汽车照明Word文档格式.docx
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TitleThedesignofAdaptivecontrolwiththeautomotive
LEDlightingsystem
Abstract
Car,asanessentialmeansoftransportation,itssafetyhasbeenpaidenoughattentionto.Headlightisthemostimportantpartofilluminationmethods.Ithasapivotalpositionintheautomotivesafety.ThispaperisresearchingwiththedesignoftheLEDautomotivelightingsystembasedonadaptivecontrol,includingthehardwareandsoftwaredesignofhigh-powerLEDhighbeam,8small-powerLEDlowbeamand3small-powerLEDturnsignals.Itisalsoincludingthethreelampdrivercircuitdesign,LEDadaptivedimmingdesign,theautomaticswitchingcircuitdesignofhighbeamandlowbeamanddelayturningofftheheadlamp,whichmakesthedrivemoresecure,moreintelligentandhumane.Becauseofthelowpowerconsumption,thechoiceofLEDmakescarsmoreenergysavingandgreen.Thiswillalsobethemaindirectionoftheautomotivelightingdevelopment.
KeywordsAutomotiveLightingLEDAdaptiveTechnology
1引言
1.1汽车照明系统的现状
随着现代科技技术的发展，人们的生活水平也飞速提高，汽车也逐渐从简单的代步工具慢慢转变成高档的生活享受，同时汽车的行驶安全也引起了人们的高度重视。
前照灯作为汽车照明的最重要手段，所以也在汽车行驶的安全性方面尤其是夜间行驶具有举足轻重的地位。
目前，汽车照明系统正在经历着重要变革，不仅氙气灯（HID）和发光二极管（LED）得到了更广泛的应用，而且汽车照明系统也日益智能化，并且智能化的范围不断延伸。
例如前照灯可以转换角度，以便驾驶者能看到偏僻的角落，不过这还取决于汽车的行驶速度。
随着汽车技术的发展，汽车前照灯将会发生越来越大的变化。
新型、智能化的LED灯具是国际上汽车电子化中最耀眼的产品之一，目前国际上高档轿车如凯迪拉克、宝马、丰田、奔驰和福特等纷纷推出配有五彩缤纷的各种LED灯具的新款式轿车吸引顾客，2004年下半年我国汽车高增长速度下降，汽车市场竞争空前激烈，新款式、新车型不断推出，加速了新型LED车灯的开发。
上海汽车电子工程中心与上海小系车灯公司在2004年启动了25项，其中特别重要的是丰田、通用和奇瑞等汽车整车制造公司提出4个车型，7种LED信号灯具的需求，这标志着我国LED信号汽车灯具进入了一个新阶段。
丰田在2007年5月17日发布的最高级混合动力车“雷克萨斯LS600h”上全球首次配备了LED前照灯，如图1.1所示。
寿命长达1万小时，点亮所需时间不超过0.1秒。
