畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文)汽車自適應(yīng)前大燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)【全套圖紙】

1、湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)汽車自適應(yīng)前大燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)DESIGN OF AUTO ADAPTIVE HEADLIGHT CONTROL SYSTEM學(xué)生姓名：學(xué)號(hào) ： 200841930211年級(jí)專業(yè)及班級(jí)： 2008 級(jí)汽車服務(wù)工程(2)班指導(dǎo)老師及職稱：湖南長(zhǎng)沙提交日期：2011年5 月湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)誠(chéng) 信 聲 明本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下， 進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議。除文中已經(jīng)注 明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的 作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢

2、獻(xiàn)的個(gè)人和集體在文中均作了明確 的說(shuō)明并表示了謝意。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。畢業(yè)設(shè)計(jì)作者簽名：年月日目錄摘要1關(guān)鍵詞11引言22汽車 AFS 系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀23自適應(yīng)前大燈研究的意義44汽車自適應(yīng)大燈系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)54.1汽車 AFS 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與基本功能54.2汽車 AFS 系統(tǒng)的基本原理74.3汽車 AFS 系統(tǒng)建模84.3.1線性二自由度汽車模型84.3.2前大燈光軸水平方向模型94.3.3步進(jìn)電機(jī)模型104.3.4前大燈光軸垂直方向調(diào)節(jié)模型104.4PID 控制114.5云模型控制135 汽車 AFS 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 145.1STC12C5A60AD

3、單片機(jī)145.2車速信號(hào)調(diào)理電路145.3方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)調(diào)理電路155.4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路165.5電源及斷電保護(hù)電路176汽車 AFS 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)176.1系統(tǒng)軟件功能分析176.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)177結(jié)論19參考文獻(xiàn)19致謝20附錄20汽車自適應(yīng)前大燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：本設(shè)計(jì)主要完成以傳感器作為檢測(cè)器并通過(guò)軟件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)適時(shí)地對(duì)前大燈燈光調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車燈光的自適應(yīng)控制。這次設(shè)計(jì)是傳感器技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用，并且設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，通過(guò)傳感器檢測(cè)到車速和方向盤轉(zhuǎn)角、車身高度的變化，把信號(hào)輸入單片機(jī)中通過(guò)程序控制步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行元件的動(dòng)作。步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)位

4、置通過(guò)位置傳感器反饋給，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)目標(biāo)位置與實(shí)際位置之差發(fā)出調(diào)節(jié)修正指令，完成調(diào)光過(guò)程。此設(shè)計(jì)能免去駕駛員對(duì)燈光的反復(fù)操作。提高了駕駛安全性和舒適性，減少由于駕駛員對(duì)燈光操作及燈光的陰影區(qū)所帶來(lái)的交通事故，也大大提高了汽車前大燈運(yùn)行的可靠度。關(guān)鍵詞：汽車；自適應(yīng)；控制；Design of Auto Adaptive Headlight Control SystemAbstract: Based on the scheme of using the sensor as detector and realizing the in-time head-light adjudtments by ca

5、mpater programming design.this paer realizes the self-adjusting function of theheadlight.This design shous the adranced controlling technology in the cunent vehicle production industry. and the design of the control system hardware circuit design, the sensor detects a vehicle speed and the steering

6、angle, the height of the body changes, the signal input SCM through a stepper motor actuator motor. Stepper motor actual rotational position by position sensor feedback to MCU, MCU according to the stepper motor target position with the actual position of a regulating instruction, complete the dimmi

7、ng process. The self-adjusting headlight system enhanced the comfort and safety, reduces the traffic accidents brought by the control of hedlights and show zone of lights ,thisgreathy increase the reliability of vehicle head light.Key words: Automobile; Adaptive; Control;1前言有統(tǒng)計(jì)表明，90%的交通事故是由于人的因素造成的，

8、危險(xiǎn)來(lái)源于復(fù)雜的交通狀況，包括不合理信息、過(guò)度緊張等一系列的原因。燈光是夜間和雨霧天氣駕駛員僅有的信息載體，它讓人們更加清楚地了解交通狀況，判斷可能存在的危險(xiǎn)并及時(shí)采取措施。有統(tǒng)計(jì)表明，在歐洲由于照明引起的交通事故1（如果在白天或者照明好的條件下交通事故減少30%以上）汽車自適應(yīng)前大燈系統(tǒng)（AdaptiveFront-light System，AFS）是使會(huì)車用前照燈(即近光燈)的光照射線隨車輛行進(jìn)方向作水平方向偏轉(zhuǎn)，并根據(jù)車輛的俯仰作垂直方向的調(diào)整，為駕駛員在路口、彎道及顛簸不平的路面提供最佳的照明效果。在國(guó)外，AFS系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始得到廣泛應(yīng)用，然而由于進(jìn)口的AFS系統(tǒng)大多為生廠商本國(guó)道路考慮

