汽车自适应前大灯控制系统设计同组成员：。
指导教师: 。
目录1前言 (4)2汽车AFS系统的国内外研究现状 (5)3自适应前大灯研究的意义 (7)4汽车自适应前大灯系统总体设计 (8)4.1 汽车AFS系统的结构组成与基本功能 (8)4.2 汽车AFS系统的基本原理 (10)4.3汽车AFS系统建模 (10)4.3.1线性二自由度汽车模型 (11)4.3.2前大灯光轴水平方向模型 (11)4.3.3步进电机模型 (13)4.3.4前大灯光轴垂直方向调节模型 (13)4.4PID控制 (14)4.5云模型控制 (16)5 汽车AFS控制系统硬件电路设计 (18)5.1 STC12C5A60AD单片机 (18)5.2车速信号调理电路 (18)5.3方向盘转角信号调理电路 (18)5.4步进电机驱动电路 (19)5.5电源及断电保护电路 (20)6汽车AFS控制系统软件设计 (21)6.1系统软件功能分析 (21)6.2系统软件设计 (21)7结论 (23)摘要：本设计主要完成以传感器作为检测器并通过软件的设计实现适时地对前大灯灯光调节，从而实现对汽车灯光的自适应控制。
这次设计是传感器技术和现代控制技术在汽车制造业中的应用，并且设计了控制系统的硬件电路设计，通过传感器检测到车速和方向盘转角，车身高度的变化，把信号输入单片机中通过程控步进电机执行组件的动作。
步进电机的实际转动位置通过位置传感器回馈给MCU，MCU根据不仅电机目标位置与实际位置之差发出调节修正指令，完成调光过程。
此设计能免去驾驶员对灯光的反复操作。
提高了驾驶安全性和舒适性，减少由于驾驶员对灯光操作及灯光的阴影区多带来的交通事故，也大大挺高了汽车前大灯运行的可靠度。
关键词：汽车、自适应、控制；1前言有统计表明，90%的交通事故是由于人的因素造成的，危险来源于复杂的交通状况，包括不合理信息、过度紧张等一系列的原因。
灯光是夜间和雨雾天气驾驶员仅有的信息载体，它让人们更加清楚地了解交通状况，判断可能存在的危险并及时采取措施。
有统计表明，在欧洲由于照明引起的交通事故（如果在白天或者照明好的条件下交通事故会减少30%以上）汽车自适应前大灯系统（Adaptive Front-light System，AFS）是使会车用前照灯（即近光灯）的光照射线随车辆行进方向作水平方向偏转，并根据车辆的俯仰作垂直方向的调整，为驾驶员在路口、弯道及颠簸不平的路面提供最佳的照明效果。
在国外，AFS系统已经开始得到广泛应用，然而由于进口的AFS系统大多是生产厂商为本国道路考虑，而且国内道路状况与国外差别较大。
另外，进口的AFS系统价格也非常高，因此进口AFS 系统在国内的普及应用存在的阻力较大。
目前，国内对AFS系统的研究还较少，基本上还停留在在仿真实验阶段，在为数不多的涉及AFS系统的实验研究中，主要采用信号单线通讯，线束数量较大，不仅给整车线束集成和分类带来困扰，而且由于需要依赖较多的硬件辅助，导致信号传输存在迟滞现象。
所以说无论是在国内还是国外都有广阔的市场开发前景。
在总结前人的研究成果的基础上，对汽车自适应前大灯系统设计，归纳如下几点：（1）根据汽车动力学理论建立了汽车自适应前大灯系统数学模型，其中包括前大灯光轴水平方向调节，前大灯光轴垂直方向调节及步进电机模型。
（2）以AFS系统数学模型为基础，分别对PID控制和云模型控制进行分析，发现云模型控制适应性强，有较好的控制效果。
使用STC12C5A60AD芯片作为运算核心部件，对汽车自适应前大灯系统的软硬件包括，单片机最小系统电路、车速信号调理电路、步进电机驱动电路、方向盘转角信号调理电路、电源断电保护电路等。
