CN109823258B

CN109823258B - 一种矩阵式led远光灯智能辅助控制系统及其控制方法

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Publication number: CN109823258B
Application number: CN201910160118.3A
Authority: CN
Inventors: 朱琴跃; 刘莎; 谭喜堂; 范清雯; 王晨; 张鹏城
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2019-03-04
Filing date: 2019-03-04
Publication date: 2020-10-23
Anticipated expiration: 2039-03-04
Also published as: CN109823258A

Abstract

本发明涉及一种矩阵式LED远光灯智能辅助控制系统及其控制方法，该系统包括：MCU控制模块：用以接收前端图像采集与处理模块的控制信号，并将驱动控制信号发送给LED电源驱动模块以及将LED开关控制信号发送给矩阵开关控制模块；LED电源驱动模块：用以接收MCU控制模块的驱动控制信号对LED矩阵进行驱动控制，采用PWM调光来调节LED矩阵的工作电流大小，进而调节LED亮度；矩阵开关控制模块：用以接收MCU控制模块的LED开关控制信号，通过矩阵开关控制LED矩阵中每个LED的亮灭状态。与现有技术相比，本发明具有提升汽车安全主动性、准确、实时、可靠、复杂度低、应用前景好等优点。

Description

一种矩阵式LED远光灯智能辅助控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及车载矩阵式LED前照灯控制领域，尤其是涉及一种矩阵式LED远光灯智能辅助控制系统及其控制方法。

背景技术

随着经济的增长，汽车产业蓬勃发展，汽车相关技术也随之不断进步。早期的汽车车灯使用白炽灯，后被卤素灯代替，再之后高压气体放电灯(即HID)被发明出来，而现在固体光源被广泛使用，其代表就是LED，即发光二极管，也逐步应用于车前照明中。与传统光源相比，LED优点突出，它节能环保、寿命长、体积小、电压低。

由于微控制器、各类传感器、车内网络系统的飞速发展，智能车灯辅助控制系统已成为提升汽车主动安全的重要措施。而近年来日渐出现的基于矩阵光柱技术的矩阵式LED远光灯从本质上可提高汽车的主动安全性。该类远光灯由一定数量的光段组成，每个光段都由控制系统进行独立开通或关断控制。在这些光段的照射范围内，不同的车前位置被分为不同的区；在远光灯射程内，当车前目标进入远光灯的可控区域时，相应光段会自动关闭，其余光段仍保持开通，从而实现LED远光灯的自动控制。

目前，现有技术关于矩阵式LED前照灯的，大多主要完成了对LED矩阵灯亮、灭的自动控制，或者对矩阵式LED汽车前照灯控制系统的模块及电路进行了设计。申请号为：201710223386.6的中国专利公开了一种矩阵式LED自适应汽车前照灯控制系统及方法，它包括外部图像处理器、CAN收发器、微控制器、LED驱动芯片和LED光源矩阵。该技术方案虽然通过电子控制来控制LED灯珠的亮和灭，实现了一定程度的自适应照明，但如何根据不同路况和周围环境实时调整LED的相关控制策略并未涉及。因此该专利的技术方案并不能满足行车时复杂环境的要求，同时实际情况下也不能达到良好的防炫目效果。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种矩阵式LED远光灯智能辅助控制系统及其控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种矩阵式LED远光灯智能辅助控制系统，该系统包括：

MCU控制模块：用以接收前端图像采集与处理模块的控制信号，并将驱动控制信号发送给LED电源驱动模块以及将LED开关控制信号发送给矩阵开关控制模块；

LED电源驱动模块：用以接收MCU控制模块的驱动控制信号对LED矩阵进行驱动控制，采用PWM调光来调节LED矩阵的工作电流大小，进而调节LED亮度；

矩阵开关控制模块：用以接收MCU控制模块的LED开关控制信号，通过矩阵开关控制LED矩阵中每个LED的亮灭状态。

所述的MCU控制模块通过SPI总线与LED电源驱动模块连接，并通过I²C总线与矩阵开关控制模块相连。

所述的MCU控制模块采用C8051F410控制芯片，所述的矩阵开关为LT3965芯片。

所述的LED矩阵的包括左右两侧对称设置的两个LED远光灯组，每侧的LED远光灯组由多个独立光段组成，每个独立光段由多个LED灯组成，且每个LED灯最多处于两个独立光段中，每侧的多个LED灯相互串联。

