汽車前照大燈應(yīng)用發(fā)展探討

梁健龍 梁立君,2 陳然 謝奕翔 馬海倫 周磊 羅德智 關(guān)圳

1天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，天津300387

2天津工業(yè)大學(xué)大功率半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)教育部工程研究中心，天津300387

0 引言

汽車前照大燈一般指安裝于汽車頭部兩側(cè)，用于夜間行車時(shí)提供照明的一種裝置，可以擴(kuò)大司機(jī)的視野范圍，提高駕乘人員以及行人安全。社會的發(fā)展與進(jìn)步對汽車廠商制造的前照大燈提出了更加嚴(yán)苛的設(shè)計(jì)使用要求，既要有良好的照明范圍滿足配光要求、避免使迎面來車駕駛員產(chǎn)生眩光，又要安全、節(jié)能、可靠。汽車作為高科技融合的一種產(chǎn)物，先進(jìn)性、智能化程度越來越高，汽車前照大燈的技術(shù)水平往往代表著一款汽車的安全性和品質(zhì)如何提供更加安全可靠、節(jié)能舒適的前照大燈系統(tǒng)，是未來業(yè)界繼續(xù)研究的重點(diǎn)。汽車前照大燈一般集成了遠(yuǎn)光燈、近光燈、轉(zhuǎn)向燈、日行燈、示寬燈、霧燈光源系統(tǒng)中的兩種或多種，而設(shè)計(jì)師對車燈的設(shè)計(jì)也日趨個(gè)性化、一體化，極大地提高了汽車品牌的辨識度。

1 光源的應(yīng)用與發(fā)展

汽車前照大燈使用的光源類型大致歷經(jīng)了白熾鎢絲燈、鹵素?zé)?、氙氣燈、LED燈。白熾鎢絲大燈應(yīng)用最早，由于受當(dāng)時(shí)汽車電氣設(shè)備系統(tǒng)的制約，直到1925年才在汽車上廣泛應(yīng)用，目前已被淘汰使用。鹵素大燈和氙氣大燈技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛，鹵素大燈種類較多，其中H1、H2、H3是汽車主要光源，H8、H9、H11是新型鹵鎢汽車光源的代表，它們在燈具內(nèi)定位更精確。氙氣大燈發(fā)光強(qiáng)度大，相關(guān)色溫更高，可為駕駛員創(chuàng)造更好的視覺條件。LED光源憑借節(jié)能、體積小、壽命長等諸多優(yōu)點(diǎn)發(fā)展迅速，其在中高端汽車上應(yīng)用較多。繼LED大燈后，有學(xué)者預(yù)測激光燈為前照大燈未來應(yīng)用的新方向，它擁有LED絕大部分的優(yōu)點(diǎn)，相比之下體積更小，可大幅度減小汽車大燈的設(shè)計(jì)尺寸，但目前在汽車大燈上的應(yīng)用極少。幾種光源類型的對比見表1[1-2]。

表1 汽車前照大燈光源類型

傳統(tǒng)燈具發(fā)熱量非常高，但波長和光通量相對穩(wěn)定，受溫度的影響較??；LED大燈目前雖然應(yīng)用較多，但LED光源受溫度影響較大，隨著PN結(jié)結(jié)溫的升高，會引起發(fā)光效率下降、色溫漂移，直接影響汽車大燈的可靠性。汽車前照大燈光源的發(fā)展與應(yīng)用助推了汽車車燈設(shè)計(jì)的多樣化、智能化，這為設(shè)計(jì)師們提供了更多可能，汽車前臉的設(shè)計(jì)將產(chǎn)生革命性變化。隨著新能源汽車的應(yīng)用與發(fā)展，對大燈的光源選擇也提出了更高的要求，需要更加節(jié)能環(huán)保的光源，以降低汽車能耗，提高續(xù)航里程，這也助推了LED前照大燈、激光前照大燈的研究與應(yīng)用。