9、，而且國(guó)內(nèi)道路狀況與國(guó)外差別較大，另外， 進(jìn)口的AFS系統(tǒng)價(jià)格也非常高，因此進(jìn)口AFS系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的普及應(yīng)用存在的阻力較大目前，國(guó)內(nèi)對(duì)AFS 系統(tǒng)的研究還較少，基本上還停留在仿真試驗(yàn)階段2，在為數(shù)不多的涉及AFS系統(tǒng)的試驗(yàn)研究中，主要采用信號(hào)單線通訊，線束數(shù)量較大，不僅給整車線束集成和分類帶來(lái)困擾，而且由于需要依賴較多的硬件輔助，導(dǎo)致信號(hào)傳輸存在遲滯現(xiàn)象。所以說(shuō)無(wú)論是在國(guó)內(nèi)還是國(guó)外都有廣闊的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)前景3。在總結(jié)前人的研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)汽車自適應(yīng)前大燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)，歸納如下幾點(diǎn)：（1）根據(jù)汽車動(dòng)力學(xué)理論建立了汽車自適應(yīng)前大燈系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，其中包括前大燈光軸水平方向調(diào)節(jié)、前大燈光軸垂直方向調(diào)節(jié)及步進(jìn)

10、電機(jī)模型。（2）以 AFS 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，分別對(duì) PID 控制和云模型控制進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)云模型控制適應(yīng)性強(qiáng)，有較好的控制效果4。使用STC12C5A60AD芯片作為運(yùn)算核心部件，對(duì)汽車自適應(yīng)前大燈系統(tǒng)的軟硬件包括，單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、車速信號(hào)調(diào)理電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)調(diào)理電路、電源斷電保護(hù)電路等。整個(gè)系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)是在集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行的， 整體流程，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)前大燈系統(tǒng)的基本功能。2汽車 AFS 系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)外對(duì)汽車自適應(yīng)前大燈系統(tǒng)的研究比較早，在 80 年代，在實(shí)驗(yàn)室就完成了靜態(tài)自適應(yīng)前大燈系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和實(shí)驗(yàn)。自 1992 年起靜態(tài)自適應(yīng)前大燈系統(tǒng)被列為歐共

11、體尤尼卡（EURE2KA）的 1403 號(hào)項(xiàng)目，歐洲的各大汽車公司和美國(guó)。日本的部分公司都參與了此項(xiàng)目。90 年代末期，靜態(tài)自適應(yīng)前大燈系統(tǒng)進(jìn)入生產(chǎn)階段，并成為豪華轎車的一個(gè)新賣點(diǎn)。2003 年，意大利瑪涅馬瑞利車燈公司在汽車上安裝了動(dòng)態(tài) AFS 系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。目前，汽車（電裝）DENSO 公司的 AFS，德國(guó) HELLA、法國(guó)（法雷奧） VALEO 和上海的小幺等。DENSO 公司的 AFS 系統(tǒng)如圖 1 所示。系統(tǒng)從方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器、車身高度傳感器分別取得轉(zhuǎn)向輪旋轉(zhuǎn)角度、車速和車身傾斜的精確信息。其中角度和速度信息通過(guò)中央控制電路、精確計(jì)算以后產(chǎn)生輸出信號(hào)控制旋轉(zhuǎn)步進(jìn)機(jī)對(duì)前燈

12、光軸進(jìn)行水平旋轉(zhuǎn)，傾斜度信息控制調(diào)高步進(jìn)電機(jī)對(duì)前大燈光軸進(jìn)行垂直旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)5。圖 1 DENSO 公司的 AFS 系統(tǒng)Fig1DENSO compangy AFS systemHELLA 公司的 AFS 是一個(gè)由傳感器組、傳輸通路、處理器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的系統(tǒng)。AFS 的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一系列的馬達(dá)和光學(xué)機(jī)構(gòu)組成的。一般有投射式前照燈，對(duì)前燈垂直角度進(jìn)行調(diào)整的高馬達(dá)，對(duì)前燈水平角度進(jìn)行調(diào)整的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)。由于而要對(duì)多種車輛行駛狀態(tài)做出綜合判斷，客觀上決定了 AFS 是一個(gè)多田輸入多輸出復(fù)雜的系統(tǒng)。圖 2 是德國(guó) HELLA 公司 AFS 系統(tǒng)6。VALEO 的 AFS 主要由速度傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、

13、車身高度傳感器、處理器、步進(jìn)馬達(dá)組成。通過(guò)速度傳感器獲取的速度和方向盤轉(zhuǎn)角傳感器獲取角度控制水平方向步進(jìn)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)。彎道外側(cè)的大燈照亮范圍角度 7 度，內(nèi)側(cè)的大燈照亮范圍角度為 15 度。車身高度傳感器獲取的信息（傾斜度信息）控制垂直方向步進(jìn)馬達(dá)。上海小幺公司生產(chǎn)的 AFS 系統(tǒng)，是上汽與日本小幺聯(lián)合開(kāi)發(fā)的 AFS 系統(tǒng)。自適應(yīng)轉(zhuǎn)向大燈系統(tǒng)的基本構(gòu)成包括：（1）兩臺(tái)步進(jìn)馬達(dá)，分別控制前照燈在水平和垂直方向的轉(zhuǎn)動(dòng)；（2）傳感器部件以及步進(jìn)馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)部件；（3）微控制單元（MCU）；圖 2 德國(guó) HELLA 公司 AFS 系統(tǒng)Fig2The German compang HELLA AFS syst

