驾驶员开始踩着制动踏板到安全停车的距离为制动距离,汽车安全刹车距离S0为驾驶员反应时间内汽车所行驶的距离S1加上制动距离S2。根据汽车理论利用最小二乘法拟合得到的公式S2=0.0034V+0.00451V2,再取驾驶员反应时间为1s(即S1=V/3.6),可得汽车安全刹车距离S0=0.28118V+0.00451V2。为了保证汽车的行驶安全性,汽车前端到车灯光型与弯道的交点处的弯道距离必须大于或等于汽车的安全刹车距离,即S'>=S0,同时为了保证弯道外侧有尽可能多的照明,可取S'=S0。
车灯转角示意图如图5所示,根据几何关系可得:
α=θ1+ω
将式(5)、(6)带入式(7)求得车灯转角ω,α=θ1+ω
式中:θ是当车灯光型照度边界至车灯光轴的距离为H时,照度边界和车灯运动轨迹的切线方向的夹角,ω是车灯光轴与车灯运动轨迹切线方向的夹角,R是一定车速下有一定侧向加速度时的实时转向半径,θ1是车辆坐标系的X轴与车灯运动轨迹在车灯前部切线的夹角,θ2是是当车灯光型照度边界至车灯光轴的距离为H时,照度边界和车灯运动轨迹的交点与车灯所在直线与车灯光轴的夹角,S是当车灯光型照度边界至车灯光轴的距离为H时,照度边界和车灯运动轨迹的交点到车灯的距离。
由于汽车车灯离汽车质心的距离相对转弯半径可以忽略,根据ECE R48可知,汽车质心运动轨迹对车灯最大转角的规定可视为根据汽车车灯运动轨迹对车灯最大转角ω的限制。ECE R48规定:图6中的S1不得大于100倍车灯安装高度,可得S1≤100h(h为车灯安装高度),从而可得:
ω≤arcsin(100h/2R) (8)
式中:S1是车灯光轴与车灯运动轨迹交点到车灯的距离,h是车灯的安装高度,R是一定车速下有一定侧向加速度时的实时转向半径。
最后,综合车灯转角的上述限制条件并结合前照灯实际水平转角α的理论计算公式,得到本发明提出的基于汽车转弯特性及车灯光型的前照灯水平转角控制模型:
在汽车线性二自由度模型图上得到汽车转弯时车灯的实际转角α=θ1+ω,即将夹角θ1和ω叠加。
具体做法是:
其中,
S=2Rsinθ
H=3.598-1.943cos(0.1228S)+1.113sin(0.1228S)
-0.1407cos(0.2456S)-0.5013sin(0.2456S)(S≤52m)
式中:ξ是车前轮运动方向与x轴之间的夹角,ωr是汽车的横摆角速度,a是前轴轴距(m),b是后轴轴距(m),k1是前轮侧偏刚度(N/rad),k2是后轮侧偏刚度,u是沿x轴的前进速度(m/s),ωr是横摆角速度(rad/s),δ是前轮转角(rad),L是前后轴距(m),R0是车速极低、侧向加速度接近于零时的稳态转向半径,R是一定车速下有一定侧向加速度时的实时转向半径。θ1是车辆坐标系的X轴与车灯运动轨迹在车灯前部切线的夹角,θ2是当车灯光型照度边界至车灯光轴的距离为H时,照度边界和车灯运动轨迹的交点与车灯所在直线与车灯光轴的夹角,θ3是车灯转角最大值,S是当车灯光型照度边界至车灯光轴的距离为H时,照度边界和车灯运动轨迹的交点到车灯的距离。
本发明是基于汽车转弯特性及车灯光型的前照灯水平转角控制方法,通过分析前照灯运动方向与车身纵向之间的夹角θ1和车灯光型对转角的影响,以汽车安全刹车距离为依据,建立符合实际的汽车自适应前照灯弯道水平转角控制模型,从而改善汽车夜间弯道行驶的照明条件,降低夜间事故发生率,提高汽车弯道行驶的安全性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.基于汽车转弯特性及车灯光型的前照灯水平转角控制方法,其特征在于:
步骤一:在汽车线性二自由度模型图上建立车灯运动轨迹,并分析得到考虑转弯时前轮侧偏影响的前照灯运动方向与车身纵向之间的夹角θ1;
步骤二:基于车灯光型和安全刹车距离确定车灯转角ω,并考虑法规对车灯转角ω的限制;所述车灯光型是根据H7卤素灯的工况及三级公路平均照度的最低要求计算出8lx的照度可见区域;所述安全刹车距离S0包括驾驶员反应时间的行驶距离S1和制动距离S2;
步骤三:根据步骤一的θ1及步骤二中的ω,在汽车线性二自由度模型图上得到汽车转弯时车灯的实际转角α=θ1+ω;
步骤二中根据H7卤素灯的工况及三级公路平均照度的最低要求计算出8lx的照度可见区域的具体做法是:用光学仿真软件lucidshape对H7卤素灯进行仿真,在汽车线性二自由度模型图上测绘得其投射到路面大于8lx的照度区域,具体做法是:
式中H为光型宽度,S是当车灯光型照度边界至车灯光轴的距离为H时,照度边界和车灯运动轨迹的交点到车灯的距离;
