自适应前照灯车灯模糊控制系统设计

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摘 要:在分析自适应前照灯系统 (AFS)功能的基础上,引入了模糊控制技术,并针对水平和垂直两个方向的车灯控制设计了模糊控制器。同时考虑实际车辆行驶过程中的诸多客观因素,同样采用模糊决策的方法,对车灯控制结果进行补偿。并此基础上提出并建立了自适应前照灯硬件系统结构。

关键词:AFS 模糊控制 硬件构成

中图分类号:TQ153 文献标识码:A 文章编号:1007-3973 (2010) 01-078-03

自适应前照灯系统(adaptive front-lighting system, AFS)是目前汽车照明领域的新热点。它的主要功能是使汽车近光灯在水平方向上随着转向盘转角和行驶速度等车辆行驶状态进行左右转动;在垂直方向上,使近光灯能够根据汽车车身姿态(包括前倾或后仰等情况)进行角度调整。在汽车行驶过程中,尤其是在弯道较多,夜间行驶时,有效减少司机疲劳程度,提高行车安全。图1即为AFS开启后,前照灯照明效果图。

图 1AFS效果图

1自适应前照灯系统(AFS)的产生与发展

自适应前照灯系统(AFS)的产生经历了人工手动调节、准静态调节和动态自适应调节转向大灯系统三个阶段 。

早在1980年,欧美发达国家汽车市场就出现了能让驾驶员根据载重情况设定前照灯倾角的调节系统。尽管有了这一系统,但无法在行驶过程中自动校正的前照灯系统,对夜间会车时的“炫目”危害束手无策。

准静态照明距离调节系统可以根据载重量的变化校正大灯倾角变化量。它将车桥传感器的弹簧压缩行程信号提供给控制装置,计算出前照灯的理论倾角并做出相应调整。由于这套系统调节速度较低,没有得到广泛使用。

2003年,马瑞利集团车灯公司首次在汽车上安装了动态调节灯。2006年又首次投放了可根据道路及天气情况调节的带有完整自适应前照系统(AFS)的前照灯。

2003年,伴随着欧盟的法定批准的出台,欧宝和梅塞德斯几乎同时引入动态随弯转弯灯。2006年,海拉公司的AFS实现量产。迄今为止,海拉公司为14种车型装备了动态随弯转弯灯,如奥迪A6、A8,宝马5系、X5等。

国外这些知名公司对的AFS研究与成功应用,标志着AFS的开发进入了“批量生产”阶段,也证明了AFS才是汽车转向大灯的发展方向 。

2模糊控制理论的发展及应用

自动控制技术是指利用一些自动控制装置代替人类驾驭机器、设备或控制生产的过程。然而有些看似十分简单的控制问题,用传统的控制理论和方法却不能解决,尤其对于那些数学方程很难提出的问题,传统的控制技术更显力不从心 。而在这类问题中,模糊控制技术却发挥了奇特的优势。

模糊控制技术发展大致经历三个阶段:

1965―1974年是模糊控制发展的第一阶段,即模糊数学发展与成形的阶段。自扎德1965年开创“模糊集”以来,模糊集合论及相应的模糊理论有了飞跃的发展。1968年扎德首次公开发表了“模糊算法”,1973年又发表了语言与模糊逻辑相结合的系统建立方法 。

第二阶段大约从1974―1979年,这是产生简单模糊控制器的阶段。在这期间,美国加州一个公司率先生产了第一只模糊逻辑芯片。1980年丹麦的斯密司公司首次应用芯片在水泥烘干机中成功地实现了模糊控制。

1979年至今是发展高性能模糊控制器的第三阶段。1979年T.J.Procky和E.H.Mamdani共同提出了自学习概念,使系统性能大为改善。1983年日本富土电机开创了日本第一项应用――水净化处理 。

3AFS模糊控制器设计

AFS系统近光灯可在水平和垂直两个方向进行调节,故分别对这两个方向进行模糊控制器设计。

3.1水平方向模糊控制器设计

水平方向上,采用转向轮偏差EA(根据汽车转向过程中转向轴的转动角度,以汽车直线行驶时的转向轴位置为基本参考点,车轮向左或向右转动的角度偏离汽车直线行驶时与参考点的角度偏差)和转向轮偏差变化率DeA作为输入量,控制量为车灯的转动角度 L。

