LED車燈應(yīng)用自動(dòng)調(diào)整光源系統(tǒng)技術(shù) 提高行車安全

目前大眾經(jīng)常使用的車燈，多數(shù)沒有自動(dòng)亮度調(diào)整與切換功能，因此本文提出結(jié)合光源調(diào)整機(jī)構(gòu)與自動(dòng)控制概念的車燈光源系統(tǒng)。 　　此系統(tǒng)係用數(shù)顆單晶片組成分散式控制系統(tǒng)，其控制晶片分別檢測(cè)行車安全距離與自動(dòng)調(diào)整行車光源投影，藉由亮度感測(cè)器檢測(cè)周圍環(huán)境光源亮度值。當(dāng)周圍亮度足夠，控制系統(tǒng)將會(huì)調(diào)整馬達(dá)使發(fā)光二極體(LED)發(fā)光源至透鏡焦點(diǎn)形成高亮度的投影;當(dāng)周圍亮度不足，馬達(dá)反向調(diào)整使LED發(fā)光源和透鏡距離縮小，投射出的LED光束角度呈較寬廣的投射面積，有效讓夜間使用交通具的駕駛快速掌握行駛路況。此外，本系統(tǒng)后方還設(shè)置距離檢測(cè)器，可以提醒駕駛后方的車距，以提升夜間駕駛安全。 　　LED將成未來主要道路照明設(shè)備 　　汽機(jī)車、電動(dòng)車或自行車已是現(xiàn)在生活機(jī)動(dòng)性能較高的交通工具，此種工具容易因警示不良發(fā)生交通意外事故。在部分先進(jìn)的國(guó)家倡導(dǎo)晝夜都必須要開啟車燈，其目的是為提醒其他用路人的注意，確保在道路安全行駛。目前，學(xué)界已提出不少可提升行車安全之車用照明系統(tǒng)，以下逐一列點(diǎn)敘述。 　　·車大燈自動(dòng)感應(yīng)點(diǎn)燈系統(tǒng) 　　該系統(tǒng)利用光感測(cè)器與溫濕度感測(cè)器判定晝夜、下雨或起霧，自動(dòng)開啟車大燈功能。一般道路交通工具使用的大燈多數(shù)為利用繼電器控制反光片調(diào)整車燈光源遠(yuǎn)近，此種固定方式容易因燈座裝置不當(dāng)，無法確實(shí)的照射路面，光源整體投射角度偏高使對(duì)向來車產(chǎn)生眩光影響交通安全。 　　·主動(dòng)式頭燈控制系統(tǒng) 　　該系統(tǒng)包含自動(dòng)轉(zhuǎn)向與水平調(diào)整，其自行設(shè)計(jì)燈座以編碼器(Encoder)偵測(cè)方向盤轉(zhuǎn)角、微動(dòng)開關(guān)及步進(jìn)馬達(dá)達(dá)到頭燈自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制，該研究透過感測(cè)器設(shè)備與馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，建立主動(dòng)式頭燈控制系統(tǒng)。 　　·適路性汽車頭燈轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 　　為讓駕駛者能事先看清楚前方的道路情況，該研究設(shè)計(jì)使用車頭旋轉(zhuǎn)再推算出頭燈所應(yīng)投射的角度，而水平調(diào)整使用超音波感測(cè)器偵測(cè)前后路高，以達(dá)到頭燈自動(dòng)水平調(diào)整的功能。 　　近年來車燈除了功能性、實(shí)用性之外，美觀、造型亦成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)之需求，車燈產(chǎn)業(yè)也顯示了此種現(xiàn)象。由于功率型發(fā)光二極體生產(chǎn)製造技術(shù)進(jìn)步、發(fā)光強(qiáng)度提升，且因?yàn)槠渚邆潴w積小、重量輕、省電、壽命長(zhǎng)、發(fā)熱度低、反應(yīng)速度快及抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)而聲勢(shì)看漲。 　　LED照明未來將會(huì)是道路交通的主要照明設(shè)備，其常見的照明方式多數(shù)為鎖緊固定于車頭或車架，且不具有自動(dòng)調(diào)整光源的明亮度與遠(yuǎn)近燈切換功能，此種固定方式容易因使用者裝置不當(dāng)而影響其他道路使用者，且在有明亮的路燈下照明時(shí)，LED所投射的光源因無法自動(dòng)調(diào)整明亮度與燈光遠(yuǎn)近的切換，導(dǎo)致LED光源容易被路燈的光亮掩蓋，讓行駛中的車輛無法明確掌握自行車的行車方向。若在高速行駛下的車輛沒有遠(yuǎn)近燈之切換功能，車輛駕駛對(duì)遠(yuǎn)方的路況亦不能清楚了解。由此可證實(shí)切換照明設(shè)備對(duì)于夜間車輛駕駛是不可或缺的設(shè)備之一。 　　車燈光源系統(tǒng)簡(jiǎn)介 　　由于車輛駕駛在交通道路上行駛速度不一，所需要的安全視野也會(huì)跟著改變，為提升駕駛行駛的安全性。