取驾驶员反应时间为1s,可得汽车安全刹车距离S0=0.28118V+0.00451V2,取S'>=S0,同时为了保证弯道外侧有尽可能多的照明,取S'=S0,S'即车灯光轴与车灯运动轨迹的交点到车灯的距离,根据S'及照度区域得出车灯的实际转角α,具体做法是:
α=θ1+ω
将式(5)、(6)带入式(7)求得车灯转角ω,α=θ1+ω
式(6)、(7)中:θ是当车灯光型照度边界至车灯光轴的距离为H时,照度边界和车灯运动轨迹的切线方向的夹角,ω是车灯光轴与车灯运动轨迹切线方向的夹角,R是一定车速下有一定侧向加速度时的实时转向半径,θ1是车辆坐标系的X轴与车灯运动轨迹在车灯前部切线的夹角,θ2是当车灯光型照度边界至车灯光轴的距离为H时,照度边界和车灯运动轨迹的交点与车灯所在直线与车灯光轴的夹角,S是当车灯光型照度边界至车灯光轴的距离为H时,照度边界和车灯运动轨迹的交点到车灯的距离。
2.根据权利要求1所述的基于汽车转弯特性及车灯光型的前照灯水平转角控制方法,其特征在于:步骤一中前照灯运动方向与车身纵向之间的夹角θ1的计算方法是:根据汽车在稳态工况下的二自由度微分方程求得汽车的质心侧偏角β,再根据车前轮运动方向与汽车线性二自由度模型图中x轴之间的夹角为转向角ξ、汽车的横摆角速度ωr及稳定性系数K计算得到。
式中:β是汽车的质心侧偏角,a是前轴轴距(m),b是后轴轴距(m),k1是前轮侧偏刚度(N/rad),k2是后轮侧偏刚度,β是质心侧偏角(rad),u是沿x轴的前进速度(m/s),ωr是横摆角速度(rad/s),δ是前轮转角(rad),L是前后轴距(m);
车前轮运动方向与汽车线性二自由度模型图中x轴之间的夹角ξ、汽车的横摆角速度ωr及稳定性系数K分别是:
式中:ξ是车前轮运动方向与x轴之间的夹角,ωr是汽车的横摆角速度,K是稳定性系数,a是前轴轴距(m),b是后轴轴距(m),k1是前轮侧偏刚度(N/rad),k2是后轮侧偏刚度,β是质心侧偏角(rad),u是沿x轴的前进速度(m/s),ωr是横摆角速度(rad/s),δ是前轮转角(rad),L是前后轴距(m);
根据式(1)及式(2)计算出汽车前轮运动方向与x轴之间的夹角ξ,即为前轮转角;
由于车灯离外侧车轮的距离相对转弯半径很小,可以忽略,即K=0,所以可得前照灯运动方向与车身纵向之间的夹角θ1:
式(3)与式(4)中:ξ是车前轮运动方向与x轴之间的夹角,ωr是汽车的横摆角速度,K是稳定性系数,a是前轴轴距(m),b是后轴轴距(m),k1是前轮侧偏刚度(N/rad),k2是后轮侧偏刚度,β是质心侧偏角(rad),u是沿x轴的前进速度(m/s),ωr是横摆角速度(rad/s),δ是前轮转角(rad),L是前后轴距(m),R0是车速及侧向加速度看作零时的稳态转向半径,R是车速及侧向加速度不等于零时的实时转向半径。
4.根据权利要求1所述的基于汽车转弯特性及车灯光型的前照灯水平转角控制方法,其特征在于:步骤二中的法规是对车灯转角ω的限制是ECER48,具体是:
S1不得大于100倍车灯安装高度,可得S1≤100h,从而可得:
ω≤arcsin(100h/2R) (8)
式(8)中:S1是车灯光轴与车灯运动轨迹交点到车灯的距离,h是车灯的安装高度,R是一定车速下有一定侧向加速度时的实时转向半径。
5.根据权利要求1所述的基于汽车转弯特性及车灯光型的前照灯水平转角控制方法,其特征在于:步骤三中汽车转弯时车灯的实际转角α=θ1+ω,
具体做法是:
其中,
S=2R sinθ
H=3.598-1.943cos(0.1228S)+1.113sin(0.1228S)-0.1407cos(0.2456S)-0.5013sin(0.2456S) (S≤52m)
式中:ξ是车前轮运动方向与x轴之间的夹角,ωr是汽车的横摆角速度,a是前轴轴距(m),b是后轴轴距(m),k1是前轮侧偏刚度(N/rad),k2是后轮侧偏刚度,u是沿x轴的前进速度(m/s),ωr是横摆角速度(rad/s),δ是前轮转角(rad),L是前后轴距(m),R0是车速极低、侧向加速度接近于零时的稳态转向半径,R是一定车速下有一定侧向加速度时的实时转向半径;θ1是车辆坐标系的X轴与车灯运动轨迹在车灯前部切线的夹角,θ2是当车灯光型照度边界至车灯光轴的距离为H时,照度边界和车灯运动轨迹的交点与车灯所在直线与车灯光轴的夹角,θ3是车灯转角最大值,S是当车灯光型照度边界至车灯光轴的距离为H时,照度边界和车灯运动轨迹的交点到车灯的距离。
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