汽车前照灯前束灯光标定方法及故障应对策略
时间：2023-03-10 17:35:05 来源：千叶帆 本文已影响人
李祥兵
（神龙汽车有限公司， 湖北 武汉 430060）
车灯是最重要的功能件之一，前照灯中的近远光是汽车主动安全的重要部分。灯光在给驾驶员提供充足的路面照明和宽广的视野时，还要保证不对其他道路使用者产生眩目等干扰。通常，当一只合格的前照灯装配到车身上后，理论上，灯光的高度和水平宽度是不用调整的，但由于装配工艺、车身尺寸的误差导致前照灯在整车上会发生位置偏移，以及照明距离远（法规规定10m光屏距离），车身姿态的微小变化都会引起灯光光束的较大距离偏差。为确保一只单件合格的前照灯装配到车身上后，其灯光高度和宽度仍然是合格的，就需要对前照灯在前束上进行灯光检查调整，使前照灯在整车下线之后，灯光仍然满足法规的要求。对主机厂而言，为减少灯光调节工作量，通常会要求供应商基于主机厂标定好的灯光样件自行对成品前照灯的水平宽度调整到中值，这样标定之后的前照灯装配到车上后，理论上不用再次调整。而在灯光的标定和调整过程中，通常会出现各种各样比较复杂的问题，工程师需要花费大量的时间去调查根本原因。为走出这种困境，就需要一套完整的标定方法及灯光标定故障的应对策略，使灯光标定更加科学合理。
1.1 垂直三角形调光原理
前照灯灯光调节是通过本身的涡轮和蜗杆机构来实现的。图1为垂直三角形调光原理。在设计阶段，反射镜的背面设计有3个球头紧固点，其中，A，C两点为活动结构，B为固定结构。AB构成的连线与BC构成的连线相互垂直。当对A点进行调节时，整个反射镜会围绕BC轴线进行旋转，则截止线将进行水平方向（宽度方向） 的调节；
当对C点进行调整时，整个反射镜会围绕AB轴线进行旋转，则近光截止线将进行垂直方向（高度） 的调节。通常，对于水平方向的调节，车灯厂在出厂之前标定到中值即可，在整车上不用再次调节。垂直方向的调节，需要在整车前束台上将灯光高度标定到0.7～0.9H之间（其中H为前照灯基准中心高度）。而在实际的使用过程中，高度的调节可以分为手动调节、静态调节和动态调节。手动调节一般是借助专用工具或在驾驶室内通过旋转灯光调节旋钮来实现，而静态调节和动态调节是通过车身高度传感器来实现。
图1 垂直三角形调光原理
1.2 前束检测台构成
前束试验台主要由集光箱、龙门框架、行走定位机构、校准工具构成。如图2所示。集光箱是利用凸透镜聚焦的原理，把法规规定的凸透镜放在车辆前方，将离前照灯光学中心10m远的光屏上的成像转化为很小距离的光板成像，并利用CCD技术把成像转化为数字信号进行处理。整车厂前束台主要标定近光高度并保证符合法规规定的范围，测量近光的宽度，测量左右前照灯处于远光状态下的光强，与此同时，它也对远光的高度、宽度以及前雾灯的高度进行标定。
图2 前束测试台构成及原理
1.3 截止线的形成原理
对于单个模组（投射式或反射式） 形成的近光，其截止线的形成主要有两种方式：一是依靠遮光板来实现，即遮光板加工成截止线的形状，然后通过透镜成像原理来形成清晰的截止线，投射式前照灯模组一般采用这种方式；
另外一种方式通过反射镜的曲面设计来形成截止线，这种方式主要用于反射式前照灯。对于多个模组的前照灯，一般依靠几个模组的组合来形成截止线，这种组合方式也分为2种：一种是各个模组均形成各自的截止线，然后重叠在一起，形成总的截止线；
另外一种是其中一个模组形成截止线，其余的模组对截止线的水平段部分进行补光。这两种方式各有优劣，都能形成相对比较清晰的截止线。
ECE配光方式有两种：一种是在配光屏幕上，明暗截止线左侧与水平基准线h-h重合，明暗截止线右侧与水平基准线呈15°夹角；
另外一种配光方式，灯光在屏幕上投影呈Z字型，明暗截止线左侧部分在水平基准线以下250mm处，右侧部分则与水平基准线呈45°夹角。如图3所示。中国国内近光明暗截止线一般采用Z字型样式。
图3 明暗截止线原理
根据GB7258照明系统的要求，在离车辆前照灯近光光源中心位置到车辆前方10m处放置一个光屏，乘用车前照灯明暗截止线（15°或45°） 拐点位置高度应位于0.7H～0.9H之间（其中H为前照灯基准中心高度）。对于宽度而言（俗称灯宽），其明暗截止线的拐点向左偏移不允许超过170mm，向右偏移不允许超过350mm。这个要求考虑了车身尺寸、工艺波动等多个因素，甚至有时车身波动大于灯的调节范围的情况。对于灯具厂的车灯而言，一般水平方向规定：0±0.5%（±0.28°），即要求车灯在出厂时，截止线拐点尽可能在中值附近，这样灯装在整车上后，理论是不用调整就可以保证灯宽合格。
