汽车前照大灯智能化的现状与发展

罗德智，牛萍娟，郭云雷，刘 雷，孙玉楷

(1.天津工业大学电气工程与自动化学院，天津 300387；2.天津工业大学电子与信息工程学院，天津 300387)

汽车前照大灯智能化的现状与发展

罗德智1，牛萍娟1，郭云雷2，刘 雷1，孙玉楷2

(1.天津工业大学电气工程与自动化学院，天津 300387；2.天津工业大学电子与信息工程学院，天津 300387)

汽车智能前大灯可以让驾驶员将更多的精力投入到汽车的驾驶上，如通过前照灯弯道自适应技术，可以减少驾驶员不断切换远近光灯的麻烦，减轻驾驶员的操作负担。本文介绍了汽车前大灯智能化的研究现状和未来发展趋势；结合目前几种主要的汽车前大灯智能控制方式与相关技术，分析了先进性与实用性；对汽车前大灯智能控制技术的发展趋势做了展望；阐述了汽车照明智能控制方面的国内外标准和整合情况。

前照灯；矩阵式大灯；矩阵式尾灯；国家标准；国际标准

引言

随着现代科技的不断发展更新，越来越多的智能化产品出现在我们的日常生活中。汽车作为高科技的集中产物，智能化程度也越来越高，汽车前大灯的科技含量往往代表着汽车的安全性。汽车智能化不仅仅体现为车载系统的功能更加强大、更加丰富，如何使汽车对于驾驶员及行人变得更加可靠、更加安全是汽车制造商关注的焦点，也是将来汽车智能化发展的一个重要方向。汽车前照大灯控制的智能化，使驾驶员能够从灯光控制的繁杂操作中解放出来，将更多的精力投入到汽车的驾驶上。例如：当行驶在复杂的路段时，矩阵式激光大灯技术能够减轻驾驶员需要不断调节灯光的麻烦。

1 研究现状

1.1前照灯弯道自适应技术

1)前照灯随动调节。汽车控制系统通过光照强度传感器能够检测车辆外部的环境亮度，当环境亮度低于规定值时汽车控制系统就会自动开启前照大灯。汽车转弯时，通过转角传感器测量出汽车转弯的角度，使用横摆角速度传感器测量出汽车的横摆角速度，利用车速传感器测量出当前汽车的行驶速度，以及采用加速度计传感器获取车身高度(车辆质心)和车灯转角传感器获取车灯转角等变化信息。这些信息通过CAN总线传输给处理器进行信息交互及算法处理后，按照建立好的控制策略计算出车灯应当旋转的角度值[1]；并通过CAN总线发送至转角驱动机构旋转车灯，及时地对汽车前大灯的配光进行最优化的调节[2]，在进入前方弯道前获得适合转弯的光束。

2)矩阵式LED光束调节。前照灯随动调节在实际应用中却存在着操纵性差和车灯转角滞后等问题。操纵性差表现为行驶过程中车灯会抖动，车灯转角调节精度不高，转角容易出现超调等情况；车灯转角滞后体现在车灯转角调节滞后于驾驶员所期望的转角[3]。为了解决上述问题，研究人员引进了CCD图像传感器技术和矩阵式LED大灯技术。

CCD图像传感器系统能够采集距车有一定距离的弯道信息，采集到的信息将通过CAN总线传输给处理器，由处理器提前按照不同的车身状态和采集到前方弯道的信息，确定矩阵式LED大灯的控制方式。使前照大灯的光束提前进行随动，实现前照大灯光束的预调整，保证汽车进入弯道时前照大灯光束能完全覆盖驾驶员所期望的区域[4]，从而避免了照明死角的出现。采用的CCD图像传感器技术，能提前对弯道进行光环境适应性调整，充分弥补了前照灯随动调节系统存在调节滞后和车灯旋转角度不足的缺陷，实现车灯的自主旋转。同时，预调整的灯光能引导驾驶员执行入弯的正确操作，起到提示作用，并解决了车灯转角滞后于驾驶员期望转角的问题。

