基于车路协同的车灯自适应控制数学模型研究

胡颖，黎晓健

(武汉理工大学能源与动力工程学院，湖北武汉430063)

0 引言

自2003年开始，我国汽车保有量呈明显上升状态，道路上车辆数量和类型的迅速增加，也带来了交通事故数量不断增加的困扰。尤其在夜间照明不足，存在视野盲区的路段，更是交通事故的高发区域。如果事前对于可能发生交通事故的路段，将道路信息提前告知车辆，便能在很大程度上提高驾驶的安全系数。因而车路协同通讯的技术，已成为智能交通系统当中备受瞩目的发展趋势之一。

1 研究背景

车路协同技术是目前智能交通领域新兴的技术，它通过通讯技术和自动化控制技术实现道路信息在车载装置和路侧设备之间的智能协同和配合，以提高道路交通的安全性。

车路协同技术包括2个部分:

(1)将车载终端控制与车辆设备等连接起来，实现智能化监控和管理;

(2)用无线通讯技术把车载终端与外部网络连接起来，实现车辆外部设施之间的信息交换。

2 研究目的

现有汽车自适应前照大灯系统，可以总体分为普通AFS车灯和全功能AFS车灯。普通AFS车灯主要是基于方向盘转角信息控制灯具偏转角度，即车灯控制有驾驶人员参与，很难起到预见作用和精确控制。全功能AFS车灯相比之下减少了系统控制过程中的人为因素，更多地依赖于加装在车辆上的大量传感器采集的环境信息，车辆在不同路段和环境下行驶时，难以保证实时工况与设计工况相吻合，而传感器的增加既降低了系统的可靠性又提高装置的成本。

3 研究方案

基于对车路协同和自适应车灯控制的讨论，我们可以发现，如果将两者结合在一起，即利用车路协同通讯技术实时控制前照大灯的偏转，不仅能够使车灯先于驾驶者动作，为驾驶者赢得了“预警时间”，而且能避免普通AFS车灯控制不精确和全功能AFS价格昂贵可靠性不佳的弊端。

3.1 基本原理

将道路信息预先存储于路侧设备中，当车辆行驶至弯道缓冲区时，车载信息接收模块采集当前路段实时信息，即建议最佳入弯角度，车载AFS控制模块运行相应程序控制前照大灯按预定角度动作，如图1所示。

3.2 原理框图

车载信息接收模块根据路侧设备发送的前方弯道信息，提取最佳入弯灯光角度。同时方向盘转角传感器输出的脉冲信号，由相应算法可得另一灯光偏转角度。车灯控制单元比较上述两个角度，将其中的较大值输出，其信号经功率放大器放大以驱动步进电机实现车灯偏转［1］，如图2所示。

4 角度控制计算模型

由路侧设备直接发送转角信息，车辆只需要依照规定的程序控制相应部件，不仅使得车载信息接收终端结构简化，也避免了复杂的程序在车载ECU中执行，提高了系统的反应速度。

那么，路侧设备中事先录入的转动角度值就是关键，由于方向盘控制的车灯转角的数学模型与现有的AFS系统类似，在此不做阐述。这里只对路侧设备发送的车灯转向角数学模型进行探究。路侧设备发送的车灯偏转角数学模型是基于汽车驾驶安全，结合传感器和微控制技术以及现行的交通法规和道路勘探设计基础而建立的。

4.1 车灯转角模型

根据汽车车灯工作的基本原理，当汽车在夜间转弯行驶时，从车灯发射出来的光束与汽车的拟行驶轨迹 (以汽车当前转弯半径所作的过当前位置点的一段圆弧)相割，为便于讨论，将汽车拟行驶轨迹与光轴相割形成的劣弧的长度定义为弯道几何照明距离［2］。

停车视距是根据交通道路相关规定，按照一定的公路等级给出的安全停车距离，可分解为反应距离和制动距离两部分。

a为制动减速度，m/s2;

ψ为道路阻力系数;

φ为路面与轮胎间的附着系数。

为保证行车安全，φ值以潮湿路面计算。

行驶速度v:设计速度为120～80 km/h时，行驶速度采用设计速度的85%;60～40 km/h时，行驶速度采用设计速度的90%;30～20 km/h时，行驶速度采用设计速度。

4.2 角度确定

由于停车视距大于制动距离，因此，选择停车视距作为汽车车灯的弯道几何照明距离，安全性更高。

由圆的弦切角以及弧长与其所对应的圆心角的关系，可得出在转弯时汽车车灯弯道几何照明距离与汽车转弯半径几何关系，如图3所示。

图中s表示汽车车灯的光轴与汽车拟行驶轨迹的交点到汽车前端的距离，m;s'表示汽车车灯的弯道几何照明距离，m;R表示汽车转弯半径，m;θ表示汽车AFS车灯的转角，(°)。可得到汽车车灯的转角:

用优化距离替代上式中的s'。则各级公路所对应的汽车车灯偏转角如表1所示。

表1 各级公路汽车车灯偏转角

针对各级公路［3］，可以将汽车车灯的偏转角信息储存到路侧设备中，当汽车通过道路弯道缓冲区时路侧设备将信息发送给车载信息接收模块，从而实现汽车车灯的主动偏转，提高夜间弯道交通的安全性。

5 结束语

通过对基于车路协同的汽车车灯自适应控制系统中路侧设备发送的车灯偏转角进行研究，可以得出，可以利用车路协同信息改进现有汽车车灯控制系统，提高车灯自适应控制的精度，同时实现车灯智能化控制，保证了行车安全。

【1】李辉，张晓光，高顶.基于ZigBee的无线传感器网络在矿井安全监测中的应用［J］.仪表技术与传感器，2008(4):33－35.

【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(9):70－71.

【3】杨少伟.道路勘测设计［M］.北京:人民交通出版社，2009.