基于HMI的前照燈近光調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閆霍彤，李志剛，馬 良，滕云鵬，王 磊，金 平，袁 帥

（一汽奔騰轎車有限公司奔騰開(kāi)發(fā)院，吉林 長(zhǎng)春 130012）

1 概述

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國(guó)已經(jīng)連續(xù)10年成為全球最大的汽車生產(chǎn)國(guó)和第一大新車市場(chǎng)。面對(duì)撲面而來(lái)的購(gòu)車需求和大汽車時(shí)代，消費(fèi)者對(duì)汽車駕駛的安全性和舒適性的需求變得越來(lái)越突出。

在夜間行駛時(shí)，汽車燈光對(duì)車輛安全性起到至關(guān)重要的作用，但在車輛使用中，由于車輛不同載荷的變化會(huì)引起前照燈的近光光束在垂直方向上的變化，其容易導(dǎo)致車輛燈具對(duì)路面照度和照射的距離產(chǎn)生變化，對(duì)周邊車輛和行人等其他道路使用者產(chǎn)生眩目等影響，對(duì)車輛行駛有不安全的因素。

為了避免類似風(fēng)險(xiǎn)的出現(xiàn)，提高車輛安全性，車輛的燈光調(diào)光系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。中國(guó)剛剛實(shí)行發(fā)布的新標(biāo)準(zhǔn)GB4785—2019的第5.2.6.2條“前照燈調(diào)光裝置”對(duì)近光調(diào)光裝置有明確的要求，是車輛型式認(rèn)證的重要判斷依據(jù)，法規(guī)中明確定義燈具本身必須配備調(diào)光裝置或者能調(diào)節(jié)明暗截止線高度的裝置。

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，特別是汽車電子軟件技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，汽車車燈的近光調(diào)光裝置系統(tǒng)也出現(xiàn)了新的變化。面對(duì)這個(gè)變化，本文介紹一種通過(guò)電子軟件實(shí)現(xiàn)車輛近光高度調(diào)節(jié)的調(diào)光裝置系統(tǒng)。

2 近光調(diào)光裝置系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)說(shuō)明

近光調(diào)光裝置系統(tǒng)的作用是調(diào)節(jié)近光光束在垂直方向上的變化，防止車輛對(duì)周邊車輛和行人的眩目，以消除由于車輛不同負(fù)載導(dǎo)致的不安全因素，實(shí)現(xiàn)良好的路面照度，從而起到保護(hù)的作用。

本近光調(diào)光裝置系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)的機(jī)械開(kāi)關(guān)式的燈具調(diào)光系統(tǒng)，其原理如圖1所示，主要由中控音響面板 （副面板）及主機(jī)、車身控制模塊 （BCM）、調(diào)光電機(jī)和前照燈調(diào)光機(jī)構(gòu)等部分組成。

圖1 調(diào)光系統(tǒng)原理圖

在本系統(tǒng)中，車輛駕駛員根據(jù)車輛負(fù)載需求，把高度調(diào)節(jié)擋位指令通過(guò)對(duì)車輛音響屏幕界面的操作，輸入給車身控制系統(tǒng)，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)的判斷，輸出不同的調(diào)光電壓比給調(diào)光電機(jī)，最終通過(guò)前照燈調(diào)光機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)汽車近光不同高度的調(diào)節(jié)要求。

2.2 中控音響面板及主機(jī)

中控音響面板及主機(jī)是調(diào)光開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入系統(tǒng)，在本系統(tǒng)中取消了機(jī)械開(kāi)關(guān)作為需求輸入端，采用了更為靈活的音響面板界面HMI作為需求信號(hào)輸入端。車輛燈光調(diào)節(jié)擋位可以通過(guò)HMI界面實(shí)現(xiàn)更多的擋位表現(xiàn)形式，通過(guò)例如精美的圖片或動(dòng)態(tài)效果等多種展現(xiàn)形式，突破以往生硬冰冷的機(jī)械結(jié)構(gòu)，配合車輛不同的HMI界面主題和風(fēng)格，來(lái)滿足不同駕駛者的個(gè)性化需求。