矩阵式LED大灯中的近光灯共有25个LED单体，近光灯共有五个组件，每个组件由5个单体构成，且每个单体都可以单独的进行亮度调节或者开闭。汽车控制系统可以根据CCD图像传感器系统采集的信息和当前车身的状态，控制矩阵式LED使光束角度与驾驶员期望的方向一致。在汽车转向前，控制系统会依据汽车转向的不同角度，按顺序打开或关闭LED单体，汽车转向的角度越大，LED单体打开的位置就越靠近汽车外侧，汽车通过弯道以后，偏向汽车内侧的LED单体会被重新打开。从而解决了行驶过程中车灯抖动、车灯转角调节精度不高和转角容易出现超调等问题。

1.2防眩目技术

1)汽车检测和跟踪。汽车检测系统通常由图像采集模块、车辆检测模块和车辆跟踪模块等组成。汽车检测是整个车辆识别好人跟踪过程的基础部分，后期进行的汽车运动估计和汽车跟踪的实现都需要建立在正确、可靠的车辆检测之上[5]。汽车控制系统通过车载摄像头采集汽车前方的视频数据信息，然后通过CAN总线将信息传输给车辆检测模块。汽车检测模块对待检测图像采用数字图像处理算法和机器视觉算法来检测车辆，最后从图像中获取车辆的精确位置信息。跟踪模块则依据检测模块所检测到的车辆信息得到需要进行跟踪的车辆，并初始化需要跟踪车辆的信息，然后车辆检测系统通过对车辆的运动轨迹进行相应的运算和估计，最终实现对目标车辆的跟踪[6]。跟踪主要是使用目标在连续视频图像中的信息预测下一时刻目标可能出现的位置，采用跟踪算法可以避免全局搜索，是实现实时、准确的检测前方车辆的关键[7]。因此汽车控制系统可以依据需求实时的对前方车辆进行检测、识别和跟踪，并通过相应的光束调节，进而能够实现防眩目功能。

2)防眩目光束调节。矩阵式LED大灯控制系统能够通过车辆检测系统，感知和跟踪到800 m距离内的其他车辆；当检测到汽车前方或对向车道有车辆和行人时，大灯控制系统会实时检测跟踪目标车辆，并关闭相应位置的LED单体，同时，其他LED单体继续保持照明。这样既能够避免对方产生眩目的情况，又保证了驾驶员的正常照明需求。其还可以根据不同的照明需求自行切换远光灯和近光灯，当驾驶员以低速驾驶汽车时，前照大灯控制系统就会自动将灯光调节成分散的状态，进而能够扩大照明区域，为驾驶员提供更广阔的视野；相应的，当驾驶员以高速驾驶汽车时，大灯控制系统就会自动加强光线的密度，以此来增加灯光的照射距离，让驾驶员能够看得更远。

1.3行人提醒技术

1)红外热成像。红外热成像是基于红外热成像原理，通过红外探测器，将夜间汽车前方道路上的目标与背景相应的转化为图像坐标系中的信息，此时的图像为灰度图像，由灰度值的大小反映视觉场中的信息。场景中的一般物体的温度辐射比行人和动物的低，因此成像的灰度值也比行人和动物的低；相应的，物体温度辐射越高，在图像中成像的灰度值就越大，则对应的物体就越亮。

因此，根据上述原理设计的车载红外夜视仪，能够根据热成像技术获得同一时间和空间的目标，以及背景在图像坐标系中的相对位置，并通过检测与识别技术对道路中的行人和动物进行识别[8]。该技术不仅能够扩大驾驶员夜间的视野，而且能够对行驶过程中存在的潜在危险做出预判和发出警报。

2)行人提醒实现。当车载红外夜视仪检测到车辆前方有行人或动物将要进入危险区域时，夜视辅助驾驶系统会在显示屏上标注相应的目标及向驾驶员发出警报。同时汽车控制系统会控制矩阵式LED灯组，使相应的LED单体照亮行人头部以下的部位，并通过连续闪烁三次来提醒行人；通过突出照亮行人，将行人与周围环境区别开，以提醒驾驶员。当检测到车辆前方有动物时，夜视辅助驾驶系统会在显示屏上将动物的图像标出并向驾驶员发出声音警报；同时汽车控制系统会将相应的LED单体关闭，避免动物会被强光刺激而受到惊吓，造成无法预知的事故。