14、em（4）前照燈的機(jī)械結(jié)構(gòu)部件；（5）傳遞控制信號(hào)以及采集傳感器數(shù)據(jù)的 LIN 總線，還有將傳感器數(shù)據(jù)傳遞給其它控制單元的 CAN 總線。國(guó)外的 AFS 系統(tǒng)已經(jīng)日趨成熟，目前，在中高檔汽車中，如寶馬 W5 第、奔馳 E 級(jí)、奧迪 A8、凱美瑞、凌志 R 系列等。已經(jīng)加裝了部分功能的 AFS 系統(tǒng)。在國(guó)外 AFS 系統(tǒng) 已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)在這方面的研究還比較少，加之引進(jìn)的 AFS 系統(tǒng)大多為生產(chǎn)商國(guó)道路狀況也與歐洲的差別較大，有自己的道路特點(diǎn)，因此 AFS 系統(tǒng)并不能發(fā)揮到最大的作用，對(duì) AFS 系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用帶來(lái)了阻力。雖然國(guó)內(nèi)在 AFS 控制系統(tǒng)方面的自主研發(fā)起步晚，但是目前已經(jīng)取

15、得了顯著進(jìn)步，沈陽(yáng)北方汽車大燈有限公司在天 津歐華汽車研發(fā)中心等一些機(jī)構(gòu)在進(jìn)行自主研發(fā)，實(shí)車試驗(yàn)已經(jīng)取得較好的效果，但還沒(méi)有批量生產(chǎn)，相信不久的將來(lái)，國(guó)產(chǎn) AFS 系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)7。3自適應(yīng)前大燈研究的意義隨著汽車技術(shù)的發(fā)展,對(duì)汽車的要求更為嚴(yán)格,大到動(dòng)力性能,小到舒適性能,都要求可以做到最好。汽車照明,對(duì)交通安全有重要作用。由于交通密度增加,車速越來(lái)越快,加之行駛環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜,使得前照燈和其他車燈的設(shè)計(jì)者,面臨日益嚴(yán)峻的多種挑戰(zhàn)。有統(tǒng)計(jì)表明90%的交通事故是由于人的因素造成的,危險(xiǎn)來(lái)源于復(fù)雜的交通狀況, 包括不合理信息、缺少信息以及過(guò)度緊張等。燈光是夜間和雨霧天氣駕駛員僅有的信息載體,它讓人們

16、更加清楚地了解交通狀況,判斷可能存在的危險(xiǎn)并及時(shí)采取措施。從自適應(yīng)大燈的結(jié)構(gòu)及工作原理,闡述了解決夜間行車的安全性問(wèn)題,其優(yōu)點(diǎn)在于保證汽車能在靜態(tài)或動(dòng)態(tài)行駛中,控制器一旦檢測(cè)到加速或制動(dòng)信號(hào)時(shí),或者外界光的強(qiáng)度發(fā)生變化等不同工況時(shí),都能自動(dòng)改變照射光的位置,實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié),減少交通事故率。目前，AFS 系統(tǒng)已經(jīng)在中高檔轎車中廣泛使用，但是由于成本較高，并且大多采用開(kāi)環(huán)控制，具有控制精度不高、累積誤差大、反應(yīng)時(shí)間滯后等問(wèn)題?；谏鲜鰡?wèn)題 設(shè)計(jì)建立了二度自由汽車模型、前大燈水平偏轉(zhuǎn)模型和垂直調(diào)節(jié)模型、步進(jìn)電機(jī)模型， 并得出前大燈轉(zhuǎn)角與車速、方向盤轉(zhuǎn)角、車身高度之間的函數(shù)關(guān)系，同時(shí)對(duì)本體系采 用閉環(huán)控

17、制，并采用了不同的控制策略，分析找出了一種相對(duì)優(yōu)越的控制策略。在此 基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了硬件電路，達(dá)到了預(yù)期的形容目的8。4汽車自適應(yīng)前大燈系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)4.1汽車 AFS 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與基本功能汽車自適應(yīng)前大燈的整體框架包括傳感器、MCU、步進(jìn)電機(jī)、前大燈，如圖 5 所示：圖 5 汽車自適應(yīng)前大燈整體結(jié)構(gòu)Fig5Auto adaptive headlamps integral structure目前，汽車 AFS 系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下幾種道路照明系統(tǒng)的功能：調(diào)整公路照明模式、城市道路照明模式、鄉(xiāng)村道路照明模式、惡劣天氣照明模式等。（1）高速公路照明模式：調(diào)整公路上的交通事故頻繁發(fā)生，并且為重大交通事故

