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自适应雾霾浓度的汽车激光雾灯系统

热度0票浏览108次时间：2020年3月18日 10:55

张成 1 高昊 2 冷飞 1

（ 1 江苏大学汽车与交通工程学院江苏镇江 212013；2 吉林大学软件学院吉林长春 130012）

摘要：自适应雾霾浓度的汽车激光雾灯系统可以增加驾驶员在雾霾天行车的可视距离，提高安全性。在模型实验和数据拟合的基础上，本系统利用温湿度传感芯片及照度传感芯片监控雾霾浓度，利用单片机实现光照参数的实时调节。该设计有着光线穿透性强、实时性好、调节精度高及适用范围广等优点。

关键词：激光雾灯；雾霾浓度；可视距离；数据拟合0 引言

近年来，随着全球环境污染程度的日益严重，雾、霾等极端天气在各城市发生的频次、强度不断增加，致使能见度大大降低。驾驶员在公路（尤其是高速公路）行车时，如果看不清道路情况，就很难保持车距，容易出现追尾事故，严重影响道路交通安全系统。目前，国内外学者已经针对某些情景提出了相应的解决方案，但是难以达到令人满意的效果。因此，本文设计了一种自适应雾霾浓度的汽车激光雾灯系统，来提高驾驶员在雾天行车的可视距离。

1 研究背景

目前，国内外许多研究者尝试使用各种方法解决雾霾天的行车安全问题，主要的研究方向如下。

（1）图像去雾技术 [1] ：通过去除图像的噪声，提高图像的对比度，从而恢复出无雾清晰视频。目前，该技术已经在算法的创新和应用方面都取得了很大进展。但是，绝大多数的研究仅仅是算法程序上的优化，成像效果依旧不尽如人意。

（2）高速公路智能雾灯诱导系统 [2] ：该系统由多种先进的装置组合而成，包含高科技和智能的元件，在应用过程中可以检测车流量，实时向计算机传输数据和公路天气情况，雾灯不仅可以照明，还具有检测功能，从而实时掌握路況以及天气的能见度。当出现浓雾时，智能雾灯会自动根据霉的指数，调节灯光的亮度，使驾驶员能够借助雾灯的亮光，控制好车速和车距。但是，高速公路智能雾灯系统成本过高，适用范围较小，难以大范围推广

（3）汽车雾灯的光学设计 [3] ：姚红兵等提出了独立自由曲面LED汽车前雾灯的光学设计，根据所有已知曲率和边界条件来求得所需的曲面。利用能量守恒思想，以及光源和照明面对应点的映射进行光学设计，在一定程度上增加了雾灯的穿透距离，提高了汽车行驶的安全性。但是，这种思路局限于对反光曲面进行光学设计，只是一定程度上增加了雾灯的穿透距离。

（4）提高雾灯的聚光性 [4] ：如基于PIC18F452单片机的自控聚光型LED雾灯，采用穿透力强色光，利用雾气浓度和透光度检测装置，结合侧边检测设计，给出基于PIC18F4520单片机的自控聚光型LED雾灯完整设计，也解决了在某些场景下的安全行车问题。但是，这种自控聚光型雾灯在面对雾霾天，尤其是霾比较严重时，单纯改变光的波长就显得捉襟见肘了。

2 研究过程

首先设置模型试验测得理想参数，数据拟合修正后得到参数匹配曲线；实现后使用温度及照度传感器检测雾霾浓度，之后采用单片机进行数据分析最后通过可调谐激光器进行波长输出。

（1）设置模型实验，建立雾霾模型。在一定大小的透明容器中，充满浓度和湿度可调的气体作为雾霾模型。选用半导体激光器，利用不同波长、光强及照度的激光照射，得到多组在不同雾霾浓度下穿透性最强的激光参数，利用MATLAB对这些离散的数据进行拟合，得到最佳参数匹配的曲线，作为调整参数存入单片机中。

（2）雾灯光源选用机械控制式可调谐激光器，基于微机电系统（MEMS）技术调节激光波长，具有较大的可调带宽、较高的输出功率。根据需求，采用驱动芯片DD312型号LED恒流驱动芯片驱动可调谐激光器，DD312型号LED恒流驱动芯片能够提供恒定的电流。

（3）考虑到系统的实时性需求，选用恩智浦K60系列单片机，内存较大，运行计算能力较强，实时性好，控制可调谐激光器、温湿度传感器及照度传感器，将传感器采集的数字信息快速与最佳参数匹配曲线比对从而控制激光器的输出参数。