功耗比HID灯的普及产品要低，与HID灯高端产品相当，今后如进一步改进，功耗预计会更低。
图1.1雷克萨斯LS600h前照灯
1.2汽车照明中存在的问题
由于能源短缺和汽车节能减排越来越受大众的重视，所以最开始使用的白炽灯因为其高耗能，低转换率，已经几乎被淘汰，而随后发展的卤素灯虽然性能优于白炽灯，但相比于较后发展起来的氙气灯，还是存在诸多不足。
比较如下：
传统的卤素灯发光色温值一般为3200k，而双氙气灯发出的光的色温值一般大于4100k，与太阳光非常靠近，非常适合人们的视觉感受，对驾驶员眼睛的疲劳度有很好的改善；
在发光强度上，传统卤素灯的前照灯灯泡为55w，此时只有1000lm的亮度，双氙气灯35w的功率，对应的亮度为3200lm[1]，在夜间行车的时候，驾驶员的视野将会更加开阔，在节能减排的同时也提高了驾驶安全性。
LED作为最近才应用于汽车前照灯的新型光源，其巨大优势也是有目共睹的，氙气灯虽然具有诸多优势，但激发氙气灯发光需要将车上的12v低电压升到23000v的高压，在这个过程中，一旦漏电，极易产生高压打火，引起火灾，在安全性方面存在较大漏洞，即使采取策略可以安全控制，但随之而来的成本也会大大提升，LED的亮度基本与通过它的电流成正比（电流大于LED截止电流之后），所以汽车12v电压完全能满足LED的驱动。
其次，氙气灯启动至完全亮度需要2秒时间，在高速公路上行驶时存在很大安全隐患，而LED基本是闪开，只需0.1s左右。
所以在行驶安全性方面，LED优于氙气灯。
然而LED也存在很多劣势，首先亮度不够，即使使用高亮度的LED也需几个组合才能达到氙气灯的亮度，其次当使用高亮度的LED，尤其是LED组合照明时，其发热量非常巨大，远高于氙气灯，所以LED的散热也是其能否成为LED前照灯的巨大瓶颈，如果能找到很好的散热方式，同时随着LED质量的规范化，量产化。
LED灯具将会占据汽车照明的绝大多数市场。
下面是卤素灯、氙气灯、LED灯的对比，见表1.2。
表1.2卤素灯、氙气灯、LED灯的比较
灯泡
工作电压
工作电流
色温
功耗
寿命
卤素灯
12v
3.5A
2800K
60w
短
氙气灯
12V瞬间增压至23000V
一般6000K左右
25w
长
LED灯
12V
0.02至0.03A
8w左右
很长，几乎不需要更换
本文采用了自适应控制为基础的LED汽车照明技术，通过PWM技术实时调节LED亮度以保证汽车照明的需要，同时也进行了汽车远近光自动切换和前照灯延时关闭的电路设计，使得前照灯更加智能化，人性化，在保证驾驶员驾驶的安全性和舒适性的同时又对汽车进行了节能减排，提高了汽车的绿色性能。
2汽车照明的技术要求及标准
2.1前照灯的照明技术要求及标准
汽车前照灯的任务就是照清汽车前方的路面，为驾驶员提高良好的视野环境。
对前照灯的主要技术要求为：
1、汽车在夜间行驶时，前照灯的远光能照亮车前100m处一定范围内、高2m的物体，保证司机发现前方有障碍物时及时采取制动或绕行措施，确保行车安全。
2、在使用前照灯近光时，不但应保证车前40m处司机能看清障碍物，而且不能让迎面对开的司机或行人产生眩目，以确保汽车在夜间交会车行驶时的安全[2]。
前照灯的配光性能是在前照灯基准中心前25m，过HV点的铅垂屏幕上测试的。
远光灯和近光灯共用一个配光屏幕。
在图2.4中，B50L称作防眩点，表示距离前照灯50m处迎面而来的驾驶员眼睛的位置。
该点的照度不得大于规定值，否则会使对面回车的驾驶员感到眩目。
50R及75R分布代表本车道右边缘距离前照灯50m及75m处的照明点，这两点的照度值不得低于规定值，保证车辆行驶时有足够的强度，以便驾驶员能够及时发现障碍物，并采取必要措施。
