Средства измерений Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 13 УДК 621.326 АДАПТИВНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВЕТОТЕХНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ Сернов С.П., Балохонов Д.В., Колонтаева Т.В., Журавок А.А. Белорусский национальный технический университет, г. Минск, Республика Беларусь Рассмотрены основные принципы реализации современных адаптивных систем сигналь- ного светотехнического оборудования транспортных средств, проведен анализ исполь- зуемых оптических систем; обоснована необходимость применения светодиодов. При- водится конструкция оптической системы заднего адаптивного комбинированного све- тодиодного фонаря транспортного средства с несколькими уровнями силы света, об- суждается алгоритм его работы в различных режимах. (E-mail: ssernov@bntu.by) Ключевые слова: адаптивные системы световой сигнализации, светодиоды, светодиодный фо- нарь, автомобили. Введение Возрастание скорости движения транс- портных средств явилось первопричиной из- менения подходов к обеспечению безопасно- сти дорожного движения, в том числе повы- шению требований к световым характеристи- кам сигнального светотехнического оборудо- вания. Согласно экспертным оценкам [1], при увеличении скорости транспортного средства с 40 до 80 км/час сила света задних огней должна возрасти в 2 раза, передних – в 3 раза, боковых – в 4 раза. Динамика изменения тре- бований к величине силы света в условиях дневного освещения для углов наблюдения в пределах 3 ° приведена на рисунке 1. Функ- циональное отличие зависимостей силы света для огней разного цвета обусловлено различ- ной спектральной чувствительностью трех типов колбочек человеческого глаза, ответ- ственных за восприятие различных участков видимого спектра. Рисунок 1 – Изменение требований к значениям силы света сигнальных устройств в зависимости от скорости движения (расстояния) до автомобиля [1] Средства измерений 14 Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 Вместе с тем в силу отличия функцио- нальной яркостной зависимости фактора адап- тации F человеческого глаза в условиях ското- пического (малой освещенности) и фотопиче- ского (большой освещенности) зрения следует учитывать влияние условий освещения на све- товые характеристики сигнальных приборов [2, 3]. В условиях скотопического зрения фактор адаптации F пропорционален яркости, а в усло- виях фотопического – кубическому корню из ее значения. Поэтому сила света сигнальных при- боров в темноте, при движении ночью, должна быть значительно меньше, чем днем, чтобы из- бежать ослепления водителей. В настоящее время существуют различные автомобильные системы активной безопасно- сти, контролирующие скорость и дистанцию: системы предупреждения столкновения с тран- спортным средством и пешеходами, позво- ляющие избежать столкновений при движении в городе на скорости до 30 км/час. Однако не все системы эффективно действуют в ночное время и в условиях плохой видимости. Приме- ром современных инженерных решений в обла- сти автомобильной светотехники является адаптивная система фар головного света (Advanced Frontlighting System – AFS), способ- ная автоматически контролировать направле- ние освещения в зависимости от угла поворота колес и скорости автомобиля. Основная часть Для уменьшения числа аварий, связанных с экстренными ситуациями на дорогах, в усло- виях, когда требуется эффективное торможе- ние, среди интеллектуальных средств защиты наряду с другими упреждающими системами безопасности наиболее перспективными явля- ются адаптивные системы световой сигнализа- ции с функцией анализа замедления автомо- биля или при срабатывании антиблокировоч- ной системы на скорости выше 30 км/час. Эти изменения учтены в серии поправок в международных нормах по сертификации транспортных средств. Например, начиная с 2007 года в Правилах ЕЭК ООН № 6 наряду с наиболее распространенными указателями по- ворота категории 2а, фигурируют огни новой категории 2b, для которых предусмотрены 2 режима функционирования (2 уровня силы света) днем и ночью, причем минимальное значение силы света днем