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【摘 要】为解决车辆任意转弯角度时行车路线上的最佳照明的问题，本文利用模糊控制在车灯随动控制上的优势，对车灯随动控制进行研究，并对“S弯道”、“雨天路滑”和“开启条件”3种情况进行了分析。
【关键词】自适应前照灯系统；车灯随动；模糊控制；弯道照明
目前大多数汽车前照灯系统的前照灯光束方向一般是汽车纵向正前方，不能随转向轮的偏转而偏转。夜间车辆转弯时，弯道内存在一个照明盲区，灯光的有效覆盖范围较小并且不包括弯道内的盲区，驾驶员对路况的观察受到严重影响，增加了夜间行驶的难度，容易造成交通事故。为了解决这个问题，车辆转弯中需要对车灯进行随动控制，一项称为随动转向控制大灯（AFS）的新技术就此诞生。已有研究[1]-[6]中多是针对单一情况的分析，不能够适应多种路面情况，而模糊控制技术能够较好的融合人类经验， 因此可考虑引入模糊控制进行车灯随动系统的控制。
1.车灯随动控制策略
已有研究中对于车灯随动控制一般采用车速与前輪转向角度作为输入，输出为车前大灯的旋转角度，这种控制策略基本上是建立在比较理想的道路转弯情况下的。实际情况复杂多变，仅以车速与前轮转向角度作为输入不能详细分辨复杂的实际情况，从而不能达到适应各种情况下的控制需求，比如“S弯道”、“倒车”和雨天路滑等等。
为达到所需的种种控制需求，首先，控制器必须要满足常规道路转弯的控制需求，其次才对非常规道路转弯的各种情况进行适应，最后还要解决“稳态误差”的问题。所以，可以考虑采用前轮内转角R、车速S作为输入信号先完成对常规道路转弯的控制需求。针对类似“S弯道”的情况引入“复位信号”F。对于倒车或者其它一些不需要进行车灯随动的情况，引入倒车档位信号（手动关闭信号）D。另外考虑到“雨天路滑”这类特殊情况，还引入了雨刷启动信号Y。通过增加控制输入量可以较好的提高控制效果。
2.适用于常规道路转弯的模糊控制器的设计
适用于常规道路转弯的模糊控制器是控制策略的前提与核心，采用的输入信号为前轮内转角R和车速S，输出为车前大灯在水平方向上的转向角度Z。一般车辆前轮转角的最大值在35°～40°[7]，因此将前轮内转角R的变化范围定为[0°，40°]，只表示一个方向上的角度变化，以便于下文中的输出对应。车速S的变化范围是[0，180]km/h，值得注意的是，尽管车辆在高速时不会进行较大角度的转弯，但依然可以对车速的最大值设置较高，以保证高速时进行小角度的转弯的情况下控制器依然起到相应的作用。
参考文献[6]的相关结论和个人研究经验，对车速采用梯形隶属度函数，目的是希望车速的某些微小变化并不是总是对前照灯产生影响，而是应该要有一定的稳定性。其中的“0”表示车速处于[0，9]km/h范围，车速很小并且在[0，3]km/h的隶属度为最大值1；“11”表示车速处于[5，20]km/h范围，车速较小并且在[10，12]km/h的隶属度为最大值1。“22”表示车速处于[15，33]km/h范围，车速中等并且在[21，23]km/h的隶属度为最大值1。“36”表示车速处于[25，47]km/h范围，车速较大并且在[35，37]km/h的隶属度为最大值1。“55”表示车速处于[40，80]km/h范围，车速接近很大并且在[53，56]km/h的隶属度为最大值1。“120”表示车速处于[70，180]km/h范围，车速很大并且认为在[120，180]km/h的隶属度为最大值1。
对前轮内转角R采用图1所示的量化等级和相应隶属度函数。
图1 对前轮内转角R的量化等级和相应隶属度函数
之所以没有采用与梯形隶属度函数是因为前轮转角是对车辆转弯影响最大的因素，应该进行比较平滑的均匀分辨，精确度越高越好。当然对于非常接近于直线路线行驶的情况，应该也要保持一定的稳定性，因此将范围[0°，3°]的隶属度定为最大值1。
车前大灯在水平方向上的转向角度Z的量化等级和相应隶属度函数如图2所示：