1.4自适应前照灯系统的相关法律法规

欧盟在2007年发布的ECE R123法规中详细阐释和定义了自适应性前照灯系统使用的五种照明模式，并在修订后的ECE R48法规中规定了各种照明模式的开启条件[9]。我国参照ECE R123和ECE R48制定了符合我国国情的《汽车用自适应前照明系统》(GB/T 30036—2013)。

五种照明模式开启条件[10]：

1)基础照明模式(C级)——C级模式为默认照明模式，当需要照明而又没有达到其它照明模式开启条件时，C级模式默认开启。

2)城市道路照明模式(V级)——当自动检测到下面一个或多个情况时，汽车控制系统将自动切换到V 级照明模式(适用V信号)： ①汽车行驶在城市的道路上，且速度不超过60 km/h；②汽车行驶在有固定照明的道路，且速度不超过60 km/h；③汽车行驶的路面亮度值为 1cd/m2，和/或水平路面亮度值持续大于10 lx；④汽车车速度不超过50 km/h。否则不可以使用V级近光模式。

3)高速公路照明模式(E级)——当汽车车速超过70 km/h，且自动检测到下面一个或多个情况时，汽车控制系统将自动切换到E级照明模式：①检测到公路中间设有隔离带，和/或汽车车速超过110 km/h(适用 E 信号)； ②在E级照明模式的场合，其光束仅符合D.7的下列数据集：a)数据集E1：汽车车速超过 100 km/h(适用 E1 信号)，b)数据集E2：汽车车速超过 90 km/h(适用 E2 信号)，c)数据集E3：汽车车速超过 80 km/h(适用 E3信号)。否则不可以使用E级近光模式。

4)恶劣天气照明模式(W级)——当汽车前雾灯处于关闭状态，且自动检测到下面一个或多个情况时，汽车控制系统将自动切换到W 级照明模式(适用W信号)：①自动检测到行驶的路面潮湿； ②汽车雨刮器已开启，且被连续操作或自动控制持续至少2 min。否则不可以使用W级近光模式。

5)弯道照明模式(T级)——除非已经对下面至少一种特性(或相应示值)进行了评估，否则C、V、E或W 级照明模式不能被切换成弯道照明模式：①转向锁角；②车辆重心轨迹。

2 未来发展趋势

2.1矩阵式激光大灯技术

1)空间光调制。DMD技术(Digital Micromirror Device)是一种通过数字电压信号控制微型反射镜来执行机械转动，最终实现光学控制的装置[11]。其核心部分由数百万个微型反射镜组成，镜面为铝制，边长达到数百分之一毫米，每一个都可以进行单独寻址操作，通过静电场的作用，微型反射镜每秒钟能够翻转多达5 000次。通过寻址写入微反射镜下方对应的 CMOS 存储单元数据，根据存储单元所存储的数据,配合特定的刷新控制信号，可以使数字微镜器件上的这些小反射镜偏转到“开”或“关”的状态。处于“开”状态的微镜对应能将入射光反射到所需方向，处于“关”状态的微镜则意味着不能将入射光反射到所需方向[12]。通过寻址控制各个微镜单元在“开”或者“关”状态保持的时间，达到对光能进行调制的效果，灯光经过不同位置的微型反射镜被投射到汽车前方的路面上。

2)矩阵式激光大灯。激光大灯是采用激光二极管作为光源的汽车前照大灯。激光大灯具有响应速度快、发光效率高、亮度衰减低、体积小、和能耗低等优点；和LED大灯相比，在体积方面具有明显的优势。由于激光大灯的光束比较集中，所以能够照射的距离就非常远；但是也存在光束的发散性较差和光束照射的范围较窄等不足之处，所以不适合用作汽车的近光灯[13-14]。为了解决上述的问题，研究人员从矩阵式LED大灯的想法中得到了新的思路，设计出矩阵式激光大灯。矩阵式激光大灯的光源是激光二极管发射出的蓝色光束，其波长为450 nm的；为了得到白光就需要在反射镜的前端安装含有磷涂层的滤镜，蓝色光束通过含有磷涂层的滤镜后就会变为白色，色温为接近日光的5 500 K[15]，然后白色光束还需要穿过一块透镜完成最后的优化。

