湯梓日 王文華

摘要：針對濫用汽車遠光燈極易造成交通事以及車燈智能控制的問題，提出一種基于光敏傳感器探測與識別車燈進而控制其照射方向的執(zhí)行機構(gòu)，設(shè)計該執(zhí)行機構(gòu)的電路硬件和軟件控制邏輯，研究參與控制車燈照射方向的微機系統(tǒng)、機構(gòu)原理，從而使照明系統(tǒng)智能化，具有可控的照射方向、可控的照射距離;在執(zhí)行機構(gòu)控制中以 STM32、AC1003為基礎(chǔ)，開發(fā)其智能控制算法以及提高通訊效率，實現(xiàn)具有較強可移植性的控制邏輯、以及快速的遠光燈智能避讓執(zhí)行機構(gòu);最終實現(xiàn)具有較好實用價值的智能化汽車遠光燈的執(zhí)行機構(gòu)、照明裝置及其控制系統(tǒng)。測試結(jié)果表明，基于該執(zhí)行機構(gòu)的智能避讓系統(tǒng)，車燈控制角度誤差在7.7%以內(nèi)，數(shù)據(jù)通訊的頻率從20次/s提高到42次/s ，提高了智能執(zhí)行機構(gòu)的速度。

關(guān)鍵詞：遠光燈;智能避讓;執(zhí)行機構(gòu);控制系統(tǒng)

中圖分類號：U463.65文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1009-9492（2021）11-0166-05

Research on Actuator System for Intelligent Avoidance of Automobile HighBeam Light

Tang Ziri，Wang Wenhua※

（School of Electronic and Information Engineering， Guangdong Ocean University， Zhanjiang， Guangdong 524088， China）

Abstract： In order to solve the problem of traffic accident and intelligent control of high beam light， an actuator based on photosensitive sensor was proposed， which was used to detect and identify the light， and then control the direction of illumination. The hardware and software control logic of the actuator were designed， and the principle of microcomputer system and mechanism involved in controlling the direction of illumination was studied， so as to make the light system intelligent， controllable irradiation direction and distance. For the control of actuator， based on STM32 and AC1003， the intelligent control algorithm and the communication efficiency were developed. The control logic with strong portability and the fast high beam intelligent avoidance actuator were realized. Finally， the intelligent high beam actuator， lighting device and control system with good practical value were realized. The test results show that the angle error of high beam light control is less than 7.7%， and the frequency rate of data communication is increased from 20 times/s to 42 times/s， which improves the speed of intelligent actuator.

Key words： high beam light; intelligent avoidance; actuator; control system

0 引言

1886年，煤油燈成為汽車的首款照明系統(tǒng)，其有效距離是1～2 m;1905年，乙炔燈被安裝在了轎車上，其照射距離為5m;1925年，白熾燈展開了汽車電氣化照明的歷史。隨著汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，車燈也慢慢更新自身的技術(shù)，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)和造型，鹵素?zé)?、氙氣大燈、光?dǎo)纖維燈、HID （高強度放電燈）燈以及 LED 燈都圍繞著亮度與照射距離展開角逐[1]。革命性的設(shè)計需要革新的設(shè)計，2010年之后出現(xiàn)的轉(zhuǎn)向隨動大燈、矩陣大燈，創(chuàng)新性地提出可變照明方向的遠光燈系統(tǒng)。朝著可變照明方向和智能化的方向，汽車的照明系統(tǒng)有了極具實用性的、明確的發(fā)展方向。智能車燈的研發(fā)是車燈技術(shù)中的一個方向，智能車燈由微型計算機控制，微型計算機從汽車中的電子傳感器獲取信息，這些傳感器可以辨別各種照明條件[2]，進而實現(xiàn)自動控制工作，能夠為行人、駕駛員盡可能多地提供幫助[3]。夜晚開車的時候，遇到對面車輛的駕駛員因為賴得切換近光燈或來不及關(guān)閉遠光燈，由于對面車輛的遠光燈光照強度過高而造成人眼瞬間炫目[4]，極易引發(fā)交通事故。