为表示每个LED光段的亮灭状态与各个LED亮灭状态间的关系，定义光段状态向量S_i、LED分状态变量L_j,k和LED总状态变量L_j，则有：

光段状态向量S_i表示第i号LED光段的亮灭状态，其包含第i号LED光段内所有LED远光灯的分状态变量值，当S_i＝0时，该LED光段为灭，当S_i＝1时，该LED光段为亮；

LED分状态变量L_j,k表示第j号LED远光灯的第k个分状态变量，k的取值为1或2，当第i号LED光段为灭即S_i＝0时，则S_i对应的所有LED分状态向量均为0，当第i号LED光段为亮即S_i＝1时，S_i对应的所有LED分状态向量均为1；

LED总状态变量L_j取决于对应的LED分状态变量，当第j号LED远光灯的所有分状态变量均为0时，其LED总状态变量为0，该LED远光灯为灭，否则，其LED总状态变量为1，该LED远光灯为亮。

一种矩阵式LED远光灯智能辅助控制方法，包括以下步骤：

1)夜晚行车时激活矩阵式LED远光灯智能辅助控制系统，并通过GPS导航获取预测的道路数据，包括前方道路的走向以及当前行驶的道路类型；

2)当预测的道路数据表示车辆正在高速公路行驶，则激活高速公路模式；

3)当预测的道路数据表示车辆在正常道路行驶时，则通过车速选择光照模式，在光照情况良好情况下，即环境光照强度大于8lux时，且车速高于60km/h时，则进入远光灯自动控制模式，当车速低于40km/h时，则停止对远光灯的自动控制，则进入近光灯模式，当车速低于60km/h且高于40km/h时，则进入手动模式，在光照不良的情况，即环境光照强度小于8lux时，当车速高于30km/h时，则进入远光灯自动控制模式，当车速低于20km/h时，则停止对远光灯的自动控制，则进入近光灯模式，当车速低于30km/h且高于20km/h时，则进入手动模式。

所述的远光灯自动控制模式用以实现高速公路以及前方有车或行人情况下LED矩阵的自动接通和关闭。

当前方远光灯照射范围有车时，控制方法如下：

11)车前车辆识别：在车辆行驶过程中，根据前端图像采集和处理模块实时识别前方车辆；

12)车前车辆定位：根据实时识别的数据对前方车辆进行定位，实时获得前方车辆的位置信息，并确定此时前车所处位置对应的光段号；

13)远光灯控制：MCU控制模块控制前方车辆位置所对应的光段号内的LED远光灯熄灭；

14)重复步骤11)-13)，直至前车驶出远光灯照射范围。

当前方远光灯照射范围内有行人时，控制方法如下：

21)车前行人识别：在车辆行驶过程中，基于前端图像采集和处理模块实时识别前方行人；

22)车前行人定位：根据实时获取的数据对前方行人进行定位，实时获得前方行人的位置信息，并确定此时行人所处位置对应的光段号；

23)远光灯控制：MCU控制模块控制行人所处光段号内的LED远光灯实现闪烁，闪烁的周期为0.5秒，即对应的LED远光灯每秒钟亮灭各2次，用以警示行人和司机；

24)重复上述步骤21)-23)，直至行人离开远光灯照射范围。

当车辆正在高速公路行驶时，所述的高速公路模式具体为：

当图像采集和处理模块识别到前方无车辆进入远光灯照射范围时，则关闭两侧的光段，其余光段打开；

当识别到前方有车辆或行人进入远光灯照射范围内时，在关闭两侧的光段后，其余光段的控制根据车辆或行人所在位置进行对应独立光段的关闭。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明原创性地提出了基于不同车前路况和周围环境的自适应矩阵式LED远光灯智能控制策略，能根据实时路况主动调节远光灯的开关控制，防炫目效果提高，同时最大程度使用远光灯照明，提升了汽车安全的主动性，改善驾驶舒适性。

二、在确保实现LED智能照射控制的前提下，本发明简化并优化了系统软硬件设计：硬件方面的核心器件如MCU、LED电源驱动模块分别选用了集成度高、主频速度快、功能强大、外围接口资源丰富的新型器件，性价比高，电路实现简单，易于扩展，方法设计更加关注控制结果的准确性、实时性与可靠性。

