專利名稱：仿駕駛員預瞄行為的汽車智能前照燈系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種汽車智能前照燈系統(tǒng)，特別是涉及通過汽車當前運動狀態(tài)預估車輛預期位置，即駕駛員的預瞄區(qū)域來計算相應的前照燈水平旋轉角度的汽車前照燈系統(tǒng)。

背景技術：
汽車的照明系統(tǒng)對交通安全起著至關重要的作用。在汽車夜間行駛的過程中，傳統(tǒng)前照燈的主要照射方向相對于車體而言是固定不變的，并不會隨著道路或天氣狀況的變化而改變。在經過岔路口較多的鄉(xiāng)間道路、彎道、十字路口等路況時，駕駛員并不能及時發(fā)現道路前方潛在的危險，極容易導致交通事故的發(fā)生。為了提高夜間行車安全性，汽車前照燈系統(tǒng)在不斷地發(fā)展。迄今為止，已從最初的白熾燈，發(fā)展到鹵素燈、自由曲面前照燈和投射系統(tǒng)前照燈。上世紀末更是出現了亮度更高、照明區(qū)域更大的氣體放電燈系統(tǒng)，極大地提高了夜間照明的能力。為了追求更加安全的夜間行車條件，人們不斷地探索更加智能的、更能夠適應路況變化的前照燈系統(tǒng)。此外，關于前照燈系統(tǒng)的法規(guī)也并不統(tǒng)一。目前主要分為歐洲標準和美國標準。二者主要在近光配光上存在較大的差別。歐洲標準特別注重對眩光的控制，因此近光分布上存在15度的明暗截止線，這種截止線效應可以有效地防止對迎面車輛的眩光。然而在美國，道路大多比較寬闊，因此對眩光并沒有特別的要求。但隨著經濟全球化進程的加快，人們迫切要求消除這種標準之間的差別，建立一個統(tǒng)一的國際標準。一種方法是將兩種標準中合理的部分綜合起來形成一個雙方都能接受的標準，這就是所謂的國際協(xié)調。另外一種方法就是建立一個包括多種功能的前照燈系統(tǒng)，它能夠根據不同的路況采取不同的照明方式。
為了解決上述行車安全及法規(guī)方面的問題，人們在2003年提出了自適應前照燈系統(tǒng)(AFS)，此系統(tǒng)可以根據汽車的運動狀態(tài)信息，對前照燈的照明方式進行自適應調整，提供了更好的彎道照明并且解決了對迎面來車的眩光等問題，極大地提高了夜間行車安全性。目前在汽車上實現應用的AFS系統(tǒng)通常由如下三個部分組成信息感知單元、中央控制單元和驅動執(zhí)行單元。信息感知單元包括各種傳感器如方向盤轉角傳感器、橫擺角速度傳感器和車身高度傳感器等。中央控制單元接收傳感器采集到的信息，由內置的數學模型計算車燈上下或左右的旋轉角度，最后通過驅動控制單元中的步進電機控制前照燈的旋轉。安裝此系統(tǒng)后可以使得駕駛員能夠看清前方實際路況，進而有充分的時間來應付緊急情況，降低駕駛員的疲勞程度和緊張程度，明顯提高夜間行車的安全性。此外，若要使前照燈能夠根據環(huán)境的變化調整光型的變化，還要安裝濕度傳感器、燈光傳感器等，使其在霧天陰雨天等惡劣的環(huán)境下，也能達到最佳的照明效果。附圖2展示了AFS系統(tǒng)的照明效果。可以看出，AFS系統(tǒng)開啟比不開啟時照明效果得到了明顯的改善。
雖然現有的AFS系統(tǒng)極大地改善了夜間照明，但對前照燈的控制通?；谄嚠斍皶r刻的運動狀態(tài)，或與方向盤的轉動而聯(lián)動，并沒有對汽車預期行駛軌跡進行估計或對駕駛員的實際駕駛意圖進行判斷。所以，對現有智能前照燈系統(tǒng)的改進還有待進行。