本文提出一項(xiàng)分散式控制系統(tǒng)，每顆晶片僅做出輸入訊號(hào)的相對(duì)應(yīng)結(jié)果(圖1)，以減少運(yùn)算時(shí)間。本系統(tǒng)分別使用亮度感測(cè)器、速度感測(cè)器、距離感測(cè)器。此系統(tǒng)可隨著車輛的移動(dòng)與四周環(huán)境光亮度的改變，遠(yuǎn)近燈切換可藉由伺服馬達(dá)角度精密變換，達(dá)到自動(dòng)多段的角度調(diào)整車燈光源傾斜角度和馬達(dá)帶動(dòng)螺桿調(diào)整透鏡與LED光源的距離，改變LED投射出的光束角度，達(dá)到自動(dòng)切換遠(yuǎn)近燈與光照的明亮度調(diào)整。 圖1 分散式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)圖 　　本控制系統(tǒng)以多塊模組組合而成，分別有晶片控制模組、環(huán)境亮度光源感測(cè)模組、馬達(dá)控制電路模組與車速速度感測(cè)器模組，并以C語言程式編撰系統(tǒng)。 　　主控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 　　本系統(tǒng)利用數(shù)個(gè)Holtek HT66F50控制晶片(圖2)搭配自製設(shè)計(jì)硬體電路，每組硬體電路皆有專屬的功能，以減少系統(tǒng)分散運(yùn)算時(shí)間。其中控制晶片將與各感測(cè)模組輸出的狀態(tài)連接，轉(zhuǎn)換成數(shù)位訊號(hào)，再進(jìn)行比較、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等功能推算出車輛行駛的變化，做出相對(duì)應(yīng)的安全預(yù)警功能。 圖2 控制晶片硬體電路 　　環(huán)境亮度感測(cè)模組 　　此模組係由光照度感測(cè)器與運(yùn)算(OP)放大器積體電路(IC)組成硬體環(huán)境亮度感測(cè)模組，將感測(cè)到的光照度轉(zhuǎn)換成類比電壓訊號(hào)成線性校正(圖3)。光照度感測(cè)轉(zhuǎn)換出的類比電壓值，可接至主控制晶片類比數(shù)位(AD)轉(zhuǎn)換功能區(qū)塊。 圖3 亮度感測(cè)電路 　　馬達(dá)驅(qū)動(dòng)控制模組 　　本系統(tǒng)所使用直流(DC)馬達(dá)配合可變電阻製作馬達(dá)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)訊號(hào)回饋與多軸伺服馬達(dá)(Radio Control Servo Motor)，其程式流程(圖4)，運(yùn)用控制晶片的數(shù)位輸入/輸出(I/O)接腳控制橋式電路IC--TA7257控制正反轉(zhuǎn)向調(diào)整焦距(圖5)，亦使用伺服馬達(dá)讀取脈衝寬度調(diào)變(PWM)工作週期調(diào)整旋轉(zhuǎn)角度達(dá)精確且多段的變換。 圖4 DC直流馬達(dá)控制流程圖 圖5 DC直流馬達(dá)控制電路 　　機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 　　本系統(tǒng)係以SolidWorks叁維(3D)模擬規(guī)畫設(shè)計(jì)反光燈筒與零件組合成實(shí)體機(jī)構(gòu)，應(yīng)用反光元件與透鏡之特性，移動(dòng)LED與透鏡之距離，幫助LED所投射出之光源增強(qiáng)亮度與變焦，并使用多軸伺服馬達(dá)精確多段的定位調(diào)整遠(yuǎn)近燈光，以及設(shè)計(jì)一機(jī)構(gòu)調(diào)整LED與透鏡之距離，改變光束角度與遠(yuǎn)近燈光，使駕駛可以明確掌握行車安全。 　　由于車輛行駛速度不一，為提升夜間交通行駛中安全性，本系統(tǒng)整合機(jī)構(gòu)與控制技術(shù)，建置自動(dòng)安全預(yù)警系統(tǒng)，在車后方應(yīng)用超音波感測(cè)器檢測(cè)后方車距，若后方車距離接近低于定值，系統(tǒng)將給予警告；在車前方設(shè)有一光照機(jī)構(gòu)，馬達(dá)帶動(dòng)螺桿調(diào)整LED光源焦距、伺服馬達(dá)精確的調(diào)整機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)。 　　本系統(tǒng)將可自動(dòng)調(diào)整傾斜角度切換燈光源投射距離，并用光源感測(cè)器檢測(cè)四周環(huán)境光源的光照度，調(diào)整光束角度放大或聚焦。在無光照之空間實(shí)驗(yàn)量測(cè)得知，此系統(tǒng)可以提供最適當(dāng)夜間照明的投射距離與足夠的LED光照度。