18、，往往造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。改善高速公路上汽車照明條件對(duì)行車安全有十分圖 3 為進(jìn)入高速公路模式Fig3As the freeway access mode重要的意義。汽車在高速公路上行駛時(shí)，車速很高，車輛密集度相對(duì)較低側(cè)向干擾較 少，所以要求自適應(yīng)前大燈必須比普通前大燈照的更遠(yuǎn)、更窄，要求車速越高，光型 越長(zhǎng)，同時(shí)，光型的長(zhǎng)度和汽車的速度成正比，車速越低，光型越短，這樣一方面可 以提前發(fā)現(xiàn)前方障礙，避免交通事故的發(fā)生，另一方面可以避免給對(duì)方駕駛員造成炫 目，拉長(zhǎng)視野，給高速行駛的汽車提供安全保障，AFS 系統(tǒng)高速公路模式如圖 3 所示， 圖 3 為進(jìn)入高速公路模式，圖 4 為未進(jìn)入高速

19、公路模式。圖 4 為未進(jìn)入高速公路模式Fig4Not to enter the highway mode（2）城市道路照明模式：對(duì)于城市公路來(lái)說(shuō)，一般都有路燈照明，但是道路復(fù)雜、交錯(cuò)，人流車流大，前照燈的法規(guī)法定在會(huì)車時(shí)對(duì)對(duì)面駕駛員的光照強(qiáng)度不超1000cd。是環(huán)進(jìn)入城市道路照明模式由光敏傳感器和汽車車速傳感器或者位置傳感器GPS 來(lái)判斷。當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到設(shè)定值，車速不超過(guò)規(guī)定值時(shí)，城市道路照明模式自動(dòng)開(kāi)啟。（3）鄉(xiāng)村道路照明模式：鄉(xiāng)村道路一般道路狹窄，彎道多，部分道路還凹凸不平、起伏不定。有較多的人和牲畜，同時(shí)，由于鄉(xiāng)村道路照明條件較差，因此改善汽車前大燈在鄉(xiāng)村道路照明條件，對(duì)于減少道路交通事故有

20、重要意義9。是環(huán)進(jìn)入鄉(xiāng)村道路照明模式由光敏傳感器和汽車車身高度傳感器或者 GPS 來(lái)判斷。以右行國(guó)家為例，當(dāng)汽車進(jìn)入鄉(xiāng)村時(shí)，左右近光燈的驅(qū)動(dòng)功率均增大，從而增加亮度以補(bǔ)充照明， 右燈的燈光要偏轉(zhuǎn)一定的角度，以照射到邊緣路面，效果如圖 6 所示：圖 6 鄉(xiāng)村岔路口效果圖Fig6The village fork effect chart（4）惡劣天氣照明模式：在惡劣天氣，如雨、霧、雪等天氣狀況下，由于駕駛員的能見(jiàn)度較低，視野不清，容易產(chǎn)生錯(cuò)覺(jué)，同時(shí)由于路面濕滑，車輛制動(dòng)性能差， 因此交通事故頻繁發(fā)生，為了降低惡劣天氣下的交通事故率，除了要減緩車速外，改善汽車前大燈條件要很重要10。在惡劣天氣狀況，

21、大霧或者大雨環(huán)境下，為了擴(kuò)大 駕駛員的視野范圍，需要輸出較強(qiáng)和較遠(yuǎn)的光型，以拉長(zhǎng)駕駛員的可視距離，從而保證行車安全。4.2汽車 AFS 系統(tǒng)的基本原理當(dāng)車輛進(jìn)入彎道或者其他道路狀況時(shí)，MCU 通過(guò)采集車速和方向轉(zhuǎn)角、車身高度的變化，判斷是否對(duì)前大燈光軸進(jìn)行調(diào)光，并進(jìn)一步計(jì)算出兩燈在左右、上下方向上的調(diào)節(jié)角度，然后轉(zhuǎn)換成各步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制參數(shù)，控制相應(yīng)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)位置通過(guò)位置傳感器反饋給 MCU，MCU 根據(jù)步進(jìn)電機(jī)目標(biāo)位置與實(shí)際位置之差，發(fā)出調(diào)節(jié)修正指令，完成調(diào)光過(guò)程。圖 7 為對(duì)比圖。通過(guò)兩圖對(duì)比可以看出有 AFS 系統(tǒng)的汽車駕駛員的視野范圍更開(kāi)闊，并彎道內(nèi)側(cè)的盲區(qū)也