图2 车前大灯在水平方向上的转向角度
Z的量化等级和相应隶属度函数
如图2所示，之所以采用这样的隶属度函数（trimf型），是希望可以达到具有一定稳定性而又不会在某一范围失去“分辨”的目的，即在顶点附近既具有类似梯形函数的稳定性又具有类似三角函数的精确分辨。
根据文献[4]的仿真结果，按照在相同的前轮转角下， 汽车行驶速度越大则前照大灯需要调节的角度就越小，在相同的车速下， 汽车前轮转角越大则所需的调节角度也越大的基本规律建立模糊规则。得到模糊控制器的控制曲面观察器如图3所示。
从中可以看出，遵循了在相同的前轮转角下， 汽车行驶速度越大则前照大灯需要调节的角度就越小，在相同的车速下， 汽车前轮转角越大则所需的调节角度也越大的基本规律，也符合实际经验。对于每一组具体的输入都有一个与之相对应的精确的输出。
图3 模糊控制器的控制曲面观察器
3.车灯随动系统的分析
为验证效果针对“S弯道”、“雨天路滑”、和“开启条件”3种情况进行分析。
3.1针对类似“S弯道”情况
类似“S弯道”的情况一直是普通AFS技术比较“头疼”的一个问题，因为在“S弯道”的第一个弯道，普通AFS技术可以做到正确反应，但是在即将进入第二个弯道时由于前方道路的路线方向与车辆前轮转角的方向相差过大，普通的车灯随动系统往往会往错误的方向投向灯光。特别是转弯半径较小的连续转弯的情况，驾驶员在“回正”方向盘的过程中车前大灯的照射方向与应该正确投射的方向之间总存在一定延迟，这样就导致了普通AFS技术除了在第一个弯道可以正常适应外其余的连续弯道均无法实现应有的照明效果，甚至比固定直射车灯的照明效果还差。为了解决这个问题，引入了“复位信号”F，该信号相当于数字信号，只有“0”和“1”两种状态。“0”表示信号失效，不会影响到输出。“1”表示信号有效，直接决定输出前大灯转角为0°。另外，这个信号的引入对任意弯道上车辆“出弯”时的照明起到很好的快速响应效果。 3.2 针对类似“雨天路滑”情况
一般情况下车速S对输出Z的影响是较小的，在某些特殊情况，即类似“雨天路滑”的情况，车速对行车路线的影响会变得更明显。为了达到任意转弯角度时为车辆提供行驶路线上的最佳照明，在设计模糊控制规则时应该考虑到这点，遵循上文提过的“转角不变，车速越大，输出越小”的基本规律，使这类情况下车速S对输出Z的影响更大一些。
3.3 對于“开启条件”的分析
很显然，对于倒车这类情况来说，是不需要也不可以进行车灯随动的，此时应当关闭车灯随动功能，因此引入了倒车档位信号（手动关闭信号）D。其取值与F类似，为“0”或“1”。当其值为“0”时表示信号失效，对输出Z无任何影响，其值为“1”时表示信号生效，直接决定输出值Z为0°。该信号同样设置为可以手动输入的信号，引入该信号后在倒车时会自动关闭车灯随动功能，在某些其它情况下无需车灯随动功能时也可手动激活使信号生效，相当于手动关闭了车灯随动功能。
参考文献：
[1] Sivak M，Schoettle B.Optimal Strategies for Adaptive Curve Lighting[J].Journal of Safety Research，2005，36（3）：281-288.
[2] 王维锋，吴 青，吕植勇，初秀民.基于弯道模式的自适应前照灯控 制建模及仿真[J].武汉理工大学学报，2009，31（9）：70-74.
[3] 邓 亮，陈抱雪，张建彬，等.AFS前照灯弯道旋转的计算模型[J].中国机械工程， 2011，22（7）：864-868.
[4] 龚 静，马瑞卿，邓钧君，王阿萍.基于S函数的汽车前照灯智能转向系统仿真[J].计算机仿真，2011，28（4）：345-348.
[5] 王洪佩，高 松，宋炳雨，王 鑫.汽车自适应前照灯系统建模与仿真[J].计算机仿 真，2011，28（10）：349-353.
[6] 关志伟，崔惠中，郑飞.汽车AFS前照灯转角动力学建模及仿真分析[J].汽车技 术，2009（5）：38-40.
