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技术文章 | 自适应远光系统和矩阵光束系统科学研究的总结与分析

作者:Dr. Michael Hamm*, Melanie Keil, Dr. Wolfgang Huhn
单位:Audi AG, Ingolstadt, Germany

编辑:李奕帆

指导老师:林燕丹


在自适应远光系统与矩阵光束系统的发展下,车前灯与相机的对象检测的结合已发展到一个新的阶段。本文将对基于交通状况、探测距离、测光要求、司机反应、司机预期等不同指标的多项实验进行总结和分析,并针对将新车前灯系统纳入现行市场规范进行讨论。



一、世界市场上的照明功能数据统计


A

无指令式远光灯使用

Sprute[2012] 研究了远光灯手动和自动切换带来的不同影响,并与自适应截止,矩阵光束和自适应远光灯系统等新技术的结果进行比较。他的调查基于远光灯的使用方式,包括手动式(盲),指导式(非盲)和自动切换式。他在德国采用3条路线测试。选择的3条测试轨道位于相对平坦的地区,侧边有植被覆盖,以便能感知远光灯的灯光分布。测试跑道并不能代表所有街道,但均提供了足够长的距离的道路,能够实现远近光灯的切换。

第一个测试是盲测,第二次告知被测试人有切换前照灯的可能性,最终进行试车,并根据驾驶情况进行了调查,分析远光灯的使用。共15人参加测试,年龄范围26-55年。所有的测试人员已视力正常,并有5年以上驾龄。试验在22:00后进行,保证环境黑暗。交通密度为50-100辆/小时。


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图1


结果如图1所示。本次调查显示,依靠手动切换是不够的,需要自动切换或自适应远光灯系统协助,以提高夜间能见度。


B

自适应近光辅助功能的远光灯使用

伯姆[2007]对自适应截止系统进行研究,与不带该系统的平行试验相比,该系统改善了探测距离。测试者在无灯光的乡村道路行驶,且未被告知该测试的意图。并行的视频系统检测可能需要启动自适应截止(ACOL)或切换为远光灯的情况。可惜的是,没有关于自动和手动切换的误差统计信息。

假定在50.6%的驾驶时间采用自动远光灯是使用远光的最佳选择,研究表明,约有一半的行驶时间远光灯的使用是不恰当的。应切换为近光灯或启用自适应截止。另一方面,87.1%驾驶时间不应单独采用近光灯。


C

远光灯在美国的使用情况

UMTRI[Mefford2007]进行了远光灯在美国的使用情况的调查,对被测试汽车几个星期内的行驶参数记录和数据进行了研究。由于日/夜,时间,速度,驾驶和几何等条件没有记录,所以结果只反映了不同的汽车总使用情况、司机年龄和街道类型条件下汽车的平均使用情况。所以可以假设远光灯的实际使用比测试中多得多,远光灯和/或附加的自适应功能的使用将会进一步增大使用的比例。


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图2


D

远光灯使用的分析总结

根据本章各调查中的结果可以看出远光灯的使用比例是相当低的。考虑到其他司机和行人,不可能100%采用远光灯。自适应远光灯功能优于近光灯,但现在的问题是远光灯的性能尚未得到较好的改进。



二、能见度改进与近光灯


A

自适应截止系统与近光灯的比较

伯姆[2007]提出了一种可以改善探测距离的自适应截止系统。在静态情况下,他研究了自适应截止的情况下探测距离的改善效果。共45人参与测试,每组最多10人并行进行实验,因此不是所有的测试者都处在司机的位置。一个测试中车眩光源代表迎面驶来的车辆,行人位于右侧。另一个测试利用尾灯模拟前方车辆,行人在左侧行进。

表1

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调查关注驾驶时能探测到行人的距离,测试街道两侧的反射率约16%,由于提供的近光灯不对称的,在左右两侧能检测到行人的距离不同。结果表明,无论行人在左或右,是迎面或是前方车辆,在该实验中探测距离都有30m左右的提高。


