毕业设计论文-自动前照灯电路分析与故障排除

毕业设计论文-自动前照灯电路分析与故障排除内容摘要：

旋转电机，对基本光型进行调整的可移动光栅，此外 还有一些附加灯，如角灯等等。 电控单元 ECU 通过 CAN 总线从方向盘角度、车速、车身高度位移传感器分别取得转向轮旋转角度、车体速度和车身倾斜度的精确信息。 角度和速 __度信息通过中央控制电路精确计算后产生输出信号，控制旋转电机对前照灯进行水平旋转，倾斜度信息控制调高电机对前照灯进行垂直旋转。 如图 3所示。 图 23 AFS系统简图 AFS 系统工作情况 当车辆进入弯道或其他特殊的道路状况时，由于方向盘角度和速度发生变化，角度和速度传感器通过 CAN 总线传输到电控单元 （ ECU）的信号相应地发生了变化，ECU 捕捉到这些信号的变化，同时判断车辆进人了哪种弯道，并发出相应的指令给前照灯的执行机构，由执行机构改变前照灯的水平照射位置。 为了保证车辆正前方的照明需要，车辆正前方和转弯内侧路况都必须严格监视，这样才能提高车辆驾驶安全性，因此，车辆左、右近光灯的配光并不是同时由 AFS 系统控制的。 9 它们在车辆不同转向时分别工作，当车辆右转弯时，右近光灯旋转照亮车辆右侧道路；当左转弯时，左近光灯旋转照亮车辆左侧道路。 另外， AFS 左右近光灯的调节角度也是不同的。 对于按照交通法规规定右侧行 驶的国家，右近光灯的调节角度最大可达到 5176。 ，左边近光灯的调节角度最大可达到 15176。 ，反之亦然。 图 4 为AFS 系统与未使用 AFS 系统道路照明对比。 与传统前照灯比较， AFS 系统能够在弯路上提供更多需要的照明。 其中虚线内区域表明无转弯随动功能的前照灯照明范围，实线内区域表明有转弯随动功能的前照灯照明范围，可以清楚看到转弯随动功能给驾驶员带来更多有效照明，为对面车辆或路边行人减少了眩光 图 24 AFS前照灯与传统照明比较 AFS 系统的软硬件 车载控制系统的硬件指的是传感器、执行机构、控制单元和 线束，软件主要指的是控制单元 ECU 中的程序。 AFS 系统以实现不同功能为目的，选择性配装，所以其软硬件变化比较大，特别是灯具中安装的旋转核心机构，每个公司都会有独特的设计。 前灯旋转核心： 目前大致共有两大类旋转核心机构 ：自由曲面旋转核心和投射单元旋转核心。 图 1 前灯下部的自由曲面旋转前灯在测试屏上的打光效果如黄色区域，可左右移动。 10 图 25自由曲面旋转核心 图 26投射单元旋转核心 图 27投射单元旋转核心的结构 图 26 中的投射式旋转单元在测试屏上的打光效果如中图，可左右移动。 目前批产的 AFS 系统多见使用投射单元的旋转核心，其大致的结构如图 27所示，一个普通旋转核心包括水平旋转电机、旋转框架、 PES 单元和旋转轴等部件。 如果系统有自动调平功能还要在后灯壳上安装调光电机，如图 28 所示，实现上 两种功能的旋转核心完整结构参见图 29。 11 图 28调光电机的安装位置 图 29某旋转核心的完整结构 实现远近光切换和阴雨天遮挡的投射式单元，要采用电磁线圈拉动的遮光板。 图 210 上部是正常的近光光型，中部是拉动下部遮光板变作远光光型，下图是上遮光板也被拉动，遮挡靠近车身的光线，减少因路面积水而产生的反光。 12 图 210线圈拉动遮光板改变光型 图 211加装了旋转电机、电磁线圈的 AFS旋转核心和常规变光 PES单元对比图 执行电机：比较常用的调高电机主要分为直流电机和步进两种，直流电机通过涡轮蜗杆传动后，输出力较大，但同时响应速度变慢且不可调节，寿命短、噪音也大一些；相比之下，步进电机输出力小，响应速度快可以调节、寿命长、噪音低。 笔者曾参与开发直流调高电机总成由专用驱动芯片控制，并且有传动杆进 13 给量的反馈信号输出，但曾经使用过日本的某款步进调高电机总成则无反馈，有反馈在系统设计上能省去不少麻烦，所以电机总成设计必须要从系统控制的角度详加考虑。 图 212直流调高电机总成 图 213步进调高电机总成 旋转电机总成的设计方法分为日式设计和德式设计两种，图 27 是日式设计，图 211 是德式设计。 