發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種仿駕駛員預瞄行為的汽車智能前照燈系統(tǒng)，在汽車夜間彎道行駛時，可以控制前照燈在水平方向轉動相應的角度。參閱圖2所示，安裝此系統(tǒng)后，可以為駕駛員提供充分的彎道照明，有效地提高了夜間行車的安全性。
本發(fā)明的上述目的可通過以下技術方案實現 一種仿駕駛員預瞄行為的汽車前照燈系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括由加速度傳感器組成的信息感知單元、內置仿駕駛員預瞄行為的前照燈轉角計算程序的中央控制單元和由步進電機組成的驅動執(zhí)行單元，其中縱向和側向加速度傳感器采集車輛的運動狀態(tài)信息，通過車內的信號傳輸網絡傳輸給中央控制單元，中央控制單元計算出前照燈的旋轉角度后，將角度信號傳輸給驅動執(zhí)行單元中的步進電機，控制電機進行相應的動作。
所述的加速度傳感器用來測量車輛縱向和側向的加速度變化。
所述的中央控制單元，用于根據縱向和側向加速度傳感器采集的加速度信號，通過內置的仿駕駛員預瞄行為的前照燈補償角度數學模型計算出前照燈水平方向應旋轉的角度。
以下結合附圖進一步說明本發(fā)明的技術方案，本系統(tǒng)包括三個基本模塊信息感知模塊--即安裝在汽車上的傳感器。前照燈驅動控制模塊以及內置轉角計算數學模型的中央控制單元。其特征還在于安裝在汽車上的加速度傳感器用來測量汽車的側向加速度和縱向加速度。傳感器和中央控制單元連接在一起，將車輛的運動狀態(tài)信息傳輸給控制模塊。而中央控制單元將計算出的轉角信號傳輸給驅動執(zhí)行單元中的步進電機，控制前照燈進行相應的轉動。
其中，中央控制單元內寫入了仿駕駛員預瞄行為的轉角計算程序。其特征在于通過模擬駕駛員在通過大曲率彎道時的前視預瞄行為，參考車輛狀態(tài)信息，預估汽車行駛軌跡，計算出前照燈水平方向補償角度，參閱圖3所示。
所謂駕駛員的前視預瞄行為，就是駕駛員根據實際駕駛經驗，在駕駛過程中為了能夠控制汽車當前的運動使汽車達到預期位置，通常會向前方觀察一定范圍內的道路狀況。同時據自己對汽車動力學和運動學特性的認識和掌握，利用汽車的當前狀態(tài)和汽車的穩(wěn)態(tài)響應來估計汽車的預期行駛軌跡。具體實現方法如下由于需要計算經過預瞄時間Tp后車輛的運動狀態(tài)及前照燈的水平轉角，則取車輛坐標系為參考坐標系，因此在t時刻的縱向位置x0橫向位置y0和橫擺角

均為零，且由安裝在汽車上的縱向和側向加速度傳感器測得的當前時刻t的縱向加速度穩(wěn)態(tài)值為

橫向加速度穩(wěn)態(tài)值為

由于汽車的瞬態(tài)響應時間相對于前視時間非常小，因此可以認為汽車在t時刻到t+Tp時刻的這段時間內按照穩(wěn)態(tài)特性運動，在前視時間內(通常為1～2s)，可以認為汽車的縱向和側向加速度是不變的，汽車的速度控制特性和方向控制特性近似于一個一階線性參考模型。通過獲得的汽車狀態(tài)和位置參數，就可以對汽車在未來的一段預瞄時間Tp內的預期形式軌跡進行預估。從而可以得到車輛預期位置與車輛縱向軸線之間的夾角即相對應的前照燈水平旋轉角度。
由上述分析可知，與現有AFS系統(tǒng)控制策略相比，本發(fā)明能夠取得更好的控制效果傳統(tǒng)的控制方法僅根據當前汽車的運動狀態(tài)信息對前照燈進行控制，并沒有對駕駛員的駕駛意圖進行判斷。本發(fā)明通過對車輛未來行駛軌跡的預估，確定駕駛員開車時的預瞄區(qū)域，控制前照燈使其旋轉到最佳的照明位置，最大限度地滿足駕駛員對光照的需要。