本文提出一種根據(jù)光敏傳感器探測前車位置改變照射方向的汽車遠光燈智能避讓系統(tǒng)，重點研究其執(zhí)行機構(gòu)、照明裝置及其附屬的軟硬件。

1 遠光燈智能避讓基本原理

本文的遠光燈智能避讓是一種模塊化的、可不限設(shè)備組合的系統(tǒng)，其處理平臺為 STM32和 AC1003，輔以 Arduino UNO平臺作為對照組[5]。光電傳感器掃描車輛的前方，實現(xiàn)對雙向車輛車燈光源的自動定向與識別，最終實現(xiàn)對前方車輛遠光燈進行自動避讓動作的目的，如圖1所示，成功避免了駕駛過程中因遠光燈而造成的炫目問題。在行駛道路照明不良時，針對前方不同距離車輛對本車光軸夾角的不同以及遠光燈指向性較差的問題，設(shè)計合理的遠光燈智能避讓執(zhí)行機構(gòu)和照明裝置，將大于50m 、15～50 m和小于15 m三種情況分別進行遠光燈亮度調(diào)節(jié)或關(guān)閉開啟、左右遠光燈關(guān)閉開啟和分區(qū)域關(guān)閉開啟遠光燈3種自動避讓動作。

本文通過外接的光電傳感器探頭[6-7]從0°～140°反復(fù)旋轉(zhuǎn)探測前方車道上車輛遠光燈發(fā)出的光束，進而探測其在探頭上的光照度[8]，經(jīng)過處理后以串口傳輸協(xié)議的方式發(fā)送到處理的主控模塊，主控模塊根據(jù)數(shù)據(jù)流獲取的前車位置啟動相應(yīng)的避讓程序，控制執(zhí)行機構(gòu)的動作，進而使得有可能對前方同向或逆向車輛駕駛員造成炫目影響的矩陣式大燈定向關(guān)閉，達到安全行車的目的，降低因遠光燈炫目造成的交通事故發(fā)生率。

2 執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)及其相關(guān)硬件

2.1 執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)

本文設(shè)計的執(zhí)行機構(gòu)如圖2所示，兼容步進電機、電機、舵機作為驅(qū)動源。執(zhí)行機構(gòu)包括第一和第二動力源、絲杠固定座、第一和第二絲杠、螺母臺、燈架、燈座、萬向球、第一和第二轉(zhuǎn)架、第一絲杠固定架;動力源即為步進電機、舵機，或者電機，第一和第二絲桿控制了車燈的照射方向。

執(zhí)行機構(gòu)為傳感器組件和大燈組件服務(wù)[5-6]，傳感器組件如圖3所示，傳感器安裝底座與支架相連，而支架組件包括與底座固定連接的第一支架、固定在第一支架遠離底座的電機安裝底座、與傳感器固定連接的角度傳感器及安裝在所述傳感器安裝座內(nèi)的光敏二極管;大燈組件通過燈座、用于固定燈座的燈架以及設(shè)置在燈架內(nèi)側(cè)且套接在燈座內(nèi)的萬向球、鉸接等部件連接到執(zhí)行機構(gòu)，燈座一側(cè)的第一轉(zhuǎn)架、與第一轉(zhuǎn)架鉸接的第二轉(zhuǎn)架、套接在第二轉(zhuǎn)架內(nèi)的第一絲杠及其固定架、與第一絲杠一端連接的第一電機及其螺母臺、套接在螺母臺內(nèi)的第二絲杠以及絲杠固定座、驅(qū)動第二絲杠的第二電機等部件都是執(zhí)行機構(gòu)的具體組成部分，所述大燈組件數(shù)量為 n （ n ≥2）。另外，如圖4所示，傳感器安裝座內(nèi)部水平方向設(shè)置有透鏡安裝孔，安裝孔后端設(shè)置有聚光孔，聚光孔與透鏡安裝孔通過錐形孔連通，聚光孔后部還設(shè)置有安裝光敏二極管的安裝孔，安裝孔與聚光孔連通，通過對安裝座內(nèi)部結(jié)構(gòu)限制使光敏二極管僅能接收前方0.3°～3°以內(nèi)的光源;透鏡安裝孔內(nèi)裝有透鏡，透鏡選用焦距為10 mm 、半徑4.5 mm 、厚度1.5 mm ，透鏡安裝孔、深度15 mm 、錐形孔深10 mm 、聚光孔、深度2 mm;傳感器安裝座設(shè)置有與傳感器電機輸出軸連接的驅(qū)動孔，用于旋轉(zhuǎn)固定檢測傳感器安裝座角度的角度傳感器安裝孔。