[7] 刘新良，迟永滨.汽车AFS头灯随动转向规律研究[J].机械设计与制造，2011，（8）：131-133.
基金项目：
2012年广西大学生创新创业计划项目资助。
【关键词】自适应前照灯系统；车灯随动；模糊控制；弯道照明
目前大多数汽车前照灯系统的前照灯光束方向一般是汽车纵向正前方，不能随转向轮的偏转而偏转。夜间车辆转弯时，弯道内存在一个照明盲区，灯光的有效覆盖范围较小并且不包括弯道内的盲区，驾驶员对路况的观察受到严重影响，增加了夜间行驶的难度，容易造成交通事故。为了解决这个问题，车辆转弯中需要对车灯进行随动控制，一项称为随动转向控制大灯（AFS）的新技术就此诞生。已有研究[1]-[6]中多是针对单一情况的分析，不能够适应多种路面情况，而模糊控制技术能够较好的融合人类经验， 因此可考虑引入模糊控制进行车灯随动系统的控制。
1.车灯随动控制策略
已有研究中对于车灯随动控制一般采用车速与前輪转向角度作为输入，输出为车前大灯的旋转角度，这种控制策略基本上是建立在比较理想的道路转弯情况下的。实际情况复杂多变，仅以车速与前轮转向角度作为输入不能详细分辨复杂的实际情况，从而不能达到适应各种情况下的控制需求，比如“S弯道”、“倒车”和雨天路滑等等。
为达到所需的种种控制需求，首先，控制器必须要满足常规道路转弯的控制需求，其次才对非常规道路转弯的各种情况进行适应，最后还要解决“稳态误差”的问题。所以，可以考虑采用前轮内转角R、车速S作为输入信号先完成对常规道路转弯的控制需求。针对类似“S弯道”的情况引入“复位信号”F。对于倒车或者其它一些不需要进行车灯随动的情况，引入倒车档位信号（手动关闭信号）D。另外考虑到“雨天路滑”这类特殊情况，还引入了雨刷启动信号Y。通过增加控制输入量可以较好的提高控制效果。
2.适用于常规道路转弯的模糊控制器的设计
适用于常规道路转弯的模糊控制器是控制策略的前提与核心，采用的输入信号为前轮内转角R和车速S，输出为车前大灯在水平方向上的转向角度Z。一般车辆前轮转角的最大值在35°～40°[7]，因此将前轮内转角R的变化范围定为[0°，40°]，只表示一个方向上的角度变化，以便于下文中的输出对应。车速S的变化范围是[0，180]km/h，值得注意的是，尽管车辆在高速时不会进行较大角度的转弯，但依然可以对车速的最大值设置较高，以保证高速时进行小角度的转弯的情况下控制器依然起到相应的作用。
参考文献[6]的相关结论和个人研究经验，对车速采用梯形隶属度函数，目的是希望车速的某些微小变化并不是总是对前照灯产生影响，而是应该要有一定的稳定性。其中的“0”表示车速处于[0，9]km/h范围，车速很小并且在[0，3]km/h的隶属度为最大值1；“11”表示车速处于[5，20]km/h范围，车速较小并且在[10，12]km/h的隶属度为最大值1。“22”表示车速处于[15，33]km/h范围，车速中等并且在[21，23]km/h的隶属度为最大值1。“36”表示车速处于[25，47]km/h范围，车速较大并且在[35，37]km/h的隶属度为最大值1。“55”表示车速处于[40，80]km/h范围，车速接近很大并且在[53，56]km/h的隶属度为最大值1。“120”表示车速处于[70，180]km/h范围，车速很大并且认为在[120，180]km/h的隶属度为最大值1。
对前轮内转角R采用图1所示的量化等级和相应隶属度函数。
图1 对前轮内转角R的量化等级和相应隶属度函数
之所以没有采用与梯形隶属度函数是因为前轮转角是对车辆转弯影响最大的因素，应该进行比较平滑的均匀分辨，精确度越高越好。当然对于非常接近于直线路线行驶的情况，应该也要保持一定的稳定性，因此将范围[0°，3°]的隶属度定为最大值1。
车前大灯在水平方向上的转向角度Z的量化等级和相应隶属度函数如图2所示：
图2 车前大灯在水平方向上的转向角度
Z的量化等级和相应隶属度函数