25L及25R分别表示前方25m处左、右两边的照明点。
截止线以上的区域为
区，又称为防眩区，表明车灯的眩目状况，其照度值同样不允许大于规定值。
区成为过渡区，表征了前照灯前25m至50m范围内车道全宽的照明情况。
区也称作近距离照明区，表示距车前25m以内的道路照明情况。
前照灯的防炫目：
夜间会车时，前照灯强烈的灯光会使迎面驾驶员眩目，容易引发交通事故，所以为了避免前照灯的眩目，一般在汽车上都采用双丝灯泡的前照灯，可以通过切换远光近光[4]。
远近光的配光标准如图2.1和表2.2所示。
图2.1近光配光要求示意图
表2.2近光配光中相应位置的照度要求
在我国，国家标准《汽车前照灯配光性能》（GB4599-1994）对汽车前照灯的配光性能作了非常详细的定义和要求，以保证汽车的近光灯具有足够的照明，但又避免对相对方向的道路使用者产生眩目，远光灯则需具有良好的照明效果。
一般汽车前照灯的照明标准分为美国标准和欧洲标准，一般对汽车的近光灯，在能提供良好的路面照明的同时为了避免给迎面而来的其他道路使用者造成眩目干扰，除了空间的某些角度范围内的具体分布外，还需要有良好的明暗截止线。
我国的前照灯标准基本与欧洲标准（ECE）法规一致[5]。
如下图2.3所示，在灯具前方25m测试屏幕和路面上，近光灯灯具应符合图中的照明效果。
图2.3
2.2汽车照明的电气要求
根据汽车电气系统要求，汽车照明的电气要求[6]如下：
（1）直流，汽车照明是由蓄电池供电，蓄电池充电必须使用直流电源；
（2）低压，汽车电气系统的额定电压主要有12v和24v两种，汽油车普遍采用12v电源，柴油车一般采用24v电源；
（3）负极搭铁，蓄电池的一个电极需接至车架或车身上，俗称搭铁。
蓄电池的负极接车架或车身称之为负极搭铁，蓄电池的正极接车架或车身称之为正极搭铁，我国标准规定汽车线路统一采用负极搭铁；
（4）并联连接，汽车上的两个电源之间以及所有用电设备之间都采用并联连接，在使用中，当某一支路用电设备损坏时，并不影响汽车其他支路用电设备的正常工作；
（5）单线制，汽车上任何一个电路中的电流都是从电源的正极经导线流入用电设备后，再由电气设备自身或负极导线搭铁，从而形成回路；
（6）保护装置，为了防止因短路或搭铁而烧坏线束，电路中一般设有保护装置，如熔断器、熔断丝等。
2.3汽车照明的其他要求
由于汽车前照灯需要保证其工作的稳定性和较长的使用寿命，所以要求：
汽车前照灯在使用过程中，为保证它的寿命和使用稳定性，需要考虑其防震，防水，防尘设计，而LED灯由于其抗震性能很好[7]，采取一般的前照灯的防震措施可以满足抗震要求。
所以在前照灯的机械设计中，需要有缓震，密封措施。
3基于自适应控制的LED照明系统总体方案
3.1汽车照明的系统及结构研究
前照灯的光学系统[8]可分为反射型和透射型。
反射型前照灯又可以分为单抛物面反射镜、多抛物面反射镜和自由面反射镜。
单抛物面反射镜这是最简单的一种类型，灯泡位于抛物面的焦点上，灯泡发出的光线经抛物面变成平行光，再经过配光镜的偏转散射作用，来满足法规的要求，达到既照亮路面，又防眩目的作用，反射镜使用的材料主要为金属薄板、玻璃等。
配光镜为带配光花纹玻璃制件，如图3.1所示。
图3.1单抛物面反射镜
多抛物面反射镜这是在单抛物面反射镜基础上发展出来的一种类型，其反射面由多个不同焦距的抛物面组成，与单抛物面反射镜相比能够提供光源的利用率，改善路面的照明状况。
反射镜的材料主要是金属薄板和BMC（热固塑料），配光镜仍然是带配光花纹玻璃制件，如图3.2所示。
图3.2多抛物面反射镜