通過(guò)界面設(shè)計(jì)軟件編程實(shí)現(xiàn)多擋位的非連續(xù)性調(diào)光或連續(xù)性調(diào)光的HMI調(diào)光開(kāi)關(guān)界面，如圖2所示，HMI觸摸屏產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)，把數(shù)字信號(hào)通過(guò)LVDS通信協(xié)議傳輸至音響主機(jī)，最后通過(guò)車輛的CAS通信協(xié)議把數(shù)據(jù)信號(hào)傳遞到車身控制模塊。

圖2 HMI調(diào)光開(kāi)關(guān)界面示意圖

2.3 車身控制模塊

車身控制模塊 （BCM）作為整車信號(hào)控制中心，如圖3所示，當(dāng)BCM接收到音響主機(jī)傳遞過(guò)來(lái)的調(diào)光數(shù)字信號(hào)時(shí)，結(jié)合對(duì)整車上電狀態(tài)判斷，確定調(diào)光信號(hào)的有效性后，輸出滿足設(shè)計(jì)要求的電壓比信號(hào)到燈具調(diào)光動(dòng)力元件調(diào)光電機(jī)。

圖3 車身控制模塊

2.4 調(diào)光電機(jī)

燈具調(diào)光電機(jī)是調(diào)光的動(dòng)力機(jī)構(gòu)，調(diào)光電機(jī)按照BCM輸出的電壓比信號(hào)，通過(guò)對(duì)電機(jī)輸入的整車電壓為基準(zhǔn)進(jìn)行判斷和識(shí)別，最終使電機(jī)按照一定的移動(dòng)方向輸出電機(jī)軸移動(dòng)量ΔL。

電機(jī)按照燈具內(nèi)部和外部一般分為外置和內(nèi)置，按照燈具調(diào)光機(jī)構(gòu)布置分為頂端和底部。如圖4所示，內(nèi)外置電機(jī)對(duì)密封性、成本、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均有不同需求，而電機(jī)布置在調(diào)光機(jī)構(gòu)的頂端還是底部，則會(huì)涉及具體電機(jī)性能參數(shù)的選擇產(chǎn)生影響，但對(duì)其的選擇往往需要結(jié)合造型和空間要求來(lái)考慮。電機(jī)布置在頂端還是底端，這對(duì)電機(jī)的平臺(tái)化來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)。

圖4 內(nèi)外置調(diào)光電機(jī)示意圖

在選擇考慮調(diào)光電機(jī)時(shí)，電機(jī)信號(hào)電壓比-運(yùn)動(dòng)行程特性曲線是非常重要的參數(shù)，涉及到電壓比，本文簡(jiǎn)單說(shuō)明下燈具調(diào)光電壓比Y的計(jì)算步驟，分為3步。

1）首先根據(jù)整車不同負(fù)載情況得出遠(yuǎn)近光的傾斜角度K和燈具調(diào)光機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)軸的距離H。由公式ΔL=H×tanK算出球頭移動(dòng)量ΔL。

2）通過(guò)公式X=Linit+ΔL（其中Linit為電機(jī)設(shè)計(jì)的初始位置），算出電機(jī)運(yùn)動(dòng)行程X。

3）把電機(jī)運(yùn)動(dòng)行程X代入公式Y(jié)=aX+b，最終可以得出信號(hào)電壓比Y。其中a、b數(shù)值可以由電機(jī)信號(hào)電壓比-運(yùn)動(dòng)行程特性曲線圖換算出。常用的某款電機(jī)特性曲線見(jiàn)圖5。

圖5 電機(jī)信號(hào)電壓比-運(yùn)動(dòng)行程特性曲線

2.5 前照燈調(diào)光機(jī)構(gòu)

