Адаптивная система переднего освещения
ADAPTIVE FRONT LIGHTING SYSTEM

Изобретение относится к устройствам освещения, а именно к осветительным приборам транспортного средства, и может быть использовано в автотракторной и специальной технике.
Проблема создания высокопроизводительных современных осветительных устройств для автотранспорта продиктована самой жизнью. Занимая 1/6 часть суши, простираясь на одиннадцать часовых поясов и имея 20% территории за Полярным кругом и 65% - в зоне вечной мерзлоты, Россия относится к числу стран с наиболее сложными и неблагоприятными погодными условиями для ведения различных видов хозяйственной деятельности, в том числе для осуществления грузо- и пассажирских перевозок автомобильным транспортом. Снижение аварийности на дорогах, обеспечение безопасности пассажиров и грузов и, как следствие, повышение конкурентоспособности российской экономики - один из главных приоритетов на сегодня. Актуальный уровень развития технологий открывает новые подходы к решению проблемы создания адаптивного погодозависимого переднего освещения автотранспортных средств, позволяющего существенно облегчить труд водителя и снизить вероятность наступления серьезных дорожно-транспортных происшествий по причине неудовлетворительной видимости.
Движение по дороге всегда осуществляется в условиях реальной атмосферы, которая не является абсолютно прозрачной средой, а содержит водяной пар, пыль, крупные капли воды (дождь, снег), еще более крупные объекты (например, рои насекомых летом), и для разных по спектральному составу и форме лучей света проницаемость существенно отличается. К примеру, чем больше в спектре источников света лучей в сине-голубой области, тем сильнее, заметнее «марево» - рассеяние этих лучей на мелких каплях воды, взвешенных в атмосфере у поверхности земли (водяной пар, туман), или на мельчайших частицах пыли. Между тем при формировании картины окружающего мира мозг человека (водителя в данном случае) очень сильно реагирует на имеющие высокую яркость, расположенные в непосредственной близости к наблюдателю объекты, что мешает ему учитывать находящиеся в отдалении, имеющие меньшую визуальную яркость предметы (Automotive Lighting and Human Vision Burkard Wordenweber, Jorg Wallaschek, Peter Boyce, Donald D. Hoffman, Springer Science & Business Media, 13 мар. 2007 г. - Всего страниц: 410).
Данная особенность человеческого восприятия картины окружающего мира является источником огромного количества технических проблем при конструировании автомобильных осветительных приборов, но она же способствовала возникновению идеи оперировать не только формой и направлением лучей света, испускаемых автомобильными фарами, но и их спектральным составом и интенсивностью, как функцией времени и других переменных, для обеспечения наилучшей видимости участка дороги в разных погодных условиях и режимах движения.
Известна адаптивная система головного освещения автомобиля (патент РФ №2656976, B60Q 1/14, B60Q 1/14 от 29.12.2016). Она представляет собой осветительный узел и воплощает идею управления направлением луча ближнего света при маневрировании в реальной дорожной обстановке - адаптивное переднее освещение (ΑΠΟ).
При ΑΠΟ осуществляется совместное управление левой и правой фарами автомобиля, чтобы адаптировать или регулировать передние лучи применительно к мгновенной ситуации вождения. Например, при повороте влево или вправо, контроллер определяет угол поворота и вызывает поворот части фары, обычно - проекционной линзы, на соответствующий угол поворота так, что луч тоже поворачивается.
Недостатком данного устройства являются наличие множества прецизионных сервоприводов, сложность конструкции, низкое качество освещения, так как для создания наиболее эффективной модели ближний и противотуманный свет требуют различного расположения источников на транспортном средстве, а в данном случае они совмещены в одной блок-фаре. Кроме того, рассматриваемый в качестве источника света RGB(W)-светодиод отличается высокой сложностью подбора соотношения токов через кристаллы для получения качественного света с нужным спектральным составом, а так же данные конструкции мощных RGB(W)-светодиодов имеют четыре рядом расположенных кристалла большого размера, что приведет к наличию сильных хроматических аберраций.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является осветительный узел (патент РФ №2566678 B60Q 1/12 от 11.03.2011).
Изобретение-прототип содержит автомобильную фару, в которую помещен осветительный узел (узлы) для генерирования луча света, и контроллер для управления источниками света осветительного узла для регулирования угла поворота луча света и датчик, либо сигнал угла поворота руля. Осветительный узел выполнен в виде матрицы светодиодов, расположенной под общей проекционной линзой, и избирательно управляемой сигналами контроллера таким образом, чтобы выходной световой луч поворачивался относительно оптической оси линзы за счет включения отдельных элементов матрицы. Элементы светодиодной матрицы могут оснащаться дополнительно коллиматорами для оптимального направления их света в проекционную линзу. При размещении двух осветительных узлов на транспортном средстве их оптические оси повернуты относительно оси движения таким образом, чтобы они были направлены под одним и тем же углом, но в разных направлениях.