对于光强的要求，要求单个前照灯远光（一般为近光加远光） 的光强应至少大于30000cd，左右远光光强之和应不大于220000cd。在现有的技术水平下，一般卤素灯光强在40000～50000cd为正常范围，LED前照灯为50000～70000cd为正常范围。表1为乘用车近远光法规要求。
表1 乘用车近远光法规要求
主机厂的调光设备虽然型号各不相同，但截止线捕捉原理基本相似，一般有以下两种算法。
3.1 最大梯度法
最大梯度法是一种向量（vector） 法，即函数在该点的方向导数沿该方向得到最大值，函数在该点沿该方向（梯度方向） 变化最快，变化率为最大值。如图4所示，y=f（x）为截止线的外轮廓，直线l与截止线轮廓形成2个交点A，B。通过明暗过渡区找到明暗截止线，并且以截止线的曲率变化的最大梯度点C作为拐点。
图4 最大梯度法
采用该方式，光型的品质对捕捉结果影响很大，例如，在截止线中出现光斑或是光型缺失，会导致截止线变化最大点发生在光型较差的区域，从而影响拐点的选取。
3.2 图形特征法
如图5所示，图形特征匹配需要先在一幅图像中确定出特征，然后再在待匹配图像中利用约束条件在一定范围内搜索相似特征。该方法主要包含3个过程：①特征检测；
②特征相似性度量；
③搜索策略。
图5 明暗截止线检测及识别算法流程图
在实时匹配这类运用中，主要从3方面来提升匹配的可靠性：①尽量减小基准图大小，并通过分区约束等方法减少匹配搜索范围；
②尽可能选择特征明显、不受外界影响的图形作为基准图形；
③选择具有鲁棒特征的提取方法。在近光明暗截止线的获取上，通常以暗区至亮区变化点作为截止线，得到截止线后，用截止线的图形特征进行自动拐点搜索并计算匹配得到。
某项目采用矩阵反射式LED前照灯设计，近光采用2个反射镜结构且呈水平方向布置，靠近车辆纵中轴面的反射镜用于形成15°截止线，靠近车辆外侧的反射镜主要用于给截止线下侧区域补光。
4.1 灯光标定前的准备工作
在设计阶段，要求远光灯垂直方向HV点高度不能超过近光灯拐点0.2H（H为近光光学中心离地高度）。反射镜注塑和镀铝品质稳定，截止线要光顺，配光室截止线水平度和清晰度测量均符合要求（其中水平度＜0.2，清晰度0.2～0.45）。确认近光截止线计算方法，一般采用优选图形特征法更加精确。保证在线光检设备能对近光灯特殊点进行监控（25L、25R、50L、50R、75R，第4区），测试电压为13.2V时，75R≥25lx，50R≥20lx，50V≥6lx，25R≥5lx，25L≥5lx，Ⅳ≥5lx。灯具厂在线近光拐点中值的设置，由主机厂车身上标定的近光拐点位置确定。如果设备为自动调光，则近光拐点中值控制公差为±0.5%；
如果设备为手动调光，中值控制公差为±0.8%。所有光检合格的前灯，灯壳上有光检合格标识。
4.2 灯光标定
1） 确认车身尺寸是否稳定。与主机厂总装工艺确认前照灯近光截止线类型（15°截止线或45°截止线）。如果是模组，明确该模组沿用的相关车型，确认前束台灯光捕捉算法。然后对前束台光检参数（远光光学中心离地高度、中心点距离、近光光学中心离地高度、中心点距离） 进行设置，并确认与理论光学中心坐标一致。当车身尺寸和工艺参数确认后，使用稳定的车身进行前照灯的灯宽标定。
2） 前束台一致性确认。通常，在主机厂总装前束台区域，一般至少有3个前束通道。其中一个通道主要用来标定前束台本身。这个标定工作分为两部分：①将灯箱的HV捕捉位置标定到理论位置；
②采用样架进行监测，一般每周监测一次捕捉位置，确认是否仍然在理论位置。另外2个通道用于生产线车辆灯光的标定和检测。项目某个阶段对前照灯进行灯光标定时，要确保同一台车在3个通道的灯宽值和灯光高度值不能大于0.5%，否则会因为前束台设备的因素导致灯光的标定结果存在很大差异。
3） 车灯的状态。在对前照灯标定前，车灯的尺寸状态必须稳定，车灯在车灯厂出厂前的灯宽和灯高数据合格且稳定。对于灯宽，由于主机厂一般不会在整车上对灯宽进行调整，车灯厂需要保证截止线拐点的水平位置必须尽可能在中值0.8%（国标对水平方向要求的范围为-1.7%～+3.5%）。
