汽車Matrix前部大燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

黃 航，陳 朦，李運(yùn)飛，張啟宇，龔和明

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

1 引言

在汽車發(fā)展的歷史長河中，大家普遍關(guān)心的問題是汽車安全性。由相關(guān)部門收集到的道路交通事故數(shù)據(jù)分析可知，夜間是交通事故的高發(fā)時(shí)期，占據(jù)交通事故總數(shù)量的71.4%。在這些交通事故當(dāng)中，前方視野照明條件比較差、不良開閉車燈習(xí)慣等因素容易導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。因此，安全有效的照明系統(tǒng)能夠更好地提升夜間駕駛安全，減少事故的發(fā)生。

近年來電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，更具智能化的照明系統(tǒng)——自適應(yīng)前部大燈隨之產(chǎn)生。自適應(yīng)大燈經(jīng)歷了以下3個(gè)主要時(shí)期［1］。

1.1 第1代自適應(yīng)大燈

此種自適應(yīng)大燈光束自我調(diào)整功能比較簡單，只有垂直方向的調(diào)整能力。當(dāng)車身的水平方向發(fā)生傾斜時(shí)，即LWR傳感器檢測到汽車前后橋相對位置發(fā)生改變，就會(huì)通知大燈控制器發(fā)出控制指令，驅(qū)動(dòng)設(shè)置在大燈腔體內(nèi)的步進(jìn)電機(jī)使大燈模組在垂直方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使駕駛員獲得更佳照明視野。圖1為燈光高度調(diào)節(jié)示意圖。

圖1 燈光高度調(diào)節(jié)示意圖

1.2 第2代自適應(yīng)大燈

相對于第1代自適應(yīng)大燈，頭燈內(nèi)的模組在可以上下調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，還可以左右轉(zhuǎn)動(dòng)和通過遮光板改變投射出來的光型，如圖2所示。第2代自適應(yīng)大燈增加了多種照明模式，比較常見的有：鄉(xiāng)村模式、城鎮(zhèn)模式、高速模式和惡劣天氣模式等。

圖2 燈光左右調(diào)節(jié)示意圖

1.3 第3代自適應(yīng)大燈

圖3為ADB大燈遮擋前部車輛的示意圖。ADB大燈是自適應(yīng)前部大燈的一種，通過安裝在擋風(fēng)玻璃前部的攝像頭采集到前部的視野，并對前部視野進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像化處理。在進(jìn)行跟車、會(huì)車和經(jīng)過各種交通標(biāo)志時(shí)，不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)遮光板以改變前部大燈的燈光光型，照射出符合場景的光型，避免產(chǎn)生炫目，有效提升了駕駛員的視覺機(jī)能，保證了道路行駛安全。相比于第2代自適應(yīng)大燈，第3代自適應(yīng)大燈增加了更多形式的駕駛模式，涵蓋了更多的用車環(huán)境和使用場景，比如泊車照明模式、高速公路照明模式、動(dòng)態(tài)彎道照明模式、防眩目遠(yuǎn)光燈模式等，大大增加了駕駛者的燈光調(diào)節(jié)便捷性［2］。

圖3 ADB大燈遮擋過程示意圖

1.4 Matrix前部大燈

近年來，Matrix前部大燈照明系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展迅速，并且在一些剛上市的車型上進(jìn)行了使用。Matrix大燈是由多顆LED組合而成，布置成規(guī)則的一排或者多排，接收控制器的指令可以單獨(dú)控制每顆LED的亮滅，投射出來的照明形狀不再依靠遮光板進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此可以有效避免遮光機(jī)構(gòu)由于長時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)造成的機(jī)械磨損和失效；另一方面，控制指令控制LED亮滅的反應(yīng)速度更加敏捷，不易產(chǎn)生頓挫感，而且可以定制化投射出更符合照明情景的光型［3］。

2 Matrix前部大燈系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

Matrix大燈控制系統(tǒng)和ADB自適應(yīng)大燈相似之處都需要攝像頭采集并處理好的視野信息，然后通過燈光功能控制器的算法控制策略，驅(qū)動(dòng)LED驅(qū)動(dòng)器實(shí)時(shí)切換LED陣列的亮滅，切換出最適合的照明工況。根據(jù)輸入和輸出需求設(shè)計(jì)出Matrix燈光系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 Matrix燈光系統(tǒng)框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)燈具的Matrix功能，整個(gè)系統(tǒng)的控制信號流向如圖5所示。燈光控制單元所接受的信號來自兩方面：前部攝像頭和車身控制器［4］。燈光功能控制單元綜合起來這兩個(gè)方向的信號，通過自身的控制策略精準(zhǔn)控制每顆LED的亮滅。