B

自适应远光灯系统与近光灯的比较

在大规模轨道试验中,Sprute[2012]研究在夜间眩光光源的条件下检测性能的改进。在4516米的测试赛道,他放置了方形,儿童和成年行人形状的检测对象,记录下探测到物体的距离。每个对象的反射率约16%。约29人参加测试,年龄范围为21-40岁。

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3

该调查测试了试验前照灯和连续型前照灯的组合使用,特别是矩阵光束系统,其分布不属于连续型。利用分析与统计工具对结果进行分析后发现,只有矩阵光束系统的结果与正态分布足够吻合。

在下面的讨论中,值得注意的是,虽然被测试者数次驾驶的是同样的车,但学习对结果产生了影响。此外,对一些被检测对象数据的分析没有明确的结论,并显示出高标准偏差。

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4

这同时也表明,不是所有的系统都具有足够好的性能。当需要从近光灯切换为远光灯时,由于失误,被检测对象可能会受到影响。

由于学习效应的存在,只能选用最开始的一些实验的检测数据,结果如图6。自适应远光系统下,物体的探测距离平均提高约15米。

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5

在另一个静态调查中,Kleinkes[2013]研究的是被检测对象的检测距离。前方车辆和迎面车辆被放置在车道的不同位置,对面设置了障碍和行人。受试者识别出对象后必须尽快按下按钮。共有45人参加测试。

表2

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在所有情况下,相比起常规的近光灯,使用自适应截止功能(ACOL)的车辆对物体的探测距离有一定的改善,而采用无眩光远光灯改善效果更佳。结果如表二。即使认为较高的标准偏差影响不大,结果仍然表明,在静态实验检测距离比与行驶实验的高。


C

比较近光灯与自适应远光灯下行人被测距离

2016布洛[2016]发表了自适应远光灯矩阵系统的实验报告。试验车辆配备使用LED阵列或矩阵的自适应远光系统(在欧洲市售)(图7)。

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6

在一个行人的目标识别的实验中,有10人(7男/女3,年龄26〜68岁)参加。一个无光泽的黑漆的胶合板小孩剪影(39英寸,身材高大,约8英寸宽)放置在一条向西行驶的道路的直线部分的右侧。在每一次试验,行人目标行走方向被随机设置为靠近或远离公路。实验者驾驶测试车辆,从马路东向非直线部分出发,以40英里的恒定速度向西行驶。要求车上的乘客寻找行人目标,一旦可以明确识别,立即从窗口丢下布袋。此高度约为3英尺,下降时间约为0.4秒,在此过程中车辆(和布袋)约向前移动23英尺。布袋落地地点和行人目标之间的距离加上23英尺后的距离则可替代行人目标的识别距离。

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图7

图8显示了前向灯的条件下的行人目标的平均识别距离。自适应远光系统下的平均识别距离是近光灯条件下的两倍多。比较一对学生在近光灯和自适应远光系统下的t测验测试结果,可以证明自适应远光系统下平均识别距离的确较长(T9 =7.44,P <0.05)。


D

近光灯和自适应远光灯反应时间的研究

布洛从2008年开始研究ADB矩阵系统,基本思想是以现有的自适应远光系统为原型,在迎面而来的车辆靠近时,调暗3°视角内的光束。原系统充当观察者的前照灯,同时也作为迎面而来的车辆的头灯系统,以便测量失能眩光的影响。测量得到的响应时间将与以近光灯作为前照灯时产生眩光的情况进行比较。

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图8


图8反映了在迎面车辆距离50米,道路为双车道时,前照灯为近光灯和调低了左侧5°照度的自适应远光系统测量的反应时间。除了在5°位置光线变暗外,其余位置自适应远光灯系统反应时间下更短,平均为640毫秒。在近光灯条件下,响应时间平均为758毫秒。