Контроллер управления содержит анализирующий блок, в котором осуществляется интерпретация сигнала датчика угла поворота руля, блок генерирования управляющих сигналов для генерации управляющих сигналов для каждого элемента матриц.
Недостатками данного устройства являются отсутствие возможности существенным образом менять форму луча, испускаемого проекционной линзой, а также спектральный состав испускаемого света, что приводит к ограничению сферы применения данного изобретения - фактически она ограничивается созданием "заглядывающей в поворот" части фронтального света и не решает задачи по созданию противотуманного света, дневных ходовых огней, дополнительного дальнего света.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание адаптивной системы переднего освещения (АСПО) автомобилей, которая может быть установлена как на новые автомобили, производимые на конвейерах автозаводов, так и на уже эксплуатируемые автомобили, при этом она будет соответствовать всем имеющимся нормативным требованиям и существенным образом повышать безопасность движения в сложных погодных условиях. Данная система должна отличаться простой конструкцией и быть легко интегрируемой в бортовую сеть любого автомобиля, независимо от года выпуска.
Для решения поставленной задачи в адаптивную систему переднего освещения, согласно изобретению, введены дополнительные датчики; осветительный узел выполнен на базе теплопроводящей печатной платы, на которой в одной плоскости расположены коллиматорные линзы сегмента дальнего света/дневных ходовых огней (ДС/ДХО, под которыми расположены матрицы светодиодов противотуманного света и ДС/ДХО, а между элементами матриц светодиодов находятся электронные компоненты источника питания, в вертикальной плоскости оптическая ось проекционной линзы размещена под углом; контроллер построен на микроконтроллере серии STM32 с записанным специальным программным обеспечением; на плате контроллера размещены: клеммные колодки для внешних соединений по двум сторонам платы, входные цепи, состоящие из пассивных компонентов и операционных усилителей; выходные цепи, включающие буферные микросхемы преобразователей уровня и пассивные компоненты, интегральный стабилизатор питания с обвязкой, транзисторный ключ управления электромагнитным реле, микросхемы приемопередатчиков с сопутствующей обвязкой для связи с цифровыми шинами типа «Κ-line» и «CAN»; для крепления в корпусе предусмотрены четыре монтажных отверстия; контроллер содержит разъем типа PLS с выведенным интерфейсом UART, а также кнопку для первоначальной настройки и звуковой излучатель.
Предлагаемая система адаптивного переднего освещения представлена на фиг.1, где обозначено:
1 - автомобильная фара;
2 - осветительный узел;
3 - контроллер управления АСПО;
4 - датчики.
АСПО состоит из автомобильной фары 1, выполненной на базе осветительного узла 2, установленного внутри фары 1, контроллера управления 3, датчиков 4 (поворота руля, дождя/тумана, встречного света фар и так далее). Контроллер 3 расположен в салоне автомобиля (в удобном для подключения месте) (фиг.1а) или внутри фары 1 (фиг.1б). Все компоненты подключены к питанию от бортовой сети автомобиля, при этом фара 1 и контроллер 3 соединены друг с другом четырехпроводной (опционально трехпроводной, если используются не все возможности системы) линией связи. Контроллер 3 и датчики 4 в зависимости от типа датчика 4 и его наличия в штатной комплектации автомобиля соединены разными способами: при использовании штатных датчиков 4 контроллер 3 подключается также к бортовой информационной шине автомобиля (CAN-шине) по двухпроводной цифровой линии связи путем подключения к диагностической колодке, а при использовании нештатных датчиков 4 отдельными проводами к входам контроллера 3.
Осветительный узел 2 представлен на фиг.2, где обозначено:
5 - печатная плата;
6 - проекционная линза противотуманного (ПТФ)-сегмента;
7 - коллиматорные линзы сегмента дальнего света/дневных ходовых огней (ДС/ДХО);
8 - компоненты источника питания;
9 - элементы матриц светодиодов ПТФ;
10 - элементы матриц светодиодов ДС/ДХО.
Осветительный узел 2 состоит из теплопроводящей печатной платы 5 на алюминиевой подложке с высокой теплопроводностью, на которой в одной плоскости расположены проекционная линза 6 ПТФ-сегмента, под которой находится матрица светодиодов ПТФ-сегмента 9, содержащая светодиоды с разным спектральным составом излучения, и коллиматорные линзы 7 сегмента ДС/ДХО, под которыми расположена матрица светодиодов ДС/ДХО 10. Между элементами матриц светодиодов 9 и 10 ПТФ И ДС/ДХО расположены электронные компоненты источника питания 8, такие как: микросхема драйвера, конденсаторы, дроссели, резисторы, транзисторы, диоды. Для удовлетворения требований к наклону луча противотуманного света в вертикальной плоскости оптическая ось проекционной линзы 6 размещена под углом.