22、被照亮了。4.3汽車 AFS 系統(tǒng)建模系統(tǒng)建模是分析系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)。根據(jù)汽車動(dòng)力學(xué)原理建立 AFS 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，然后分別利用 PID 控制、云?？刂茖?duì)汽車 AFS 系統(tǒng)進(jìn)行控制算法研究，再通過(guò)MATLAB 仿真曲線對(duì)三種控制算法的性能進(jìn)行比較從而得到較優(yōu)的控制算法。圖 7 無(wú) AFS 跟有 AFS 對(duì)比Fig7Camparison of AFS with and without4.3.1線性二自由度汽車模型汽車在水平路面上等速行駛時(shí)的操縱穩(wěn)定性主要是通過(guò)轉(zhuǎn)向盤角輸入或力輸出的響應(yīng)來(lái)研究，作為剛體它有 6 個(gè)自由度，但是根據(jù)不同的研究目標(biāo)，汽車動(dòng)力學(xué)模型的復(fù)雜程度也不相同。為了便于理解，需

23、要簡(jiǎn)化模型，把多自由度簡(jiǎn)化為只有橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的二自由模型。對(duì)汽車模型做了如下假設(shè)：第一、汽車只做平行于地面的平面運(yùn)動(dòng)，無(wú)垂直方向運(yùn)動(dòng)，也無(wú)俯仰和側(cè)傾運(yùn)動(dòng)，第二、忽略懸架作用及轉(zhuǎn)向系影響直接以前輪轉(zhuǎn)角作為輸入。第三、忽略左右輪輪胎由于載荷的變化而引起輪胎特性的變化以及輪胎回正力矩的作用。第四、汽車沿 X 軸方向做等速運(yùn)動(dòng)，不考慮地面切向力和空氣阻力作用11。這樣實(shí)際汽車就簡(jiǎn)化為二輪摩托車模型。上述情況下二自由度汽車模型精度足夠。模型如圖 8 所示。4.3.2前大燈光軸水平方向模型當(dāng)汽車在彎道上行駛時(shí)，駕駛員在安全視野應(yīng)該在 AFS 的調(diào)節(jié)下自動(dòng)適應(yīng)彎道， 為了保證彎道行車安全，SAE

24、法規(guī)規(guī)定非對(duì)稱光型分布的前大燈系統(tǒng)光束的明暗截止線可調(diào)整為大燈高度的 100 倍，即 S=100*H，式中，H 為汽車前大燈中心距地面高度。圖 8二自由度汽車模型Fig8Two degree of freedom vehicle model圖 9 前大燈光軸水平方向模型Fig9Headlamp optical axis horizontal direction model圖 9 中 R 為汽車轉(zhuǎn)變半徑，q為車燈光軸轉(zhuǎn)角，O 圓心，線段 AB 為車燈照射距離，其中 AB=S。根據(jù)圖 9 的幾何關(guān)系得：（1）汽車由于向心力的作用而轉(zhuǎn)彎，而向心力是由路面和車輪的靜摩擦力提供，單純的求靜摩擦力是非常困

25、難的。在汽車行駛時(shí)，前后側(cè)偏角是很小的。在前后輪側(cè)偏角忽略不計(jì)的情況下通過(guò)求解向心加速度來(lái)求向心變得比較容易了。由于向心加速度公式不難得到瞬間轉(zhuǎn)彎半徑：（2）由和圖 8 關(guān)系得出 a y =u (b+ w r ) 可知：（3）4.3.3步進(jìn)電機(jī)模型步進(jìn)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)角位移或線位的執(zhí)行器，可以直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。它的機(jī)械角位移與輸入的數(shù)字脈沖信號(hào)有著嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系：一個(gè)脈沖信號(hào)可以使步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)一步，是一種比較理想的執(zhí)行元件。在 AFS 系統(tǒng)中，MCU 將采集的車速信號(hào)，方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)和車身高度信號(hào)、位置傳感器信號(hào)通過(guò)一定的公式計(jì)算， 將計(jì)算出的角度通過(guò) A/B 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)

26、，然后通過(guò)總線傳送到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元12，通過(guò)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元將左右兩個(gè)彎道照明步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)至相應(yīng)位置，以 適應(yīng)彎道照明。4.3.4前大燈光軸垂直方向調(diào)節(jié)模型前大燈光軸垂直調(diào)節(jié)模型即前大燈光軸照射角度上下調(diào)節(jié)模型，之所以要對(duì)車燈 光軸做垂直調(diào)整，主要是為了擴(kuò)大本車駕駛員的視野范圍和避免對(duì)向車輛駕駛員眩目， 提高行車安全性，引起車燈光軸垂直調(diào)整的因素有很多，總起來(lái)說(shuō)主要有兩個(gè)方面： 車速的改變和車身的改變14。車速的改變會(huì)對(duì)駕駛員的視力產(chǎn)生很大的影響。車速越低，視野范圍越開(kāi)闊，車速越高，視野范圍越狹窄，因此車速會(huì)對(duì)駕駛的安全性產(chǎn)生很大的影響。為了提高夜間行車安全性，汽車前大燈的照射距離應(yīng)當(dāng)與汽車

