寫在前面

仿真、模擬、有限元分析、多物理場……這些術語是不是早已成為每位仿真人的“日常”？大家是否知曉其背后的技術原理和演進趨勢，正深刻地改變著世界？Ansys全新推出【Simulation Topics】系列專題，邀您一起探索仿真世界。本專題將以 “一期一會” 的形式，攜手各領域專家，圍繞Ansys全產品線的技術優勢，帶您深入解析流體、結構、電子設計及電磁仿真、光學、光子學、半導體、自動駕駛、汽車、聲學、航空航天、材料等多個關鍵領域，讓復雜的專業知識觸手可及。

自適應前照燈利用多種技術組合來控制前照燈的方向、距離、亮度和車燈光型，以便在夜間提供更好的照明，同時最大限度地減少對其他車輛駕駛員造成的眩光。

兩種常見的自適應前照燈系統類型，分別是自適應駕駛光束（ADB）系統和自適應前部照明系統（AFS）。自適應前照燈使用攝像頭、雷達、激光雷達和光傳感器，并結合天氣、速度和轉向信息，來主動應對不斷變化的駕駛環境。

大多數自適應前照燈系統，可以歸類為以下三種前照燈技術之一：

• 自動遠光燈：當車輛前方沒有其他車輛時打開遠光燈，檢測到其他車輛時切換回近光燈
• 彎道自適應前照燈：一種AFS系統，其可將一個或兩個前照燈光束調整到轉彎處，以便駕駛員可以更清楚地看到轉彎處
• 自適應駕駛光束前照燈（ADB）：調整駕駛光束不同區域的亮度，在未被占用的區域提供更多光線，在已被占用的區域減少光線

如今，大多數新車都配備了自適應遠光燈或在轉彎時大燈會自動轉動的系統，采用光型調節技術的自適應駕駛光束前照燈也已在歐洲投入使用。美國新采用的國家公路交通安全管理局（NHTSA）標準已促使向美國市場銷售產品的汽車制造商和供應商展開競爭，以開發符合新標準的產品。特別是FMVSS 108標準，其定義了仿真在ADB虛擬認證中的應用。

自適應前照燈的優勢

大量數據顯示，車輛與車輛之間以及車輛與行人之間的事故在夜間更為普遍，高達76%的涉及行人的致命碰撞事故發生在夜間。在所有交通事故記錄中，12%-15%都將迎面車輛的前照燈眩光列為一個事故因素。新型系統使駕駛員能夠觀察到更多情況并看到更遠的道路，因此產生了積極影響，將行人與車輛的碰撞事故減少了多達23%。

這些數字，促使特斯拉、奧迪、寶馬、福特、本田、梅賽德斯-奔馳、保時捷和豐田等汽車制造商開始探索全新的自適應照明技術。目前，這項技術并不是強制性的。不過，汽車制造商認為，各種形式的自適應前照燈可為消費者提供額外的安全功能，并在競爭激烈的市場中使其新車脫穎而出。

自適應前照燈的工作原理是什么？

如今，前照燈不再是由反射器中的一個近光燈和一個遠光燈組成（配有手動開關來單獨或同時打開或關閉），現代的前照燈是具有軟件、復雜組件和車輛網絡接口的先進系統。

為了提供自動遠光燈、轉彎照明和光型調節功能，每個制造商都有自己的配置和系統，但其中大多數組件可以分為以下幾種類別。

傳感器

各種傳感器可收集信息，包括轉向、車速、照明條件、天氣、駕駛條件、道路寬度以及其他車輛的位置。新款車型現在還使用GPS位置和地圖數據來主動向系統提供信息。傳感器可以像車輛上已安裝的光學或熱/紅外攝像頭以及雷達、激光雷達或聲納測距設備一樣復雜，它們已經在車輛上用于支持其他安全系統。這些設備可提供物體的尺寸、位置和速度信息，尤其是迎面而來的汽車的信息。較簡單的傳感器可提供方向盤的位置、環境照明條件和天氣信息。ADB系統的準確運行取決于在傳感器和ECU之間建立精確的反饋回路，以幫助執行必要的操作。

軟件和電子設備

來自傳感器的信息被傳輸到自適應前照燈控制硬件，以便驅動系統的控制軟件能夠適應當前情況。電子設備可以集成到前照燈總成、單獨的控制單元或車輛控制計算機中。除了控制功能外，軟件和電子設備還可為前照燈總成提供具有適當電壓、脈寬調制（PWM）和質量的電源。

前照燈總成

自適應前照燈系統的主體由前照燈總成本身組成。控制系統會將旋轉方式、每個光源的亮度以及自適應駕駛光束的亮區和暗區等信息告知該總成。最重要的是，前照燈總成包含光學光路徑。工程師利用廣泛的仿真和原型設計來優化總成的光學特性。

