汽车Matrix前部大灯控制系统设计及实现

黄 航，陈 朦，李运飞，张启宇，龚和明

（上汽大众汽车有限公司，上海 201805）

1 引言

在汽车发展的历史长河中，大家普遍关心的问题是汽车安全性。由相关部门收集到的道路交通事故数据分析可知，夜间是交通事故的高发时期，占据交通事故总数量的71.4%。在这些交通事故当中，前方视野照明条件比较差、不良开闭车灯习惯等因素容易导致交通事故的发生。因此，安全有效的照明系统能够更好地提升夜间驾驶安全，减少事故的发生。

近年来电子信息技术的快速发展，更具智能化的照明系统——自适应前部大灯随之产生。自适应大灯经历了以下3个主要时期［1］。

1.1 第1代自适应大灯

此种自适应大灯光束自我调整功能比较简单，只有垂直方向的调整能力。当车身的水平方向发生倾斜时，即LWR传感器检测到汽车前后桥相对位置发生改变，就会通知大灯控制器发出控制指令，驱动设置在大灯腔体内的步进电机使大灯模组在垂直方向进行调节，从而使驾驶员获得更佳照明视野。图1为灯光高度调节示意图。

图1 灯光高度调节示意图

1.2 第2代自适应大灯

相对于第1代自适应大灯，头灯内的模组在可以上下调节的基础上，还可以左右转动和通过遮光板改变投射出来的光型，如图2所示。第2代自适应大灯增加了多种照明模式，比较常见的有：乡村模式、城镇模式、高速模式和恶劣天气模式等。

图2 灯光左右调节示意图

1.3 第3代自适应大灯

图3为ADB大灯遮挡前部车辆的示意图。ADB大灯是自适应前部大灯的一种，通过安装在挡风玻璃前部的摄像头采集到前部的视野，并对前部视野进行实时图像化处理。在进行跟车、会车和经过各种交通标志时，不断地转动遮光板以改变前部大灯的灯光光型，照射出符合场景的光型，避免产生炫目，有效提升了驾驶员的视觉机能，保证了道路行驶安全。相比于第2代自适应大灯，第3代自适应大灯增加了更多形式的驾驶模式，涵盖了更多的用车环境和使用场景，比如泊车照明模式、高速公路照明模式、动态弯道照明模式、防眩目远光灯模式等，大大增加了驾驶者的灯光调节便捷性［2］。

图3 ADB大灯遮挡过程示意图

1.4 Matrix前部大灯

近年来，Matrix前部大灯照明系统技术发展迅速，并且在一些刚上市的车型上进行了使用。Matrix大灯是由多颗LED组合而成，布置成规则的一排或者多排，接收控制器的指令可以单独控制每颗LED的亮灭，投射出来的照明形状不再依靠遮光板进行调节，因此可以有效避免遮光机构由于长时间转动造成的机械磨损和失效；另一方面，控制指令控制LED亮灭的反应速度更加敏捷，不易产生顿挫感，而且可以定制化投射出更符合照明情景的光型［3］。

2 Matrix前部大灯系统硬件设计

Matrix大灯控制系统和ADB自适应大灯相似之处都需要摄像头采集并处理好的视野信息，然后通过灯光功能控制器的算法控制策略，驱动LED驱动器实时切换LED阵列的亮灭，切换出最适合的照明工况。根据输入和输出需求设计出Matrix灯光系统，系统框图如图4所示。

图4 Matrix灯光系统框图

3 系统软件设计

为了实现灯具的Matrix功能，整个系统的控制信号流向如图5所示。灯光控制单元所接受的信号来自两方面：前部摄像头和车身控制器［4］。灯光功能控制单元综合起来这两个方向的信号，通过自身的控制策略精准控制每颗LED的亮灭。

图5 系统控制信号流向

3.1 来自前部摄像头的信号

前部摄像头就像人的眼睛一样，将前部视野采集下来，并对采集下来的视野进行物体识别，最后将处理好的物体位置信息通过CAN总线以报文的形式告诉灯光功能控制器。因此，摄像头能否准确识别出视野中各个物体以及其位置信息，决定了LED阵列能否精准及时点亮［5］。

摄像头在识别前方视野中不断变换车辆位置时，有其独特的计算方法。假设于前方视野中有一个目标物体A，首先摄像头会识别出物体A的大小和距离摄像头的距离，然后基于已知的这些常量结合摄像头本身的计算策略，计算出哪些LED需要熄灭。如果前部摄像头识别出多个目标车辆时，同样可以计算出另外一块需要熄灭的LED阵列。以双排LED阵列为例，当在行驶过程中摄像头识别出前方视野中有2个目标车辆，此时将左右大灯中可以照射到这2个目标车辆的LED熄灭，如图6所示。

图6 行驶中遮挡前方车辆示意图

3.2 来自车身控制器的信号

驾驶过程中往往会遇到各种各样的道路场景，为了使Matrix前部大灯面对这些场景可以切换出最佳的照明工况，灯光控制器就需要更多的实车参数，往往这些实车参数由车身控制器提供。灯光控制器需要的基本信号有：车辆速度、周围环境的亮度、雨刮是否启动、大灯挡位、转向盘转动角度、前后桥的相对位置等。

4 道路测试

为了主观评价Matrix矩阵大灯的照明效果，进行了实车道路试验。Matrix远光有一定的激活条件：道路光照条件比较差（路灯未打开）、达到一定的车速、雨量传感器未检测到雨量等。以单灯各自有2排LED阵列，每排有16颗LED为例，为了方便查看LED阵列中每颗LED PWM占空比（LED亮度）的变化情况，使用CANoe搭建了矩阵大灯的LED阵列模型。当接入来自实车的CAN信号，通过所搭建的CANoe Panel可以实时查看LED阵列中每颗LED的亮度值（矩形的高度值）的实时变化。

4.1 前方无会车车辆

车速和道路光照环境满足激活条件，当前方无会车车辆时，Matrix控制系统会将全部的LED阵列打开，图7为实际道路效果，CANoe Panel实时显示情况如图8所示。

图7 视野中无目标车辆

图8 无目标车辆时Panel显示结果

4.2 前方有会车车辆

当前方有会车情况时，前部摄像头检测到前方车辆的位置，将位置信息通过CAN通信的方式发送给大灯控制器，进而将能照射到会车车辆位置的LED熄灭，使车辆被遮挡住，防止产生炫目效果，此时实际道路效果和CANoe Panel实时显示情况分别如图9和图10所示。

图9 视野中有目标车辆

图10 有目标车辆时Panel显示结果

5 结束语

本文设计的汽车Matrix矩阵大灯控制系统，能够为驾驶用户提供一种操作更加便捷，照明视野更优良，能有效提升驾驶安全的照明系统。在汽车行驶过程中，前部摄像头采集到车辆前方不断变换的视野，根据内部特有的算法识别出视野当中目标物体的位置，结合从车身控制器传来的车辆实时状态信息，通过CAN通信的方式把这些指令发送给大灯控制器，将所能照射到目标物体的LED进行熄灭或者降低发光亮度，从而达到避免眩目现象。把Matrix矩阵大灯进行实车夜晚道路测试，通过结果可以看到，Matrix大灯在复杂的夜晚行车中表现出了更加优秀的照明效果。