大燈組件的相對位置如圖5所示，燈組一的第一電機和第二電機對應(yīng) a ，燈組二的第一電機和第二電機對應(yīng) b ，燈組三的第一電機、第二電機對應(yīng)c。

執(zhí)行機構(gòu)在信號處理系統(tǒng)的配合下構(gòu)成大燈避讓系統(tǒng)，具體步驟為：（1） 處理單元通過單片機和第一電機的驅(qū)動電路控制傳感器安裝座在傳感器電機驅(qū)動下以4 rad/s 轉(zhuǎn)速左右來回轉(zhuǎn)動，掃描前方車輛所處位置;（2） 安裝在傳感器安裝座內(nèi)的光敏二極管接收前方車輛燈光信號，將光敏二極管接收到的光信號通過 I-V 轉(zhuǎn)換模塊傳入至處理單元中，I-V 轉(zhuǎn)換模塊和處理單元共同控制光敏二極管光線接收強度，同時將角度傳感器的角度信號傳入至處理單元中;（3）處理單元將角度信號和光信號進行處理分析，判定前方車輛的位置;（4）處理單元將處理后的結(jié)果通過第二電機驅(qū)動電路、電機選擇處理電路控制大燈組件中的第一電機實現(xiàn)燈座上下角度轉(zhuǎn)動，控制第二電機實現(xiàn)燈座左右角度擺動。

2.2 硬件電路與多機通訊設(shè)計

執(zhí)行機構(gòu)需要在信號處理系統(tǒng)以及匹配的硬件電路輔助下完成大燈避讓。

2.2.1 信息流傳入電路

本文設(shè)計裝置的信息流輸入電路，指的是STM32獲取前車位置的數(shù)據(jù)流入方式。設(shè)計使用4個 IO 口作為通訊口。

表1～2為 STM32的 GPIO 信息傳入部分拓展對照圖，包括與其他設(shè)備通訊的GPIO 口2個，用于控制通訊方式的 GPIO 口1個，另外用于復(fù)位本設(shè)備的 GPIO 口1個。

2.2.2 電控電路

本文設(shè)計將電控電路分為主控、舵機塊、照明裝置塊;塊與塊之間無法直接通訊，只與主控進行通訊。塊被設(shè)計為有不重復(fù)的 ID 、可多個塊連接到同一主控上。

模塊的 MCU 使用 AC1003，一款基于 ARM? Cor- tex?-M0+內(nèi)核[9]的32位微控制器。芯片包含1顆64 K/32 K 字節(jié)容量的嵌入式 Flash 存儲器、內(nèi)部8 MHz 晶振。自帶有 IIC 、SPI 、UART 和 ADC 、PCA等多種外設(shè)，兼容5 V供電。

主控的電路設(shè)計中，包含了 STM32的復(fù)位電路、晶振電路、DC-DC穩(wěn)壓電路、5 V 網(wǎng)絡(luò)以及3.3 V 網(wǎng)絡(luò)。及一些防止靜電和電平抖動的電容。此外，當(dāng)使用 USB供電時電壓為5 V ，因此設(shè)計使用 XC6206-330進行降壓至3.3 V 。主控使用 STM32作為數(shù)據(jù)處理平臺，負責(zé)與上位機通訊，獲取前車位置數(shù)據(jù)或直接的模塊控制命令。