составляет 175 кд (ночью – 40 кд), что значительно превосходит световой режим огней категории 2а с мини- мальным значением 50 кд. Аналогичные изме- нения предусмотрены и для других функцио- нальных огней, за исключением фар заднего хода [4, 5]. Все новые редакции Правил ЕЭК ООН предусматривают возможность установ- ки модулей источников света, в том числе с несменными источниками света на светодио- дах. Широкое применение светодиодов в каче- стве несменных источников света для сиг- нальных огней всех категорий обеспечивают неоспоримые преимущества этих источников света [6, 7]. Существует несколько подходов построе- ния задних адаптивных сигнальных систем (Adaptive Rearlighting Systems – ARS), отлича- ющихся способом визуализации и алгоритмом работы. Например, авторами работы [8] пред- ложена конструкция заднего многосекционного адаптивного фонаря с функциями совмещен- ного заднего габарита и стоп-сигнала (R/S), сгруппированного с задней фарой (AR) и про- тивотуманным огнем (F) на основе нескольких кластеров светодиодов белого и красного цвета. На рисунке 2 приведен алгоритм работы фонаря в зависимости от условий внешнего освещения, тормозных усилий и направлений перемещения автомобиля. Секция совмещен- ного габарита и стоп-сигнала (R/S) состоит из двух основных (рисунок 2а, б) и двух допол- нительных кластеров красных светодиодов, расположенных слева и справа от основной и отличающихся формой и количеством свето- диодов. Основной кластер представляет собой 2 цепочки из 11 светодиодов, с возможностью функционирования в двухуровневом режиме: низкий режим (1-го уровня с малой силой све- та) (R1/S1) ночью (рисунок 2а) и высокий ре- жим (2-го уровня) (R2/S2) для индикации днем (рисунок 2б). Предусмотрено изменение силы света цепочек основного кластера в зави- симости от тормозного усилия, определяюще- го условия замедления автомобиля (рисунок 2в, г), и включение дополнительного кластера большей площади с удвоенным числом свето- диодов в случае экстренного торможения (ри- сунок 2д). При движении в тумане слева от основного кластера включается левая секция заднего противотуманного фонаря (рисунок 2е), обеспечивающая режим 1-го уровня с ма- лой силой (F1), которая при ухудшении по- годных условий изменяет силу света в соот- Средства измерений Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 15 ветствии с режимом 2-го уровня (F2), т.е. реа- лизуются функции адаптивного заднего про- тивотуманного фонаря в соответствии с новой редакцией Правил ЕЭК ООН № 38. К сожале- нию, нет сведений об алгоритмизации вклю- чения этой опции фонаря; возможно, как и в случае включения режимов габаритного и стоп-сигналов, в качестве критерия использу- ется уровень внешней освещенности. Секция задней фары (AR) состоит из четырех цепочек белых светодиодов, из них 2 центральные включаются одновременно при движении ав- томобиля задним ходом прямо (рисунок 2ж), а левая и правая включаются дополнительно при соответствующих поворотах рулем (рису- нок 2з, и). Рисунок 2 – Режимы работы адаптивного заднего комбинированного фонаря [8] В целом алгоритм функционирования рассмотренной конструкции ARS полностью отвечает современным представлениям о зад- них адаптивных сигнальных системах, однако уровень их реализации с использованием кла- стеров, состоящих из множества светодиодов, не отвечает требованиям по надежности таких систем. В основу визуализации эффектов от внешних воздействий и условий движения по- ложены изменения силы света и площади све- тоиспускающей поверхности отдельных сек- ций фонаря, хотя совмещение в одном класте- ре функций стоп-сигнала (S2) и заднего про- тивотуманного огня (F2) представляется не- удачным. Факультативные опции указателей поворота в секции задней фары при наличии штатных указателей поворота и их повторите- лей излишни. Аналогичное решение предлагается в работе [9], в которой число светящихся светодиодов в линейке дополнительного сигнала торможения (S3), расположенного в салоне автомобиля, про- порционально ускорению замедления. С 2005 г. в странах ЕС одобрено приме- нение адаптивных стоп-сигналов (Adaptive Brake Lights – ABL), активируемых электрон- ной системой стабилизации (ESP) во время резкого торможения транспортного средства при скорости свыше 50 км/ч, в результате че- го стоп-сигналы начинают функционировать в Средства измерений 16 Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 импульсном режиме с частотой вспышек 1,5– 2,5 Гц, как показано на рисунке [10, 11]. Проведенные исследования показывают, что прерывистый свет стоп-сигналов суще- ственно уменьшает количество аварий как в светлое, так и в темное время суток за счет значительного улучшения реакции водителей на сигнал – на 0,23 с [12, 13]. При этом тор- мозной путь автомобиля на скорости 80 км/ч уменьшается на 4,4 м, на скорости 100 км/ч – на 5,5 м. Сегодня такие фонари входят в стан- дартную комплектацию автомобилей преми- ум-сегмента S класса, и число их неуклонно растет. Стремление обезопасить участников дви- жения от «догоняющих» столкновений реали- зовано в конструкции универсальных адап- тивных стоп-сигналов от фирмы The Third Eye [14], в которых предусмотрено 3 уровня визуального предупреждения, отличающихся частотой и длительностью вспышек стоп- сигналов в диапазоне скорости замедления (6–8 м/сек2), т.е. (0,6–0,8 g). Пороговое уско- рение, при котором начинается мигание стоп- сигналов, определяется акселерометром и со- ставляет –5 м/сек2. В работе [15] предлагается учесть измене- ние замедления автомобиля при движении под уклон или на подъем, то есть учесть ускорение, обусловленное силой тяготения, значение ко- торого может достигать 0,25 g. Нивелировать этот эффект позволяет компьютерная обра- ботка сигнала от акселерометра или примене- ние нескольких акселерометров, измеряющих составляющие ускорения по нескольким вза- имно перпендикулярным осям для определения модуля и направления суммарного ускорения, действующего на автомобиль. Оптимальным вариантом является применение датчиков рыв- ка (jerk), определяющих ускорение как изме- нение скорости. Таким образом, в основу функционирова- ния современных адаптивных задних сигналь- ных систем, которые адаптируются в виде из- менений силы света, его частотных характери- стик и площади свечения светоиспускающих поверхностей огней, положен анализ условий освещения и динамики движения автомобиля. Существующие решения оптических си- стем адаптивной светотехники предполагают использование кластеров светодиодов, инте- гральное излучение которых обеспечивает про- странственное распределение силы света в со- ответствии с фотометрическими спецификаци- ями ТНПА. Известно множество вариантов по- строения оптических систем, в которых излу- чение светодиодов предварительно трансфор- мируется элементами вторичной оптики в виде системы линз Френеля и микрорефлекторов. Общим недостатком такого решения является необходимость использования большого числа светодиодов, которые в основном и определяют стоимость изделия. Прогресс технологии позволил много- кратно увеличить эффективность светодиодов, в результате чего стало возможным использо- вание одного мощного светодиода в качестве источника света одного независимого огня. Та- кое решение обеспечивает непревзойденную конструктивную надежность источника света и возможность его адаптации по всем ранее рас- смотренным критериям. Ключевым элементом оптической системы задней адаптивной сигна- лизации, состоящей из совокупности независи- мых модулей, каждый из которых выполняет функцию независимого или совмещенного ог- ня, является асферическая линза большого диаметра, обеспечивающая одновременно тре- буемое пространственное распределение силы света и визуализацию огня с комфортным зри- тельным восприятием. На рисунке 3 приведены зависимости пространственного распределения силы света указателя поворота категории 2а и минимальные значения фотометрических спе- цификаций в соответствии с требованиями Правил ЕЭК ООН № 6 . Как видно из рисунка 3, вторичная оптика обеспечивает удовлетворительную корреляцию пространственных распределений силы света, что позволяет с учетом идентичности требова- ний по распределению силы света различных категорий огней унифицировать ее примене- ние. Поскольку