如图2所示，之所以采用这样的隶属度函数（trimf型），是希望可以达到具有一定稳定性而又不会在某一范围失去“分辨”的目的，即在顶点附近既具有类似梯形函数的稳定性又具有类似三角函数的精确分辨。
根据文献[4]的仿真结果，按照在相同的前轮转角下， 汽车行驶速度越大则前照大灯需要调节的角度就越小，在相同的车速下， 汽车前轮转角越大则所需的调节角度也越大的基本规律建立模糊规则。得到模糊控制器的控制曲面观察器如图3所示。
从中可以看出，遵循了在相同的前轮转角下， 汽车行驶速度越大则前照大灯需要调节的角度就越小，在相同的车速下， 汽车前轮转角越大则所需的调节角度也越大的基本规律，也符合实际经验。对于每一组具体的输入都有一个与之相对应的精确的输出。
图3 模糊控制器的控制曲面观察器
3.车灯随动系统的分析
为验证效果针对“S弯道”、“雨天路滑”、和“开启条件”3种情况进行分析。
3.1针对类似“S弯道”情况
类似“S弯道”的情况一直是普通AFS技术比较“头疼”的一个问题，因为在“S弯道”的第一个弯道，普通AFS技术可以做到正确反应，但是在即将进入第二个弯道时由于前方道路的路线方向与车辆前轮转角的方向相差过大，普通的车灯随动系统往往会往错误的方向投向灯光。特别是转弯半径较小的连续转弯的情况，驾驶员在“回正”方向盘的过程中车前大灯的照射方向与应该正确投射的方向之间总存在一定延迟，这样就导致了普通AFS技术除了在第一个弯道可以正常适应外其余的连续弯道均无法实现应有的照明效果，甚至比固定直射车灯的照明效果还差。为了解决这个问题，引入了“复位信号”F，该信号相当于数字信号，只有“0”和“1”两种状态。“0”表示信号失效，不会影响到输出。“1”表示信号有效，直接决定输出前大灯转角为0°。另外，这个信号的引入对任意弯道上车辆“出弯”时的照明起到很好的快速响应效果。 3.2 针对类似“雨天路滑”情况
一般情况下车速S对输出Z的影响是较小的，在某些特殊情况，即类似“雨天路滑”的情况，车速对行车路线的影响会变得更明显。为了达到任意转弯角度时为车辆提供行驶路线上的最佳照明，在设计模糊控制规则时应该考虑到这点，遵循上文提过的“转角不变，车速越大，输出越小”的基本规律，使这类情况下车速S对输出Z的影响更大一些。
3.3 對于“开启条件”的分析
很显然，对于倒车这类情况来说，是不需要也不可以进行车灯随动的，此时应当关闭车灯随动功能，因此引入了倒车档位信号（手动关闭信号）D。其取值与F类似，为“0”或“1”。当其值为“0”时表示信号失效，对输出Z无任何影响，其值为“1”时表示信号生效，直接决定输出值Z为0°。该信号同样设置为可以手动输入的信号，引入该信号后在倒车时会自动关闭车灯随动功能，在某些其它情况下无需车灯随动功能时也可手动激活使信号生效，相当于手动关闭了车灯随动功能。
参考文献：
[1] Sivak M，Schoettle B.Optimal Strategies for Adaptive Curve Lighting[J].Journal of Safety Research，2005，36（3）：281-288.
[2] 王维锋，吴 青，吕植勇，初秀民.基于弯道模式的自适应前照灯控 制建模及仿真[J].武汉理工大学学报，2009，31（9）：70-74.
[3] 邓 亮，陈抱雪，张建彬，等.AFS前照灯弯道旋转的计算模型[J].中国机械工程， 2011，22（7）：864-868.
[4] 龚 静，马瑞卿，邓钧君，王阿萍.基于S函数的汽车前照灯智能转向系统仿真[J].计算机仿真，2011，28（4）：345-348.
[5] 王洪佩，高 松，宋炳雨，王 鑫.汽车自适应前照灯系统建模与仿真[J].计算机仿 真，2011，28（10）：349-353.
[6] 关志伟，崔惠中，郑飞.汽车AFS前照灯转角动力学建模及仿真分析[J].汽车技 术，2009（5）：38-40.
[7] 刘新良，迟永滨.汽车AFS头灯随动转向规律研究[J].机械设计与制造，2011，（8）：131-133.
基金项目：
2012年广西大学生创新创业计划项目资助。