27、行駛速度成一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，車速提高照射距離拉長(zhǎng)，視野范圍寬，事故率降低，根據(jù) GB4599-94 推導(dǎo)出的垂直調(diào)整角度與車速間的對(duì)應(yīng)關(guān)系13。垂直調(diào)整角度在上下 0.6 之間。初始位置為水平向下 0.6 度。向上調(diào)節(jié)角度記為q則q在 0 度到 0.6 度之間，q和 V 的函數(shù)關(guān)系：q= 0.6 - arctan0.670.012v2 + 0.0803v + 2.7476v 73.6km / h（4）當(dāng) v 小于或者等于 73.6km/h 時(shí)，汽車前大燈上下調(diào)節(jié)角度q固定為 0 度，當(dāng)v73.6km/h 時(shí)，就轉(zhuǎn)化為載重路面等因素了，如圖 10 所示：加速減速上坡下坡汽車前傾后仰時(shí)，前大燈的垂直

28、調(diào)整角度。通過(guò)采用安裝在車體前后橋中的兩個(gè)車身高度傳感器，獲取前軸和后軸的高度變化量，并依據(jù)軸距計(jì)算車身縱傾角度。車身縱傾角度的變化量就是前大燈光軸垂直角度的變化量，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作，反向調(diào)整此角度變化，就可以使前大燈光軸回復(fù)到原先的狀態(tài)，保持水平7。4.4PID 控制PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有 70 多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID 控制器簡(jiǎn)單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。PID 控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入 e (t）與輸出 u (t）的關(guān)系為u(t)=kpe

29、(t)+1/TIe(t)dt+TD*de(t)/dt 式中積分的上下限分別是 0 和 t因此它的傳遞函數(shù)為：G(s)=U(s)/E(s)=kp1+1/(TI*s)+TD*s 其中 kp 為比例系數(shù)；TI 為積分時(shí)間常數(shù)； TD 為微分時(shí)間常數(shù)；對(duì)汽車自適應(yīng)前大燈光軸的控制，實(shí)際上是對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，由于 PID 控制在多數(shù)情況下能滿足控制要求，所以對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制采用 PID 算法，常規(guī) PID 系統(tǒng)原理框如圖 11 所示：圖 11 PID 系統(tǒng)原理Fig11The schematic of PID systemPID 控制器主要適用基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)，它根據(jù)給定值r(t)與

30、實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差：E(t)=r(t)-c(t)(5)控制量由偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過(guò)線性組合構(gòu)成，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，稱 PID 控制器?？刂苹魻栆?guī)律為：（6）或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式：（7）式中 K pT 1為比例常數(shù)為積分時(shí)間常數(shù)T D 為微分時(shí)間常數(shù)在工業(yè)過(guò)程中經(jīng)常碰到大滯后、時(shí)變、非線性的復(fù)雜狀況，而常規(guī) PID 調(diào)節(jié)器不能很好的滿足控制要求，從而影響其控制效果的進(jìn)一步提高。針對(duì)上述狀況采用一種應(yīng)用較為廣泛的自整定模糊 PID 控制。模糊自整定 PID 控制器的以偏差 E 和偏差變化率 EC 作為輸入，通過(guò)在線調(diào)整以滿足不同時(shí)刻偏差 E 和偏差變化率 EC 對(duì) PI

31、D 參數(shù)自整定的要求，從而達(dá)到較好的動(dòng)靜態(tài)要求。如圖 12 所示。圖 12 自整定模糊 PID 的控制器結(jié)構(gòu)圖Fig12Self-tuning fuzzy PID controller structure diagram4.5云模型控制云模型是指隨著不確定性研究的深入，越來(lái)越多的科學(xué)家相信，不確定性是這個(gè)世界的魅力所在，只有不確定性本身才是確定的。在眾多的不確定性中，隨機(jī)性和模糊性是最基本的。針對(duì)概率論和模糊數(shù)學(xué)在處理不確定性方面的不足，1995 年我國(guó)工程院院士李德毅教授在概率論和模糊數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上提出了云的概念，并研究了模糊性和隨機(jī)性及兩者之間的關(guān)聯(lián)性。自李德毅院士等人提出云模型至今短短的十

32、多年，其已成功的應(yīng)用到數(shù)據(jù)挖掘、決策分析、智能控制、圖像處理等眾多領(lǐng)域。前大燈自適應(yīng)系統(tǒng)云模型控制器所實(shí)現(xiàn)的是輸入和輸出控制的關(guān)系，本質(zhì)是一和映射關(guān)系。從前大燈光軸理論轉(zhuǎn)角輸入到前大燈光軸實(shí)際轉(zhuǎn)角吟出映射14。系統(tǒng)運(yùn)用了一維云模型 進(jìn)行控制，前大燈光軸轉(zhuǎn)角一維云模型控制系統(tǒng)如圖 13 所示，系統(tǒng)運(yùn)用了 3 個(gè)一維云模型發(fā)生器分別在控制前大燈光軸轉(zhuǎn)角偏差的比例 e 微分 ec 和積分 ei,類似于傳統(tǒng)PID 控制，信號(hào) u=Ku(z+y+w).其中 Ku 為控制量放大倍數(shù)，q為前大燈光軸理論轉(zhuǎn)角，f為前大燈光軸實(shí)際轉(zhuǎn)角。圖 13 前大燈光軸轉(zhuǎn)角一維云模型控制系統(tǒng)Fig13Headlamp opt