圖5 系統(tǒng)控制信號流向

3.1 來自前部攝像頭的信號

前部攝像頭就像人的眼睛一樣，將前部視野采集下來，并對采集下來的視野進(jìn)行物體識別，最后將處理好的物體位置信息通過CAN總線以報(bào)文的形式告訴燈光功能控制器。因此，攝像頭能否準(zhǔn)確識別出視野中各個(gè)物體以及其位置信息，決定了LED陣列能否精準(zhǔn)及時(shí)點(diǎn)亮［5］。

攝像頭在識別前方視野中不斷變換車輛位置時(shí)，有其獨(dú)特的計(jì)算方法。假設(shè)于前方視野中有一個(gè)目標(biāo)物體A，首先攝像頭會(huì)識別出物體A的大小和距離攝像頭的距離，然后基于已知的這些常量結(jié)合攝像頭本身的計(jì)算策略，計(jì)算出哪些LED需要熄滅。如果前部攝像頭識別出多個(gè)目標(biāo)車輛時(shí)，同樣可以計(jì)算出另外一塊需要熄滅的LED陣列。以雙排LED陣列為例，當(dāng)在行駛過程中攝像頭識別出前方視野中有2個(gè)目標(biāo)車輛，此時(shí)將左右大燈中可以照射到這2個(gè)目標(biāo)車輛的LED熄滅，如圖6所示。

圖6 行駛中遮擋前方車輛示意圖

3.2 來自車身控制器的信號

駕駛過程中往往會(huì)遇到各種各樣的道路場景，為了使Matrix前部大燈面對這些場景可以切換出最佳的照明工況，燈光控制器就需要更多的實(shí)車參數(shù)，往往這些實(shí)車參數(shù)由車身控制器提供。燈光控制器需要的基本信號有：車輛速度、周圍環(huán)境的亮度、雨刮是否啟動(dòng)、大燈擋位、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度、前后橋的相對位置等。

4 道路測試

為了主觀評價(jià)Matrix矩陣大燈的照明效果，進(jìn)行了實(shí)車道路試驗(yàn)。Matrix遠(yuǎn)光有一定的激活條件：道路光照條件比較差（路燈未打開）、達(dá)到一定的車速、雨量傳感器未檢測到雨量等。以單燈各自有2排LED陣列，每排有16顆LED為例，為了方便查看LED陣列中每顆LED PWM占空比（LED亮度）的變化情況，使用CANoe搭建了矩陣大燈的LED陣列模型。當(dāng)接入來自實(shí)車的CAN信號，通過所搭建的CANoe Panel可以實(shí)時(shí)查看LED陣列中每顆LED的亮度值（矩形的高度值）的實(shí)時(shí)變化。

4.1 前方無會(huì)車車輛

車速和道路光照環(huán)境滿足激活條件，當(dāng)前方無會(huì)車車輛時(shí)，Matrix控制系統(tǒng)會(huì)將全部的LED陣列打開，圖7為實(shí)際道路效果，CANoe Panel實(shí)時(shí)顯示情況如圖8所示。

圖7 視野中無目標(biāo)車輛

圖8 無目標(biāo)車輛時(shí)Panel顯示結(jié)果

4.2 前方有會(huì)車車輛

當(dāng)前方有會(huì)車情況時(shí)，前部攝像頭檢測到前方車輛的位置，將位置信息通過CAN通信的方式發(fā)送給大燈控制器，進(jìn)而將能照射到會(huì)車車輛位置的LED熄滅，使車輛被遮擋住，防止產(chǎn)生炫目效果，此時(shí)實(shí)際道路效果和CANoe Panel實(shí)時(shí)顯示情況分別如圖9和圖10所示。

圖9 視野中有目標(biāo)車輛

圖10 有目標(biāo)車輛時(shí)Panel顯示結(jié)果

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的汽車Matrix矩陣大燈控制系統(tǒng)，能夠?yàn)轳{駛用戶提供一種操作更加便捷，照明視野更優(yōu)良，能有效提升駕駛安全的照明系統(tǒng)。在汽車行駛過程中，前部攝像頭采集到車輛前方不斷變換的視野，根據(jù)內(nèi)部特有的算法識別出視野當(dāng)中目標(biāo)物體的位置，結(jié)合從車身控制器傳來的車輛實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，通過CAN通信的方式把這些指令發(fā)送給大燈控制器，將所能照射到目標(biāo)物體的LED進(jìn)行熄滅或者降低發(fā)光亮度，從而達(dá)到避免眩目現(xiàn)象。把Matrix矩陣大燈進(jìn)行實(shí)車夜晚道路測試，通過結(jié)果可以看到，Matrix大燈在復(fù)雜的夜晚行車中表現(xiàn)出了更加優(yōu)秀的照明效果。