以下是對前照燈總成中每個子組件的描述：

外殼

前照燈總成被封裝在一個與環境隔離的外殼模塊中，集成在車輛前部，可以作為一個整體進行更換。

透鏡和反射器

每個光源的光束形狀和質量，都是由外殼組件前部內置的光學透鏡或光源后面的反射器來控制的。有些反射器是自適應的，可以根據自適應系統的指示進行調整或傾斜。

致動器

許多自適應前照燈系統使用步進電機或致動器來移動光路徑中的組件或旋轉整個總成的指向方向，從而改變前照燈光束。前照燈總成中的致動器需要足夠穩健，以承受車輛沖擊和振動、極端天氣條件以及滿足長時間的日常使用需求。

光源

光源是任何自適應前照燈系統的核心。在一些新車型中，光源由一個或多個鹵素燈泡、氙氣投影燈、LED燈、LED矩陣或激光器組成。光源的類型決定了其成本、光色和強度。每種光源類型都有其優缺點，但LED燈或矩陣組件憑借其控制和亮度優勢，成為了當前首選的光源。

光型調節

為了實現所需的光型（光束圖案），人們會使用多種技術來調節光束中不同區域的亮度，通過選擇性地產生或掩蔽光線，來塑造目標光型。下面是幾種最常見的方法：

• 掩蔽：最簡單的方法是使用一塊有色材料來遮擋光束的頂部，從而在檢測到迎面車輛時關閉遠光燈，遮蔽特定車輛，或阻擋光線照射到道路一側。也可以將固定式LCD濾波器放置在光源和透鏡之間的光路徑中，以選擇性地掩蔽光束。
• 微鏡：這些光型調節系統的工作原理與數字光處理（DLP）投影儀類似，其中向后的光源將光投射到微鏡組件上，然后微鏡組件將具有所需亮度圖案的光反射出去，通過透鏡投射到前方。這種方法不僅可以提供選擇性遮蔽，還可用于將信息投射到車輛前方的路面上。
• LED矩陣：最常見的光型調節方法，通常稱為自適應LED前照燈，它采用的是排列成矩陣的小型明亮LED燈陣列。其中，每個LED都像是一個像素，可以根據需要調亮或調暗。

熱管理系統

無論采用哪種光源，產生強光都會帶來大量熱量。然而，LED等新型光源產生的紅外能量比舊系統產生的紅外能量更少，而舊系統以前可以利用這種能量來融化透鏡上的雪和冰。因此，熱管理解決方案是強大的自適應前照燈系統的一個重要部分，其能讓光源、電源系統和電子設備保持冷卻，同時將多余熱量轉移到透鏡組件。 

仿真如何助力自適應前照燈設計

無論是對于簡單的遠光輔助系統，還是最新的AFS，設計自適應前照燈系統的工程師都需要應對以下幾項重大挑戰：

1.車輛沖擊和振動

2.封裝

3.響應時間

4.眩光

5.光源位置與光型

6.熱管理

7.熱循環

8.系統集成

9.安全標準

10.性能優化

11.成本降低

12.系統驗證/夜間駕駛測試

大多數汽車制造商已經將由仿真技術驅動的產品開發集成到設計流程中，以克服這些挑戰，并優化不斷發展的自適應前照燈系統。仿真在自適應前燈系統中最常見的應用方式如下：

組件光學設計與優化

利用仿真對前照燈總成中的光源、透鏡、有源和無源反射器進行建模。許多前照燈專家都使用Ansys Zemax OpticStudio軟件來優化每個組件和光學裝配體。該工具的參數化特性、直觀的用戶界面和快速求解時間，使用戶可以輕松查看自適應系統可能遇到的各種光學情況。

可定制的等照度線和區域（上）以及不適眩光仿真（下）

虛擬光學性能可視化

完成組件的光學設計后，工程師就可以將生成的光束放入系統級建模工具（如Ansys Speos軟件）中，以將車輛駕駛員沿道路行駛時所看到的情況可視化。在構建原型之前，就可以對每種可能的駕駛條件進行仿真，以查看系統的性能表現。更進一步，利用Ansys AVxcelerate Headlamp軟件等實時仿真工具，可以對整個系統進行虛擬夜間駕駛測試，并測試整個系統在各種駕駛場景下的行為。在開發ADB系統的過程中，夜間測試是成本最高且最耗時的步驟之一，而借助仿真來進行道路測試和驗證，可以大幅減少時間和成本投入。

車燈校準墻（上）和交互式亮度/照度仿真（下）

機電設計與優化

包括連接器、致動器、前照燈組件、電子模塊和電源系統在內的組件和裝配體，都會承受電氣和機械載荷。對于這些載荷，我們可以在設計流程的早期階段通過以下工具進行調查和設計：

• 用于機械組件和裝配體的Ansys Mechanical軟件
• 用于電子組件/裝配體的Ansys Sherlock軟件
• 用于電機和致動器的Ansys Maxwell軟件

對于熱管理，可以使用Mechanical軟件、Ansys Icepak軟件或Ansys Fluent解決方案進行仿真。

控制軟件驗證與確認

由于控制軟件是各類自適應汽車系統的重要組成部分，因此，可以使用Ansys SCADE Suite這樣的工具對前照燈控制軟件進行建模和開發。通過將AVxcelerate Headlamp軟件等仿真工具相結合，用戶可以驗證和測試控制軟件在任何情況下的行為，并可以虛擬評估法規要求。