布洛正在利用灯光的视觉效果增量(RVP)与白天和夜间事故减少量之间的临时函数关系来评估反应时间。相比起近光灯,自适应远光灯系统+0.09 RVP单元,夜间事故减少6.7%。假设测试使用原自适应前照灯系统,现实中ADB系统可以实现远光灯和近光灯更好的光分布。



三、自适应远光灯功能的统计分析


A

交通密度与自适应远光灯使用时间

2009年Hummel 基于虚拟试驾分析了第一自适应远光灯系统。试驾时假定的平均交通密度242辆/小时,低至23辆/小时,高至479辆/小时,测试在一条相当曲折的道路进行。

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图9

结果表明系统使用时间高度依赖于交通密度。一些结构影响取决于交通密度与汽车在虚拟测试道路随机分布情况。分析表明矩阵光束系统具有明显的优势,然而像素照明系统正常情况下为常开状态。

对242辆/小时的平均交通密度的总体分析很好地反映了自适应远光灯系统的性能(表三)。

表3

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对于矩阵系统(表三),Hummel[2009]研发了两个不同的矩阵系统,一个有11部分,一个有17部分组成。这两种系统在宽度分布均约+-20°。位于中央区域的部分宽度小,外缘区域部分宽度较大。插图中显示了具有可变段的过渡带。

分部分矩阵的研究基于真实数据库。该数据库产生于在高速公路和乡村道路上的测试。测试赛道长100公里,曲线长度约占37%,而在现实道路中曲线约占40.4%。

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图10

图10基于实际数据的分析,对德国不同类型的街道进行了比较。在乡村道路上,左侧对象密度显著较高,在高速公路则为右侧。原因是乡村道路形状曲折多变,对象可能被识别为迎面或向前方行进。在高速公路上的行驶轨道的选择导致右侧对象密度较高。


B

矩阵系统的使用时间

Austerschulte等[2013]对街道几何结构和矩阵光束的使用时间进行了分析。所有测量数据均基于测试专用的900公里轨道。因此,在太阳落山后晚上7点到11点之间,分别在几个不同的测试轨道进行测试。

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图11

测试轨道以乡村道路为主(69%),此外有高速公路(18%)和城市道路(13%)。两辆不同的汽车,配备有不同标准的摄像系统,作为试验车辆。此外实验还配备一个高精度的GPS跟踪系统。相机的相关控制器局域网总线信号内包含了汽车前方的交通状况的信息,这些与GPS信息锁定在一起,用于以后的分析。每个测试轨道进行了三次或更多次测试,以便避免偶然性。

总测试长度内平均交通密度约为3.1辆/公里(相当于远光灯的配光平均每320米范围有一个显著变化)。作为参考,先对远光灯部分单独进行测试和分析。这部分+/- 25°可以作为一个简单的摄像头控制的自适应远光灯系统。分析表明,该部分自动激活的距离约占轨道长度的38%。

作者通过比较不同大小的部分反映实验结果。在夜间行驶速度超过60公里/小时时,分段远光灯激活时间达到总时间的98%以上,可以较好地保障行车安全。水平部分大小为 1°-2°应是最佳状态。

总的来说,调查结果表明,城市外的近光灯不再是主导功能,而起辅助作用。将来任何只考虑近光灯功能的评估都是不完整的。



四、眩光研究


A

眩光测量

Roslak[2005]研究自适应远光灯的眩光影响。实验通过一个20W的超高压投影仪提供高照度照明进行。在最大照明25米处超过100流明。一个基于传感器系统的激光雷达可以检测迎面而来的汽车,并关闭相应部分灯光。

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图12

实验表明,利用适当的传感器可以生成不刺目的远光灯。司机眼里剩余的眩光来源于近光灯部分。


B

失能眩光和视觉任务

Sprute[2016]研究了直接眩光对驾驶员检测物体的视觉能力的影响。受测人员在测试轨道朝着迎面停放的车辆,以80公里每小时的速度行驶。该测试在距离停放车辆813米处开始,在相遇位置200米后停止。在测试过程中受测人需要在平视显示器完成视觉任务。显示器呈现对比强烈的各种方形符号,同时提供声音信息。受测人员需要在其他车辆近光灯和远光灯产生的眩光条件下识别出对象的位置。