自由面反射镜这是计算机辅助设计系统的产物，它可以通过计算机系统将光源发出的光转到指定的区域，不用配光镜的2次配光，也能达到法规的要求并防止眩目，可以使用无花纹的配光镜。
目前，大部分车型都是用该类反射镜的前照灯。
由于受到金属材料成型，以及后处理的限制，目前反射镜的材料只能是BMC，今后随着新材料的发展，BMC材料将逐渐被热塑材料取代。
BMC材料在环保方面存在的最大问题是，由于固化后的BMC材料化学性质非常稳定，不能回用，废料处理的问题成为BMC材料应用的最大障碍，国外的经验是用其粉碎料修公路，但加入量不能超过2%。
目前，热塑材料还没有在前照灯反射镜中大量使用，其主要原因是材料的耐热问题和在高温高频震动条件下的稳定性问题。
德国Hella已经在Golf车的前照灯反射镜进行了小量应用，但广泛采用还需一段时间，如图3.3所示。
图3.3自由曲面反射镜
透射型前照灯这是使用了透镜组的前照灯。
透镜组是由灯泡、反射镜、遮光片、透镜组成，简称DE。
1984年德国Hella公司首次批量生产该类型的前照灯，用于VWGOLFI，随后德国、法国等欧洲公司又相继开发出具有远近光功能的透镜组件，并在AudiA6、AudiA4等轿车中应用。
最近，他们又在远近光透镜组的基础上开发了具有全新意义的新型前照灯，也就是多功能前照灯系统,如图3.4所示。
图3.4透射型前照灯
3.2自适应控制原理
自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定性的系统，这里所谓的“不确定性”是指描述被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的，其中包含一些未知因素和随机因素。
任何一个实际系统都具有不同程度的不确定性，这些不确定性有时表现在系统内部，有时表现在系统的外部。
从系统内部来讲，描述被控对象的数学模型的结构和参数，设计者事先并不一定能准确知道。
作为外部环境对系统的影响，可以等效地用许多扰动来表示。
这些扰动通常是不可预测的。
此外，还有一些测量时产生的不确定因素进入系统。
面对这些客观存在的各式各样的不确定性，如何设计适当的控制作用，使得某一指定的性能指标达到并保持最优或者近似最优，这就是自适应控制所要研究解决的问题[9]。
本文的自适应控制原理：
1、前照灯灯光随外界环境明暗的自适应；
2、汽车行驶时前照灯智能随动调节。
前照灯灯光的自适应调节原理如下框图3.5所示。
通过光照度传感器测出外界光强度，再将测出的数据输入至单片机，通过计算判断，算出前照灯所需发出的光照强度，从而通过脉冲宽度调制方式（PWM），改变驱动的LED灯光的亮度，光照度传感器再将此时的外界光强度测量出来，再交给单片机计算判断，如此往复，使光照强度达到驾驶员所需的目标值。
图3.5自适应调光框图
而前照灯智能随动调节的调节原理框图如图3.6所示。
该系统是一个由传感器、控制器和执行机构组成的电子控制系统。
夜晚行驶转弯时，车辆根据转向角和车速的变化自动调整前照灯的近光照射方向，照亮车辆即将行驶的前方路面；
当汽车前后载荷发生变化而使汽车车身倾斜时，根据安装在前后车轴上的车身高度传感器所测得的信号进行判断处理，补偿车辆载荷的变化，实现照明距离的自动调节；
夜晚汽车行驶在高速公路上，遇到上坡时，根据车速、坡度以及汽车到坡的距离等信息自动调整前照灯的照射距离，实现远距离照明，增加前方路面的视野信息；
夜晚行驶会车时，前照灯的远近光变光控制，会车时，系统自动变为近光状态；
会车完毕自动恢复到远光状态。
而汽车停车之后，前照灯可以延时关闭，从而为停车后的驾驶员提供视野，方便驾驶员离开光线较暗的车库。