三、本发明方法易于实现，复杂度低，具有良好的工程应用前景。

附图说明

图1为矩阵式LED远光灯辅助控制系统结构图。

图2为LED排列方式示意图。

图3为光段分布示意图。

图4为矩阵式LED远光灯控制策略总流程图。

图5为t₁时刻前方有车时光段亮灭示意图。

图6为t₂时刻前方有车时光段亮灭示意图。

图7为光段前方有行人亮灭示意图。

图8为高速公路自动模式下远光灯全亮时的光段状态。

图9为高速公路自动模式下远光灯全亮时的LED状态。

图10为MCU控制模块与其它硬件模块间的接口结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明根据矩阵式LED远光灯的工作机理，结合现有汽车对远光灯的常规控制原理与方法，创造性地完成了矩阵式LED远光灯辅助控制系统的硬件和智能型LED照射控制策略的设计与实现，为车辆车灯的改进提供应用参考，同时也对国产化维保提供技术支持。

如图1所示，本发明提供一种矩阵式LED远光灯智能辅助控制系统，该系统包括：

对车前视频信号进行采集和处理并发送控制信息至MCU控制模块的前端图像采集与处理模块；

接收前端图像采集和处理模块发送的控制信息，同时给LED电源驱动模块和矩阵开关控制模块发送信号的MCU控制模块，该模块通过SPI总线与LED电源驱动模块相连，通过I²C总线与矩阵开关控制模块相连。从图像采集与处理模块接收信息后，MCU控制模块一方面给LED电源驱动模块发送驱动控制信号，另一方面给矩阵开关控制模块发送LED开关控制信号，MCU控制芯片为Silicon公司的C8051F410芯片，并选用DC/DC电源模块HDW10-24S3V3，以实现直流24V到3.3V的转换及供电工作；LED电源驱动芯片为安森美公司的NCV78763；矩阵开关芯片为凌力尔特公司的LT3965；

接收MCU控制模块的控制信号并负责LED矩阵驱动控制的LED电源驱动模块，LED电源驱动模块负责LED矩阵的驱动控制，此模块接收MCU控制模块的控制信号，采用PWM调光来调节LED远光灯的工作电流大小，从而调节LED亮度；

接收MCU控制模块的控制信号，控制LED矩阵中每个LED的亮灭的矩阵开关控制模块，矩阵开关控制模块包含了矩阵开关，用以控制LED矩阵中每个LED的亮灭，通过将开关与LED并联，根据接收到的MCU控制模块的控制信号，对单个开关进行动作，直接控制对应LED的亮灭；

LED矩阵：左右两侧各25个LED，串联连接以保证电流的一致性，与矩阵开关并联实现单个LED的亮灭控制，LED远光灯左右对称分布，两侧各25个LED，形成25个独立光段，每个光段里可包含多个LED，且每个LED也可属于不同光段。图2为LED排列方式示意图，图3为光段分布示意图，表1为光段与各LED的对应关系。由表1可见，所有光段中除13号光段外，其余每个光段均对应3个LED，且呈“V”字型排列；而第13号光段由于位于最中间，故其对应中间位置的4个LED，序号分别为23、25、26、29。

表1每个光段与LED序号的对应关系表

光段号	对应的LED序号	光段号	对应的LED序号
				1	1、2、4	14	26、27、29
2	2、3、5	15	27、28、30
				3	3、6、8	16	28、31、33
4	6、7、9	17	31、32、34
				5	7、11、10	18	32、36、35
6	11、12、14	19	36、37、39
				7	12、13、15	20	37、38、40
8	13、16、18	21	38、41、43
				9	16、17、19	22	41、42、44
10	17、21、20	23	42、46、45
				11	21、22、24	24	46、47、49
12	22、23、25	25	47、48、50
				13	23、25、26、29

为了直观地描述每个LED光段的亮灭状态与各个LED亮灭状态间的关系，现分别定义三个变量：光段状态向量S_i(i＝1,2,...,25)，LED分状态变量L_j,k(j＝1,2,...,50；k＝1,2)，LED总状态变量L_j(j＝1,2,...,50)，各个变量具体含义及相互间的逻辑关系如下：

(1)光段状态向量S_i表示第i号光段的亮灭状态，包含了第i号光段内所有LED分状态变量值，对应关系如表2所示。当S_i＝0，该光段为灭；否则该光段为亮。

表2光段状态向量与LED分状态变量的对应关系表

(2)由于每个LED可能存在于多个光段中，故分别在某个光段向量内定义相应的LED分状态变量。L_j,k即表示第j号LED的第k个分状态变量，一个LED最多包含在两个光段内，故k的取值为1或2。当第i号光段为灭即S_i＝0，S_i对应的所有LED分状态向量均为0；当第i号光段为亮即S_i＝1，S_i对应的所有LED分状态向量均为1。

(3)LED总状态变量取决于对应分状态变量，与实际LED的开关状态对应。当第j号LED的所有分状态变量全为0时，其LED总状态变量为0，该LED为灭；否则其LED总状态变量为1，LED为亮。第j号LED的总状态变量L_j与分状态变量L_j,k的逻辑关系如下式所示。