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图13

在调查中,利用韦伯对比度定义来定义在平视显示器上显示的对象。在这个定义下,韦伯对比度为:对象与环境亮度的差值除以环境亮度得到的商。

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图14中反映了失能眩光的结果。95%的近光灯条件下产生的眩光距离为50m左右时,韦伯对比度为2。如果在ECE法规的参考距离EB50L下考虑,相同韦伯对比度时,远光灯条件下的距离为400m。该EB50L值并不是来源于真实驾驶,而是来源于基于德波尔评级系统的眩光不适感(心理)调查。


C

迎面车辆远光灯产生的不适眩光

胡默尔调查了眩光很重要的两个位置。一个是受测人关于迎面眩光的第一感觉,受测人希望迎面车辆司机会从远光灯切换到近光灯。在相距大概为一秒钟的行驶距离时会使用闪光灯提醒对方切换。

眩光光源利用LED或氙灯系统,在距离约1000米处打开。在驾驶者的视点位置记录眩光强度。在调查开始之前,每个司机都需要适应环境亮度,并完成相同程度的视觉任务。受测司机以80公里每小时的速度向眩光光源行驶。一共有33人参与,年龄在21至50岁之间。每个测试者参与20次测试。由于在交通视野内对象唯一,假定中央部分为最大眩光处。

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图15

分析结果表明,LED与氙灯光源不产生显著差异。 LED光源的结果为441米/638米,略高于氙灯光源的434米/633米。在位置1(希望切换到近光)处,司机眼睛处测量的眩光照度,LED为0.27lx,氙灯为0.3lx。在位置2(闪光灯提醒切换)处,司机眼睛处测量的眩光照度在LED和氙灯光源下均为0.4lx。至于在ECE B50L条件下,这些结果将产生更敏感的眩光。因为实验中只有一个眩光光源,且司机没有被任何其他环境因素影响,仅关注眩光的影响,这些结果也就合情合理了。


D

迎面车辆自适应远光产生的不适眩光

里根等[2015]通过轨道测试研究比较了矩阵系统与HID3/ LED近光配光产生的不适眩光。该研究包括20名参与者,共五个车道。

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图16

测试车辆平缓曲线处速度为30英里每小时,急转处为20英里每小时。参与者坐在驾驶座,手握方向盘,通过面前一块屏幕模拟其他司机靠近测试车辆。当屏幕被移除时,要求参与者把目光投向靠近的车辆的方向。研究人员告诉他们不必紧盯着前大灯,他们可以在灯光变得不舒服时避开,但应尽可能地看得久一点。结论为参与者口述记录。

实验包括一辆带自适应远光灯的奥迪A8,一辆关闭了自适应远光灯的A8(近光灯LED符合欧洲规格),一辆带有自适应曲线HID近光灯的2013年马自达3,以及一辆带有近光HID前大灯2014年道奇杜兰戈SUV。五种道路包括左、右转平缓曲线和急转曲线和直线道路。参与者从1到9数字来评价眩光舒适度,具有较高的评分表示为更可接受的眩光。杜兰戈的眩光(M = 6.15)舒适度最差。马自达3眩光(M = 6.82)其次。奥迪A8 ADB(M = 7.25)舒适度优于杜兰戈和马自达3与ADB系统关闭的A8LED近光灯的条件(M= 7.36)相比并没有显著不同。照度的均值和最大值与主观评定结果较为吻合。作者认为,这些结果表明自适应远光灯系统可以进入欧洲市场使用。然而,FMVSS108需要远光灯和近光灯分布为离散型,所以在美国不允许销售。