当车载的雷达或红外摄像机等探测器检测到汽车前方有其他汽车或行人出现时，矩阵式激光大灯能够使光束避开前方车辆，以免造成其他驾驶员或行人产生眩目的情况。当汽车遇到各种不同的交通情况时，采用的DMD技术能够提供最适合的照明方案。从技术层面上来说，DMD技术可以让矩阵式激光大灯拥有无限种可能的控制方式。比如，可以在汽车前面的左右大灯发出两条光带来标明车身左右宽度，进而帮助驾驶员判断是否能够通过狭窄路段或施工路段，这一功能类似于窄路照明技术；汽车转弯时，两个前照大灯能够在路面上投射交通指示图案，提醒其他驾驶员及行人本车正确的预行驶方向；或在汽车前方的路面照射出一簇明暗相间的光带来模拟斑马线，告诉等候的行人可以过马路；也能够利用具有高分辨率聚焦的灯光照射交通标志，让驾驶员能够提前预知前方道路信息；或者通过精准调节光线，以避免开启远光灯时强光对其它驾驶员和行人造成眩目的情况发生。矩阵式激光大灯使用空间光调制技术，成功的解决了激光大灯发散性比较差和光束覆盖的角度比较窄等缺点，令汽车激光前照大灯成为了可能。

2.2矩阵式OLED尾灯技术

1)OLED照明技术优势。OLED尾灯与LED尾灯相比，其具有自发光、宽视角、高对比度、低功耗、响应速度快等许多优点[16]；另外还拥有更为丰富的色彩和更高的可塑性，能够直接与车灯外壳结合[17]，从视觉上来看，变得更具有立体感。上述OLED尾灯技术优势能够解决当前照明技术发展过程中所存在的瓶颈问题[18]，OLED光源将会成为未来照明产品发展的主流产品之一。

2)矩阵式OLED尾灯。矩阵式OLED尾灯，能够通过不同组合样式来表示不同的驾驶状态，从而与后车实现交流[19]。例如，奥迪全新概念性的矩阵式OLED立体尾灯，它具有以下三个特点：①车灯能够变成立体的灯具，目前的车灯大部分都是限制固定在前灯和尾灯两个固定的地方，在将来车灯会变成三维立体的。②它能够移动，可以根据需求在车身上活动。目前有的汽车转向灯已经能够实现这一功能，如车辆将要进行右拐弯时，右转向灯上点亮灯组的单体就会从左侧移动到右侧，车灯会行成动态的效果。③车灯能够拥有沟通的功能。车辆拐弯时，车辆上的OLED尾灯可以显示许多种小符号，进而告之后方的驾驶员本车的驾驶状态[20]。它能够自动地调整车辆的照明区域以及宽度，使其他驾驶员能够及时了解到本车的工作状态，达到传递信号的效果。这也是将来车灯发展的三个重要方向。

2.3数字“投影仪”前照大灯技术

1)智能“像素”光束调制。目前使用的自适应照明系的统安装受到空间限制，进而影响了其效性的充分发挥。例如，当传感器检测到其他驾驶员及行人时，它们就会让前照大灯LED阵列内的相应的LED单体变暗淡或关闭。这就意味着，每个LED单体都需要配备额外的供电组件来实现上述自适应光束的调节，所以汽车前部狭小的安装空间会限制LED单体的安装数量，进而限制了汽车前照大灯的整体亮度和调节的精细程度。

为了解决上述问题，研究人员研发了一款新型的智能像素前照大灯，它可以更加精确地塑造和控制发射的光束。有1 024个可控像素封装成一个“芯片”，内嵌在智能像素前大灯里。每一个像素都有单独的组件来控制它们，让它们的照明效率高于目前的标准。每一个智能LED像素都能够独立调节光束的亮度及开闭，并且可以更精确地控制光束。

2)数字前照大灯。数字前照大灯系统中采用的智能“像素”式光束调制技术被称作数字大灯，数字大灯中安装有数百万的微镜。数字大灯利用摄像头和雷达采集环境信息，通过相应的算法，可以识别出其他驾驶员及行人，并按照不同的交通情况调整光束分配。新的投射技术和控制软件让数字前大灯可以需求减弱或增强光束亮度，避免光束对行人造成不必要的伤害；能够保证无眩光的情况下还可以获得最佳视角和最大照明区域，该项技术能够提高驾驶员在夜间驾驶的安全系数。