33、ical axis angle of one-dimension cloud model control system5汽車 AFS 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)5.1STC12C5A60AD 單片機(jī)STC12C5A60AD 是 STC12 系列單片機(jī)，采用 RISC 型 CPU 內(nèi)核，兼容普通 8051 指令集，片內(nèi)含有 60BK Flash 程序存儲(chǔ)器，1028B RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，具有 EPROM 功能，同時(shí)內(nèi)部還有看門狗（WDT）；片內(nèi)集成 MAX810 專用復(fù)位電路。8 通道 10 位 ADC 以及 2通道；具有在系統(tǒng)編程（ISP）和在應(yīng)用編程（IAP），特別適合電機(jī)控制和干擾較強(qiáng)的場(chǎng)所，

34、并且片肉資源豐富、集成度高、使用方便。單片機(jī)的外圍電路包括傳感器的信號(hào)輸入、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖輸出信號(hào)，電源、復(fù)位和振蕩電路。單片機(jī)的XTAL1 與 XTAL2 引腳上接石英晶體和微調(diào)電容構(gòu)成振蕩器。C1,C2 起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用。如圖附錄 1 所示。5.2車速信號(hào)調(diào)理電路汽車自適應(yīng)前大燈系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)檢測(cè)車速值，車速值的檢測(cè)是通過(guò)霍爾效應(yīng)傳感器開(kāi)始產(chǎn)生一連串脈沖信號(hào)15，脈沖的個(gè)數(shù)將隨車速增加而增加，但位置的占空 比在任何速度下保持恒定不變。本系統(tǒng)采用的是觸發(fā)輪齒的霍爾式傳感器，型號(hào)為AH3503，這類傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、精度較高。為了改善波形，在輸入捕獲定時(shí)器管腳外添加調(diào)理電

35、路，對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，這里我們通過(guò)穩(wěn)壓、施密特整形以及輸入隔離的方法進(jìn)行處理。如圖 14 所示。圖 14 車速信號(hào)調(diào)理電路Fig14Vehicle speed signal conditioning circuit5.3方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)調(diào)理電路根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理，當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)角發(fā)生變化時(shí)光編碼便會(huì)發(fā)出 A、B兩路相位差 90 度的數(shù)字脈沖信號(hào)。正轉(zhuǎn)時(shí) A 超前 B 為 90 度，反轉(zhuǎn)時(shí) B 超前 A 為 90 度。脈沖的個(gè)數(shù)與角度成比例的關(guān)系，所以通過(guò)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)就可以得到方向盤轉(zhuǎn)角的大小。因此本系統(tǒng)對(duì)方向盤轉(zhuǎn)角的測(cè)量選用 EPC-755A 光電編碼器作為傳感器，其輸出電路選用集電極開(kāi)路，

36、這種編碼器體積小，有良好的使用性能，在角度測(cè)量、位移測(cè)量時(shí)抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定可靠的輸出脈沖信號(hào)?？紤]到汽車方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)是雙向的，同時(shí)最大旋轉(zhuǎn)角度為兩圈半，選用分辨率為 360 個(gè)脈沖/圈的編碼器，其最大輸出脈沖為 900 個(gè)，需要對(duì)編碼器的輸出信號(hào)進(jìn)行鑒相后才能計(jì)數(shù)。光電編碼實(shí)際使用的鑒相與雙向計(jì)數(shù)電路，鑒相電路用 1 個(gè) D 觸發(fā)器和 2 個(gè)與非門組成，計(jì)數(shù)電路用 3 片74LS193 組成。在系統(tǒng)上電初始化時(shí)，先對(duì)其進(jìn)行復(fù)位，再將其初始值設(shè)為 800H，如此，當(dāng)方向盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)電路的輸出范圍為 2048 到 2948 間，當(dāng)方向盤逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)， 計(jì)數(shù)電路的輸出范圍為 2048 到 1

37、148 間；計(jì)數(shù)電路的數(shù)據(jù)輸出 D0 至 D11 送至數(shù)據(jù)處理電路。如圖附錄 2 所示。5.4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路本系統(tǒng)使用的是兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，步距角為 1.8 度，工作頻率為 200- 1000Hz。它作為一種電脈沖到角位移的轉(zhuǎn)換元件，有價(jià)格低廉，易于控制，無(wú)積累誤差、輸出力小、響應(yīng)速度快、可以調(diào)節(jié)、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。為了使步進(jìn)電機(jī)能夠輸出足夠的功率，單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路一般由兩部分組成，一部分是環(huán)形脈沖分配器，它決定步進(jìn)電機(jī)各相繞阻的通電順序。本設(shè)計(jì)采用的日本 SANYO 公司生產(chǎn)的 PMM8713 環(huán)形脈沖分配器與 ST 公司生產(chǎn)的 L6506 與 L298N 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。如圖 15 所示