图 214 是 一款日式旋转步进电机的剖视图，包括步进电机、齿轮组合、霍尔角度传感器几部分组成。 采用齿轮传动的日式旋转电机总成，响应速度可以调节，但存在一个必须通电保持不能自锁的缺陷，步进电机每相都需要几百 ma 的电流，所以是非常耗电的。 如果从传动的机械角度考虑到自锁性能，就可以为整个系统工作节省大量的电能，德式设计具备了上述的优点，而且结构更加的紧凑。 但德式的电机传动部件和旋转框架结合紧密，装配比较复杂。 图 214旋转电机总成剖视 传感器： 车速传感器： 14 常用的车速信号的通常来自变速器的转速信号或者 ABS 的轮速信号，一般不建议从轮速信号传感器直接取得信号，因为四轮转速各自不同和车速也不同，要取轮速信号也只能从 ABS 的 ECU 中取经过处理后的信号。 车速信号如果是数字信号，处理非常方便，但同时存在一个信号间隔的问题，即能不能在短时间通常是零点几秒 之内判断车辆是否处在加速或者是减速的状态。 如信号间隔时间过长，则无法将其应用在动态调光的功能上，因为动态调光需要根据的加速度值，计算车身的倾斜状态，调整灯光。 车速信号如果是频率脉冲，采样方便，但处理比较复杂，在数十到数百毫秒内精确判断车速和加速度，需要一定的信号处理技巧。 相关方面的论文很多，就不加以赘述。 另，静态调光只需在车辆未启动之前调节即可，车速只相当一个功能开关信号。 车身高度传感器：常用的车身高度传感器如下图 1 所示是一种有源非接触转角传感器，因为此传感器放置于车身和悬架之间，感知悬架振动的幅度，所以 必须是有源抗干扰，非接触理论寿命无限的传感器。 车身高度传感器使用连杆将车身与悬架间的距离变化转变为角度变化，并通过输出电压的改变线性测得此角度的变化量。 图 215 的车身高度传感器在 0 至 5V 内可表征正负 40 度的变化，并通过调节连杆的长度可以得到悬架在数十厘米间的变化量。 车身高度传感器随悬架振动变化剧烈，在车辆未启动之前尚可以通过求取多次均值的方法得到稳定的输出信号，一旦有了速度不仅振动的幅度很难确知，甚至连振动的频率都是极难以描述的。 建议动态调光车身纵倾根据加速度而变化的角度，采用理论计算的方法要比直接采集 信号容易、有效的多。 图 215车身高度传感器 15 使用车速传感器和前后两个车身高度传感器，加上执行机构 —— 调光马达，就可以架构一个如图 217 所示的动态自动调光系统。 图 216后悬车身高度传感器原 图 217动态自动调光系统的安装图 方向盘转角传感器 ： 方向盘大致可以旋转 圈，即 1044 度，通过转向机构以固定的传动比带动前轮在左右 40 度内变化。 比较常见的方向盘转角传感器通常有齿轮式（图 218）和光码盘式（图 219）两种。 齿轮式是一种接触的有源角度传感器，而光码盘则是一种非接触的有源角度传感器。 都采用一个大盘带动两个小盘，通过两个小盘的相位差判断方向盘是正转还是反转。 输出的信号一般都是经过处理的数字信号，甚至有可能是 CAN 信号。 这种数字信号用控制器处理时，也存在信号的传送速率和更新速率的问题，选择不当，就会影响系统的最终效果。 方向盘转角传感器的安装位置如图 220 所示，在组合开关的下面，方向管柱从中间穿出。 16 图 218齿轮式方向盘转 角传感器 图 219光码盘式方向盘转角传感器 17 图 220方向盘转角传感器的安装位置 前面采用方向盘转角而非横向加速度传感器计算转弯半径的问题，类似的问题也包括为何使用车身高度传感器而非纵向倾角传感器。 这种类型的非接触MEMS（微机械）传感器芯片，使用简单，响应速度快，在车载传感器领域的运用愈加广泛，但做一款控制系统的设计，必须从控制对象的特性出发。 比如说底盘转向特性分为稳态和瞬态的两种截然不同的情况，由于底盘复杂的避震系统，瞬态情况的振动时间特征曲线 类似于一个二阶系统的冲击响应，要想得到稳定的能反映转向特征的输出信号必须要在 ，即打过方向盘后 ，采用横向加速度传感器读出的稳定信号，才能用于转弯半径的计算，仅得到信号并数据处理的时间就已经超出了整个系统的响应时间。 