（4）选用AMT1001温湿度传感芯片和NHZD203T照度传感芯片 [4] ，它们精度较高，用于检测雾霾温湿度从而确定雾霾中液体雾滴及微粒的含量，传递到单片机的CPU中。

（5）采用LM2576模块为这些电路提供稳压电源，用于解决单片机、激光发射器驱动电路及其他传感器的供电问题。

3 方案设计

图1 可调谐激光器驱动模块

首先，优选四个机械控制式可调谐激光器作为雾灯光源。机械式可调谐激光器由于可调谐范围大，且波长稳定，作为光源效果显著。由于人眼仅能够感知到400～760nm的可见光波长范围，因此在可见光波长范围内优选波长较合适的波长范围。如图1所示，采用DD312恒流驱动芯片驱动激光器，为激光器提供稳定的电流，同时将芯片上的EN口（使能端）外接单片机的PTB0~PTB4口，通过单片机的指令即可控制雾灯光源的开关。驱动芯片上的REXT口则可以实时向单片机的CPU反馈激光器的工作状态，从而控制激光器的输出功率。

系统所涉及的元器件工作环境都需要比较稳定的电流与电压，因此如图2所示，选用LM2576模块为本发明中的可调谐激光器、K60N512VM100单片机、AMT1001温湿度传感芯片、NHZD203T照度传感芯片及DD312恒流驱动芯片供电。在电压输入端即Vin口与GND口间并联两个电容，对输入电压进行滤波，再在反馈口即FEEDBACK口与开关口中并联整流管，减小电流的波动，从而输出恒定的电流。

图2 LM2576电源模块

如图3所示，选用CPU性能较好的K60N512VM100单片机作为控制系统的核心。

其中，XTAL1与XTAL2口外接晶振作为整个系统的时钟电路，保证单片机对采集回来的数据快速响应，PTB0~PTB3口外接DD312的EN口即使能端，根据驾驶员的需求控制可调谐激光器的开关，由于可调谐激光器的功率高，易发热，因此在PTB6口外接半导体制冷器，为激光器降温。单片机可根据DD312芯片上的REXT口反馈回来的温度信息来控制半导体制冷器的工作与否，或以多大的功率工作，PTA0/AD0口与PTA1/AD1口为单片机的数模转换口。PTA0/AD0引脚通过一个同向比例放大电路后外接AMT1001温湿度传感器的Hout口，将检测到的雾霾的湿度模拟量放大后传递给单片机，再经模数转换后将湿度的精确值作为调节光照参数的变量传递给CPU。

PTA1/AD1引脚通过一个相同的同向比例放大电路后外接AMT1001温湿度传感器的Tout口将检测到的雾霾的温度度模拟量放大后传递给单片机，再经模数转换后将温度的精确值作为调节光照参数的变量传递给CPU。类似的，PTA2/AD2通过一个同向比例放大电路后外接NHZD2031照度传感器，将检测到的雾霾的颗粒含量模拟量放大后传递给单片机，再经模数转换后将颗粒含量的精确值作为调节光照参数的变量传递给CPU，CPU即可通过以上三个变量的值与试验所得的最佳参数匹配曲线相比对，从而给出当前雾霾浓度下的最优解。进一步的，根据最优解的波长值，PTC4~PTC7口控制可调谐激光器的波长输出，根据最优解的光强值，PTD0~PTD3口控制可调谐激光器的光强输出，根据最优解的照度值，PTD4~PTD7口控制可调谐激光器的照度输出。通过调节以上三个光学参数，即可使得激光雾灯输出当前最佳的光线，从而达到大范围的增大物雾天可视距离的目的。

图3 控制系统模块

4 结论

针对雾霾天气下的道路交通安全问题，本文提出了自适应雾霾浓度的汽车激光雾灯系统的设计，以增加驾驶员行车时的可视距离。该系统采用可视距离光学方法，在模型实验和数据拟合的基础上，利用温湿度传感芯片及照度传感芯片监控雾霾浓度，利用单片机实现光照参数的实时调节。该方案具有着光线穿透性强、实时性好、调节精度高及适用范围广等优点。■

参考文献

[1]赵松.雾霾天图像增强算法研究[D].天津工业大学,2018.

[2]张朝,李鹤.高速公路智能雾灯诱导系统[J].中国交通信息化,2018(10):133-134.

[3]姚红兵,丁勇,辛忠华,等.独立自由曲面LED汽车前雾灯的光学设计[J].应用光学,2018,39(3):423-428.

[4]张爱荣,张泽礼.基于PIC18F4520单片机的自控聚光型LED雾灯的研究[J].电子制作,2017(21):64-66+61.