即使在实验中比较ECE和FMVSS标准下灯光性能可能存在一定的问题,但结果表明,含有ADB矩阵系统的ECE标准可以实现与FMVSS相似或是更好的性能。然而,目标和安装高度在主观眩光评级中有重要影响。

调查结果表明,矩阵系统不产生更多的眩光。如果使用正确可以减少眩光,并有很大可能改善夜间驾驶的交通安全。


五、司机关于自适应远光灯的评价


在Sprute[2012]驾驶任务研究后,所有测试人员都填写了一份调查问卷,评估了相比起普通近光灯,测试者对测试系统的安全印象,技术,系统接受度和满意度等指标的评价。

表4

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表4反映了三种自适应系统的结果。参与者从1至5评价这些问题,1表示完全认同,5表示完全反对。问题3,6,8,17涉及比较。答案变化范围小于1,表明结果较好地反映平均的用户意见。

题1,9,10,16关注的是由系统决定照明变化的接受度。问题2,3,6,14,19涵盖了技术,功能认知和接受度的问题。


六、安全改进


A

更好的灯光补偿

许多文献和出版物都讨论追求更快的行驶速度是否会放弃或部分放弃安全性。在Sprute[2012]的调查中已记录近光灯和远光灯不同的行驶速度。但在ADB系统条件下尚没有研究数据,因此这些结果很可能代表一种最坏的情况,因为使用远光灯时没有检测到其他交通参与者。对于任何自适应驾驶系统(ACOL,MXB,ADB),前方或迎面车辆的存在很可能会不同于单独行驶于道路的情况。

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图17

分析从近光灯切换为远光灯的驾驶行为差异得,平均涨幅约为4公里/小时,即约 5%。


B

自适应远光灯系统的安全增益

Hummel[2009]的调查不仅涵盖了改进的可见距离,也预见了自适应远光系统对减少事故的作用。由于有了更好的视野,速度增加带来的风险也得到了补偿。Hummel引用文献表明时速增加5公里/小时,在70公里每小时下将有5.2米制动距离的延长,在100公里每小时行驶速度下制动距离将从77.8米增加到84.3米。根据调查,即使制动距离增加6.5米也不足以抵消矩阵系统的好处。

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图18

图18中驾驶员能够更好或更早地探测到交通状况,因此能够更早作出反应,降低了车祸的数量。自适应远光系统或矩阵系统探测距离有23米的改善,风险补偿后约有16.5米的改善。

在事故分析中,无光物体如路上的行人或障碍物也计算在内。计算得潜在事故减少率分别为74%和58%,与图19相吻合。


七、总结


许多研究项目涉及特定的自适应远光系统。这些调查的结果,分别体现了ADB系统的各项优点。

对动态测试的分析表明,即使限制了学习效果和距离的变化,探测距离仍有14-18米的改善。在速度为80公里/小时时,这将意味着反应时间增加了0.6-0.8秒,可以更早地制动,减少事故。在静态实验中得到的结果高于动态,但其中存在一些可行性的问题。

眩光调查显示,在德波尔评分下近光灯和自适应远光系统相似。实验中未记录到额外的眩光或干扰。欧洲前照灯的在眩光方面的性能良好。

问卷调查表明主观上矩阵光束系统优势明显,在所有自适应系统中列首位。

功能使用时间数据统计表明,在非城市地区,矩阵光束系统可以适用于98%的情况。这意味着从使用体验和安全方面来看,长时间使用近光灯都不适合。

在需要视觉任务现实实验中,系统的使用使得探测距离最高改善了18米。静态实验则表明改善程度超出45米。眩光调查显示,相比起优势,系统并没有产生巨大的负面影响。数据显示现代矩阵光束系统可以减少的事故比例在57%-74%之间。

综合过去十年各种研究报告,可以看出矩阵光束和自适应远光系统的应用对改善夜间驾驶有着显著的作用。




文章来自中国国际汽车照明论坛论文集