Контроллер 3 управления АСПО представлен на фиг.3.
Контроллер 3 управления АСПО представляет собой двухстороннюю печатную плату с размещенными на ней элекрорадиоэлементами, предназначенную для управления режимами работы световых приборов посредством подачи к ним электрических сигналов широтно-импульсной модуляции (ШИМ) (коэффициент заполнения от 0 до 100%) и дискретный (ноль или единица).
Контроллер 3 построен на микроконтроллере серии STM32 с записанным специальным программным обеспечением (ПО). Кроме того, на плате контроллера 3 размещены: клеммные колодки для внешних соединений по двум сторонам платы; входные цепи, состоящие из пассивных компонентов (из резисторов, конденсаторов, диодов) и операционных усилителей; выходные цепи, включающие буферные микросхемы преобразователей уровня и пассивные компоненты; интегральный стабилизатор питания с обвязкой; транзисторный ключ управления электромагнитным реле; микросхемы приемопередатчиков с сопутствующей обвязкой для связи с цифровыми шинами типа «Κ-line» и «CAN». Для крепления в корпусе предусмотрены четыре монтажных отверстия. Контроллер 3 имеет возможность подключения к ПК для программирования режимов работы, для этого на нем предусмотрен разъем типа PLS с выведенным интерфейсом UART. Различные датчики (света, влажности и температуры, датчики аэрозольных сред) могут подключаться как к универсальным аналогово-дискретным входам с помощью клеммного блока, либо могут применяться датчики с цифровым интерфейсом IIC, для которых на плате размещен разъем типа PLS, также по этому интерфейсу может подключаться дисплей для информирования о режимах работы контроллера 3. Также на плате размещена кнопка для первоначальной настройки и звуковой излучатель.
Предлагаемая система работает следующим образом.
В зависимости от текущих внешних условий (погоды, скорости и направления движения автомобиля, наличия встречного транспорта и уличного освещения и т.д.), основываясь на показаниях датчиков 4 и управляющих воздействиях водителя, контроллер 3 АСПО включает на определенной яркости те или иные светодиоды в световом узле 2, формируя луч фар 1 с наиболее подходящей к текущей дорожной ситуации формой, направлением, спектром света и его интенсивностью.
Условия активации различных режимов и назначение входов/выходов прописываются в конфигурации контроллера 3.
Выходы контроллера 3 могут либо принимать низкий и высокий уровень, либо генерировать сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ-сигнал) 0-100%.
Входы контроллера 3 могут быть дискретными, аналоговыми, либо цифровыми (CAN-шина). Настраивается активный уровень цифрового входа (низкий или высокий) и идентификатор фрейма CAN, отслеживаемые байты (ручной ввод отслеживания любых данных шины с известными идентификаторами).
После подачи питания контроллер 3 переходит (если нет сигналов блокировки, либо если запущен двигатель - в зависимости от настройки) в режим «ДХО»: выход «Яркость» («ШИМ»), n% (около 5%), выход «Режим» («Р») высокий. Иначе устанавливается режим «Выключено» - все выходы низкий уровень, реле отключено.
При выключенном зажигании (по CAN), либо неработающем двигателе (обороты по CAN), либо активном сигнале блокировки (например, включены габариты, поднят ручник или заглушен двигатель) фары 1 выключены. При отсутствии данных CAN плата контроллера 3 может получать питание от замка зажигания (включили зажигание - заработали ДХО, после запуска двигателя или сразу). Предусмотрен плавный розжиг/гашение ДХО (при переходе из «ДХО» в «Выключено» и обратно) и плавный переход с другими режимами (изменяющийся ШИМ на выходе «Режим» за время около 100-200 мс).
При подаче входных сигналов «ПТФ» или «ДС» переход в соответствующие режимы.
«ПТФ»: «ШИМ» 100%, «Р» низкий. Противотуманный свет может иметь регулируемую цветовую температуру (ЦТ). Для этого назначается отдельный выход (ШИМ-сигнал) и вход (аналоговый сигнал с потенциометра, либо с датчика 4 влажности/дождя). Возможен «плавный розжиг» секции ПТФ (устанавливается в конфигурации) и гашение (кроме перехода в режим «ДС»).
«ДС»: «ШИМ» 100%, «Р» высокий. Режим дальнего света имеет преимущество, если отмечено в конфигурации. Существует возможность управления двумя дополнительными фарами дальнего света с помощью выхода «Яркость ДС2», который выдает высокий уровень если включен дальний свет (соответствующий вход) и есть активный сигнал «Вкл. ДС2».