这种智能随动调节涉及的传感器有很多:
1前后轴车身高度传感器：
检测车辆前、后轴处的车身高度，控制器根据此传感器信号判断车身是否前倾或后仰，进行前照灯光束垂直照射角度控制；
2轴重传感器：
检测车辆的载荷，控制器根据此传感器信号判断车身是否前倾或后仰，分析车身的高度，进行前照灯光速垂直照射角度控制、前照灯高度调节；
3转向盘转角传感器：
检测转向盘的转动角度和转动方向，控制器根据此传感器的信号判断车辆是否进入转弯行驶状态及转动的方向，以进行前照灯的水平照射角度的控制；
4车身横向加速度传感器：
检测车辆前部横向位移速度，控制器根据此传感器信号判断车辆转弯的程度，以进行前照灯的水平照射角度的控制；
5车速传感器：
检测汽车的行驶速度，控制器根据此传感器信号进行前照灯高度控制，该传感器信号也是控制器进行前照灯的水平照射角度控制的参考信号。
智能随动调节控制器：
控制器由微处理器、输入及输出电路等组成，其作用是对传感器输入的信号进行分析处理，然后输出控制信号，通过输出电路控制执行器工作，实现前照灯的自适应控制。
控制器与传感器、执行器的连接通常采用CAN总线，其目的是减少导线的数量和线束的体积，以提高信号传输的可靠性，并使的工作可靠性得以提高。
控制器接受到的传感器信号，如车速、车身转动角速度等是可以定量分析的，但有些传感器信号只能进行定性分析，例如地面平不平、雨下得大不大等车身之外的环境信息，都是不能精确量化的。
因此，控制器的中央处理器必须具有模糊分析功能，而且还要随着环境的改变而不断地修整系统参数，成为一个自适应的模糊系统。
智能随动执行器：
执行器由一组伺服电动机和光学机构组成，如投射式前照灯、对前照灯垂直角度进行调整的调高电动机、对前照灯水平角度尽心调整的旋转电动机、对基本光型进行调整的可移动光栅。
此外还有些附加灯，如角灯等等。
图3.6前照灯智能随动调节框图
3.3自适应控制LED汽车前照灯系统方案
首先选取LED光源，再选取合适的反射镜和透镜，通过合理的配光来满足汽车前照灯的照明要求。
其次通过所选的LED功率和数量来选择其对应的驱动电路，再配合传感器和单片机来完成灯光的自适应调节，而前照灯智能随动系统由于时间原因，就只作简单介绍和电路实现原理描述。
4汽车照明的光电系统及软件设计
4.1汽车LED的选择及光学系统设计
4.1.1LED灯源选择
LED是英文LightEmittingDiode（发光二极管）的缩写，它是用粘合剂把管芯装在引线框架上，再用金线把管芯的另一侧连接到支架的另一节，然后用环氧树脂封装成型。
发光二极管主要包括几部分：
芯片，反光碗，支架，金线，环氧树脂等。
普通发光二极管的基本结构[12]如图4.1所示。
图4.1发光二极管的结构
本文采用的LED前照灯总体方案如下图4.2所示。
图4.2LED前照灯总体方案图
一般1w的LED的亮度相当于5至6w的卤素灯的亮度，而一般汽车前照灯的远近光灯的功率都在55w左右，远光灯功率和近光相差不大，只是配光方式不同，一般远光灯在透镜的焦点上，发出的光会平行射出，光线较为集中，亮度较大，可以照得很远。
而近光灯在其焦点以外，一般是在一倍焦距和二倍焦距之间，发出的光呈发散状态，照射的范围较大。
本文选取的远光灯为10w的大功率LED灯泡，根据目前国外100lm/w的LED制造工艺，远光灯的光通量在1000lm左右，6000k左右的色温，这种色温下的光是最接近正午日光的颜色，非常适合人眼的接受度，能有效减少驾驶人员的眼睛疲劳度，有助于行车安全；