2 汽車前照大燈技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

由于道路環(huán)境復(fù)雜，受自然天氣影響較大，特別是大霧、雨雪、沙塵天氣，夜晚黑暗環(huán)境下高速路段、彎道路段、路口及多路口路段等都需要可靠的汽車照明。現(xiàn)今汽車前照大燈的發(fā)展除了滿足功能性照明、提高安全降低交通事故率外，已逐步向更加安全舒適、智能可靠、提高駕乘體驗(yàn)方向快速發(fā)展。然而，自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)(AdaptiveFrontLightingSystemAFS)是目前在車燈照明上應(yīng)用較多的一種技術(shù)[3-4]，它能夠根據(jù)不同的天氣條件、道路情況、道路幾何狀態(tài)、車流密度等，來改變光照的形狀、相對強(qiáng)度以及照射的方向[5-6]。如前照燈彎道自適應(yīng)技術(shù)、矩陣式 LED大燈光束自動調(diào)節(jié)技術(shù)、防炫目前照大燈自動調(diào)節(jié)技術(shù)等。AFS系統(tǒng)的使用不單單是為了實(shí)現(xiàn)智能化、方便駕駛，更主要的是出于安全考慮，以便應(yīng)對復(fù)雜的道路交通環(huán)境。

2.1 機(jī)械式前照燈系統(tǒng)

傳統(tǒng)的前照大燈只有一種燈光模式，且只能滿足行車時(shí)的基本照明要求，由手動開關(guān)開啟、關(guān)閉。隨著技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)前照大燈逐步發(fā)展為機(jī)械式前照大燈燈光系統(tǒng)，包含了遠(yuǎn)光和近光照明，通過手動旋鈕、撥片方式可開啟并調(diào)節(jié)遠(yuǎn)近光燈的變化，但沒有自動輔助照明控制系統(tǒng)。目前，市面上大部分汽車的前照燈系統(tǒng)都是手動機(jī)械式前照燈系統(tǒng)。

2.2 傳感器前照燈系統(tǒng)

系統(tǒng)主要由不同傳感器組件、ECU (大燈照程調(diào)節(jié)控制單元)、執(zhí)行器 (燈光調(diào)節(jié)電機(jī))三部分組成。傳感器包括車速傳感器、車身高度傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、雨量傳感器、光敏傳感器等，系統(tǒng)根據(jù)行車數(shù)據(jù)、外界天氣變化等信息自動調(diào)整，車輛傳感器會監(jiān)控這些變化并啟動燈光自動控制，將前照燈的燈光調(diào)整成遠(yuǎn)光、近光或者適合轉(zhuǎn)彎時(shí)的燈光[7]，提高照明范圍，擴(kuò)大司機(jī)視野。

2.3 車載紅外前照燈系統(tǒng)

系統(tǒng)通過車載紅外夜視儀，將夜間汽車前方道路上的目標(biāo)與背景相應(yīng)地轉(zhuǎn)化為灰度圖像信息，由灰度值的大小反映視覺場的信息。根據(jù)熱成像技術(shù)獲得同一時(shí)間和空間的目標(biāo)，以及背景在圖像坐標(biāo)系中的相對位置，并通過檢測與識別技術(shù)對道路中的行人和動物進(jìn)行識別[8]，進(jìn)而調(diào)節(jié)前照大燈照射范圍，實(shí)現(xiàn)燈光變換或?yàn)樗緳C(jī)提供提前預(yù)判、警告行駛過程中存在的潛在危險(xiǎn)等。系統(tǒng)還可輔助使用導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS定位信息提前識別行駛路線，提前優(yōu)化照明角度進(jìn)而有效擴(kuò)大照明范圍，擴(kuò)大駕駛員夜間的視野，提高安全指數(shù)。

2.4 毫米波雷達(dá)與車載相機(jī)前照燈系統(tǒng)