整个系统的软件开发是在集成开发环境下进行的，整体流程，实现了自适应前大灯系统的基本功能。
2汽车AFS系统的国内外研究现状国外对汽车自适应前大灯系统的雅尼局比较早，在80年代，在实验室就完成了静态自适应前大灯系统的开发和实验。
自1992年起静态自适应前大灯系统就被列为欧共体尤尼卡（EURE2KA）的1403号项目，在欧猪的各大汽车公司和美国、日本的部分公司都参与了此项目。
90年代末期，静态自适应前大灯系统进入生产阶段，并成为豪华轿车的一个新卖点。
2003年，意大利玛涅马瑞利车灯公司在汽车上安装了动态AFS系统奠定了基础。
目前，汽车（电装）DENSO 公司的AFS、德国HELLA、法国（法雷奥）V ALEO和上海的小么等。
DENSO公司的AFS系统如图1所示。
系统从方向盘转角传感器、车速传感器、车身高度传感器分别取得转向轮旋转角度、车速和车身倾斜的精确信息。
其中角度和速度信息通过中央控制电路，精确计算以后产生输出信号控制旋转步进机对前灯光轴进行水平旋转，倾斜度信息控制调高步进电机对前大灯光轴进行垂直旋转调节。
HELLA公司的AFS是由一个传感器组、传输通路、处理器和执行机构组成的系统。
AFS的执行机构是由一系列的马达和光学机构组成的。
一一般有投射式前照灯，对前灯垂直角度进行调整的高马大，对前灯水平角度进行调整的旋转马达。
由于要对多重车辆行驶状态做出综合判断，客观上决定了AFS是一个多输入多输出的复杂系统。
图2是德国HELLA公司AFS系统。
V ALEO的AFS主要由速度传感器、方向盘转角传感器、车身高度传感器、处理器、步进马达组成。
通过速度传感器获取的速度和方向盘转角传感器获取角度控制水平方向步进马达旋转。
弯道外侧的大灯照亮范围角度7度，内侧的大灯照亮范围角度为15度，车身高度传感器获取的信息（倾斜度信息）控制垂直方向步进马达。
上海小么公司生产的AFS系统，是上汽与日本小么联合开发的AFS系统。
自适应转向大灯系统的基本构成包括：（1）两台步进马达，分别控制前照灯在水平和垂直方向的转动；（2）传感器部件以及步进马达的驱动部件；（3）微控制单元（MCU）；（4）前照灯的机械结构部件；（5）传递控制信号以及采集传感器数据的LIN总线，还有将传感器数据传递给其它控制装置。
国外的AFS系统已经日趋成熟。
目前，在中高档汽车中，如奔驰E级、奥迪A8、凯美瑞等，已经加装了部分功能的AFS系统。
在国外AFS系统已经得到了广泛应用，国内在这方面的研究还比较少，加之引进的AFS系统大多为生产商国道路状况也与欧洲的差别较大，有自己的道路特点，因此AFS系统并不能发挥到最大的作用，对AFS系统在国内的应用带来了阻力。
虽然国内在AFS控制系统方面的自主研发起步晚，但是目前已经取得了显著进步，沈阳北方汽车大灯有限公司和天津欧华汽车研发中心等一些机构在进行自主研发，实际试验已经取得较好的效果，但还没有批量生产，相信不久的将来，国产AFS系统将会出现。
3自适应前大灯研究的意义随着汽车技术的发展，对汽车的要求更为严格。
大到动力性能，小到舒适性能，都要求可以做到最好。
汽车照明，对交通安全有重要作用。
由于交通密度增加，车速越来越快，加之行驶环境错综复杂，使得前照灯和其它车灯的设计者，面临日益严峻的多种挑战。
有统计表明，90%的交通事故是由于人的因素造成的，危险来源于复杂的交通状况，包括不合理信息、过度紧张等一系列的原因。
灯光是夜间和雨雾天气驾驶员仅有的信息载体，它让人们更加清楚地了解交通状况，判断可能存在的危险并及时采取措施。