вторичная оптика обладает осе- вой симметрией, это обеспечивает реализацию любых дизайнерских решений при компоновке оптических модулей в фонаре. Более того, в этом случае существенно упрощается процесс адаптации оптических модулей системы, по- скольку процедура сводится к выбору электри- ческого режима работы драйвера светодиода. На рисунке 4 приведена разработанная ав- торами статьи блок схема управления адаптив- ной системой сигнализации, состоящая из мо- дуля питания, микроконтроллера, сопряжен- ного с системой первичных преобразователей, и светодиодов оптических модулей, управляе- Средства измерений Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 17 мых полевыми транзисторами. Модуль пита- ния с интегрированным индуктивным элемен- том выполнен в виде мощного синхронного регулятора напряжения, имеет низкий уровень электромагнитных помех (EMI) и удовлетво- ряет стандарту EN55022 (class B). В качестве первичных преобразователей возможно ис- пользование сигналов акселерометров систем торможения Brake Assist System (BAS) или Electronic Brake Distribution (EBD) и встроен- ного в фонарь фоточувствительного элемента, выходной сигнал которого зависит от условий внешнего освещения и технического состоя- ния изделия. С и л а св ет а, к д Номер точки по таблице Рисунок 3 – Пространственное распределение силы света указателя поворота При изменении погодных условий, загряз- нении, ухудшении прозрачности рассеивателя фонаря в результате естественного старения полимеров или абразивного износа сила света остается в пределах поля допуска согласно тре- бованиям Правил ЕЭК ООН. Поскольку в си- стемах сигнализации для повышения надежно- сти стоп-сигналов практикуется постоянное резервирование, один из них может допол- нительно управляться акселерометром, обеспе- чивая прерывистое свечение в случае экстрен- ного торможения. Кроме того, дополнительный стоп-сигнал может при этом излучать красный свет другого диапазона длин волн, например 650–655 нм, отличный от цвета основного огня, например 620–625 нм. Это позволяет предложить новый принцип функционирования адаптивных систем, допол- нив их возможностью изменения колориметри- ческих характеристик света при внештатных ситуациях, с учетом выполнения требований Правил ЕЭК ООН. Очевидно, что выбор обоих источников света должен удовлетворять крите- рию эллипсов Мак-Адама для обеспечения нужного цветового контраста. В отличие от ра- нее рассмотренных решений, предлагаемая оп- тическая схема позволяет легко реализовать эту идею выбором соответствующих светодиодов. Средства измерений 18 Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 Рисунок 4 – Блок-схема управления адаптивной системой сигнализации Заключение Обеспечение безопасности транспортного движения в светлое и темное время суток, а также в условиях плохой видимости предпола- гает развитие интеллектуальных систем осве- щения и сигнализации, логично дополняющих и взаимодействующих с иными адаптивными системами транспортного средства. Проведен анализ построения адаптивных сигнальных си- стем на основе светодиодов, их основных ха- рактеристик и элементной базы. Разработана концептуальная конструкция адаптивного све- тодиодного заднего комбинированного фонаря. Предложен новый принцип функционирования адаптивных систем торможения на основе раз- личия колориметрических спецификаций стоп- сигналов. Список использованных источников 1. Paine, M. Daytime Running Lights for Motorcy- cles / M. Paine [et al.] // Optusnet [Electronic re- source]. – 2010. – Mode of access: http://mem- bers.optusnet.com.au/carsafety/esv19_paine_mc _drl.pdf/ – Date of access : 15.09.2011. 2. Moroney, N. Field Trials of the CIECAM02 Col- or Appearance Model / N. Moroney, H. Zeng // Hewlett-Packard [Electronic resource]. – Mode of access : www.hpl.hp.com/personal/Nathan_ Moroney/cie-2003-moroney.pdf. – Date of ac- cess : 10.07.2008. 3. Балохонов, Д.В. Колориметрические систе- мы, применяемые при измерении цветовых характеристик светодиодов и светодиодных светотехнических изделий / Д.В. Балохонов, С.П. Сернов, О.Б Тарасова // Метрология и приборостроение. – 2009. – № 3(46). – С. 3– 10. 