2.4可编程LED车头灯技术

卡内基梅隆大学著名的机器人研究所宣布，其研究人员正在研发一种由摄像机、处理器、空间光调制器和分束器组成的全新可编程智能LED车头灯[21]。可编程的智能LED车头灯可以通过摄像机检测、识别和追踪所以迎面而来的其他驾驶员，并遮挡住可能造成对向驾驶员及行眩目的少部分光线。在下雨或下雪情况下，可编程头灯可以追踪车辆前方的雪花或单个雨滴，并根据追踪的雪花或雨滴遮挡车头灯狭小的银镀层，进而能够改善司机的视觉。可编程车头灯可以屏蔽前方照射进来的部分亮光，避免驾驶员受到耀眼的亮光干扰，从而当驾驶员看向汽车前方的雪花或雨滴时，就不会有刺眼感觉，因为车头灯已经把雪花和雨滴反射的亮光屏蔽[22]。当可编程车头灯和导航系统结合，车头灯就能够在前方的路面上预先投射出交通指示标识，提示驾驶员前方的路况，给予直观的引导。采用我可编程车头灯，能够使车灯变得更亮[23]，并且能够避免造成其他驾驶员产生眩目的情况，还可以起到交通信号指示的作用。

该车头灯系统采用了数字光处理技术，通过对探照灯的光线调节来替代目前标准的前照灯。数字光处理技术能够将探照灯的光线分散成100万束细小的光线，并且每个束光都能够经过车载处理器对其进行独立编程控制。该系统采用单个摄像机就可以检测、识别和追踪迎面而来的驾驶员和行人及其他物体。系统可以根据需求对100万束光进行相应的调整，既能够调节他们的亮度，保证其他驾驶员及行人不会被强光干扰；能够聚焦照射交通标示或车道，让其他人可以更容易的看清楚。光束的调节过程中整体照明效果的变化十分微小，驾驶员一般是感觉不到微小的变化。摄像机检测过程和对应的光束调节过程的时间差大约是1～2.5 ms[24]，时间差近乎即刻的响应，说明在大部分情况下，在车头灯响应前系统不采用成熟的算法也能够迅速预测出迎面而来的驾驶员和行人或雨滴和雪花的精准位置。

使用同样的车头灯就可以实现一个甚至更多的功能，这和其他最新的前照灯系统形成了十分鲜明的对比。其他前照灯系统包含有多个LED灯组，它们主要是通过调节LED的亮度来削弱刺眼的强光，同时旋转前照灯来使驾驶员能够看清弯曲的车道。但是这些前照灯系统很多都是只能应用于单一任务的系统，不同的前照灯系统只能在不同的任务中使用[25]。研究小组还将要在车灯系统的控制策略上结合GPS数据，根据汽车驾驶的方向自动调整车头灯的照明方向，使驾驶员可以更好的看清前方道路[26]。同时，还计划增加检测障碍的功能，对前方道路的障碍物进行提前预警。

3 汽车前照灯相关标准

3.1国家标准的整合动向

1)现有的国家标准及现状。①前照灯：①GB 4599—2007《汽车用灯丝灯泡前照灯》，对应ECE R1、R2、R5、R8、R20、R31、R112，《灯丝灯泡的部分能容》(分别有三个版本：GB 4599—1984、GB 4599—1994、GB 4599—2007)；②GB 21259—2007《汽车用气体放电光源前照灯》，对应ECE R98；③GB 25991—2010《汽车用LED前照灯》，对应ECE R112《LED光源部分能容》。②AFS 系统：GB/T 30036—2013《汽车用自适应前照明系统》，对应ECE R123(不包括ADB)。③前雾灯：GB 4660—2016《机动车用前雾灯配光性能》，对应ECE R19(分别有四个版本GB 4660—1984、GB 4660—1994、GB 4660—2007、GB 4660—2016)。④角灯：GB/T 30511—2014《汽车用角灯配光性能》，对应ECE R119。