从自适应大灯的结构及工作原理，阐述了解决夜间行车的安全性问题，其优点在于保证汽车能在静态或动态行驶中，控制器一旦检测到加速或制动信号时，或者外界光的强度发生变化等不同工况时，都能自动改变照射光的位置，实现自我调节，减少交通事故率。
目前，AFS系统已经在中高档轿车中广泛使用，但是由于成本较高，并且大多采用开环控制，具有控制精度不高、累积误差大、反应时间滞后等问题。
基于上述问题设计建立了二度自由汽车模型、前大灯水平偏转模型和垂直调节模型、步进电机模型，并得出前大灯转角与车速、方向盘转角、车身高度之间的函数关系，同时对本体系采用死循环控制，并采用了不同的控制策略，分析找出了一种相对优越的控制策略。
在此及出生，设计了硬件电路，达到了预期的形容目的。
4汽车自适应前大灯系统总体设计4.1 汽车AFS系统的结构组成与基本功能汽车自适应前大灯的整体框架包括传感器、MUC、步进电机、前大灯，如图5所示：目前，汽车AFS系统主要实现以下几种道路照明系统的功能：调整公路照明模式、城市道路照明模式、乡村道路照明模式、恶劣天气照明模式等。
（1）高速公路照明模式：调整公路上的交通事故频繁发生，并且为重大交通事故，往往造成重大人员伤亡和财产损失。
改善高速公路上汽车照明条件下对行车安全有十分重要的意义。
汽车在高速公路上行驶时，车速很高，车辆密集度相对较低，侧向干扰较少，所以要求自适应前大灯必须比普通前大灯照的更远、更窄，要求车速越高，光型越长。
同时，光型的长度和汽车的速度成正比，车速越低，光型越短，这样一方面可以提前发现前方障碍，避免交通事故的发生，另一方面可以避免给对方驾驶员造成炫目，拉长视野，给高速行驶的汽车提供安全保障，AFS系统高速公路模式如图3所示，图3为进入高速公路模式，图4为未进入高速公路模式。
（2）城市道路照明模式：对于城市公路来说，一班都有路灯照明，但是道路复杂交错，人流车流大，前照灯的法规法定在会车时对对面驾驶员的光照强度不超1000CD。
是否进入城市道路照明模式由光敏传感器和汽车车速传感器或者传感器GPS来判断。
当光强度达到设定值，车速不超过规定值时，城市道路照明模式自动开启。
（3）乡村道路照明模式：乡村道路一般道路狭窄，弯道多，部分道路还凹凸不平、起伏不定。
有较多的人和牲畜。
同时，由于乡村道路照明条件较差，因此改善汽车前大灯在乡村道路照明条件，对于减少道路交通事故有重要意义。
是否进入乡村道路照明模式由光敏传感器和汽车车身高度传感器或者GPS来判断。
以右行国家为例，当汽车进入乡村时，左右近光灯的驱动功率均增大，从而增加亮度以补充照明，右灯的灯光要偏转一定的角度，以照射到边缘路面，效果如图6所示。
（4）恶劣天气照明模式：在恶劣天气，如雨、雾雪等天气状况下，由于驾驶员的能见度较低，视野不清，容易产生错觉，同时由于路面湿滑车辆制动性能差，因此交通事故频繁发生，为了降低恶劣天气下的交通事故率，除了要减缓车速外，改善汽车前大灯条件要很重要。
在恶劣天气状况，大雾或者大雨环境下，为了扩大驾驶员的视野范围，需要输出较强和较远的光型，以拉长驾驶员的可视距离，从而保证行车安全。
4.2 汽车AFS系统的基本原理当车辆进入弯道或者其它道路状况时，MCU通过采集车速和方向转角、车身高度的变化，判断是否对前大灯光轴进行调光，并进一步计算出两灯在左右、上下方向的调节角度，然后转换成各步进电机运动状态控制参数，控制相应步进电机动作，步进电机的实际转动位置通过位置传感器回馈给MCU，MCU根据步进电机目标位置与实际位置之差，发出调节修正指令，完成调光过程。