3.1.1输入输出论域的确定

角度偏差EA:一般,汽车在转向时,相对参考点车轮转动到左或右的极限位置时,转向轮转动的角度约0,把它离散为7个点,论域为:{-3,-2,-1,0,+1,+2,+3};偏差语言变量取七个,即{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大},用符号表示为{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}。

角度偏差变化率DeA:把它离散为7个点,论域为:{-3,-2,-1,0,+1,+2,+3};偏差语言变量取七个,即{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大},用符号表示为{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}。

输出 L:根据汽车在转向过程中车灯的转动角度设计要求,它的转动角度为相对参考点转动角度论域为[-20,+20],把它离散为7个点,即:{-3,-2,-1,0,+1,+2,+3},输出语言变量取七个,{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大},用符号表示为{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}。

3.1.2隶属度的确定

采用等腰三角形模化法确定隶属度,偏差EA、、偏差变化率DeA 、、输出量 L的隶属度函数如图2、图3、图4所示。

图 4输出量 L隶属度函数

3.1.3水平方向AFS模糊控制规则表的建立

根据转向控制的特点,设计模糊控制规则表如下表所示:

表 1 水平方向AFS模糊决策规则表

3.2水平方向随动角度补偿

由于在汽车行驶过程中,还有一些其他外界因素会影响前照灯的照明效果,如简单地让前照灯跟随转向轮随动转动,往往达不到理想的照明效果。故考虑根据车外能见度以及车辆行驶路况,同样采用模糊控制理论得出水平方向补偿角,对上述水平方向AFS模糊控制输出角度进行补偿。

3.2.1输入输出论域的确定

能见度VIS:将能见度分为四个等级,即论域为:{1,2,3,4};能见度变量取四个,即{很差,差,一般,好},用符号表示为{Verybad,Bad,Normal,Good}。

行驶路况RS:将车辆行驶总体路况分为三种,即乡村道路、城市道路、高速公路,论域为:{1,2,3},偏差语言变量取三个,用符号表示为{Rural,City,Highway}。

输出补偿 LR:根据汽车形式实际情况,补偿角取0~4，把它离散个点,即:{0,1,2,3,4},输出语言变量取五个,即{零,小,中,大,很大},用符号表示为{Z,S,M,B,VB}。

3.2.2隶属度的确定

采用等腰三角形模化法确定隶属度,能见度VIS、行驶路况RS、输出补偿 LR的隶属度函数如图5、图6、图7所示:

图 7水平输出补偿 LR隶属度函数

3.2.3水平方向补偿角计算模糊控制规则表的建立

根据行驶规律,在乡村道路行驶时,由于道路狭窄,路况复杂,如能见度越差,则汽车转向时更需要获得良好的道路两侧照明效果,所以车灯随动角度应当较普通情况大,即补偿角越大。而在城市及高速公路行驶时,角度补偿则较小。由此得到控制规则表如表2所示:

表 2水平方向补偿角计算模糊控制规则表

3.3垂直方向模糊控制器设计

AFS系统垂直方向前照灯照射角度变化主要是为了避免当车速发生变化时,及时调整车灯有效照明距离,使驾驶员能及早观察到道路前方状况,及时采取措施。采用车速EV和车速变化率DeV作为输入量,控制量为车灯的转动角度 U。

3.3.1输入输出论域的确定

车速V:实际行驶中,普通汽车车速变化范围约为0~200km/h,将车速V 离散为4个点,即论域为:{0,1,2,3};车速语言变量取四个,即{停止,慢速,中速,快速},用符号表示为{Z,S,M,F}。

车速变化率DeV:在实际形式过程中,普通汽车车速变化率为-10m/s2~+10m/s2,速变化率DeV 离散为5个点即{-2,-1,0,+1,+2},语言变量取五个,即{负大,负小,零,正小,正大},用符号表示为{NB,NS,Z,PS,PB}。

输出角度 U:根据《GB7258-2004》规定,垂直方向角度变化范围为0~4度左右,即车辆静止时车灯所处初始位置向上最大转动角度为4阉肷⑽?个点,即:{0,1,2,3},输出语言变量取四个,即{零,小,中,大},用符号表示为{Z,S,M,B}。

3.3.2隶属度的确定

采用等腰三角形模化法确定隶属度,车速V、速变化率DeV 、输出角度 U的隶属度函数如图8、图9、图10所示:

3.3.3垂直方向AFS模糊决策规则表的建立

车辆行驶过程中,车速越高,车辆制动距离越大,此时只有获得更大的照明距离,才能有效提高行车安全,车灯垂直方向转动角度越大。由此得到垂直方向模糊决策规则表,如表3所示:

表 3垂直方向模糊控制规则表

3.4垂直方向随动角度补偿

在汽车行驶过程中,车身姿态以及外界路面状况也会为对汽车的照明效果产生影响,如车头高度的变化会导致车灯位置的变化、湿滑的路面时汽车制动距离变大等等。因此,考虑车头高度和路面湿滑程度两个因素,对垂直方向前照灯转角进行补偿。

3.4.1输入输出论域的确定

车头高度H:车头高度H一般为距地面0.8m~1.2m,离散为5个点,即论域为:{-2,-1,0,1,2},车头高度语言变量取五个,即{很低,低,正常,高,很高},用符号表示为{VL,L,Z,H,VH}。

湿滑程度SL:将路面湿滑程度分为三种,即论域为:{1,2,3};偏差语言变量取三个,即{正常,滑,很滑},用符号表示为{Normal,Slip,VerySlip}。

输出补偿 UR:根据实际情况,补偿角取-1~1，把它离散个点,即:{-2,-1,0,1,2},输出语言变量取五个,即{负大,负小,零,正小,正大},用符号表示为{NB,NS,Z,PS,PB}。

3.4.2隶属度的确定

采用等腰三角形模化法确定隶属度,湿滑程度SL、车头高度H、输出量 L的隶属度函数如图11、图12、图13所示:

图13 垂直输出量 L隶属度函数

3.4.3垂直方向补偿角计算模糊控制规则表的建立

当车头抬高时,车灯距离地面高度增加,此时应考虑减小车灯转动角度,以防止给迎面驶来的车辆造成“炫目”的危险;同时,地面湿滑程度越高,车辆制动距离越大,此时需要增大车灯转动角度,以获得更大的照明距离,提高行车安全性。考虑以上两个因素,得到垂直方向车灯角度补偿模糊控制规则表,如表4所示:

表 4垂直方向车灯角度补偿模糊控制规则表

4AFS系统构成

AFS系统由控制模块(ECU)、执行机构以及通讯协议等几部分组成,其结构框图如图14所示:

图 14AFS系统结构框图

AFS系统由车身总线采集到的车身的动态变化、转向机构的动作特性等信息进行计算和判断,从而判定汽车当前的行驶状态并对前照灯近光进行相应的调整。

4.1AFS控制模块(ECU)

AFS控制模块是AFS系统的核心部分。ECU采集汽车行驶状态及外界环境信息,通过内置模糊控制器得出相应的水平、垂直偏角;最后由驱动器驱动步进电机转动,控制车灯转动,达到最佳的照明效果。

4.2执行机构

执行机构主要由垂直和水平方向两个步进电机组成,步进电机具有行程准确、动作平稳、工作寿命长等特点。步进电机作用于光轴以调整前照灯角度。试验中采用的车灯水平方向光轴调整范围为;垂直方向的光轴调整范围为0~4

4.3总线通讯

本文所设计的AFS系统中采用CAN总线实现通讯。CAN(Controller Area Network)诞生于20世纪八十年代,目前已成为世界上应用最广泛的现场总线之一,其最大传输速率达到1M/s。它由德国Robert Bosch公司提出的,最初目标是为了解决现代汽车系统中数量庞大的电子控制装置之间的通讯,减少不断增加的线束 。

5结论

自适应前照灯系统是汽车前照灯技术的发展方向,它是继HID灯之后,汽车照明技术的又一次技术跨越。自适应前照灯系统与以往的照明系统相比,具有很大的优点,近年来一直是国内外汽车照明的研究热点,具有广阔的应用前景。模糊控制由于其不需要控制对象的模型建立以及引入人类经验参与控制,诸多优点也使它得到广泛的应用。本文提出了AFS自适应前照灯系统的模糊控制,并同样采用模糊控制对控制结果进行了补偿,避免了由于输入变量过多而导致模糊控制规则过多的问题,并在此基础上提出了可行的AFS硬件结构。

注释:

BOSCH公司. BOSCH汽车工程手册[M].顾柏良等,译.北 京:北京理工大学出版社, 2004.

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