圖1為仿駕駛員預瞄行為的AFS系統(tǒng)模塊簡圖； 圖2為裝配AFS前后夜間彎道照明效果對比圖； 圖3為前照燈水平轉角數學模型建立示意圖。
圖中1.近光燈 2.縱向調高步進電機 3.水平旋轉步進電機 4.未裝配AFS 5.裝配AFS后 6.前照燈照射區(qū)域
具體實施例方式 下面結和附圖所示實施例進一步說明本發(fā)明的具體內容及其實施方式 圖1所示為本發(fā)明所述的汽車智能前照燈系統(tǒng)結構圖。包括測量汽車縱向和側向加速度的傳感器，內置轉角計算數學模型的中央控制單元和前照燈驅動控制模塊。加速度傳感器的輸出端與中央控制單元輸入端相連接，而中央控制單元的輸出端與驅動控制模塊連接在一起。
其中加速度傳感器用來測量汽車在縱向和測量的加速度變化，測量得到的加速度信號用于計算前照燈的水平轉角。在中央控制單元中寫入了仿駕駛員預瞄行為的前照燈轉角的控制算法?？刂扑惴ńY合汽車當前運動狀態(tài)，對汽車預期路徑做出判斷，從而得出更加合理的前照燈轉角控制信號。驅動執(zhí)行單元的作用是接收中央控制單元發(fā)出的旋轉角度信息，通過步進電機控制前照燈在水平方向上旋轉，實現在彎道處對光照方向的調節(jié)。
為了更清楚地闡釋本發(fā)明中前照燈控制的原理，下面對前照燈水平轉角的計算作進一步說明 計算方法的基本思想如下通過模擬駕駛員在通過大曲率彎道時的前視預瞄行為，參考傳感器采集到的車輛狀態(tài)信息，利用車輛穩(wěn)態(tài)響應特性對汽車在未來一段時間后的預期行駛軌跡進行預估。同時考慮橫擺運動對航向角的影響，建立了汽車預期軌跡曲線積分算法，計算出經過預瞄時間后汽車所達到的相對位置，從而得到相對于汽車縱向軸線的偏轉角度即自適應車燈的水平旋轉角度。
所謂駕駛員的前視預瞄行為，就是駕駛員根據實際駕駛經驗，在駕駛過程中，通常會向前方觀察一定范圍內的道路狀況，并根據自己對汽車動力學和運動學特性的認識和掌握，利用汽車的當前狀態(tài)和汽車的穩(wěn)態(tài)響應來估計汽車的預期行駛軌跡，從而控制汽車的當前運動，使汽車達到駕駛員所預瞄的位置。
對行駛軌跡預估的具體實現方法如下由于需要計算經過預瞄時間Tp后車輛的運動狀態(tài)及前照燈的水平轉角，則取車輛坐標系為參考坐標系，因此在t時刻的縱向位置x0橫向位置y0和橫擺角

均為零，且由安裝在汽車上的縱向和側向加速度傳感器測得的當前時刻t的縱向加速度穩(wěn)態(tài)值為

橫向加速度穩(wěn)態(tài)值為

由于汽車的瞬態(tài)響應時間相對于前視時間非常小，因此可以認為汽車在t時刻到t+Tp時刻的這段時間內按照穩(wěn)態(tài)特性運動，在前視時間內(通常為1～2s)，可以認為汽車的縱向和側向加速度是不變的，汽車的速度控制特性和方向控制特性近似于一個一階線性參考模型。通過獲得的汽車狀態(tài)和位置參數，并模擬駕駛員在開車過程中的前視預瞄作用，就可以對汽車在未來的一段預瞄時間Tp內的預期行駛軌跡進行預估。
具體計算方法如下從汽車運動學的角度講，汽車在未來t+Tp時刻所能達到的位置可以認為是由汽車當前運動狀態(tài)和汽車的縱向、橫向加速度決定的。因此，可以根據當前時刻t汽車的狀態(tài)預測未來時刻t+Tp的運動狀態(tài)

將前視時間Tp劃分成均等的離散時間片，在每個時間片內，由于時間很短，使用剛體運動學原理計算車輛的狀態(tài)，然后逐步累加獲得t+Tp時刻車輛的狀態(tài)。由于車輛橫擺運動的影響，相鄰兩個時刻之間車輛的航向角

發(fā)生了變化，因此車體坐標系在不同的時間片是不同的。但是汽車狀態(tài)都是在前一時刻的車輛坐標系下進行計算的，因此必須進行坐標變換，將其從不同車體坐標系轉換到初始坐標系下才能累加，獲得該時刻的車輛狀態(tài)。在計算t+Tp時刻車輛狀態(tài)的過程中始終以t時刻車輛坐標系為基準，從坐標系(xj，yj)到坐標系(x0，y0)的轉換矩陣為