L_j＝L_j,1+L_j,2

本系统中MCU控制模块与其它硬件模块间的接口设计如图10所示。其中，本模块电路通过SPI总线与LED电源驱动模块相连，通过I²C总线与矩阵开关控制模块相连。

MCU控制模块的硬件主要包括MCU接口电路、JTAG调试接口电路和工作电源转换电路。具体设计时，综合考虑MCU的运行速度、成本和系统外设等需求，选取Silicon公司的C8051F410器件为系统MCU。该器件内部自带24MHz晶振，且具有UART、SPI、I²C总线接口，片上系统稳定可靠。同时，为提高系统控制的可靠性，设计中选用了DC/DC电源模块HDW10-24S3V3，用以实现直流24V到3.3V的转换及供电工作。

本系统的工作原理如下：

MCU控制模块通过UART串口通信接收图像采集和处理模块的控制信息，并根据该信号在MCU控制模块完成NCV78763寄存器参数设置和全部LED状态变量的计算和分析，继而通过SPI串口通信对LED电源驱动模块进行控制信号的传输，对LED矩阵进行调光控制；通过I²C串口通信对矩阵开关模块进行控制信号的传输，实现LED矩阵的亮灭控制。最终，实现LED远光灯在不同路况下的自动控制。

如图4所示，本发明提供一种矩阵式LED远光灯智能辅助控制系统的控制方法，具体方法如下：

步骤1：夜晚行车时，司机激活远光灯控制系统后，通过GPS导航系统来获得预测的道路数据，远光灯控制系统获得前方道路的走向、当前行驶的道路类型等数据。

步骤2：如果预测的道路数据表示车辆正在高速公路行驶，那么高速公路模式被激活。

步骤3：若无预测的道路数据，则根据车速判断远光灯的状态。车速高于60km/h时，系统进入远光灯自动控制模式；车速低于40km/h时，停止对远光灯的自动控制，进入近光灯模式；当车速低于60km/h且高于40km/h时，则进入手动模式。

步骤4：在正常道路行驶时，判断周围环境是否已具备良好的光照情况。周围环境光照良好时，车速判断情况与无预测道路数据时相同。周围环境光照较差时，车速高于30km/h，进入远光灯自动控制模式；车速低于20km/h时，进入近光灯模式；当车速低于30km/h且高于20km/h时，则进入手动模式。

其中，远光灯自动控制模式即为矩阵式LED远光灯智能辅助控制；近光灯模式下，矩阵式LED远光灯智能辅助控制系统停止操控远光灯，切用近光灯继续行驶；手动模式下，由司机接管远、近光灯的操控。

矩阵式LED远光灯智能辅助控制方法主要是为了实现高速公路、会车、前方有车或行人等情况下矩阵式LED的自动接通和关闭，从而根据实际情况，确定不同的控制策略，具体为：

会车时司机一般会关闭远光灯来防止对方司机产生“炫目”，但若将其全部关闭则会使远光灯无法得到最佳使用。为此，若在前方有车时(包括超车、会车等情况)欲合理地使用远光灯，可关闭前方车辆所处位置的光段，保持其它光段处于打开状态。这样既能防止其他车辆炫目，又能保证驾驶者视野清晰，减轻夜间行驶的心理压力和惶恐感，从而提高夜间行车的安全性，当前方有车(包括超车、会车等情况)时矩阵式LED远光灯自动控制策略设计步骤如下：

(1)车前车辆定位。实时接收来自前端图像采集和处理模块的控制信息，获得前方车辆的位置信息，从而对前方车辆进行定位，并基于此确定此刻前车所处位置对应的LED远光灯光段号；

(2)远光灯控制。根据上述计算而得的LED光段号，分析全部LED的当前状态，实现矩阵式LED远光灯中每个LED的亮灭控制；

(3)重复上述步骤(1)-(2)，直至前车驶出远光灯照射范围。

如图5所示，假设在t₁时刻前方车辆位于距离本车较远的位置处，首先通过图像采集和处理模块检测并识别到该车所处位置后，经计算可得其对应LED远光灯光段为第8～10号，为此应使该光段状态向量内所有LED分状态变量全为0，其余光段内的LED分状态变量为1，即关闭第8～10号光段，最终可确定LED总状态变量L₁₆～L₂₀＝0，即关闭第16～20号LED。