我国现有的汽车前照明国家标准均是借鉴ECE，不仅滞后于ECE，而且修改周期长；且是以产品和技术为导向，而不是以性能为导向。

2)对整合后的标准构成达成初步的意见。①前照灯应包括基础近光和基础远光，及自适应前照明系统的AFS和ADB,且ADB增加配光要求；②取消前雾灯现行国标中的B级前雾灯，至保留F3级前雾灯的要求；③维持角灯现有标准的要求；④整合后的前照明标准将只保留最低安全要求，更高的性能以NCAP等方式来引导；⑤不再区分光源；⑥配光屏幕及测试点的统一：以GB/T 30036中配光图为基础的新的配光图协调新的基础近光和AFS的要求。故整合的原则是基于性能，以安全为导向，给予技术更多的自由和鼓励新技术的应用；并且要和国际标准充分协调。

3.2国际标准的整合动向

1)国际标准现状。目前非常多国际标准的修改，经常是因为技术的不中立。导致过多的翻译费用、许多难处理的意见、集体的修正案和引入错误的高风险等过多的管理负担，及缺乏法律的确定性。因此迫切需要简化相应的规则。

2)国际标准整合后的构成。简化的最终目标是规定出能保持多年适用、稳定的标准，不需要定期修改也能适应技术的进步。为了实现这一目标，相关标准将定义出能够保证要求安全水平的最低水平的性能，如最低水平的道路照明、最大的眩光水平，及最小和最大信号强度等。故将R4、R6、R7、R23、R38、R50、R77、R87和R91整合为一个有关光信号装置的新标准；R1、R8、R19、R20、R56、R57、R72、R76、R82、R98、R112、R113、R119和R123整合为一个有关道路照明装置的新标准；R3、R27、R69、R70和R104整合为一个有反射装置的新标准；R48、R53、R74和R86四个有关安装的标准完整保留下来；R37、R99和R128三个有关光源的标准完整保留下来；还有R10、R45、R65和R88也完整保留下来。

3.3对整合工作的展望及建议

国际标准整合时间为2017年到2021年，我国的国家标准整合时间为2017年到2020年,2017年到2020年是整合的重合期；我们应该把握住这个难得的机会，时常保持有效沟通，及时对工作内容和进展进行交流，创建一个稳定的监管体系和开发出适合全球的标准。

4 结语

汽车照明系统正经历着非常重大的变革，不但气体放电光源得到了更加广泛的应用、新型LED光源得到了不断普及和激光光源也初见雏形，而且汽车照明系统也变得更加的智能化，并且智能化的范围在不断延伸和扩大。汽车制造商通过使用更安全、更环保、更精美和更节能的设计来吸引消费者[27]。同时，新型的汽车也必须符合最新的国家标准和规定，从而使新技术在新的汽车产品中得到不断应用。

汽车照明智能控制技术是光源技术、电气技术、微电子技术、检测技术、微机技术、自控技术、传感技术和通信技术的紧密结合和相互渗透的结晶[28]。随着人类高新技术在汽车照明领域的广泛应用，汽车照明控制技术将不断向节能化、智能化、信息化、人性化、艺术化和个性化方向发展。智能化控制在汽车照明中占据着重要地位，也是必不可少的一部分，将越来越多地受到人们的青睐。

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ThePresentSituationandDevelopmentofIntelligentHeadlightofAutomobile

LUO Dezhi1, NIU Pingjuan1, GUO Yunlei2, LIU Lei1, SUN Yukai2
(1.SchoolofElectricalEngineeringandAutomationTianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 2.CollegeofElectronicsandInformationEngineeringTianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

Smart car lighting allows the driver to devote more time to the driving of the vehicle. For example, through adaptive headlight corners, it can reduce the driver’s trouble from constantly switching distance light, lightening the burden on the operation. This paper introduces the research status and future development trend of intelligent lighting. Combined with the present and related technology of several main methods of intelligent vehicle lighting control, it analyzes its foresight and practicability. The development trend of automobile intelligent lighting control technology was forecasted. It also elaborates the domestic and international standards and their integration of the intelligent automotive lighting control.

headlamp; matrix type headlamp; matrix taillight; national standard; international standard

U463.65

B

10.3969j.issn.1004-440X.2017.05.016

国家火炬计划项目，第三代半导体的多物理场分析检测云服务平台(2015GH611592)和中小企业发展专项资金中欧国际合作项目(SQ2013ZOA100010)，《风光互补新型LED节能照明技术研究》项目资助。