從而汽車在預期軌跡點Pj的狀態(tài)由下列計算獲得



式中j＝1，2，…，J(J為等分時間片的個數)。其中x0，y0表示初始汽車的位置。

表示初始縱向和橫向速度。

表示初始縱向和橫向加速度的穩(wěn)態(tài)值，

是初始車輛航向角，Δtp＝Tp/J，Tp為預瞄時間。通過以上計算可以得到t+Tp時刻在車輛坐標系內的質心位置坐標為(xJ，yJ)，那么便可以得到車輛預期位置與車輛縱向軸線之間的夾角即相對應的前照燈水平旋轉角度

權利要求
1.一種仿駕駛員預瞄行為的汽車前照燈系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括由加速度傳感器組成的信息感知單元、內置仿駕駛員預瞄行為的前照燈轉角計算程序的中央控制單元和由步進電機組成的驅動執(zhí)行單元，其中縱向和側向加速度傳感器采集車輛的運動狀態(tài)信息，通過車內的信號傳輸網絡傳輸給中央控制單元，中央控制單元計算出前照燈的旋轉角度后，將角度信號傳輸給驅動執(zhí)行單元中的步進電機，控制電機進行相應的動作。
2.根據權利要求1所述的一種仿駕駛員預瞄行為的汽車前照燈系統(tǒng)，其特征在于，所述的加速度傳感器用來測量車輛縱向和側向的加速度變化。
3.根據權利要求1所述的一種仿駕駛員預瞄行為的汽車前照燈系統(tǒng)，其特征在于，所述的中央控制單元，用于根據縱向和側向加速度傳感器采集的加速度信號，通過內置的仿駕駛員預瞄行為的前照燈補償角度數學模型計算出前照燈水平方向應旋轉的角度。
4.根據權利3所述的一種仿駕駛員預瞄行為的汽車前照燈系統(tǒng)，其特征在于，所述的前照燈補償角度數學模型，通過模擬駕駛員的前視作用，利用車輛穩(wěn)態(tài)響應特性對汽車在經過預瞄時間t+Tp后的運動狀態(tài)(xJ，yJ，
)進行預估，從而得到相對于汽車縱向軸線的偏轉角度即自適應車燈的水平旋轉角度，
式中j＝1，2，…，J為等分時間片的個數，其中x0，y0表示初始汽車的位置，
表示初始縱向和橫向速度，
表示初始縱向和橫向加速度的穩(wěn)態(tài)值，
是初始車輛航向角，Δtp＝Tp/J，Tp為預瞄時間，
是坐標系(xj，yj)到(x0，y0)的轉換矩陣，由于在汽車駛入彎道前AFS系統(tǒng)即開始工作，可以認為此時汽車側向速度和加速度初始值為零，通過以上計算可以得到t+Tp時刻在車輛坐標系內的質心位置坐標為(xJ，yJ)，那么便可以得到車輛預期位置與車輛縱向軸線之間的夾角即相對應的前照燈水平旋轉角度
全文摘要
本發(fā)明涉及一種仿駕駛員前視預瞄行為的汽車前照燈系統(tǒng)。技術方案是通過傳感器獲取汽車縱向和側向加速度信號，并結合這一運動特征參數，建立曲線積分算法預估汽車未來一段時間的行駛軌跡，計算出駕駛員當前所關注的道路位置即所需照明的區(qū)域，從而得到了前照燈在水平方向需要轉動的角度。驅動電機接收轉角信號并控制前照燈在水平方向上的旋轉。本發(fā)明可以合理控制前照燈的照明區(qū)域，保證夜間駕駛時駕駛員所關注的主要道路區(qū)域內始終有充分的照明，為處理道路前方出現的緊急情況提供了更為充分的反應時間，降低駕駛員的緊張程度，對夜間行車安全具有重要的意義。
文檔編號B60Q1/08GK101817324SQ20101017569
公開日2010年9月1日 申請日期2010年5月18日 優(yōu)先權日2010年5月18日
發(fā)明者高鎮(zhèn)海, 高菲, 段立飛, 王竣, 郭健 申請人:吉林大學