自動調(diào)節(jié)遠近光燈的設計與研究

李晶　胡凱　巫祎博　漆雪麗　張罡肇

摘 要：由于夜間、雨雪天等環(huán)境下，司機駕駛時能見度往往大幅降低，從而對行車安全問題造成極大影響。駕駛員在駕駛中主要依靠車前的大燈識別路況，但是駕駛員在駕駛過程中容易忽略遠近光燈的切換，不僅導致駕駛員無法了解前方路況，也會干擾對方車輛對路況的判斷。針對汽車駕駛過程中由于光線不足或駕駛員對燈光操作不當?shù)纫蛩匾鸬慕煌ㄊ鹿蕟栴}，本文設計了一種可自動調(diào)節(jié)的遠近光燈。該設計選用測距傳感器、光線傳感器、車輛速度傳感器、測線速傳感器和顏色識別等傳感器，通過信息采集對燈光進行自動控制，可避免駕駛員因主觀判斷失誤和操作不當?shù)热藶橐蛩爻霈F(xiàn)燈光切換問題，從而引發(fā)的安全事故。

關鍵詞：自動控制 遠近光燈 傳感器 安全

Design and research of automatic adjusting high and low beam lamp

Li Jing Hu Kai Wu Yibo Qi Xueli Zhang Gangzhao

Abstract：Due to the night， rain and snow conditions， the visibility of drivers is often greatly reduced when driving， which has a great impact on driving safety. The driver mainly relies on the headlights in front of the car to identify the road conditions， but the driver tends to ignore the switching of the high and low beams during driving， which not only causes the driver to fail to understand the road conditions ahead， but also interferes with the judgment of the other vehicle's road conditions. Aiming at the problem of traffic accidents caused by factors such as insufficient light or improper operation of the light by the driver during driving， this paper designs an automatically adjustable high and low beam. The design uses sensors such as ranging sensor， light sensor， vehicle speed sensor， line speed sensor and color recognition to automatically control the light through information collection， which can avoid the driver's subjective judgment error and improper operation. problems， resulting in security incidents.

Key words：automatic control; High and low beam lamps; Sensors; security

1 引言

據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，超過80%的交通事故發(fā)生在惡劣、黑暗的天氣，大約70%車輛事故發(fā)生在夜間，死亡率超過40%，夜間發(fā)生交通事故的概率要比白天高出1.5倍。致使夜間交通事故發(fā)生的的主要原因有光線差、駕駛員未正確使用前照燈等。因此，提高駕駛員夜間行駛的安全性具有一定的研究價值，也有大量學者對汽車遠近光燈的自動控制進行了研究[1-4]。

樊海紅，鄭志強，林景東[5]通過信號采集處理設計了前照燈自動切換遠近燈，但未考慮車輛夜間行駛時遠光燈照明距離對駕駛員的影響。呂光輝，張忍[6]應用超聲波雷達測距儀和速度傳感器為汽車大燈提供了更加完善的設計方案。鄒祖軍，馮進良，郭奕辰[7]等學者采用坡路檢測系統(tǒng)對上下坡路進行處理，從而控制汽車遠近光燈，實現(xiàn)自動切換。楊明俊[8]等以豐田普瑞維亞為研究對象，建立了AFS前照燈轉角數(shù)學模型，通過計算機仿真，分析了汽車方向盤的轉角變化率、前照燈轉角滯后量和汽車車速之間的關系，以及前照燈轉角配合方式和汽車動態(tài)配光光型之間的一些數(shù)據(jù)相關性。顧卜亮[9]首先選用光敏電阻傳感器檢測了光的強弱，再選用超聲波傳感器將接收到的信號轉換為電壓信號，最后通過選用MSP430F5529單片機對遠近燈光切換進行自動控制。李玖詳[10]總結分析了各研究者對汽車自動切換遠近光燈的設計，并提出了不足。本研究考慮了駕駛員夜間實際行駛狀態(tài)對汽車車燈進行了設計研究。如：考慮了光線強度條件、會車條件、超車條件、會車車速條件、會車車距條件等。

2 主體結構

自動調(diào)節(jié)遠近光燈通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)輸出和驅(qū)動模塊四部分組成。數(shù)據(jù)采集，主要通過激光雷達測距傳感器、光電三極管模塊、車速傳感器等進行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)處理，通過采集后的數(shù)據(jù)輸入主控電路板，進行數(shù)據(jù)編譯和處理。數(shù)據(jù)輸出，將主控電路板編譯處理后的數(shù)據(jù)進行分析并輸出至驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊將接受到的信號進行實體化轉換，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)遠近光燈的功能。主題結構框架如圖1所示。