4. UNECE Regulation No.7. Uniform Provisions Concerning the Approval of Front and Rear Posi- tion (Side) Lamps, Stop Lamps and End-outline Marker Lamps for Motor Vehicles (Except Mo- tor Cycles) and Their Trailers / UNECE [Elec- tronic resource]. – 2006. – Mode of access : http://live.unece.org/fileadmin/DAM/trans/main/ wp29/wp29regs/ R007rev5_r.pdf. – Date of ac- cess : 22.09.2011. 5. UNECE Regulation No.38. Uniform Provisions Concerning the Approval of Fog Lamps for Power-driven Vehicles and Their Trailers / UNECE [Electronic resource]. – 2005. – Mode of access : http://live.unece.org/fileadmin/DAM/ trans/main/wp29/wp29regs/r038r2e.pdf. – Date of access : 22.09.2011. Средства измерений Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 19 6. Годовицын, И.В. Срок службы сверхъярких светодиодов. Причины отказов / И.В. Годови- цын // Сверхъяркие светодиоды [Электрон- ный ресурс]. – 2007. – Режим доступа: http://www.bright-leds.ru/page-lifespan.html. – Дата доступа : 9.09.2007. 7. Сернов, С.П. Вторичная неизображающая оп- тика модуля несменного источника света / С.П. Сернов, Д.В. Балохонов, А.С. Журавок // Высокие технологии, фундаментальные ис- следования, образование. Т.2: Сборник тру- дов седьмой международной научно- практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», 28-30.04.2009, Санкт- Петербург, Россия / под ред. А.П. Кудинова, Г.Г. Матвиенко. – СПб. : Изд-во Политехни- ческого университета, 2009. – С.143–144. 8. Adaptive rear lamps // Magneti Marelli [Elec- tronic Resource]. – 2011. – Режим доступа : http://www.magnetimarelli.com/english/automoti ve_fanali_adattivi.php. – Mode of access: 25.09.2011. 9. Roughan, C. Adaptive Brake Lights: an Investi- gation into their Relative Benefits in regards to Road Safety / C. Roughan // Queensland Univer- sity of Technology ePrint Archive [Electronic re- source]. – 2010. – Mode of access : http:// eprints.qut.edu.au/16335/1/Craig_Roughan_Thes is.pdf. – Date of access : 26.10.2011. 10. Evaluation of emergency brake light display (EBLD) systems //UNECE Official Site [Elect- ronic resource]. – 2010. – Mode of access : http://www.unece.org/fileadmin/DAM/trans/doc/ 2004/wp29gre/TRANS-WP29-GRE-53-02e.pdf. – Date of access: 26.10.2011. 11. Study of perspective aspects of equipping vehi- cles with an informative brake signaling system (IBSS) // UNECE Official Site [Electronic reso- urce]. – 2010. – Mode of access : http:// www.unece.org/fileadmin/DAM/trans/doc/2004/ wp29gre/TRANS-WP29-GRE-52-35e.pdf. – Date of access : 26.10.2011. 12. Adaptive Brake Light // Mercedes 500SEC.com [Electronic resource]. – 2010. – Mode of access : http://500sec.com/adaptive-brake-light. – Date of access : 26.10.2011. 13. Schoeneburg, R. Enhancement of active & pas- sive safety by future pre-safe® systems / R. Schoeneburg, T. Breitling // National High- way Traffic Safety Administration [Electronic resource]. – 2010. – Mode of access : http:// www.nrd.nhtsa.dot.gov/pdf/esv/esv19/05-0080- O.pdf. – Date of access : 4.10.2011. 14. Adaptive Brake Light (ABL) // The Third Eye [Electronic resource]. – 2011. – Mode of access : http://feliogroup.com/swf/adaptive-brake-light. swf?width=480&height=400. – Date of access : 15.09.2011. 15. Кротков, А. Идеальный стоп-сигнал / А. Крот- ков // EVROAVTOMOBILES.RU [Electronic resource]. – 2008. – Mode of access : http:// www.euroavtomobiles.ru/art19-3.html. – Date of access: 14.10.2011. Sernov S.P., Balokhonov D.V., Kolontaeva T.V., Zhuravok А.А. Adaptive optical systems lighting equipment vehicles This article describes the main principles of implementation of modern adaptive signal lighting equip- ment of vehicles, provides an analysis of optical systems are used, the necessity of the use of LEDs. We pre- sent the design of adaptive optical system, rear combination LED lamp of a vehicle with several levels of in- tensity, we discuss the algorithm of its work in different modes. (E-mail: ssernov@bntu.by) Key Word: adaptive signal lighting, adaptive optical system, LED lamp, vehicle. Поступила в редакцию 12.09.2011.