圖6為調(diào)光機(jī)構(gòu)示意圖。前照燈調(diào)光結(jié)構(gòu)為近光調(diào)光執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其設(shè)計(jì)尺寸是需要根據(jù)燈具造型和近光透鏡模塊尺寸來(lái)設(shè)計(jì)。根據(jù)三點(diǎn)式的調(diào)光結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，調(diào)光電機(jī)控制調(diào)光機(jī)構(gòu)其中一個(gè)活動(dòng)點(diǎn)的位置，前照燈調(diào)光結(jié)構(gòu)依據(jù)電機(jī)的移動(dòng)量，使發(fā)光體透鏡模塊以其他2個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的固定點(diǎn)為軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)在車輛不同載荷下，對(duì)近光光束在照射方向上水平角度的調(diào)整。

圖6 調(diào)光機(jī)構(gòu)示意圖

3 本近光調(diào)光裝置系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)

以往常用的調(diào)光系統(tǒng)主要分為兩種：第1種為機(jī)械開(kāi)關(guān)+執(zhí)行機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單；第2種為自適應(yīng)照明系統(tǒng)AFS系統(tǒng)，通過(guò)高度傳感器+系統(tǒng)控制器+執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)車輛提供具有不同特性的光束，用來(lái)自動(dòng)適應(yīng)近光燈和遠(yuǎn)光燈的各種使用條件。

第1種為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，方案成本低，成熟可靠，但隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展和普遍應(yīng)用，機(jī)械開(kāi)關(guān)冰冷生硬，對(duì)車輛平臺(tái)化的適應(yīng)性差。第2種方案適應(yīng)性好，但成本高，需要根據(jù)不同車輛進(jìn)行多次標(biāo)定，存在較長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)周期和不穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)，僅僅在中高端車中采用，不便于車輛普及。

本系統(tǒng)中，音響屏幕輸出的結(jié)果為數(shù)字信號(hào)，可以通過(guò)其簡(jiǎn)單的軟件更改，就可以改變HMI界面軟開(kāi)關(guān)和輸出結(jié)果的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以最簡(jiǎn)單的方法突破造型和空間對(duì)電機(jī)布置的限制，從而實(shí)現(xiàn)不同車燈對(duì)同一款電機(jī)的使用。對(duì)于不同車型，音響屏幕對(duì)內(nèi)部圖片等信息更新的需要，調(diào)光開(kāi)關(guān)軟件搭載音響屏幕整體軟件更新即可，無(wú)需額外軟件更新工作。

在本前照燈調(diào)光裝置系統(tǒng)中，取消了機(jī)械開(kāi)關(guān)，進(jìn)一步減少了開(kāi)發(fā)費(fèi)用，降低了開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和提高了品質(zhì)，縮短了開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)又能增強(qiáng)整個(gè)調(diào)光系統(tǒng)的適應(yīng)性，雖然沒(méi)有實(shí)現(xiàn)隨車自動(dòng)調(diào)光功能，但憑借本系統(tǒng)整體的可靠性和更低的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，能得到更好的推廣。

目前已經(jīng)在不同車型中成功應(yīng)用，即使燈具是不同的燈具供應(yīng)商采用不同的電機(jī)，但通過(guò)采用本調(diào)光系統(tǒng)，大幅度提高了BCM的平臺(tái)化率，避免了對(duì)BCM的重新開(kāi)發(fā)或改制風(fēng)險(xiǎn)，提高了整車的平臺(tái)化率，減少了大量的開(kāi)發(fā)驗(yàn)證工作，能夠有效降低整車成本和風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合汽車電氣化的發(fā)展趨勢(shì)，本文介紹了一種近光調(diào)光裝置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和控制原理，利用整車原有的平臺(tái)，增加軟件功能和模塊，通過(guò)整車通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了對(duì)近光調(diào)光的控制。整個(gè)控制系統(tǒng)具有很好的成本優(yōu)勢(shì)，便于實(shí)現(xiàn)平臺(tái)化，推動(dòng)了汽車電子整體化、系統(tǒng)化，讓汽車電子和燈光技術(shù)發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化，讓車輛駕駛更加安全舒適。