3 工作原理

本文設計的自動調(diào)節(jié)遠近光燈，采用激光雷達測距傳感器3，且測距范圍為0.1m-110m，通過激光雷達測距傳感器對汽車前方的車輛或行人進行檢測，當檢測范圍內(nèi)有車輛或行人時，自動從遠光燈切換至近光燈；當駛過車輛或行人時自動從近光燈切換至遠光燈，防止干擾其他車輛或行人的視線，自動化程度高，保證車輛和行人的安全。光敏傳感器6采用光電三極管模塊，且光線傳感器4安裝在汽車外，光線傳感器4采集外部環(huán)境的照明情況，判斷外界照明情況是否良好；通過主控電路板2與汽車的速度傳感器電連接的設置，能實時檢測車輛速度，并根據(jù)車輛速度來判斷汽車大燈1的開啟狀態(tài)，車輛環(huán)境照明不足且車速大于60km/h時，主控電路板就會控制汽車大燈1自動打開遠光燈，讓車主獲得更好視野，車輛環(huán)境照明充足；車速小于40km/h時，系統(tǒng)的遠光燈就會自動關閉。通過光線傳感器4檢測隧道狀況以及夜間行駛道路路燈狀況數(shù)據(jù)采集，通過顏色識別傳感器5采集十字路口等不規(guī)則路口處有無紅綠指示燈狀況。通過測線速傳感器7檢測對向來車時車輛速度，實時檢測對向車速，提供數(shù)據(jù)傳輸處理模塊，對遠近光切換進行判斷處理，預防因無法判斷對方車輛速度，從而造成長時間車身燈光使用錯誤，無法提前了解路況。自動調(diào)節(jié)遠近光燈模型如圖2所示，三維建模如圖3所示。

4 元器件選用

4.1 Arduino模塊

Arduino通過傳感器感知環(huán)境，控制燈光等裝置來反饋、影響環(huán)境。Arduino的編程是通過Arduino編程語言（基于Wiring）和Arduino開發(fā)環(huán)境（基于Processing）來實現(xiàn)的。

4.2 激光雷達測距傳感器

激光雷達測距傳感器以激光作為信號源，由激光器發(fā)射出的脈沖激光，打到對向車輛上引起散射，一部分光波會反射到激光雷達的接收器上，根據(jù)激光測距原理計算，得到激光雷達到目標點的距離。目前，廣泛用于汽車的激光雷達傳感器為新型毫米波雷達設備，具有更高的精度，該程序能跟蹤行人，監(jiān)測行人動向，更好地解決夜間道路行人問題，實現(xiàn)自動切換功能。

4.3 光線傳感器

光線傳感器主要是用來感應光的強度反饋的核心元件，通常由投光器和受光器組成。在投光器和受光器之間，光線受到遮蔽后會獲得信號反饋，從而進行自動控制，達到自動切換遠近光燈。本設計中主要應用于進入隧道、天氣光線條件較差和夜間行駛中道路是否有路燈照明等情況下進行遠近光自動切換。

4.4 車速傳感器

車速傳感器廣泛應用電磁式和光電式，其主要作用是測試車輛車速，控制發(fā)動機變速器，變扭器鎖止。速度傳感器將速度數(shù)據(jù)傳輸給核心元件Arduino模塊，經(jīng)過核心元件編譯處理后，將數(shù)據(jù)傳輸給驅(qū)動，從而進行遠近光燈切換時長判斷。

4.5 顏色識別傳感器

顏色識別傳感器設置在汽車前擋風玻璃工作臺處，識別通過路口時前方是否有交通信號燈，避免違反交通信號燈規(guī)則。根據(jù)交通管理規(guī)定，通過有無信號燈路口處，燈光正確使用。

4.6 測線速傳感器

該傳感器具有高精度的優(yōu)點，可測量物體運行速度以及運行方向。基于可靠的空間濾波方法原理，通過光穿過的光柵的移動物體來實現(xiàn)。本設計選取此傳感器是為了檢測對向來車車輛速度，配合本車輛速度傳感器檢測后對自動切換燈光的速度以及時間長度的把控，從而達到本設計自動切換燈光目的。

5 切換分析

在夜間行駛時，采用自動切換模式和手動模式。自動切換模式為點火啟動和選擇切換，手動模式為強制手動切換，其切換過程中會采取切換電路保護燈光，該切換主要由駕駛員自主判斷。在自動模式情況下，核心元件會根據(jù)光線條件、會車車速、車距、路口紅綠燈狀況、行人以及夜間道路是否有路燈照明及照明狀況數(shù)據(jù)信號為條件進行遠近光燈自動調(diào)節(jié)。實際狀況切換條件如圖5所示。

行人檢測問題。激光雷達測距傳感器具有跟蹤行人、監(jiān)測行人動向的作用，因此道路中有橫穿道路的行人時，經(jīng)檢測自動切換近光，防止遠光燈對行人造成目眩。

夜間行駛道路是否有路燈照明問題。光線傳感器安裝于車頂天窗部位，有路燈照明時車輛會根據(jù)光線傳感器信號，檢測路燈照明情況，使車輛自動調(diào)節(jié)為近光燈。無路燈照明時開啟遠光燈。其余傳感器保持工作狀態(tài)。

路口有無交通信號燈問題。按駕駛要求，在無交通信號燈路口，遠近燈光交替使用，根據(jù)對路口相關交通指示牌進行信息收集，從而達到無交通信號燈路口進行自動遠近光交替使用；在有交通信號燈控制路口，通過顏色識別器進行識別，自動調(diào)節(jié)為近光燈。

6 總結

本文設計了一種可自動調(diào)節(jié)的遠近光燈。該設計選用測距傳感器、光線傳感器、車輛速度傳感器、測線速傳感器和顏色識別等傳感器，通過信息采集對燈光進行自動控制，其結構設計合理，自動化程度高，提高了車輛行駛的安全性。

2021大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目訓練計劃項目（DC2111807CX888）——一種可自動調(diào)節(jié)遠近光燈的研究；

2022年甘肅省高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育教學改革研究項目（LGYCXG-22-02）——基于“專創(chuàng)融合”的材料力學課程教學改革研究；

2022年甘肅省高等學校創(chuàng)新基金項目（2022A-167）——雙吸式離心泵在輸送含沙水流下的流動及磨損特性。

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