圖6所示為主控的工作原理，其獲取來自傳感器的前車位置數(shù)據(jù)，改變參數(shù)后，經(jīng)過判斷向外設(shè)模塊發(fā)出轉(zhuǎn)動角度指令。

舵機塊具有獨立的 MCU （AC1003）以及由 MCU 控制的 SG90舵機。AC1003配合成熟的 Keil μVision 調(diào)試開發(fā)軟件，支持 C 語言及匯編語言在線快速開發(fā)與調(diào)試。 AC1003在本文設(shè)計中使用 I2C硬件，作為從機與主控通訊，并調(diào)用定時器中斷用于控制 SG90舵機。

圖7所示為舵機模塊工作原理。IIC數(shù)據(jù)中包含舵機地址、舵機 ID ，如接收到錯誤的舵機地址、舵機 ID ，舵機模塊的“舵機角度”參數(shù)不會被修改。而當(dāng)接收到地址0XF5后，舵機模塊則會返回自身舵機地址、舵機 ID ，以及當(dāng)前的“舵機角度”參數(shù)。

遠光燈塊的軟硬件設(shè)計與舵機模塊大致相同，不同點在于獲取的參數(shù)為“燈光亮度”，通過硬件定時器開發(fā)了 PWM 調(diào)光，燈光控精度達到了128個擋位。

3 軟件設(shè)計

3.1 執(zhí)行機構(gòu)智能動作算法

本文的硬件部分由外設(shè)的傳感器模塊、STM32/Arduino模塊、燈光控制模塊、舵機控制模塊組成。其中傳感器在程序部分不需要驅(qū)動，僅從通訊中獲取必要數(shù)據(jù)，包括前車左側(cè)、右側(cè)輪廓。因此，程序部分包括了對傳感器輸出數(shù)據(jù)的記錄、濾波，燈光照射區(qū)域的控制及其控制策略，策略流程如圖8所示。

3.2 通訊方式與環(huán)形數(shù)據(jù)管理

模塊和主控的通訊使用 IIC協(xié)議，常規(guī)情況下 IIC協(xié)議同一時間內(nèi)只能是兩臺設(shè)備之間通訊，不支持同時控制多個 IO 口。本論文設(shè)計 IIC 協(xié)議使用時間片的方式[10]，解決 MCU不能多線程運行的難題。多線程 IIC的實現(xiàn)方式，在一個 SCL電平跳變的區(qū)間，輪流控制多個 IO 口的 SDA電平。設(shè)計避開了因從機通訊速度的限制，主機需要作出大量等待，產(chǎn)生空閑的等待時間。經(jīng)過測試，在 STM32F103TB作為處理平臺的情況下，IIC通訊速度達到1 Mb/s ，而國產(chǎn)芯片 MM32中為800 kb/s。

圖9所示為閉環(huán)的模塊數(shù)據(jù)管理方式示意圖。彎曲箭頭線路表示外接模塊的數(shù)據(jù)傳入，即“入環(huán)”。在接入多個模塊后，主控并非采用“模塊鄰詢”的方式，逐個與模塊交換數(shù)據(jù)，而是所有模塊同時進行數(shù)據(jù)交換，秉著“誰先完成通訊棧，誰入環(huán)”原則。入環(huán)后，覆蓋相同模塊類型相同 ID 的數(shù)據(jù)。

3.3 時間片的多 IO 口 IIC通訊設(shè)計

本文提出多線程的 IIC通訊，多個 IO 口可同時進行 IIC通訊，對于單個 IIC通訊接口其速度可達到400 kHz。

（1） 引腳選擇函數(shù)

在 STM32的 HAL 庫中[11]，引腳的分配大多在頭文件中定義，無法在程序運行過程中及時修改引腳的宏定義。因此，本文為做到同一函數(shù)套用到多個 IO 口中，創(chuàng)建了引腳選擇函數(shù)，使用變量儲存引腳地址，代替原有的宏定義方式[12]。