至于说纵向倾角传感器，即存在1度以下精度不够，又有上下坡和车身纵倾信号混叠等问题，使得这个方案也很难应用于实际系统。 但更高精度的非接触加速度和倾角传感器却能够很方便的应用于系统测试和数 第三章 预瞄型 AFS 系统 随着汽车前照灯技术日臻完善，出现了具有预知功能的 PAFS（ predictiveadvanced front lightingsystem）系统。 传统 AFS 系统不具备预瞄性，它与驾驶环境无关，而 PAFS系统则与驾驶环境息息相关。 3． 1 PAFS 系统描述 近年来，一种增强的导航系统已经出现，这个导航系统拥有一种算法，它能够识别出当前车辆在地图中的位置，同时从已经计算出的位置预测一系列可能的 18 驾驶路线。 该导航系统能够通过车辆信号输入来确定最可能的路线，并且为此路线提供可信度。 在一个可变的 “ 预测距离 ” 内，算法能够计算出最可能路线的曲率值。 最近的智能驾驶员辅助系统（ advanced driver assistance systems，简称 ADAS）提供的路况信息能够足够可信地预测车辆前方的道路弯曲程度。 ADAS 系统是一种具有预知功能的 AFS，它特有的优良性能使得出射的光束偏离道路走向的角度更小。 它包括 5 个方面的应用：导航，速度协助，冲突避免，十字路口支持和道路预测。 ADAS 系统的路况信息包括：高精度几何学，高精度道路位置和道路轮廓信息，经过选择的信息（速度限制信息、弯道的数量和道路倾斜度信息）。 其中道路轮廓信息是用来预测最理想的前照灯照射位置，并且提醒驾驶者注意不要进弯太快。 图 5 描述了预瞄型 AFS 系统的架构。 导航单元包括 GPS 传感器、地图信息数据库、偏航率传感器和速度传感器。 为了达到执行地图匹配的目的，必须要用到以上所有的传感器。 增进软件模块计算出车辆前方的最可能路线和该路线的曲率值，从而得到弯道速度警告信号提醒驾驶者限制速度，弯道速度警告信号是基于车辆信息（车辆型号、速度、天气状况）和很多因素的计算值。 预瞄型AFS 模块接收到这些计算值，例如最可能路线的可信度、曲率和道路等级等，驱动左右前照灯工作，以达到改善照明的效果。 此外，预瞄型 AFS 模块还会接收传统 AFS 系统传感器的信号（车辆速度、方向盘转角和偏航角），如果导航单元的道路信息不值得信赖时，车辆能够在预瞄型和传统 AFS 系统中转换。 19 图 31 预瞄型 AFS系统结构 3． 2 预瞄型 AFS 系统功能 预瞄型 AFS 算法可在单独道路几何模式下利用导航单元预测道路信息，并且在道路分支模式下转换回传统的基于偏航率的系统。 预瞄型算法的基本概念是保持结点，该结点是车辆前照灯光线与道路中线的交点，如图 6 所示。 预瞄型算法通过确定在车辆进弯前一系列该结点的位置，调整前照灯光线 的角度，保证驾驶员在急转弯和 S 型弯道上能够获得最大的可视范围。 图 32 预瞄型算法 此外，可以利用道路等级信息执行高速公路光照和城市光照之间的自动转 20 换。 传统的 AFS 系统不能清晰地识别驾驶环境，而只能根据车辆速度和花费的时间来决定高于或低于阈值。 图 7 和图 8 示意性地比较了传统和预瞄型 AFS 系统的前照灯光照范围。 从图中可看到，无论是进弯、出弯或 S 型弯道，预瞄型 AFS 系统都提高了驾驶员的可见范围，即使在恶劣的天气条件下，驾驶员也能够看到即将来临的道路轮廓。 在弯 道中，预瞄型 AFS 系统比传统的 AFS 系统使前照灯光照能更加准确地照射到道路的中央。 图 33进入弯道与离开弯道 图 34S型弯道 3． 3 AFS 系统未来发展趋势 目前，全球各大汽车展中，都能看到以 LED 作为汽车前照灯的概念车型，随着 LED 技术不断发展， LED 的功率越来越高（ 1 W 到 3 W），效率也不断提高，如果用于前照灯替代比较节能的气体放电灯，其节能的优势仍然非常明显，这就意味着更低的维护支出，且灯具寿命可达到 10 000 h，与整车 同寿命 [14]。 同时，AFS 系统能主动消除各种不同路面类型和。