如图6所示，假设在t₂时刻，前方车辆位于距离本车较近的位置B处，如图8所示。同样经过图像采集和处理后，计算分析可得该车对应LED远光灯光段为第4～8号，即关闭第4～8号光段，最终可确定关闭第7、9、10～15、18号LED。

夜间光线较暗，司机视野窄，视线模糊，更不易看清路边行人，对矩阵式LED实现闪烁控制，可警示司机和行人，提升安全性，具体为：

(1)车前行人定位。实时接收来自前端图像采集和处理模块的控制信息，获得前方行人的位置信息，从而对前方行人进行定位，并基于此确定此刻行人所处位置所对应的LED远光灯光段号；

(2)远光灯控制。根据上述计算而得的LED光段号，分析全部LED的当前状态，对行人所处光段对应的LED实现闪烁控制，闪烁的周期为0.5秒，即对应LED每秒钟亮灭各2次，警示行人和司机；

(3)重复上述步骤(1)-(2)，直至行人离开远光灯照射范围。

如图7所示，假设在行车过程中，图像采集和处理模块检测并识别到前方行人出现在第21～24号光段内，经过计算分析，最终实现第41～45、46、49号LED的亮灭闪烁，闪烁周期0.5秒，提醒行人和司机。

相比行驶在一般道路，高速公路上车辆行驶的特点是车速快，车辆密度低，侧向干扰少，此时司机的视角会变窄，远光灯的照射范围也要随之收窄一些，以便与高速公路的结构特点更匹配。

在高速公路自动模式下的矩阵式LED远光灯自动控制策略为：

该模式下，当图像采集和处理模块识别到前方无车辆进入远光灯照射范围，关闭两侧的数个光段，其余光段亮起；当识别到前方有车辆进入远光灯控制范围内时，除了关闭两侧光段，其余光段的控制按上述不同路况下的远光灯自动控制策略进行控制。图8、图9分别为高速公路自动模式下远光灯的光段显示和LED状态，图8中深色区域表示光段亮，白色区域表示光段灭，图9中黑色圆圈代表LED亮，白色圆圈代表LED灭。

Claims

1.一种矩阵式LED远光灯智能辅助控制系统，其特征在于，该系统包括：

矩阵开关控制模块：用以接收MCU控制模块的LED开关控制信号，通过矩阵开关控制LED矩阵中每个LED的亮灭状态；

所述的LED矩阵的包括左右两侧对称设置的两个LED远光灯组，每侧的LED远光灯组由多个独立光段组成，每个独立光段由多个LED灯组成，且每个LED灯最多处于两个独立光段中，每侧的多个LED灯相互串联，为表示每个LED光段的亮灭状态与各个LED亮灭状态间的关系，定义光段状态向量S_i、LED分状态变量L_j,k和LED总状态变量L_j，则有：

LED总状态变量L_j取决于对应的LED分状态变量，当第j号LED远光灯的所有分状态变量均为0时，其LED总状态变量为0，该LED远光灯为灭，否则，其LED总状态变量为1，该LED远光灯为亮；

该矩阵式LED远光灯智能辅助控制系统的控制方法，包括以下步骤：

3)当预测的道路数据表示车辆在正常道路行驶时，则通过车速选择光照模式，在光照情况良好情况下，即环境光照强度大于8lux时，且车速高于60km/h时，则进入远光灯自动控制模式，当车速低于40km/h时，则停止对远光灯的自动控制，则进入近光灯模式，当车速低于60km/h且高于40km/h时，则进入手动模式，在光照不良的情况，即环境光照强度小于8lux时，当车速高于30km/h时，则进入远光灯自动控制模式，当车速低于20km/h时，则停止对远光灯的自动控制，则进入近光灯模式，当车速低于30km/h且高于20km/h时，则进入手动模式，所述的远光灯自动控制模式用以实现高速公路以及前方有车或行人情况下LED矩阵的自动接通和关闭；

当前方远光灯照射范围有车时，控制方法如下：

14)重复步骤11)-13)，直至前车驶出远光灯照射范围；

当前方远光灯照射范围内有行人时，控制方法如下：

24)重复上述步骤21)-23)，直至行人离开远光灯照射范围；

当车辆正在高速公路行驶时，所述的高速公路模式具体为：

2.根据权利要求1所述的一种矩阵式LED远光灯智能辅助控制系统，其特征在于，所述的MCU控制模块通过SPI总线与LED电源驱动模块连接，并通过I²C总线与矩阵开关控制模块相连。

3.根据权利要求1所述的一种矩阵式LED远光灯智能辅助控制系统，其特征在于，所述的MCU控制模块采用C8051F410控制芯片，所述的矩阵开关为LT3965芯片。