（2） 模塊數(shù)據(jù)更新函數(shù)

本文提出一種可移植多種 MCU 平臺的 IIC 函數(shù)。其基本內(nèi)容：拉低所有參與 IIC 通訊的 SCL 引腳電平，輪流執(zhí)行多個 SDA 引腳的 IO 口操作，拉高所有參與 IIC 通訊的 SCL 引腳電平，輪流執(zhí)行多個 SDA 引腳的IO 口操作。

（3） IO 口操作函數(shù)

IO 口操作函數(shù)為本文軟件的核心部分，此部分封裝為一整個函數(shù)。函數(shù)記錄了對應(yīng)的 IO 口在 IIC協(xié)議的通訊中，其對應(yīng)的時鐘片時刻應(yīng)執(zhí)行的行為。

比如：IO 口1號在發(fā)送完0xF4的地址后，應(yīng)將 IO 口切換為上拉輸入，等待從機下拉完成校驗 ACK的動作;而同一時刻，IO 口2號可以處于地址發(fā)送的狀態(tài)中，IO 口3號可以處于讀取 IIC從設(shè)備返回的某1Bit數(shù)據(jù)的狀態(tài)中，做到多個 IO 的 IIC通訊狀態(tài)互不干擾。

4 系統(tǒng)性能測試與結(jié)果

4.1 系統(tǒng)的通訊效率

通訊效率直接影響執(zhí)行機構(gòu)的速度。本論文提出模塊化的汽車遠光燈智能避讓的執(zhí)行機構(gòu)和照明裝置，模塊與主控在正常工況下測試模塊與主控的通訊速度實驗。對常規(guī)的 IIC通訊方式和多線程 IIC通訊方式進行測試對比。

（1） 常規(guī) IIC通訊方式

舵機模塊使用的 AC1003處理器，MCU片內(nèi)硬件 IIC 傳速速度最大支持400 kHz 。主控使用的 STM32，在執(zhí)行 USB CDC中斷的情況下，其在單線程執(zhí)行軟件 IIC的情況下傳速速度仍達到961 kHz 。完全能滿足 AC1003硬件 IIC數(shù)據(jù)傳速峰值速度。此時若采用增加延時的做法降低 IIC通訊速度將浪費 MCU資源，且此做法僅能對 IIC從設(shè)備進行鄰詢訪問。結(jié)合 AC1003片內(nèi)硬件 IIC有一定可能故障，IIC主機會因此花費時間重復(fù)發(fā)送通訊首地址。實際測試中僅能做到20次/s通訊。

（2） 多線程 IIC通訊方式

多線程 IIC通訊方式實際上去掉了常規(guī) IIC通訊中因為從機速度過慢的等待時間，調(diào)用此時間執(zhí)行其他 IO 口上下拉動作。在通訊時序中，獲得的通訊頻率為42次/s，本文設(shè)計開發(fā)的的執(zhí)行機構(gòu)和照明裝置取得了較快的通訊速度和穩(wěn)定性。

4.2 實車測試

本文提出的汽車遠光燈智能避讓的執(zhí)行機構(gòu)和照明裝置，需要一個接近真實使用狀況的測試場景。因此在車庫中搭建了家用轎車作為檢測源的實驗環(huán)境。在車庫中通過實際情況的模擬，對遠光燈避讓的執(zhí)行機構(gòu)進行實機測試，不斷優(yōu)化控制速度以及控制穩(wěn)定性。

本文實驗采用的傳感器及照明系統(tǒng)參數(shù)如下。探測前車光源方向的傳感器，水平方向探測幅度140°，單目，對680 nm 波長的可見光最敏感;ArduinoUNO作為數(shù)據(jù)處理器，通過 IIC 發(fā)送前車左右輪廓數(shù)據(jù)到 STM32主控。測試品牌：速照，42燈珠，12 V直流供電剎車燈（剎車狀態(tài)）;位置：行車方向正前方，兩顆模擬剎車燈間隔1.8 m。