系統(tǒng)融合了毫米波雷達(dá)和圖像的聯(lián)合識別策略，可實(shí)現(xiàn)不同天氣、光線條件下的多目標(biāo)識別，提升智能前照大燈系統(tǒng)對夜間前方行車、路牌、車道線的識別率，提高智能前照大燈系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性。系統(tǒng)總體分為三個(gè)部分：輸入模塊、處理控制模塊、執(zhí)行模塊。輸入模塊包括毫米波雷達(dá)、相機(jī)，用來獲取原始數(shù)據(jù)；處理控制模塊包括ARM平臺的CPU、GPU，以及FPGA模塊；執(zhí)行模塊主要包括前照大燈系統(tǒng)。系統(tǒng)采用 CAN總線完成毫米波雷達(dá)與系統(tǒng)之間的通信、千兆以太網(wǎng)將圖像數(shù)據(jù)傳送給處理系統(tǒng)，車載相機(jī)獲取外界行車環(huán)境信息，雷達(dá)獲取前方車輛、物體的位置與信息，來自動控制汽車前照大燈燈光系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)安全駕駛。雷達(dá)和圖像識別的聯(lián)合判別策略，可實(shí)現(xiàn)在夜晚模式的遠(yuǎn)距離識別，系統(tǒng)可單獨(dú)或同時(shí)開啟毫米波識別和視覺識別，來提高系統(tǒng)的識別速率，通過對目標(biāo)的有效識別和跟蹤，完成前照大燈遠(yuǎn)近光的調(diào)節(jié)、光型以及光線照射方向的變化。

2.5 矩陣式激光前照燈系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路來源于矩陣式LED大燈，由激光二極管和數(shù)字微反射鏡裝置 (Digital Micromirror Device DMD)構(gòu)成矩陣式激光大燈。該裝置有百萬個(gè)微反射鏡，且每一個(gè)可進(jìn)行單獨(dú)尋址[9]。融合了多種傳感器技術(shù)的矩陣式激光大燈，當(dāng)傳感器檢測到外界環(huán)境的變化時(shí)將采集到的信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字電壓信號，利用數(shù)字電壓信號尋址控制微型反射鏡執(zhí)行機(jī)械轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)對光線的控制，最終輸出最適合的照明光型方案。從技術(shù)層面來看，在應(yīng)對復(fù)雜多變的道路環(huán)境時(shí)，DMD技術(shù)可以讓矩陣式激光大燈擁有無限種可能的光型輸出方案，是一種空間光調(diào)制技術(shù)，未來應(yīng)用潛力巨大。

3 改善方向

目前，汽車前照大燈光源和AFS技術(shù)仍存在許多不足之處，針對突出問題提出兩點(diǎn)改善方向：

（1）LED汽車大燈雖然目前應(yīng)用廣泛，但故障率較高，結(jié)構(gòu)、工藝，特別是散熱問題亟待解決；

（2）會車時(shí)如何有效解決前照大燈產(chǎn)生的眩光問題是智能輔助系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。

4 總結(jié)與展望

前照大燈遠(yuǎn)近光的切換、燈光照射角度的調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)彎時(shí)輔助光源系統(tǒng)的啟用、遠(yuǎn)近光光型的變換都是汽車前照大燈智能化的體現(xiàn)。LED技術(shù)的發(fā)展極大地推動了智能化功能在汽車前照大燈系統(tǒng)上的實(shí)施應(yīng)用。隨著國內(nèi)大數(shù)據(jù)、先進(jìn)傳感器的應(yīng)用，以及5G的發(fā)展與普及，萬物將實(shí)現(xiàn)物聯(lián)，車與車之間、車與燈桿之間、車與監(jiān)控之間將實(shí)現(xiàn)信息的共享與交換，更好地了解交通、天氣、路況信息。到時(shí)汽車前照大燈系統(tǒng)將集成各種先進(jìn)傳感器、燈光系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)照明與光型的自適應(yīng)控制輸出，適應(yīng)復(fù)雜多變的駕駛環(huán)境，將汽車前照大燈照明帶入數(shù)字化照明時(shí)代。