4） 更换前照灯（要求各个功能正常）。将车辆在颠簸路面上行驶，然后去总装前束台进行灯光标定。标定方法为：首先将近光灯宽值调至+0.9%，同时调灯高至合格范围，再调整灯宽至+0.9%，调整灯高至-1%。然后再进行颠簸路面的路试，重新上检测台，检测灯宽位置，如果灯宽不处于+0.9%位置，则调到+0.9%，灯高调到要求范围后再向下调整两圈螺纹。按照相同的操作步骤标定第2套前照灯，每套前照灯要用油漆笔将车辆信息、标定日期、近光高度和宽度参数标注在灯壳上，用胶水将所有的调光接口固定，完成标定样灯制作。如图6所示。
图6 灯光标定流程
如果标定后在主机厂出现灯宽不合格问题，则首先用封样前照灯装在故障车上在前束台进行装车检查。如果检测值与标定值相差±0.2%，则认为车身没有变化，需要车灯厂分析原因。如果检测值在合格的极限或者不合格，则按照上述步骤，重新进行灯光标定。
5.1 截止线拐点跳动
在整车前束台灯光标定中，前束屏幕上的十字光标来回跳动，光检台无法捕捉到正确的拐点。通常情况下，出现这种问题的原因为：近光时，正常状态的截止线只有一个最亮点A，并位于HV点下端；
如果在截止线水平段下部的其他区域还存在其它最亮点B，且该最亮点位于设备的扫描范围内，则设备在捕捉最亮点过程中，设备无法识别出哪个是正确的最亮点，就会在A，B之间来回捕捉。在这种情况下，一般从两个方面优化：对于前照灯而言，找到出现2个最亮点的原因，通过优化设计光型来解决。对于镀铝反射碗，优化镀铝工艺，从而消除不合适的最亮点B。另一方面，在前束屏幕上观察最亮点出现捕捉区域，通过优化设备的捕捉范围，将最亮点B的位置置于捕捉范围之外，即可以消除截止线捕捉抖动的问题。
5.2 无法发现拐点
前照灯无拐点，投到屏幕上后，截止线在拐点区域无明显拐点或表现为一段圆弧，导致系统无法正确捕捉。现场四轮定位调光时，前照灯零件与SGM设备匹配差异较大，拐点超出或处于调光界面极限，现场调整过度或调整无方向，容易造成过度调整。在这种情况下，首先要优化前照灯的光型，让明暗截止线更加清晰，同时保证15°或45°截止线角度能更清晰地显示出来。
有时，曝光度不足也是拐点无法捕捉的根本原因。曝光度是摄影技术的一个术语，指设备感受到光亮的强弱及时间的长短。所拍摄的物体越亮，相机的快门速度相应提高，光圈缩小，光圈和速度要互相配合，单一调整哪一个都不一定能拍出一张曝光准确的相片。反之所要拍摄的物体很暗，那么就要减慢速度，放大光圈才行。在前束上，对于不同技术的车灯，比如LED前照灯、卤素灯，由于LED前照灯的亮度普遍高于卤素灯，因此它所需的曝光度一般要小于卤素灯泡。
5.3 拐点不动
当截止线调节到一定位置时，发现拐点无法移动。在这种情况下，要检查车灯内部手动调节机构是否出现调节故障，导致无法传递机械动力，拐点无法调节。在这种情况下，最常见的是前照灯内部出现调节螺杆断裂、滑丝等故障。出现这种情况的原因比较多，从车身角度，要调研车身在近期是否有尺寸波动，导致在前束调节时，即使车灯调到极限位置，灯宽依然无法合格。从车灯的角度分析，要检查车灯内部在反射碗的运动过程中，是否存在干涉问题，导致手动调节结构无法调节。
5.4 远光光强不合格
在当前技术条件下，单远光一般很难完全满足路面照度的要求，因此，远光一般是近光和远光的合成。远光的照度一般在30000 ～220000cd 之间，如果远光光强低于30000cd，则说明远光光强出现问题。在这种情况下，一般先比较同一台车上左右前照灯光型的差异，如果有很大差异，就需要对远光的反射镜进行优化，使得左右光型完全一致。如果左右前照灯光型一致，则检查故障灯的偏转角度是否偏得非常厉害，如果偏得很厉害，就需要从车身的尺寸方面进行优化。
由于车灯在整车上的灯光状态必须符合法规要求，因此灯光标定是主机厂总装车辆下线的重要工作。由于受到多个因素影响，灯光标定一直是比较繁杂的工作。基于法规的要求及前束台灯光捕捉原理，本文重点论述了车灯灯光标定的方法以及标定过程中常见问题的应对策略。从标定流程和常见故障问题来看，前照灯的工艺状态、车身的尺寸状态以及前束测试台的参数设置是影响车灯灯光是否合规的重要因素。在设计的故障分析中，也要逐一分析三者的工艺稳定性，比如对于前束测试台，如果有好几个测试通道，要保证同一台车在各个通道上的测试结果误差在0.5%以内，否则，测试设备的误差将无法锁定故障的根本原因。
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