38、。圖 15 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路Fig15Stepper motor drive circuit5.5電源及斷電保護(hù)電路汽車蓄電池提供 12V 左右的電源，而該控制系統(tǒng)需要兩路電源：+5V 和+12V 電源。5V 電源用于給 STC12C5A60AD 單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片和車速、方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)調(diào)理電路等供電，12V 電源給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片等供電。選用 LM78H05 芯片作為電源轉(zhuǎn)換芯片。為了在掉電的時(shí)候可以及時(shí)地保存數(shù)據(jù)，在電源地輸入端加一個(gè) 1000F 的電解電容，當(dāng)電源斷開(kāi)的時(shí)候，大電容可以維持單片機(jī)電源足夠長(zhǎng)的時(shí)間，使得單片機(jī) 可以完成外部中斷的服務(wù)程序。如圖 16 所示。圖 16 電

39、源及斷電保護(hù)電路Fig16Power supply and power off protection circuit6汽車 AFS 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)6.1系統(tǒng)軟件功能分析設(shè)計(jì)汽車自適應(yīng)前大燈控制系統(tǒng)采用 STC12C5A60AD 單片機(jī)作為控制核心，通過(guò)軟件實(shí)時(shí)檢測(cè)傳感器的測(cè)量信息進(jìn)行相應(yīng)處理，根據(jù)處理結(jié)果判斷系統(tǒng)的工作模式， 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定好的工作模式進(jìn)行控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，因此控制軟件有以下功能：（1）檢測(cè)模式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)狀態(tài)，確定系統(tǒng)工作模式；（2）方向盤轉(zhuǎn)角傳感器傳送來(lái)的方向盤轉(zhuǎn)角信息；（3）檢測(cè)汽車霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波、整形、放大，送入單片機(jī)進(jìn)行處理，得到汽車運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)速度；（

40、4）控制程序根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)角、車速大小來(lái)判斷汽車的運(yùn)行狀況，并進(jìn)行相應(yīng)的控制。（5）當(dāng)自適應(yīng)前大燈開(kāi)關(guān)的按鈕按下后，控制程序能夠根據(jù)設(shè)定的狀況進(jìn)行判斷，來(lái)商定下一步將要進(jìn)行的動(dòng)作。6.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由于道路環(huán)境狀況，行車參數(shù)的不斷變化，為了使系統(tǒng)能夠快速高效的穩(wěn)定運(yùn)行， 合理的程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)非賞重要。軟件設(shè)計(jì)主要要求功能實(shí)現(xiàn)的可靠性、正 確性和適應(yīng)性。根據(jù)控制的主要功能，汽車自適應(yīng)前大燈控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，主要以前 大燈水平控制為主。主程序控制流程圖如圖 17 所示。首先對(duì)程序所設(shè)計(jì)到的單片機(jī)端口狀態(tài)和程序變量進(jìn)行初始化，進(jìn)行初始信號(hào)采集，然后根據(jù)車速傳感器的檢測(cè)信息判斷車輛狀況，再根據(jù)方向

41、盤轉(zhuǎn)角信息決定是否走入自適應(yīng)照明模式。方向盤轉(zhuǎn)角傳感器初始化時(shí)，設(shè)定方向盤初始位置，在方向盤正中位置，可逆計(jì)數(shù)器的值為十進(jìn)制數(shù) 2048，設(shè)定方向盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正向旋轉(zhuǎn)，可逆計(jì)數(shù)器的取值范圍為 1148-2048.前后兩次方向盤轉(zhuǎn)角的脈沖個(gè)數(shù)大于 6 時(shí)，執(zhí)行前大燈右轉(zhuǎn)子程序； 反之當(dāng)前后兩次方向盤轉(zhuǎn)角脈沖個(gè)數(shù)小于負(fù) 6 時(shí)，執(zhí)行左轉(zhuǎn)子程序。SAE 法規(guī)規(guī)定，在車輛右行的國(guó)家汽車右轉(zhuǎn)彎時(shí)，內(nèi)側(cè)大燈最大調(diào)整角度為 15 度， 外側(cè)大燈最大調(diào)整角度為 5 度，車輛左轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)側(cè)大燈最大調(diào)整角度為 15 度，外側(cè)大燈最大調(diào)整角度為 5 度，滿足上述條件的自適應(yīng)前大燈足以滿足彎道照明條件。AFS 按鈕按下系統(tǒng)初始化7結(jié)論圖 17 主程序控制流程圖YFig17The main program flow chart control汽車自適應(yīng)前大燈系統(tǒng)是一個(gè)集傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)等技術(shù) 于一體的高科技系統(tǒng)。汽車自適應(yīng)前大燈的模型建立，控制策略的研究，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)， 滿足了不同道路，不同路況下的功能所需，提高