近光灯选取的是8个2w的LED灯泡组合照明，由于是组合照明，光照强度不能完全叠加，所以8个2w的LED灯有差不多1500lm的光通量，满足汽车近光灯的光照强度要求，再配合适当的配光系统，基本能满足前照灯的技术标准要求。
汽车转向灯根据标准，其光通量要达到200lm[10]，本文选取3个1w的LED灯泡，其光通量能达300lm左右，能够满足转向灯光强的需求。
4.1.2前照灯光学系统设计
转向灯在光学照明系统设计方面可以不予考虑；
近光灯照明由于要求其发光具有发散性，在光强度方面要保证其不具有眩目性，所以透镜应选择发散角较大的，使近光灯的照射发散角度在50度左右，一般把近光光源放在透镜的1.5倍焦距处；
远光灯照明需要聚光，使照射的距离尽可能远，所以远光灯光源发出的光最好经透镜后都成平行光，所以远光光源放在透镜的焦点处[13]。
在反射镜方面，由于近光灯需要将收集到的光在水平方向上进行扩散和会聚，而在垂直方向上只需会聚，所以单纯采用采用传统的抛物面、椭球面和双曲面反射镜无法满足实现车灯的配光需求，所以需要能够自由控制的面，图4.3显示了一些带有自由变量可调的曲面，这些反射面在水平方向上既能形成扩散，同时又能形成接近光轴的平行光束，产生所需要的会聚光，从而满足汽车前照灯的水平配光需求，在垂直方向上，由于无需扩散，所以类似于抛物面的传统曲面似乎更好，综上所述选择可调节的自由曲面反射镜。
图4.3传统曲面和自由曲面反射镜
反射镜可以被当做一个成像系统，当反射面为理想的镜面时，灯丝的像由反射镜上各反射点的特性形成，当光源的几何尺寸和相对于反射镜的位置确定后，灯丝像随反射镜上反射点的变化而变化，这个关系可以用矢量运算来表示。
图4.4光源光线反射路径示意图
如图4.4所示，发自光源S的光线
在反射镜p点反射后形成方向矢量为
的光线，设反射镜p点的法线方向为
，则根据反射定律有
（4.1）
即
（4.2）
对于给定光源和反射面的情况下，
和
已知，需要求解
中各元素，因此需要更多的关系式来求解这三个元素，由于
、
都是单位矢量，且根据反射定律
与
的夹角相等，因此有：
（4.3）
（4.4）
联立式（4.2）和式（4.4）的两个式子，可以解得：
（4.5）
（4.6）
以抛物面为例，即由焦点发出的光线经反射面反射后始终沿光轴方向出射，即
=（0，0，1）。
由于
共面，因此可以有：
（4.7）
其中，
为系数。
设反射镜上某点坐标为
，光源位于焦点
，则
（4.8）
式中
。
将式（4.8）代入式（4.7）：
（4.9）
整理归一化得抛物面上各点法线方向单位矢量
可表示为：
（4.10）
所以利用灯丝映像的方法，计算灯丝上各点经过反射面某点反射后所成像的情况，可以通过图4.5所示步骤计算。
图4.5计算光源在反射镜各点成像的步骤
4.2LED的基板设计
LED基板一般选用铝基板，LED铝基板产品问世，开启散热应用行业的发展，由于LED铝基板散热特色，加上铝基板具有高散热、低热阻、寿命长、耐电压等优点，随着生产技术、设备的改良，产品价格加速合理化，进而扩大LED产业的应用领域，如家电产品的指示灯铝基板、汽车车灯铝基板、路灯铝基板及户外大型看板等。
LED铝基板的开发成功，更将成为室内照明和户外亮化产品提供服务，使LED产业未来的市场领域更宽广。
铝基板与LED的连接图如图4.6。
LED铝基板特点：
1采用表明贴装技术（SMT）；
2在电路设计方案中对热扩散进行极为有效的处理；
3降低产品运行温度，提高产品功率密度和可靠性，延长产品使用寿命；
4缩小产品体积，降低硬体及装备成本；
5取代一岁的陶瓷基板，获得更好的机械耐久力[14]。
图4.6L
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