系統(tǒng)執(zhí)行避讓動作后，遠光燈照明的實測結(jié)果如圖11所示，實測結(jié)果對應(yīng)的場景是：正前方約20 m ，左右遠光燈各擺動14.9°。在測試中，誤差最大的是主控發(fā)出執(zhí)行機構(gòu)擺動14°時，執(zhí)行機構(gòu)擺動了13°，誤差約為7.7%。

圖10（a）和圖10（b）分別為車距較遠和車距較近時遠光燈的照明情況。當(dāng)車距較遠時，遠光燈向居中靠攏，但不照射到前車位置上避免對前車造成燈光炫目;在車距較近時，前車尾燈輪廓占據(jù)視場寬度較大，因此遠光燈向兩側(cè)外擴。

5 結(jié)束語

本文對汽車遠光燈的智能避讓和照明系統(tǒng)進行了闡述，介紹參與車燈照射方向控制的微機系統(tǒng)、機構(gòu)原理、應(yīng)用領(lǐng)域及未來的發(fā)展趨勢;繼而提出了一種控制車燈照射方向的執(zhí)行機構(gòu)，以及該執(zhí)行機構(gòu)的電路硬件與軟件控制邏輯，實現(xiàn)了遠光燈的智能避讓，并分析了控制系統(tǒng)在不同工況下的可用性，得出了具有一定實用價值的智能化汽車遠光燈的執(zhí)行機構(gòu)、照明裝置及其控制機構(gòu)。測試結(jié)果表明，在本文所測的轉(zhuǎn)角中，70 m范圍內(nèi)車燈的控制角度誤差在7.7%以內(nèi)，數(shù)據(jù)通訊的頻率從20次/s提高到42次/s ，提高了智能執(zhí)行機構(gòu)的速度。

參考文獻：

[1]張寧寧.轎車照明燈造型分析[D].沈陽：東北大學(xué)， 2008.

[2] Lark J W. Intelligent Lighting Control System Zone Identification Apparatuses，Systems，AndMethods： US， 20180014381[P].2017-7-7.

[3] Li Lianghui， Wang Jiachen， Yang Shengli， et al. Binocular stereo vision basedilluminance measurement used for intelligent light- ing with LED[J]. Optik，2021（237）：166651.

[4]宋洪飛.普通公路會車時不同車速的眩光造成的危害時段分析[J].公路與汽運， 2009（3）：50-53.

[5]湯梓日， 張杰波， 田秀云，等.基于光敏傳感器的汽車遠光燈智能避讓系統(tǒng)[J].電子測試，2020（24）：13-16.

[6]王文華，湯梓日，張杰波，等.一種遠光大燈主動避讓系統(tǒng)：中國， 201922121889.x[P].2020-08-21.

[7]王文華， 湯梓日， 張杰波，等.一種遠光大燈主動避讓系統(tǒng)及其制作方法：中國，201911213166.0[P].2019-12-02.

[8]王慶有.光電傳感器與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[9]盧泰均.淺談 ARM Cortex-M0[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用， 2010（3）：84-85.

[10]湯元斌.多線程模擬進程時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法研究[J].四川文理學(xué)院學(xué)報，2014，24（5）：76-79.

[11] Anonymous. STMicroelectronics; STMicroelectronics Adds New Library for STM32 MCU， Opening Up New Options for DSP Ap- plication Developers[J]. Electronics Newsweekly，2008：9-14.

[12] Vinh Nguyen， Andrew Dugenske. An I2C based architecture for monitoring legacy manufacturing equipment[J]. Manufacturing Letters， 2018（15）：67-70.

第一作者簡介：湯梓日（1998-），男，廣東廣州人，大學(xué)本科，研究領(lǐng)域為電子科學(xué)與技術(shù)。

※通信作者簡介：王文華（1976-），男，福建龍巖人，副教授，研究領(lǐng)域為傳感技術(shù)。

（編輯：刁少華）