При активации входа «Яркость ДС» Подавая на него аналоговый сигнал с потенциометра, можно устанавливать отличную от 100% яркость ДС (от 20 до 100%). При обрыве сигнала яркость дальнего света устанавливается в минимум.
При подаче сигнала поворота (левый или правый) в зависимости от конфигурации:
а) либо включается режим «Сигнал поворота» (при этом отключается или нет вся фара 1 в зависимости от настройки, «ШИМ» на 0%), при этом выходы 5 и 6 (фиг.3) используются для управления дополнительным сигналом поворота и могут иметь повышенную нагрузочную способность (150 мА) в зависимости от комплектации;
б) либо активируется «Подсветка поворота» («ШИМ» 100%, «Р» низкий для соответствующей левой или правой фары 1, другая фара 1 горит в прежнем режиме). Сигналы поворота - одно из условий активации функции, остальные (угол поворота руля, угловое ускорение и скорость) настраиваются (выбор одного или нескольких условий). Может устанавливаться задержка отключения подсветки поворота. Чтобы не пугать сторонних наблюдателей яркость нарастает плавно в течение 200 мс (по умолчанию, настраивается).
При двух включенных режимах они работают совместно.
Выход «Реле» (типа «открытый коллектор») работает следующим образом:
а) включается при установке ненулевой яркости любого выхода (при установке соответствующей настройки выхода);
б) включается при снижении уровня АЦП дневного света ниже настроенного значения (при активации режима «Управление светом» и выбора соответствующей настройки выхода «Управление головным светом»); выход питает реле, включающее головной свет.
Настройка осуществляется с компьютера (подключение через USB-UART, либо USB-K-Line переходники). Возможен просмотр, изменение конфигурации, а также просмотр текущего состояния входов/выходов (диагностика). Конфигурацию можно сохранить в файл или загрузить «пресет» - набор предварительных настроек.
Встроенный источник питания преобразует напряжение бортовой сети и стабилизирует ток. В зависимости от внешних управляющих сигналов источник питания способен перераспределять стабилизированный ток между различными светодиодами в матрицах 9 и 10. Кроме того, источник питания способен менять величину тока, пропускаемого через разные светодиоды в матрицах 9 и 10, с помощью чего достигается возможность менять направление, форму, спектральные характеристики и интенсивность лучей, испускаемых световым модулем. При этом отклонение лучей получается за счет смещения источников света из фокуса проекционной линзы 6, как постоянного, так и путем подачи разного по величине тока на расположенные в пределах одной цепочки светодиоды.
Изменение спектрального состава достигается путем подачи разного по величине тока на светодиоды с разными спектральными характеристиками, позволяя регулировать цветовую температуру узла 2 в широких пределах, приблизительно от 2200 K  для работы в режиме ПТФ в плохих погодных условиях, до 5000 K для работы в режиме дальнего света/ДХО в хороших погодных условиях и работы в режиме ПТФ в хороших погодных условиях (режим помощи ближнему свету/подсветки поворотов).
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание АСПО, которой возможно дополнить любые автотранспортные средства, как выходящие с конвейеров автозаводов, так и уже находящиеся в эксплуатации. При этом предлагаемая АСПО обладает уникальными техническими характеристиками в плане возможности управления формой лучей фар, их направлением, а также интенсивностью и спектральным составом света автомобильных фар, а также существенно повышает безопасность дорожного движения и облегчает труд водителя.
Технический результат достигается за счет применения в конструкции светового узла распределенной светодиодной матрицы с разными по характеристикам (мощность, цветовая температура, размер) твердотельными источниками света - светодиодами, а также за счет применения системы проекционных и коллиматорных линз, формирующих луч света адаптивной фары. Кроме того, технический результат достигается за счет применения способа управления током, подаваемым на отдельные светодиоды в матрице путем введения в дополнение к управляемому источнику питания светодиодов управляющего устройства - микропроцессорного контроллера АСПО со специализированным программным обеспечением. Совокупность вышеназванных устройств/программного обеспечения реализует идею создания современной АСПО с широким набором функций. Легкость интеграции предлагаемой системы в находящиеся в эксплуатации транспортные средства достигается как за счет формы и конструкции светового узла и фары (адаптивная фара устанавливается на замену штатной ПТФ, которой укомплектовано большинство автомобилей, ее форма не принципиальна и может меняться в зависимости от модели транспортного средства), так и за счет управляющего модуля-контроллера АСПО, который может работать с широким спектром как штатных, так и дополнительных датчиков в автомобиле и имеет возможность подключения к CAN-шине для получения всей возможной информации о системах транспортного средства на тех автомобилях, где она предусмотрена конструктивно.